翻開(kāi)任何一本神經(jīng)科學(xué)教科書(shū)，對(duì)神經(jīng)元的描述都大致相同——一個(gè)像變形蟲(chóng)一樣的斑點(diǎn)狀細(xì)胞體延伸出一條又長(zhǎng)又粗的鏈。這條鏈就是軸突，它將電信號(hào)傳遞到細(xì)胞與其他神經(jīng)元通信的終端。軸突一直被描繪成光滑的圓柱體，但一項(xiàng)發(fā)表于《自然-神經(jīng)科學(xué)》的研究挑戰(zhàn)了這一觀(guān)點(diǎn)。該研究表明，軸突的自然形狀更像是一串珍珠。更有爭(zhēng)議的是，這些珍珠狀的突起可以作為控制旋鈕，影響細(xì)胞發(fā)射信號(hào)的速度和精度。

用高壓冷凍技術(shù)保存的小鼠神經(jīng)元的顯微成像顯示出一種珍珠串結(jié)構(gòu)，研究人員認(rèn)為這可能是細(xì)胞的自然形狀。圖片來(lái)源：QUAN GAN AND MITSUO SUGA

美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)的分子神經(jīng)科學(xué)家Shigeki Watanabe說(shuō)，該研究會(huì)改變我們對(duì)神經(jīng)元及其信號(hào)的看法。挪威卑爾根大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家Pawel Burkhardt對(duì)此表示贊同。他最近在被稱(chēng)為櫛水母的微小海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的神經(jīng)元中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的珍珠結(jié)構(gòu)。

然而也有專(zhuān)家對(duì)這些發(fā)現(xiàn)提出質(zhì)疑。一些人懷疑，這項(xiàng)研究完全顛覆了人們對(duì)軸突真實(shí)形狀的認(rèn)識(shí)。法國(guó)艾克斯-馬賽大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Christophe Leterrier認(rèn)為，軸突確實(shí)不是一個(gè)完美的管道，這項(xiàng)研究是“對(duì)文獻(xiàn)的有爭(zhēng)議的補(bǔ)充”。

20世紀(jì)60年代中期，顯微鏡學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，軸突在患病或受到其他壓力時(shí)可以皺縮成珠子狀。Leterrier將這些臨時(shí)形成的珠子稱(chēng)為“大腦的壓力球”，并發(fā)現(xiàn)它們可以防止細(xì)胞損傷的擴(kuò)散。其他研究表明，當(dāng)往返細(xì)胞核的“貨物”形成交通堵塞時(shí)，即使是正常的軸突也會(huì)暫時(shí)隆起。

Watanabe實(shí)驗(yàn)室的研究生Jacqueline Griswold在用高壓冷凍技術(shù)保存的小鼠神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)了不同的東西。她說(shuō)，高壓冷凍技術(shù)比通常使用的化學(xué)固定劑能更好地保存“細(xì)胞非常小的部分的精細(xì)結(jié)構(gòu)”。她將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的小鼠神經(jīng)元，以及成年和胚胎小鼠大腦超薄切片的樣本。

使用電子顯微鏡，Griswold注意到沿小鼠軸突均勻分布的直徑約200納米的“小珍珠”。這些小球比Leterrier發(fā)現(xiàn)的壓力球更小、間隔更有規(guī)律，而且它們不含任何東西，這表明它們不是由細(xì)胞“交通堵塞”造成的。

這一發(fā)現(xiàn)與其他發(fā)現(xiàn)相呼應(yīng)：2013年，Watanabe實(shí)驗(yàn)室在蛔蟲(chóng)身上發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的珍珠狀軸突，但沒(méi)有進(jìn)一步研究；Burkhardt最近在櫛水母身上也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象；Griswold在人類(lèi)腦組織中看到了高壓冷凍處理的軸突珍珠。

“珍珠狀本身并不奇怪。”印度拉曼研究所的生物物理學(xué)家Pramod Pullarkat說(shuō)，越來(lái)越多的研究表明，這種形狀是一種圓柱形囊泡在張力下皺縮的物理現(xiàn)象，很可能是軸突的正常狀態(tài)。但他表示，需要更多研究才能得出明確答案。

電信號(hào)沿軸突傳播的速度取決于軸突的形狀、直徑和珍珠間復(fù)雜的相互作用。Watanabe團(tuán)隊(duì)用數(shù)學(xué)模型模擬了這種相互作用，并記錄了具有不同程度珍珠的真實(shí)小鼠神經(jīng)元的信號(hào)傳導(dǎo)速度。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸突珍珠更小、間距更緊時(shí)，信號(hào)會(huì)更慢，而珍珠之間間距更大時(shí)，信號(hào)會(huì)更快。Watanabe說(shuō)，這表明當(dāng)大腦需要計(jì)算大量信息時(shí)，它可能會(huì)改變神經(jīng)元的細(xì)微形狀，以改善信號(hào)傳導(dǎo)。但是大腦究竟是如何控制“珍珠”的尚不清楚。

但其他專(zhuān)家認(rèn)為，Watanabe團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的珍珠狀是細(xì)胞損傷的副作用。沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的美國(guó)耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Pietro De Camilli說(shuō)：“雖然高壓冷凍是一個(gè)非?？焖俚倪^(guò)程，但在處理樣本的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生一些事情導(dǎo)致形成珍珠狀。”美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的細(xì)胞生物學(xué)家John Heuser也認(rèn)為，珠狀蛋白是制備過(guò)程中的產(chǎn)物。

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的生物物理學(xué)家Joshua Zimmerberg說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)為更好地理解所有不同類(lèi)型的軸突“打開(kāi)了大門(mén)”。但他表示，仍有問(wèn)題懸而未決，“珍珠會(huì)影響我的思維過(guò)程嗎？這是每個(gè)人都想知道的。”

Zimmerberg說(shuō)，如果沒(méi)有一種方法來(lái)觀(guān)察神經(jīng)元在活體人腦中活動(dòng)時(shí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，我們就沒(méi)有足夠強(qiáng)大的技術(shù)來(lái)直接回答這個(gè)問(wèn)題。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41593-024-01813-1

來(lái)源：《自然—神經(jīng)科學(xué)》