《自然神经科学》指出脑细胞的臂状结构可能与科学家一个多世纪以来所假设的形状不同

　　

约翰霍普金斯大学的医学科学家说，生物学教科书可能需要修订。他们提出了新的证据，表明哺乳动物脑细胞的臂状结构可能与科学家一个多世纪以来所假设的形状不同。

他们对老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臂状结构——不是书本和网站上经常描绘的圆柱形管，而更像是一根串在绳子上的珍珠。

12月2日，《自然神经科学》在线发表了一份关于该研究结果的报告。

“了解轴突的结构对理解脑细胞信号传导很重要，”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，使我们能够学习、记忆和其他功能。”

科学家们已经知道，轴突上的珍珠状结构，被称为轴突珠状结构，可以在垂死的脑细胞中形成，也可以在帕金森氏症和其他神经退行性疾病患者中形成，这是由于神经元中膜和骨骼完整性的丧失。

在正常情况下，轴突的形状被认为像管道一样，直径基本恒定，偶尔也有泡状结构（突触的静脉曲张可以容纳神经递质，从而向其他脑细胞发送信号）。

Watanabe最初在蠕虫的神经系统中看到了重复的轴突珍珠，在与瑞士科学家Graham Knott博士讨论后，他对这种结构变得更加好奇。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，因此这对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，Watanabe说。

约翰·霍普金斯大学的研究生、该研究的第一作者杰奎琳·格里斯沃尔德（Jacqueline Griswold）对这一观点进行了测试，但没有发现对轴突珍珠化有任何影响。

然后，Watanabe和Griswold与理论生物物理学同事Padmini Rangamani博士（加州大学圣地亚哥分校医学院药理学教授）合作，更仔细地观察轴突的物理特性。

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。就像标准的电子显微镜一样，它向细胞发射电子束以勾勒出其结构，Watanabe和他的团队冻结了小鼠神经元以保持结构的形状。

渡边说：“为了用标准的电子显微镜观察纳米级结构，我们固定并脱水组织，但冷冻它们保持其形状——类似于冷冻葡萄而不是将其脱水成葡萄干。”

研究人员研究了三种类型的小鼠神经元：实验室培养的，取自成年小鼠的和取自小鼠胚胎的。这些神经元是无髓鞘的（它们没有包围轴突的髓鞘绝缘覆盖物）。

研究人员在成千上万张组织样本的图像中发现了气泡状的梨形轴突。

科学家们将轴突膨胀的珍珠状结构命名为“非突触性变异”。

渡边说：“这些发现挑战了一个世纪以来对轴突结构的理解。”

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非常有效地解释这些结构。

此外，利用数学模型和小鼠脑样本进行的实验表明，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大小。

在另一项实验中，科学家们将胆固醇从神经元膜中去除，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的珠光都减少了，同时轴突传递电信号的能力也降低了。

“轴突中更宽的空间允许离子（化学粒子）更快地通过，避免交通堵塞，”渡边说。

科学家们还对老鼠的神经元进行了高频电刺激，刺激后至少30分钟，使轴突上的珍珠状结构膨胀，平均长8%，宽17%，并提高了电信号的速度。然而，当胆固醇从膜上移除时，轴突的珍珠失去了肿胀的状态，电信号的速度也没有变化。

研究组计划，在接受脑外科手术的患者和死于神经退行性疾病的患者的许可下，检查人脑组织中的轴突“手臂”。这项工作构成了最近授予Watanabe和Rangamani来自国家心理健康研究所的多重首席研究员补助金的基础。