约翰·霍普金斯大学的科学家们颠覆了百年来关于脑细胞轴突的假设，揭示了它们并非光滑的管状结构，而是类似一串珍珠的形状，这一发现可能重写生物学教科书，为我们理解大脑信号传导和神经系统疾病提供全新视角。
脑细胞中的轴突可能类似于“串上的珍珠”而不是管子。一项新的研究强调了轴突形状如何影响大脑信号传导，并为神经元结构提供了新的见解。
约翰·霍普金斯大学的研究人员表示，脑细胞中的轴突类似于一串珍珠，而不是光滑的管子。这一发现在先进成像和建模的帮助下，揭示了物理和膜特性如何影响轴突结构和功能，挑战了长期以来的信念，并提供了对大脑信号传导和疾病的见解。
约翰·霍普金斯大学医学科学家表示，生物学教科书可能需要修订，他们提出的新证据表明，哺乳动物脑细胞的臂状结构可能具有与科学家一个多世纪以来假设的不同的形状。
他们对小鼠脑细胞的研究表明，细胞的轴突（伸出并与其他脑细胞交换信息的手臂状结构）并不是书籍和网站上经常描绘的圆柱形管，而更像是串上的珍珠。
有关研究结果的报告最近发表在《自然神经科学》杂志上。
“了解轴突的结构对于理解脑细胞信号传导非常重要，”约翰·霍普金斯大学医学院细胞生物学和神经科学副教授 Shigeki Watanabe 博士说。 “轴突是连接我们大脑组织的电缆，可以实现学习、记忆和其他功能。”
科学家们已经知道，由于神经元膜和骨骼完整性的丧失，轴突中的珍珠状结构（称为轴突珠）可以在垂死的脑细胞以及患有帕金森病和其他神经退行性疾病的人中形成。
在正常情况下，轴突被认为形状像管子，直径基本恒定，偶尔有气泡状结构（突触静脉曲张，容纳神经递质团，从而能够向其他脑细胞发出信号）。
研究轴突珍珠
渡边最初在蠕虫的神经系统中看到了重复的轴突珠状现象，在与瑞士科学家格雷厄姆·诺特博士讨论后，他对这些结构更加好奇。渡边说，哈佛大学的一个研究小组在 2012 年发表了一项研究，发现了轴突中重复的“骨骼”成分，因此两位研究人员讨论了去除轴突骨骼的实验，看看珍珠结构是否消失。
约翰·霍普金斯大学的研究生兼研究第一作者杰奎琳·格里斯沃尔德测试了这个想法，但发现对轴突珍珠化没有影响。
然后，Watanabe 和 Griswold 与理论生物物理学同事、加州大学圣地亚哥分校医学院药理学教授 Padmini Rangamani 博士合作，更仔细地研究轴突的物理特性。
为了能够看到比人类头发宽度小 100 倍的脑细胞（神经元）上的轴突，科学家们使用了高压冷冻电子显微镜。就像标准电子显微镜向细胞发射电子束以勾勒出其结构一样，渡边和他的团队冷冻小鼠神经元以保持结构的形状。
“为了用标准电子显微镜观察纳米级结构，我们对组织进行固定和脱水，但冷冻它们可以保留其形状——类似于冷冻葡萄而不是将其脱水成葡萄干，”渡边说。
研究人员研究了三种类型的小鼠神经元：在实验室中生长的神经元、取自成年小鼠的神经元以及取自小鼠胚胎的神经元。这些神经元是无髓鞘的（它们没有围绕轴突的髓鞘绝缘层）。
研究人员在组织样本拍摄的数万张图像中发现了气泡状的梨形轴突。
科学家将轴突膨胀的珍珠状结构命名为“非突触静脉曲张”。
“这些发现挑战了一个世纪以来对轴突结构的理解，”渡边说。
数学建模和实验的见解
科学家们还使用数学模型来观察轴突膜是否影响珍珠在弦结构上的形状或存在。他们发现简单的力学模型可以用来非常有效地解释这些结构。
此外，数学模型和小鼠大脑样本的实验表明，增加轴突周围溶液中的糖浓度或降低轴突膜的张力会减小珍珠结构的尺寸。
在另一项实验中，科学家们从神经元膜上去除了胆固醇，使其不那么僵硬，更像液体。在这种情况下，他们发现数学模型和小鼠神经元中的珠光效应减少，轴突传输电信号的能力也降低。
“轴突中更宽的空间允许离子[化学粒子]更快地通过并避免交通拥堵，”渡边说。
科学家们还对小鼠神经元进行高频电刺激，刺激后至少 30 分钟内，沿轴突的珍珠状结构平均膨胀 8%、宽 17%，并提高了电信号的速度。然而，当胆固醇从膜上被去除时，轴突的珍珠失去了肿胀状态，并且电信号的速度没有变化。
研究小组计划检查人类脑组织中的轴突“臂”，这些脑组织是在接受脑部手术的人和死于神经退行性疾病的人的许可下采集的。这项工作构成了国家心理健康研究所最近授予Watanabe 和 Rangamani 的多项首席研究员资助的基础。
参考文献：
“膜力学决定轴突珍珠串的形态和功能”作者：Jacqueline M. Griswold、Mayte Bonilla-Quintana、Renee Pepper、Christopher T. Lee、Sumana Raychaudhuri、Siyi Ma、Quan Gan、Sarah Syed、Cun Cheng Zhu, Miriam Bell, Mitsuo Suga, Yuuki Yamaguchi, Ronan Chéreau, U. Valentin Nägerl, Graham Knott、Padmini Rangamani 和 Shigeki Watanabe，2024 年 12 月 2 日， 《自然神经科学》。
DOI：10.1038/s41593-024-01813-1
该研究的资金由约翰·霍普金斯大学医学院、海洋生物实验室惠特曼奖学金、陈·扎克伯格倡议合作配对资助和补充奖、大脑研究基金会科学创新奖、Helis 基金会奖、 美国国立卫生研究院提供健康（NS111133-01、NS105810-01A11、DA055668-01、 1RF1DA055668-01），空军科学研究办公室（FA9550-18-1-0051），Alfred P. 斯隆研究奖学金、麦克奈特基金会奖学金、克林根斯坦-西蒙斯神经科学奖学金、瓦利基金会奖学金、国家科学基金会以及约翰·霍普金斯大学和加州大学圣地亚哥分校的卡维利研究所。
进行这项研究的其他研究人员包括来自约翰霍普金斯大学的 Chintan Patel、Renee Pepper、Sumana Raychaudhuri、Quan Gan、Sarah Syed 和 Brady Maher、来自加州大学圣地亚哥分校的 Mayte Bonilla-Quintana、Christopher Lee、Cun Cheng Zhu 和 Miriam Bell、来自加州大学圣地亚哥分校的 Siyi Ma东京 JEOL 海洋生物学实验室的 Mitsuo Suga 和 Yuuki Yamaguchi，以及 Ronan Chéreau 和 U. Valentin Nägerl 来自法国波尔多大学。