一串珍珠：研究顛覆了關(guān)于神經(jīng)細胞形態(tài)與功能的長期認知

一項新研究挑戰(zhàn)了關(guān)于神經(jīng)傳遞機制長達 70 年的傳統(tǒng)觀念，揭示了其前所未見的“串珠狀”形態(tài)。

在一項具有挑戰(zhàn)性的新研究中，科學(xué)家們對神經(jīng)科學(xué)中關(guān)于軸突形狀的一個基本信條提出了質(zhì)疑，軸突是從神經(jīng)細胞輻射出的細長絲狀物，負責(zé)在細胞間傳遞電信號，并提出了一種新的模型來理解大腦中的信息是如何傳遞的。這項由約翰斯·霍普金斯醫(yī)學(xué)院（Johns Hopkins School of Medicine）的 Shigeki Watanabe 領(lǐng)導(dǎo)的研究部分在海洋生物學(xué)實驗室（Marine Biological Laboratory ，MBL）神經(jīng)生物學(xué)課程中完成，并于近日發(fā)表在《自然-神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）雜志上。論文題目“膜力學(xué)決定了軸突‘串珠狀’的形態(tài)與功能”（Membrane mechanics dictate axonal pearls-on-a-string morphology and function）。

研究于2024年12月2日發(fā)表在《Nature Neuroscience》（新影響因子：21.2）雜志上

70 多年來，科學(xué)家們一直將軸突描繪為超細電纜，其直徑沿長度變化，但大致呈圓柱形。電信號（動作電位）被認為以恒定速度在其中傳播，就像汽車在隧道中疾馳一樣。（這一概念和速度方程來源于 Alan Hodgkin 和 Andrew Huxley 在 20 世紀 40 年代至 50 年代對烏賊巨大軸突中動作電位的歷史性研究，部分研究也是在 MBL 進行的。）

 然而，Shigeki 和他的團隊證明，在納米尺度上，軸突實際上具有“珍珠串”的形態(tài)，一段段電纜與他們稱之為“納米珍珠”（或非突觸小體）的凸起相間排列。他們斷言，動作電位的傳播速度并不是恒定的，而是由納米珍珠大小的變化所調(diào)節(jié)，而這些變化又是由動作電位傳播過程中軸突膜和細胞骨架的機械變化所引起的。

“我們可以把它想象成汽車在高速公路上行駛，” Shigeki 說，“如果你有一條四車道的高速公路穿過隧道，汽車就會正常行駛。但如果高速公路先是四車道，然后變窄為一車道，再變回四車道、這條車道就是軸突的實際樣子。你可能會認為交通流量不會太大?！?/span>

 “但有趣的是，在某些位置，珍珠串的大小會發(fā)生變化，” Shigeki 繼續(xù)說道，“我們已經(jīng)證明，通過改變局部區(qū)域的因素，如質(zhì)膜中的膽固醇，可以調(diào)節(jié)納米珍珠的大小。這反過來又調(diào)節(jié)了動作電位的傳播速度。因此，在這方面，軸突具有高度靈活性?！?/span>

兩神經(jīng)元在軸突末端傳遞信息的示意圖

成像前的快速冷凍促成了這一發(fā)現(xiàn)

Shigeki 和他的團隊所描述的軸突超微結(jié)構(gòu)遠低于光學(xué)顯微鏡的衍射極限，軸突束直徑約為 60 納米，重復(fù)的納米珍珠直徑約為 200 納米。（這些觀察是在小鼠神經(jīng)系統(tǒng)的無髓鞘軸突中進行的）

 “人們之前之所以沒有發(fā)現(xiàn)這種軸突形態(tài)，而我們能夠觀察到它，是因為我們在電子顯微鏡下觀察了冷凍保存的組織，” Shigeki 說，“通常，人們會使用化學(xué)物質(zhì)處理樣品以供電子顯微鏡觀察，然后對這些組織進行脫水處理，這就像把葡萄做成葡萄干一樣。但當(dāng)你進行冷凍保存時，它就像你制作了一顆冷凍的葡萄。你可以保留其實際形狀?！?/span>

這項電子顯微鏡下的神經(jīng)元軸突（圖中中心部分）圖像，挑戰(zhàn)了關(guān)于神經(jīng)傳遞機制長達70年的傳統(tǒng)觀念，揭示了其前所未見的“串珠狀”形態(tài)

理解神經(jīng)退行性疾病

Shigeki 表示，這一發(fā)現(xiàn)對理解神經(jīng)退行性疾病具有重要意義。例如，阿爾茨海默病與大腦中膽固醇的調(diào)節(jié)異常有關(guān)。Shigeki 的研究表明，納米珍珠的大小是通過膽固醇進入或離開神經(jīng)元質(zhì)膜來調(diào)節(jié)的，這反過來又調(diào)節(jié)了動作電位的傳導(dǎo)速度。如果這一機制受損，可能導(dǎo)致軸突死亡。

 “未來，研究導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變的突變、這些神經(jīng)元的軸突形態(tài)以及軸突可塑性是否仍然存在將非常有趣，”他說。