一串珍珠：研究顛覆了關(guān)于神經(jīng)細(xì)胞形態(tài)與功能的長(zhǎng)期認(rèn)知

一項(xiàng)新研究挑戰(zhàn)了關(guān)于神經(jīng)傳遞機(jī)制長(zhǎng)達(dá) 70 年的傳統(tǒng)觀念，揭示了其前所未見(jiàn)的“串珠狀”形態(tài)。

在一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的新研究中，科學(xué)家們對(duì)神經(jīng)科學(xué)中關(guān)于軸突形狀的一個(gè)基本信條提出了質(zhì)疑，軸突是從神經(jīng)細(xì)胞輻射出的細(xì)長(zhǎng)絲狀物，負(fù)責(zé)在細(xì)胞間傳遞電信號(hào)，并提出了一種新的模型來(lái)理解大腦中的信息是如何傳遞的。這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(lái)，科學(xué)家們一直將軸突描繪為超細(xì)電纜，其直徑沿長(zhǎng)度變化，但大致呈圓柱形。電信號(hào)（動(dòng)作電位）被認(rèn)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(lái)源于 Alan Hodgkin 和 Andrew Huxley 在 20 世紀(jì) 40 年代至 50 年代對(duì)烏賊巨大軸突中動(dòng)作電位的歷史性研究，部分研究也是在 MBL 進(jìn)行的。）

 然而，Shigeki 和他的團(tuán)隊(duì)證明，在納米尺度上，軸突實(shí)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(dòng)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(dòng)作電位傳播過(guò)程中軸突膜和細(xì)胞骨架的機(jī)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(shuō)，“如果你有一條四車道的高速公路穿過(guò)隧道，汽車就會(huì)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(shí)際樣子。你可能會(huì)認(rèn)為交通流量不會(huì)太大。”

 “但有趣的是，在某些位置，珍珠串的大小會(huì)發(fā)生變化，” Shigeki 繼續(xù)說(shuō)道，“我們已經(jīng)證明，通過(guò)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(guò)來(lái)又調(diào)節(jié)了動(dòng)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(tuán)隊(duì)所描述的軸突超微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)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(wú)髓鞘軸突中進(jìn)行的）

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

這項(xiàng)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(jī)制長(zhǎng)達(dá)70年的傳統(tǒng)觀念，揭示了其前所未見(jiàn)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(duì)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(guò)膽固醇進(jìn)入或離開(kāi)神經(jīng)元質(zhì)膜來(lái)調(diào)節(jié)的，這反過(guò)來(lái)又調(diào)節(jié)了動(dòng)作電位的傳導(dǎo)速度。如果這一機(jī)制受損，可能導(dǎo)致軸突死亡。

 “未來(lái)，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(shuō)。