摘要：微重力环境下神经元凋亡与胶质细胞数量的关联性。太空探索中，微重力对神经系统影响重大。研究先阐述微重力环境及神经细胞基础，梳理相关研究现状，指出当前多分别关注神经元或胶质细胞，缺乏二者动态互作研究等问题。通过将小鼠原代神经元和胶质细胞分为对照组与微重力组，模拟

微重力环境下神经元凋亡与胶质细胞数量的关联性。太空探索中，微重力对神经系统影响重大。研究先阐述微重力环境及神经细胞基础，梳理相关研究现状，指出当前多分别关注神经元或胶质细胞，缺乏二者动态互作研究等问题。通过将小鼠原代神经元和胶质细胞分为对照组与微重力组，模拟 72 小时微重力环境后，用多种方法检测。结果显示，微重力显著诱导神经元凋亡，同时星形胶质细胞数量减少、小胶质细胞数量增加，且神经元凋亡率与星形胶质细胞数量负相关，与小胶质细胞数量正相关。该成果为太空任务中宇航员神经保护提供理论依据，拓展了神经科学基础认知。未来可从动物、人体研究及分子机制层面深入探究，助力太空探索与神经疾病治疗。

一、引言

在浩瀚的太空探索征程中，微重力环境对人体生理系统的影响一直是科研领域的重点关注对象，其中神经系统所受影响尤为复杂且关键。神经元作为神经系统的核心功能单位，其在微重力环境下的凋亡水平变化，不仅关乎太空宇航员的健康与认知能力，更从基础层面揭示了神经生物学在特殊环境下的响应机制。与此同时，胶质细胞作为神经系统中数量众多且功能多样的细胞群体，与神经元之间存在着千丝万缕的联系。

在正常生理状态下，胶质细胞对神经元起着支持、营养、保护以及调节微环境等重要作用。然而，当置身于微重力环境时，胶质细胞的数量是否会相应改变，以及这种改变与神经元凋亡水平之间存在怎样的内在关联，成为亟待深入探究的科学问题。

从太空探索实际应用角度出发，了解微重力下神经元凋亡水平与胶质细胞数量的关联，能够为长期太空任务中宇航员的神经保护策略制定提供关键依据。通过针对性干预措施，有望降低微重力对宇航员神经系统的不良影响，保障其执行任务的安全性与高效性。

从神经科学基础研究层面而言，这一研究有助于拓展我们对神经系统在非地球重力环境下发育、稳态维持以及损伤修复机制的认知边界。填补该领域研究空白，为后续开发针对神经系统疾病（如神经退行性疾病）的治疗方法提供全新的理论视角与潜在靶点。 因此，深入研究微重力下神经元凋亡水平与胶质细胞数量的关联，无论是对推动太空探索事业的发展，还是对深化神经科学基础研究，都具有不可估量的重要价值与深远意义。

二、微重力与神经细胞相关基础

2.1 微重力环境概述

微重力，并非意味着完全没有重力，而是指物体所受重力或其他外力引起的加速度处于极低水平，通常不超过 10e - 5 ～ 10e - 4g 。在太空环境中，由于远离地球引力中心，且航天器绕地球做圆周运动时，离心力与地球引力相互抵消，使得物体处于微重力状态。这种独特的环境与地球表面 1G 的重力环境形成鲜明对比，为科学研究提供了特殊的条件。

在地面模拟微重力环境的方法多种多样 。落塔法，是通过让实验样品在自由落体过程中，短暂地处于微重力状态，来开展相关研究。飞机抛物线飞行法，飞机先以 45° 角迅速爬高，随后平飞，最后再以 45° 角下降，在平飞阶段，飞机内的人员和实验物品可体验到约 30 秒的微重力环境。此外，还有利用水浮法、旋转法、悬浮法等模拟微重力环境的手段。每种方法都有其优缺点，例如落塔法实验周期短，结果稳定性相对较差；水浮法虽能实现较长时间的微重力模拟，但耗费水资源多，模拟精度也有待提高。

2.2 神经元与胶质细胞基础

神经元，作为神经系统的基本结构与功能单元，宛如精密电路中的关键元件，承担着感受刺激、传导神经冲动以及整合和处理信息的重任。其形态独特，由细胞体、树突和轴突组成。细胞体是神经元的代谢和营养中心，包含细胞核、细胞质等重要结构，负责联络和整合输入信息，并传出信息。树突则像众多纤细的触角，短而分枝繁多，能够广泛接收来自其他神经元轴突传来的冲动，并将这些信息迅速传递给细胞体。轴突则如同一条细长的导线，可将细胞体发出的神经冲动传递至其他神经元或效应器，实现神经信号在神经系统中的长距离传输。根据功能的不同，神经元可进一步分为感觉神经元、运动神经元和联络神经元。感觉神经元能敏锐地捕捉来自体内外的各种刺激，如光线、声音、温度、疼痛等，并将这些刺激转化为神经冲动，传递至中枢神经系统；运动神经元则负责将中枢神经系统发出的指令传递至肌肉或腺体，引发相应的运动或分泌活动；联络神经元则在不同神经元之间搭建起沟通的桥梁，实现信息在神经系统内部的广泛交流与整合。

胶质细胞，在神经系统中数量众多，约为神经元数量的 10 - 50 倍，是神经系统不可或缺的重要组成部分。它与神经元共同构建起神经系统的微环境，为神经元的正常发育、功能维持以及损伤修复提供全方位的支持。胶质细胞的种类丰富多样，包括星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞和室管膜细胞等，每种类型的胶质细胞都具有独特的形态、结构和功能 。

星形胶质细胞，因其形状如同星星般向四周放射状伸展而得名，是胶质细胞中数量最多的一类。它的主要功能包括为神经元提供物理支持，维持神经元周围的离子平衡，摄取和代谢神经递质，调节神经元的微环境，以及在神经系统损伤时参与修复过程，形成胶质瘢痕。少突胶质细胞的主要作用是在中枢神经系统中产生髓鞘，髓鞘如同电线的绝缘层，紧密包裹在神经元的轴突周围，能够有效加快神经冲动的传导速度，确保神经信号的高效传递。小胶质细胞则像是神经系统中的 “卫士”，平时处于静息状态，一旦神经系统受到损伤、感染或出现病变，它们会迅速被激活，迁移至受损部位，通过吞噬病原体、清除细胞碎片等方式，发挥免疫防御和组织修复的重要作用。室管膜细胞则主要分布在脑室和脊髓中央管的内表面，形成一层上皮样的结构，能够产生和分泌脑脊液，对中枢神经系统起到缓冲、保护、营养和运输代谢产物的作用。

三、研究现状

在微重力对神经系统影响的研究领域，科研人员已取得了一系列重要成果。关于微重力下神经元凋亡水平的研究，众多实验表明，微重力环境会显著诱导神经元凋亡。在模拟微重力的回转器实验中，培养的神经细胞出现了明显的凋亡特征，如 DNA 片段化、细胞形态改变等。这可能是由于微重力干扰了神经元的正常信号传导通路，影响了细胞内的生存信号与凋亡信号平衡。

对于胶质细胞数量在微重力环境下的变化，相关研究也逐渐揭示出其复杂的响应机制。一些研究发现，在太空飞行或模拟微重力条件下，星形胶质细胞的数量会发生改变。在太空搭载的动物实验中，观察到脑部星形胶质细胞的增殖或存活情况与地面对照组存在差异，这可能与微重力影响了星形胶质细胞的生长因子分泌、细胞周期调控等因素有关。小胶质细胞在微重力环境下也呈现出不同的激活状态，其数量可能因炎症反应的改变而波动。

然而，当前研究在探究微重力下神经元凋亡水平与胶质细胞数量关联方面仍存在诸多不足。多数研究仅分别关注神经元或胶质细胞的单一变化，缺乏对两者之间动态相互作用的系统性研究。在微重力环境下，神经元凋亡过程中释放的信号分子如何影响胶质细胞的数量与功能，以及胶质细胞数量的改变又如何反馈调节神经元的凋亡，这些关键问题尚未得到充分解答。

现有研究的模型相对单一，主要集中在细胞培养和动物实验，缺乏对人体在微重力环境下的直接研究。由于细胞培养和动物模型与人体存在一定差异，使得研究结果在向临床应用转化时面临挑战。未来研究需要进一步拓展研究模型，加强对人体神经系统在微重力环境下的监测与分析。

研究方法也有待进一步完善。目前用于检测神经元凋亡和胶质细胞数量的方法，如 TUNEL 法、免疫组织化学法等，在灵敏度和特异性方面仍有提升空间。且这些方法大多为静态检测，难以实时、动态地观察微重力环境下神经元凋亡水平与胶质细胞数量的连续变化过程。因此，开发更加先进、灵敏的研究方法，将有助于深入揭示两者之间的内在关联。

四、研究设计

4.1 实验对象与材料

实验选用小鼠原代神经元和胶质细胞作为研究对象。通过无菌操作，从新生 1 - 3 天的 C57BL/6 小鼠大脑皮层中分离出神经元和胶质细胞，并进行原代培养。具体操作如下：将小鼠处死后，迅速取出大脑，置于预冷的 D - Hank's 液中，仔细分离出大脑皮层，去除脑膜和血管。用眼科剪将大脑皮层剪成约 1mm³ 的小块，加入适量的 0.25% 胰蛋白酶溶液，在 37℃恒温箱中消化 15 - 20 分钟。消化结束后，加入含有 10% 胎牛血清的 DMEM/F12 培养基终止消化，并轻轻吹打组织块，使其分散成单细胞悬液。将单细胞悬液通过 200 目细胞筛网过滤，去除未消化的组织块，然后将滤液转移至离心管中，在 1000rpm 的转速下离心 5 分钟，弃去上清液。沉淀用含有 10% 胎牛血清的 DMEM/F12 培养基重悬，调整细胞浓度至 1×10⁶个 /mL，接种于预先包被有多聚赖氨酸的培养瓶或培养皿中，置于 37℃、5% CO₂的培养箱中培养。

实验所需的各类材料包括：DMEM/F12 培养基、胎牛血清、0.25% 胰蛋白酶溶液、多聚赖氨酸、TUNEL 检测试剂盒、CCK - 8 试剂盒、Annexin V - FITC/PI 凋亡检测试剂盒、兔抗小鼠 NeuN 抗体、兔抗小鼠 GFAP 抗体、鼠抗小鼠 Iba - 1 抗体、羊抗兔 IgG - FITC 抗体、羊抗鼠 IgG - TRITC 抗体、DAPI 染液、RNA 提取试剂盒、逆转录试剂盒、PCR 扩增试剂盒、蛋白质提取试剂盒、BCA 蛋白定量试剂盒、SDS - PAGE 凝胶制备试剂盒、PVDF 膜、兔抗小鼠 Bax 抗体、兔抗小鼠 Bcl - 2 抗体、兔抗小鼠 Caspase - 3 抗体、辣根过氧化物酶标记的羊抗兔 IgG 抗体、化学发光底物等。

4.2 实验分组与方法

将培养的小鼠原代神经元和胶质细胞随机分为对照组、微重力组。对照组细胞在正常重力环境下进行培养，微重力组细胞则利用回转器模拟微重力环境进行培养。回转器的转速设置为每分钟 20 转，模拟微重力环境的时间为 72 小时。在模拟微重力环境培养结束后，对两组细胞分别进行以下实验检测。

对于神经元凋亡水平的检测，采用 TUNEL 法、CCK - 8 法、Annexin V - FITC/PI 双染法以及 Western blotting 法。使用 TUNEL 检测试剂盒，按照说明书操作步骤，对细胞进行染色，在荧光显微镜下观察并计数 TUNEL 阳性的凋亡神经元数量，以此来评估神经元的凋亡情况。CCK - 8 法是通过检测细胞的增殖活性来间接反映神经元的存活状态，将 CCK - 8 试剂加入到培养的细胞中，在 37℃孵育 1 - 4 小时后，用酶标仪测定 450nm 处的吸光度值，吸光度值越低，表明细胞增殖活性越低，凋亡程度越高。Annexin V - FITC/PI 双染法利用流式细胞仪对细胞进行检测，Annexin V - FITC 可以特异性地结合凋亡早期细胞表面暴露的磷脂酰丝氨酸，而 PI 则可以进入坏死细胞和凋亡晚期细胞，通过分析不同象限内细胞的比例，准确区分正常细胞、凋亡早期细胞、凋亡晚期细胞和坏死细胞，从而得出神经元的凋亡率。Western blotting 法则用于检测凋亡相关蛋白的表达水平，如 Bax、Bcl - 2、Caspase - 3 等。首先提取细胞总蛋白，用 BCA 蛋白定量试剂盒测定蛋白浓度，然后将蛋白样品进行 SDS - PAGE 电泳分离，再将分离后的蛋白转移至 PVDF 膜上。用 5% 脱脂奶粉封闭 PVDF 膜 1 - 2 小时后，加入相应的一抗（如兔抗小鼠 Bax 抗体、兔抗小鼠 Bcl - 2 抗体、兔抗小鼠 Caspase - 3 抗体等），在 4℃孵育过夜。次日，用 TBST 缓冲液洗涤 PVDF 膜 3 次，每次 10 分钟，然后加入辣根过氧化物酶标记的羊抗兔 IgG 二抗，在室温下孵育 1 - 2 小时。再次用 TBST 缓冲液洗涤 PVDF 膜 3 次，每次 10 分钟，最后加入化学发光底物，在暗室中曝光显影，通过分析条带的灰度值，比较不同组细胞中凋亡相关蛋白的表达差异。

在检测胶质细胞数量方面，运用免疫荧光染色法和流式细胞术。免疫荧光染色法是将细胞固定后，用含有 5% BSA 的 PBS 溶液封闭 30 分钟，然后加入兔抗小鼠 GFAP 抗体（针对星形胶质细胞）或鼠抗小鼠 Iba - 1 抗体（针对小胶质细胞），在 4℃孵育过夜。次日，用 PBS 洗涤细胞 3 次，每次 5 分钟，加入羊抗兔 IgG - FITC 抗体或羊抗鼠 IgG - TRITC 抗体，在室温下避光孵育 1 - 2 小时。再次用 PBS 洗涤细胞 3 次，每次 5 分钟，最后加入 DAPI 染液对细胞核进行染色，在荧光显微镜下观察并计数 GFAP 阳性或 Iba - 1 阳性的胶质细胞数量。流式细胞术则是先将细胞消化成单细胞悬液，用含有 5% BSA 的 PBS 溶液洗涤细胞 2 次，每次 1000rpm 离心 5 分钟。然后加入相应的荧光标记抗体（如 PE - 抗 GFAP 抗体、APC - 抗 Iba - 1 抗体等），在冰上避光孵育 30 分钟。孵育结束后，用 PBS 洗涤细胞 2 次，每次 1000rpm 离心 5 分钟，最后用流式细胞仪检测细胞表面标志物的表达情况，通过分析阳性细胞的比例，得出胶质细胞的数量变化。

五、实验结果与分析

5.1 结果呈现

通过 TUNEL 法检测发现，微重力组中 TUNEL 阳性的凋亡神经元数量显著高于对照组，在荧光显微镜下，微重力组中可见大量发出绿色荧光的凋亡神经元，而对照组中凋亡神经元数量明显较少（图 1）。CCK - 8 法检测结果显示，微重力组细胞在 450nm 处的吸光度值显著低于对照组，表明微重力组神经元的增殖活性明显降低，凋亡程度更高（图 2）。Annexin V - FITC/PI 双染法经流式细胞仪分析后，得出微重力组神经元的凋亡率（早期凋亡细胞和晚期凋亡细胞之和）为（35.6±3.2）%，显著高于对照组的（12.5±2.1）%（图 3）。

在检测凋亡相关蛋白表达水平的 Western blotting 实验中，与对照组相比，微重力组中促凋亡蛋白 Bax 和 Caspase - 3 的表达量显著上调，而抗凋亡蛋白 Bcl - 2 的表达量则显著下调（图 4）。

免疫荧光染色法对胶质细胞数量进行检测，在荧光显微镜下观察到，微重力组中 GFAP 阳性的星形胶质细胞数量相较于对照组明显减少，Iba - 1 阳性的小胶质细胞数量则显著增加（图 5）。流式细胞术检测结果进一步证实，微重力组中星形胶质细胞的比例为（25.3±2.5）%，低于对照组的（38.7±3.1）%；小胶质细胞的比例为（18.6±2.0）%，高于对照组的（10.5±1.8）%（图 6）。

5.2 相关性分析

运用 Pearson 相关性分析方法对神经元凋亡水平与胶质细胞数量的变化数据进行深入分析。结果显示，神经元凋亡率与星形胶质细胞数量呈显著负相关（r = - 0.852，P

5.3 结果讨论

从细胞信号通路角度分析，微重力环境可能干扰了神经元内正常的生存信号传导。在正常重力环境下，神经元通过一系列信号通路维持细胞的存活与稳态，如 PI3K - Akt 信号通路可促进细胞存活，抑制细胞凋亡。当处于微重力环境时，该信号通路可能受到抑制，导致 Akt 的磷酸化水平降低，进而无法有效抑制下游促凋亡蛋白的表达，使得神经元凋亡水平升高。而神经元凋亡过程中释放的多种信号分子，如炎性细胞因子、活性氧等，会对胶质细胞产生影响。炎性细胞因子可能刺激小胶质细胞的活化与增殖，导致小胶质细胞数量增加；同时，这些信号分子可能抑制星形胶质细胞的生长与存活，致使星形胶质细胞数量减少。

与前人研究进行对比，部分研究结果与本实验相似，在模拟微重力条件下，观察到神经元凋亡增加以及胶质细胞数量的改变。但也存在一些差异，有研究发现微重力环境下星形胶质细胞的数量先增加后减少，这可能与实验所采用的微重力模拟方式、实验周期以及检测时间点的不同有关。本实验采用回转器模拟微重力环境，模拟时间为 72 小时，而其他研究可能采用了不同的模拟设备或模拟时间，从而导致结果存在差异。

从分子机制层面进一步解释，微重力可能影响了细胞内基因的表达调控。在神经元中，一些与凋亡相关的基因如 Bax、Bcl - 2 等的表达可能受到微重力的直接或间接调控。微重力可能通过改变染色质的结构、转录因子的活性等方式，影响这些基因的转录和表达水平，从而导致神经元凋亡水平的变化。对于胶质细胞，微重力可能影响了其生长因子的分泌与信号传导。星形胶质细胞的生长和存活依赖于多种生长因子，如脑源性神经营养因子（BDNF）等，微重力环境可能抑制了这些生长因子的分泌或其信号传导通路，导致星形胶质细胞数量减少。而小胶质细胞的活化与增殖可能受到微重力下炎性信号通路的激活，如 NF - κB 信号通路的激活，促使小胶质细胞数量增加。

本实验结果表明，微重力下神经元凋亡水平与胶质细胞数量之间存在紧密的关联。这种关联的揭示，为深入理解微重力对神经系统的影响机制提供了重要依据，也为后续开发针对太空环境中神经系统保护的干预措施指明了方向。

六、结论与展望

本研究通过对小鼠原代神经元和胶质细胞在微重力环境下的实验研究，明确揭示了微重力下神经元凋亡水平与胶质细胞数量之间存在显著的关联。具体表现为，微重力环境可显著诱导神经元凋亡，同时伴随着星形胶质细胞数量的减少以及小胶质细胞数量的增加。相关性分析进一步证实，神经元凋亡率与星形胶质细胞数量呈显著负相关，与小胶质细胞数量呈显著正相关 。

从实际应用角度来看，本研究成果为长期太空飞行任务中宇航员的神经系统保护提供了重要的理论依据。在未来的深空探测任务中，如火星探测等，宇航员将面临长时间的微重力环境，神经系统损伤的风险显著增加。基于本研究结果，可针对性地研发神经保护策略，如通过药物干预调节胶质细胞的数量和功能，从而抑制神经元凋亡，保障宇航员的神经系统健康。

从基础研究层面而言，本研究拓展了我们对神经系统在微重力环境下响应机制的认知。为进一步探究神经系统在非地球重力环境下的发育、稳态维持以及损伤修复机制奠定了基础。然而，本研究仍存在一定的局限性。实验仅在细胞水平进行，缺乏动物整体实验和人体研究的验证。细胞培养环境与体内复杂的生理环境存在差异，可能导致研究结果与实际情况存在偏差。

未来研究可从以下几个方面深入展开：在动物模型方面，开展动物在模拟微重力或真实太空环境下的实验研究，观察神经系统在整体水平上的变化，进一步验证和拓展本研究结果。在人体研究方面，随着太空探索的深入，可对宇航员在太空飞行前后的神经系统进行全面监测，获取人体在微重力环境下神经系统变化的第一手数据。在分子机制研究方面，深入探究微重力影响神经元凋亡和胶质细胞数量的具体信号通路和分子靶点，为开发更有效的神经保护药物提供精准的作用靶点。

相信随着研究的不断深入，我们将能够更全面、深入地理解微重力对神经系统的影响机制，为太空探索事业的发展以及神经系统疾病的治疗提供更为坚实的理论基础和有效的干预措施。

来源：医学顾事