有爭議的研究重新繪制神經元經典圖像

翻開任何一本神經科學教科書，對神經元的描述都大致相同——一個像變形蟲一樣的斑點狀細胞體延伸出一條又長又粗的鏈。這條鏈就是軸突，它將電信號傳遞到細胞與其他神經元通信的終端。軸突一直被描繪成光滑的圓柱體，但一項發表于《自然-神經科學》的研究挑戰了這一觀點。該研究表明，軸突的自然形狀更像是一串珍珠。更有爭議的是，這些珍珠狀的突起可以作為控制旋鈕，影響細胞發射信號的速度和精度。

用高壓冷凍技術保存的小鼠神經元的顯微成像顯示出一種珍珠串結構，研究人員認為這可能是細胞的自然形狀。圖片來源：QUAN GAN AND MITSUO SUGA

美國約翰斯·霍普金斯大學的分子神經科學家Shigeki Watanabe說，該研究會改變我們對神經元及其信號的看法。挪威卑爾根大學的進化生物學家Pawel Burkhardt對此表示贊同。他最近在被稱為櫛水母的微小海洋無脊椎動物的神經元中也發現了類似的珍珠結構。

然而也有專家對這些發現提出質疑。一些人懷疑，這項研究完全顛覆了人們對軸突真實形狀的認識。法國艾克斯-馬賽大學的神經科學家Christophe Leterrier認為，軸突確實不是一個完美的管道，這項研究是“對文獻的有爭議的補充”。

20世紀60年代中期，顯微鏡學家已經發現，軸突在患病或受到其他壓力時可以皺縮成珠子狀。Leterrier將這些臨時形成的珠子稱為“大腦的壓力球”，并發現它們可以防止細胞損傷的擴散。其他研究表明，當往返細胞核的“貨物”形成交通堵塞時，即使是正常的軸突也會暫時隆起。

Watanabe實驗室的研究生Jacqueline Griswold在用高壓冷凍技術保存的小鼠神經元中發現了不同的東西。她說，高壓冷凍技術比通常使用的化學固定劑能更好地保存“細胞非常小的部分的精細結構”。她將這項技術應用于培養皿中生長的小鼠神經元，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發現的壓力球更小、間隔更有規律，而且它們不含任何東西，這表明它們不是由細胞“交通堵塞”造成的。

這一發現與其他發現相呼應：2013年，Watanabe實驗室在蛔蟲身上發現了類似的珍珠狀軸突，但沒有進一步研究；Burkhardt最近在櫛水母身上也發現了這種現象；Griswold在人類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家Pramod Pullarkat說，越來越多的研究表明，這種形狀是一種圓柱形囊泡在張力下皺縮的物理現象，很可能是軸突的正常狀態。但他表示，需要更多研究才能得出明確答案。

電信號沿軸突傳播的速度取決于軸突的形狀、直徑和珍珠間復雜的相互作用。Watanabe團隊用數學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小鼠神經元的信號傳導速度。他們發現，當軸突珍珠更小、間距更緊時，信號會更慢，而珍珠之間間距更大時，信號會更快。Watanabe說，這表明當大腦需要計算大量信息時，它可能會改變神經元的細微形狀，以改善信號傳導。但是大腦究竟是如何控制“珍珠”的尚不清楚。

但其他專家認為，Watanabe團隊發現的珍珠狀是細胞損傷的副作用。沒有參與這項研究的美國耶魯大學醫學院的神經科學家Pietro De Camilli說：“雖然高壓冷凍是一個非常快速的過程，但在處理樣本的過程中可能會發生一些事情導致形成珍珠狀。”美國圣路易斯華盛頓大學醫學院的細胞生物學家John Heuser也認為，珠狀蛋白是制備過程中的產物。

美國國立衛生研究院的生物物理學家Joshua Zimmerberg說，這些發現為更好地理解所有不同類型的軸突“打開了大門”。但他表示，仍有問題懸而未決，“珍珠會影響我的思維過程嗎？這是每個人都想知道的。”

Zimmerberg說，如果沒有一種方法來觀察神經元在活體人腦中活動時的精細結構，我們就沒有足夠強大的技術來直接回答這個問題。

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