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在各種教科書與科學文章中，神經元的長相早已深入人心。我們知道，神經元的細胞核位於胞體中，而從胞體延伸出來的，除了一批樹枝狀的樹突，還有一根細長的突起，這就是今天的主角——軸突。
軸突負責將胞體發出的神經衝動傳遞給相鄰的神經元或是肌肉與腺體的效應細胞，是實現與其他細胞溝通的重要結構。
19世紀末，被譽為現代神經科學奠基人的聖地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal）在改良了高爾基染色法後，首次觀察到了包括軸突在內的神經元形態。在此之後，隨著觀測工具的改進，我們對軸突的認識也在不斷提升，但軸突管狀的基本形態沒有改變。長期以來，科學界都認為軸突是表面光滑的細長管狀結構，就像一根電纜一樣穩定地傳遞著神經訊號。
但就在今天，一項發表於《自然-神經科學》的最新研究試圖改寫人們對軸突形態的根本認知。來自約翰·霍普金斯大學醫學院與加州大學聖地亞哥分校的研究團隊在顯微影象中發現，哺乳動物的軸突是由一個個形似珍珠的囊泡均勻地串聯而成，就像是一根奈米級的珍珠手鍊！一個更具顛覆性的觀點是，這些“珍珠”可能還會影響動作電位的傳導速度。
在研究作者看來，這一發現將徹底改寫我們對神經元及其訊號的看法。不過也有其他科學家質疑，這個“全新結構”可能只是樣本處理過程導致的副產物。這項大膽的研究，究竟是怎麼一回事？
這項研究突破的關鍵，在於軸突樣本處理方法的創新。要知道，研究團隊試圖觀測的小鼠軸突直徑只有60奈米，相當於頭髮絲的百分之一，遠小於光學顯微鏡的觀測極限。因此，要看清軸突的結構，需要使用更強大的電子顯微鏡。
而在處理用於電子顯微鏡觀測的樣本時，常用的手段是使用化學固定劑固定組織並使其脫水。論文共同通訊作者Shigeki Watanabe教授打個這樣一個比方：這樣的操作方式就像是把葡萄做成葡萄乾，會對樣本的空間形態產生影響。那麼，有沒有完整保留“葡萄”形態的方法呢？一個思路是將樣本冷凍，製作出一顆“冷凍葡萄”。
為此，研究團隊使用高壓冷凍技術來處理不同的小鼠神經元樣本，包括在實驗室培養皿中生長的神經元、從成年小鼠以及小鼠胚胎中提取的神經元切片。研究作者指出，這項技術可以更好地儲存細胞的精細結構。需要指出的是，這些神經元軸突沒有最外層的髓鞘包裹，由此避免了髓鞘對軸突形態的限制。
利用這項技術，研究團隊在3種不同神經元樣本的電子顯微鏡成像結果中，都觀察到了前所未有的畫面：大量直徑200奈米的珍珠狀囊泡均勻地分佈在軸突上，這種結構被稱作“非突觸性曲張體”（non-synaptic varicosity）。
▲研究團隊在不同樣本的軸突上，都觀察到了奈米珍珠狀結構（圖片來源：參考資料[1]）
需要指出的是，對於軸突的珍珠狀，科學家們其實並不陌生。早在半個世紀前，就有研究發現在遭受神經系統疾病或是面臨壓力時，軸突會收縮成珍珠狀，這樣的改變可以避免細胞損傷的擴散。此外，即使是正常神經元的軸突，在細胞核物質運輸進出受阻時，也可以暫時膨大形成囊泡。但不同的是，這些“珍珠”都屬於宏觀尺度；而在最新研究中，以奈米尺度均勻分佈的“珍珠串”是首次發現，並且是正常神經元軸突所共有的。
近年來，有研究利用冷凍儲存技術，在線蟲與櫛水母中也觀測到了類似的奈米尺度珍珠狀軸突。因此論文指出這種珍珠形態在物種間高度保守，是軸突普遍存在的特徵。
在發現了這些珍珠狀軸突後，接下來的問題就成了：這些“珍珠”是如何產生的？它們會對神經訊號傳遞造成什麼影響？
對於第一個問題，研究團隊透過計算機模擬指出，軸突的奈米珍珠化可能是神經元膜的機械力學特性，尤其是平面內張力的結果，並且得到了細胞骨架的支援。而在透過改變滲透壓、去除膽固醇、抑制非肌肉肌球蛋白II（NMII）等手段破壞膜的特性後，軸突的奈米珍珠化被改變，這也證實了膜力學在軸突形態中的作用。
對於第二個問題，這項研究得出了更加有趣而大膽的結論：軸突形態可能會直接調節動作電位的傳導速度。當研究團隊去除了神經元膜上的膽固醇後，小鼠軸突的珍珠狀結構減少了，軸突傳導動作電位的速度也隨之減慢。研究指出，由於膽固醇具有多重作用，因此軸突形態可能不是唯一的貢獻因素，但這項研究還是提出了一種全新的神經元可塑性正規化：生物物理因素的調節影響軸突奈米珍珠化，從而控制動作電位傳導速度。
▲移除膽固醇後，研究團隊測得軸突的動作電位傳導速度減慢（圖片來源：參考資料[1]）
這一爆炸性的研究一經發表，立刻引起了學術界的熱議。在《科學》網站今日的報道中，多位神經科學家發表了自己對該研究的觀點。一些學者認為該研究意義重大，但也有觀點質疑這項研究的樣本處理方法，認為珍珠狀結構可能並非源於軸突本身的結構，而是快速冷凍製備過程的產物。
無論如何，這項研究為理解我們的大腦打開了全新的大門。這些軸突珍珠真正的成因是什麼？如果結論成立，它們會對神經系統疾病造成怎樣的影響，又會怎樣影響認知與思維？我們期待，未來的研究將為我們解開這些神奇珍珠背後的真相。
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參考資料：
[1] Griswold, J.M., Bonilla-Quintana, M., Pepper, R. et al. Membrane mechanics dictate axonal pearls-on-a-string morphology and function. Nat Neurosci (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01813-1
[2] Study may reverse century-old understanding of the shape of ‘arms’ on mammals’ brain cells. Retrieved December 3rd, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1065952
[3] Controversial study redraws classical picture of the neuron. Retrieved December 3rd, 2024 from https://www.science.org/content/article/controversial-study-redraws-classical-picture-neuron
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