2024年4月17日，美国加州大学Kira E. Poskanzer研究组在Nature杂志上发表了一篇题为Network-level encoding of local neurotransmitters in cortical astrocytes的文章。该研究将特定的兴奋性和抑制性化学输入与特定星形胶质细胞Ca2+活性联系起来，并绘制星形胶质细胞可以对神经元回路产生影响的时空尺度。
星形胶质细胞是哺乳动物大脑中最丰富的非神经元细胞类型，通过钙信号响应和调节神经元活动。然而，控制星形胶质细胞输入-输出关系的规则定义尚不明确。星形胶质细胞 Ca2+ 活性具有高度异质性，发生在多个时空尺度上——从快速、亚细胞活性到连接星形胶质细胞网络中缓慢、同步的活动。这使得需要同时跨多个时空尺度来研究星形胶质细胞的输入-输出关系。该文作者分别在亚细胞、单细胞和网络这三个空间尺度上建立输入体系，控制瞬时和持续的皮质星形胶质细胞Ca2+ 活性。并重点关注星形胶质细胞对两种主要神经递质（NT）的反应：谷氨酸和GABA（γ-氨基丁酸）。
首先作者在体外急性皮质切片上采用双光子Ca2+成像来观察星形胶质细胞对不同NT的反应。这里使用巴氯芬激活 GABAB 受体 (GABABR)，t-ACPD激活代谢型谷氨酸受体亚型mGluR3，同时用河豚毒素抑制神经元放电。在相同的星形胶质细胞群中，GABABR 或 mGluR3 的激活增加了Ca2+事件频率。但通过进一步ROI分析，发现t-ACPD 诱导了强劲、短暂的Ca2+活性增加，而巴氯芬引起了延迟和延长的激活。另外按面积和持续时间分析单个Ca2+事件，与基线相比，t-ACPD诱导的Ca2+事件群体的区域更大、持续时间更长，而巴氯芬则不然。此外，在不同浓度激动剂诱导的Ca2+ 事件特征中，发现与 GABABR 激活相比，mGluR3的反应始终较高，这表明相同的皮质星形胶质细胞群响应不同的 NT，表现出不同的活性，具有不同的时间进程。
为了以时空精度释放NT，该实验使用笼状化合物（控制细胞化学和生理的光致释放技术，这里采用具有联吡啶钌 (RuBi) 主链的化合物）与GABA 或谷氨酸结合进行NT囚禁，在双光子激光（激发波长980nm）GCaMP Ca2+成像时，同时进行双光子解禁NT（800nm）。这里对相同的星形胶质细胞进行成像，同时在同一亚细胞位置依次释放GABA 和谷氨酸，并分析直接刺激的星形胶质细胞内的Ca2+活性。观察到大多数星形胶质细胞在 NT 释放后增加了Ca2+活性（GABA 和谷氨酸分别占70% 和88% 的细胞），且活性增加通常持续2.5分钟。此外，还发现受刺激星形胶质细胞内的Ca2+活性变化并不仅限于初始 NT 释放的亚细胞区域，在靠近（<10μm）和远离（≥10μm）解禁位点的Ca2+事件频率均增加，且两种NT解禁后，两个空间域到达峰值的时间至少需要1min。这些数据表明，时空限制的NT释放可以驱动亚细胞区域中的Ca2+活性，并延伸到刺激区域之外。为了检查活性变化是否扩展到单个细胞之外，接下来研究间隙连接耦合局部网络内邻近星形胶质细胞群体范围内的Ca2+ 活性。在300×300μm 成像视野 (FOV) 内，NT 被释放的星形胶质细胞（解禁细胞）大约位于中心位置。对邻近星形胶质细胞进行Ca2+成像。给定 FOV 内活跃的邻近星形胶质细胞定义为 “局部网络”。解禁后星形胶质细胞局部网络内的Ca2+普遍增加，尽管局部网络对NT 释放的反应时间和幅度存在异质性，但大多数成像网络的反应是群体范围内的荧光增加。为研究间隙连接耦合是否在单点网络刺激后介导这些非细胞自主的 Ca2+活性变化，作者特异性敲低星形胶质细胞中的连接蛋白（Cx43）后发现群体范围的网络活动变化减弱，且群体范围内的活动保持升高状态的时间也显著减少。这些结果表明，星形胶质细胞 Cx43 信号传导可能在局部网络其他地方 NT 释放后网络水平Ca2+ 增加中发挥作用。此外，作者还发现两种NT诱导的局部网络活动从解禁细胞延伸了约125-175μm（GABA：119.9±46.1μm；谷氨酸：109.3±49.4μm）。这些数据表明，单个皮质星形胶质细胞的NT局部释放也会导致星形胶质细胞网络中Ca2+ 活性的空间分布变化。
由于星形胶质细胞Ca2+事件具有高度异质性，接下来对邻近细胞的16 个事件特征的变化进行了无偏分析筛选。邻近细胞中最稳健和一致的NT 特异性变化是在表现出传播的事件中，具有朝向软脑膜的方向性。由于传播事件构成自发离体星形胶质细胞Ca2+活性的一小部分，作者为确保它们反映体内Ca2+活性。记录了头部固定小鼠同一皮质区域 (V1) 的自发星形胶质细胞Ca2+活性。发现离体和体内传播事件的相似部分，表明Ca2+活性的这一小子集可能构成生理相关群体。离体条件下，局部网络对谷氨酸和 GABA 解禁的反应可以通过传播事件频率变化的细胞比例来区分，其中与GABA（约25%）相比，每个局部网络中较高比例的星形胶质细胞对谷氨酸的传播活性增加做出反应（约 40 %）。该结果表明谷氨酸和GABA 通过在单个细胞内传播的Ca2+ 事件不同程度地参与局部网络星形胶质细胞，从而在网络水平上进行差异编码。
综上，该文表明局部的、短暂的神经递质输入是由广泛的皮质星形胶质细胞网络在长达几分钟的时间过程中编码的，有助于积累证据，表明大量的星形胶质细胞-神经元通信发生在缓慢的、网络级的时空尺度上。这些发现将使未来的研究能够调查特定星形胶质细胞 Ca2+活性和特定功能输出之间的联系，这可以为星形胶质细胞调节神经元活动建立一致的框架。
