一项新研究挑战了关于神经传递机制长达 70 年的传统观念，揭示了其前所未见的“串珠状”形态。
海洋生物学实验室
12月2日
在一项具有挑战性的新研究中，科学家们对神经科学中关于轴突形状的一个基本信条提出了质疑，轴突是从神经细胞辐射出的细长丝状物，负责在细胞间传递电信号，并提出了一种新的模型来理解大脑中的信息是如何传递的。这项由约翰斯·霍普金斯医学院（Johns Hopkins School of Medicine）的 Shigeki Watanabe 领导的研究部分在海洋生物学实验室（Marine Biological Laboratory ，MBL）神经生物学课程中完成，并于近日发表在《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）杂志上。论文题目“膜力学决定了轴突‘串珠状’的形态与功能”（Membrane mechanics dictate axonal pearls-on-a-string morphology and function）。
研究于2024年12月2日发表在《Nature Neuroscience》（最新影响因子：21.2）杂志上
70 多年来，科学家们一直将轴突描绘为超细电缆，其直径沿长度变化，但大致呈圆柱形。电信号（动作电位）被认为以恒定速度在其中传播，就像汽车在隧道中疾驰一样。（这一概念和速度方程来源于 Alan Hodgkin 和 Andrew Huxley 在 20 世纪 40 年代至 50 年代对乌贼巨大轴突中动作电位的历史性研究，部分研究也是在 MBL 进行的。）
然而，Shigeki 和他的团队证明，在纳米尺度上，轴突实际上具有“珍珠串”的形态，一段段电缆与他们称之为“纳米珍珠”（或非突触小体）的凸起相间排列。他们断言，动作电位的传播速度并不是恒定的，而是由纳米珍珠大小的变化所调节，而这些变化又是由动作电位传播过程中轴突膜和细胞骨架的机械变化所引起的。
“我们可以把它想象成汽车在高速公路上行驶，” Shigeki 说，“如果你有一条四车道的高速公路穿过隧道，汽车就会正常行驶。但如果高速公路先是四车道，然后变窄为一车道，再变回四车道、这条车道就是轴突的实际样子。你可能会认为交通流量不会太大。”
“但有趣的是，在某些位置，珍珠串的大小会发生变化，” Shigeki 继续说道，“我们已经证明，通过改变局部区域的因素，如质膜中的胆固醇，可以调节纳米珍珠的大小。这反过来又调节了动作电位的传播速度。因此，在这方面，轴突具有高度灵活性。”
两神经元在轴突末端传递信息的示意图
成像前的快速冷冻促成了这一发现
Shigeki 和他的团队所描述的轴突超微结构远低于光学显微镜的衍射极限，轴突束直径约为 60 纳米，重复的纳米珍珠直径约为 200 纳米。（这些观察是在小鼠神经系统的无髓鞘轴突中进行的）
“人们之前之所以没有发现这种轴突形态，而我们能够观察到它，是因为我们在电子显微镜下观察了冷冻保存的组织，” Shigeki 说，“通常，人们会使用化学物质处理样品以供电子显微镜观察，然后对这些组织进行脱水处理，这就像把葡萄做成葡萄干一样。但当你进行冷冻保存时，它就像你制作了一颗冷冻的葡萄。你可以保留其实际形状。”
这项电子显微镜下的神经元轴突（图中中心部分）图像，挑战了关于神经传递机制长达70年的传统观念，揭示了其前所未见的“串珠状”形态
理解神经退行性疾病
Shigeki 表示，这一发现对理解神经退行性疾病具有重要意义。例如，阿尔茨海默病与大脑中胆固醇的调节异常有关。Shigeki 的研究表明，纳米珍珠的大小是通过胆固醇进入或离开神经元质膜来调节的，这反过来又调节了动作电位的传导速度。如果这一机制受损，最终可能导致轴突死亡。
“未来，研究导致神经退行性病变的突变、这些神经元的轴突形态以及轴突可塑性是否仍然存在将非常有趣，”他说。
创立于1888年的海洋生物学实验室
参考文献
Source：Marine Biological Laboratory
A string of pearls: Study challenges long-held beliefs about shape, functioning of nerve cells
Reference：
Griswold, J.M., Bonilla-Quintana, M., Pepper, R. et al. Membrane mechanics dictate axonal pearls-on-a-string morphology and function. Nat Neurosci (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01813-1
关爱父母 关注阿尔茨海默病
原文标题 : 一串珍珠：研究颠覆了关于神经细胞形态与功能的长期认知
