摘要

一项新研究挑战了长期以来关于轴突（脑细胞延伸部分）为管状结构的观点，揭示了其“串珠状”形态。通过先进的冷冻电子显微镜技术，研究人员在小鼠神经元中发现了这些被称为“非突触性膨体”的珠状结构。这些结构可能通过调节离子流动和电信号速度来影响大脑信号传递。研究发现，膜刚度的变化（如胆固醇水平降低）会改变珠状结构的大小和信号传递能力。这一发现重塑了我们对神经元结构的理解，并为探索其在神经退行性疾病中的意义开辟了新途径。未来研究将关注这些结构在人类脑组织中的表现。

关键发现

• 轴突呈现“串珠状”形态，而非恒定的圆柱形管状结构。

• 去除轴突中的胆固醇会减少珠状结构并减慢电信号传递。

• 高频电刺激会暂时使这些珠状结构膨胀。

研究背景

约翰霍普金斯医学院的科学家表示，生物学教科书可能需要修订。他们的研究表明，哺乳动物脑细胞的轴突——用于与其他脑细胞交换信息的臂状结构——并非教科书和网站上常见的圆柱形管状结构，而是更像“串珠状”形态。这一发现发表在2024年12月2日的《自然神经科学》杂志上。

研究意义

轴突是连接脑组织的“电缆”，对学习、记忆和其他大脑功能至关重要。了解轴突的结构对于理解脑细胞信号传递具有重要意义。此前，科学家已知轴突中的珠状结构（称为轴突珠状化）可能出现在濒死的脑细胞中，并与帕金森病等神经退行性疾病相关。然而，在正常条件下，轴突被认为呈管状，偶尔会出现泡状结构（突触性膨体，内含神经递质以传递信号）。

研究方法

研究团队使用高压冷冻电子显微镜技术观察小鼠神经元。与传统的电子显微镜不同，冷冻技术能够更好地保留细胞结构的原始形态。研究人员研究了三种类型的小鼠神经元：实验室培养的神经元、成年小鼠的神经元以及胚胎小鼠的神经元。这些神经元均为无髓鞘神经元（即轴突没有髓鞘绝缘覆盖）。

主要发现

研究人员在数万张组织样本图像中均发现了轴突的珠状结构，并将其命名为“非突触性膨体”。这一发现挑战了百年来对轴突结构的认知。通过数学建模，研究团队发现轴突膜的物理特性可以很好地解释这些结构的形成。实验表明，增加轴突周围溶液的糖浓度或降低轴突膜的张力会减少珠状结构的大小。此外，去除神经元膜中的胆固醇会使膜变得更柔软，从而减少珠状结构的形成并降低轴突传递电信号的能力。

未来方向

研究团队计划进一步研究人类脑组织中的轴突结构，包括从接受脑部手术的患者和因神经退行性疾病去世的患者中获取的样本。这一研究为理解神经退行性疾病的机制提供了新的视角。

资金来源

该研究获得了约翰霍普金斯大学医学院、海洋生物实验室惠特曼奖学金、陈-扎克伯格倡议合作配对奖、脑研究基金会科学创新奖、Helis基金会奖、美国国立卫生研究院（NS111133-01、NS105810-01A11、DA055668-01、1RF1DA055668-01）、空军科学研究办公室（FA9550-18-1-0051）、阿尔弗雷德·P·斯隆研究奖学金、麦克奈特基金会奖学金、Klingenstein-Simons神经科学奖学金、Vallee基金会奖学金、美国国家科学基金会以及约翰霍普金斯大学和加州大学圣地亚哥分校的Kavli研究所的资助。

研究团队

研究团队成员包括约翰霍普金斯大学的Chintan Patel、Renee Pepper、Sumana Raychaudhuri、Quan Gan、Sarah Syed和Brady Maher，加州大学圣地亚哥分校的Mayte Bonilla-Quintana、Christopher Lee、Cuncheng Zhu和Miriam Bell，海洋生物实验室的Siyi Ma，东京JEOL的Mitsuo Suga和Yuuki Yamaguchi，以及法国波尔多大学的Ronan Chéreau和U. Valentin Nägerl。

关于本研究

• 作者：Vanessa Wasta

• 来源：约翰霍普金斯医学院

• 联系人：Vanessa Wasta – 约翰霍普金斯医学院

• 原始研究：开放获取。“Membrane mechanics dictate axonal pearls-on-a-string morphology and function” by Shigeki Watanabe et al. Nature Neuroscience