用高压冷冻技术保存的小鼠神经元显示出一种珍珠串结构。
本报讯 翻开任何一本神经科学教科书，对神经元的描述都大致相同—— 一个像变形虫一样的斑点状细胞体延伸出一条又长又粗的链。这条链就是轴突，将电信号传递到细胞与其他神经元通信的终端。轴突一直被描绘成光滑的圆柱体，但一项12月2日发表于《自然-神经科学》的研究挑战了这一观点，表明轴突的自然形状更像是一串珍珠。更有争议的是，这些珍珠状的突起可以作为控制旋钮，影响细胞发射信号的速度和精度。
美国约翰斯·霍普金斯大学的分子神经科学家Shigeki Watanabe说，该研究彻底改变了我们对神经元及其信号的看法。挪威卑尔根大学的进化生物学家Pawel Burkhardt对此表示赞同。他最近在栉水母的神经元中也发现了类似的珍珠结构。
不过也有科学家质疑，这个“全新结构”可能只是样本处理过程产生的副产物。法国艾克斯-马赛大学的神经科学家Christophe Leterrier认为，这项研究是“对文献有争议的补充”。
20世纪60年代中期，科学家通过显微镜发现，轴突在患病或受到压力时可以收缩成珠子状。Leterrier将这些珠子称为“大脑的压力球”，并发现它们可以防止细胞损伤扩散。其他研究表明，当进出细胞核的“货物”形成交通堵塞时，即使正常的轴突也会暂时隆起。
然而Watanabe实验室的研究生Jacqueline Griswold在高压冷冻技术保存的小鼠神经元中发现了不同的东西。她说，高压冷冻技术比常用的化学固定剂能更好地保存“细胞中非常小的精细结构”。她将这项技术应用于培养皿中的小鼠神经元，以及成年和胚胎小鼠大脑的超薄切片样本。
通过电子显微镜，Griswold注意到，沿小鼠轴突均匀分布着直径约200纳米的“小珍珠”。这些小球比Leterrier发现的压力球更小、间隔更有规律，而且不包含任何东西，表明它们不是由细胞“交通堵塞”产生的。
“珍珠状本身并不奇怪。”印度拉曼研究所的生物物理学家Pramod Pullarkat说，越来越多的研究表明，这种形状是一种圆柱形囊泡在张力下收缩的物理现象，很可能是轴突的正常状态。但他表示，需要更多研究才能得出确切答案。
电信号沿轴突传播的速度取决于轴突的形状、直径和“珍珠”间复杂的相互作用。Watanabe团队用数学模型模拟了这种相互作用，并记录了不同珍珠化程度的小鼠神经元的信号传导速度。他们发现，轴突“珍珠”越小、间距越紧，信号越慢，而“珍珠”之间间距越大，信号越快。Watanabe说，这表明当需要计算大量信息时，大脑可能会改变神经元的细微形状，以改善信号传导。但大脑究竟是如何控制这些“珍珠”的尚不清楚。
也有专家认为，Watanabe团队发现的珍珠状缘于细胞损伤的副作用。没有参与这项研究的美国耶鲁大学医学院的神经科学家Pietro De Camilli说：“虽然高压冷冻是一个非常快速的过程，但在处理样本的过程中可能会发生一些事情致使轴突出现珍珠状。”美国圣路易斯华盛顿大学医学院的细胞生物学家John Heuser也认为，珍珠状的形成是制备过程中的产物。
美国国立卫生研究院的生物物理学家Joshua Zimmerberg说，这些发现为更好地理解所有不同类型的轴突“打开了大门”。但他表示，仍有问题悬而未决，“‘珍珠’会影响我的思维过程吗？这是每个人都想知道的”。
Zimmerberg说，由于无法观察神经元在活体人脑中的精细结构，我们尚没有足够强大的技术直接回答这个问题。（李木子）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41593-024-01813-1
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