19 世纪末，西班牙神经科学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔绘制了数百张神经元图像。他的精湛作品影响了我们对神经元外观的理解：细胞的中心呈球状，一端是树枝般的树枝，另一端是长而光滑的尾巴。
几个世纪后，这些图像仍是教科书。但现在一项有争议的研究表明，拉蒙·卡哈尔以及此后的神经科学家可能错过了一个关键细节。
约翰霍普金斯大学的团队在长尾上发现了微小的“气泡”，称为轴突。轴突通常被描绘成一条光滑的圆柱形电缆，但它看起来却像“串珠”。
为什么要关心？轴突传递连接神经网络的电信号，这些神经网络产生我们的思想、记忆和情感。轴突形状的微小变化可能会改变这些信号，甚至可能改变大脑的输出——也就是我们的行为。
这项研究的负责人、约翰霍普金斯大学医学院的 Shigeki Watanabe在新闻稿中表示：“了解轴突的结构对于理解脑细胞信号传导非常重要。”
这项研究利用了一种能更好地保存神经元结构的显微镜。在三种小鼠神经元中（一些在培养皿中生长，另一些来自成年小鼠和小鼠胚胎），研究小组始终能看到纳米珍珠，这表明它们是轴突正常形状的一部分。
渡边说： “这些发现挑战了人们对轴突结构一个世纪的理解。”
纳米珍珠并不是静态的。在神经元的液体环境中添加糖或剥离神经元膜（脂肪保护外层）中的胆固醇，都会改变纳米珍珠的大小和分布，以及信号沿轴突传播的速度。
人们对这项研究的反应不一。一些科学家对这一发现表示欢迎。在过去的 70 年里，科学家们对轴突的形状进行了广泛的研究，并认识到了其复杂的结构。随着显微镜技术的进步，发现新的结构并不奇怪，但却令人兴奋不已。
其他人则持怀疑态度。艾克斯-马赛大学的 Christophe Leterrier（未参与这项研究）在接受《科学》杂志采访时表示：“我认为轴突确实不是完美的管道，但它也不只是它们所展示的这种手风琴形状。”
可能产生压力球的电缆
轴突在大脑中延伸数英寸，直径比人类头发细 100 倍。虽然它们大多呈管状，但偶尔会散布一些气泡，称为突触膨大，其中含有用于与邻近神经元传递信息的化学物质。这些长分支主要有两种类型：一些包裹在脂肪鞘中，另一些则是“裸露的”，没有缓冲。
虽然轴突经常被比作树枝，但它却可以变形。例如，短暂的电信号爆发会导致突触静脉曲张暂时扩大 20%。轴突也会在较长时间内稍微变宽，然后恢复到正常大小。
这些微小的变化对大脑计算有很大的影响。就像一根可以改变其特性的电缆一样，它们可以微调网络之间的信号强度，进而调整神经元的整体功能。
轴突还有另一个绝招：它们在受伤时会收缩成“压力球”，比如在运动过程中头部受到意外撞击，或者患上阿尔茨海默氏症或帕金森氏症。与突触静脉曲张相比，压力球相对较大。但它们是暂时的。这些结构最终会松弛并恢复管状形状。它们不是有害的，而是可能通过限制对较小区域的损伤并在恢复期间滋养轴突来保护大脑。
但轴突的变形能力是暂时的，而且通常只在压力下才会出现。健康大脑中的轴突是什么样的？
串珠
大约十年前，渡边在开发一种新的显微镜技术时注意到线虫轴突中存在微小气泡。尽管这些结构比压力球小得多，而且排列更紧密，但他还是把这一结果当作一种好奇心，并没有进一步研究。多年后，卑尔根大学的 Pawel Burkhardt也在一种微小的海洋无脊椎动物栉水母中发现了珍珠状轴突。
在这项新研究中，渡边和同事们重新审视了这些令人费解的发现，并采用了一种较新的显微镜技术：高压冷冻。为了对大脑中的精细细节进行成像，科学家通常会向大脑中加入多种化学物质来将神经元固定到位。然后将经过处理的大脑切成极薄的薄片，并用显微镜逐块扫描。
这个过程需要几天时间。如果不小心，它可能会扭曲神经元的膜并损坏甚至撕碎脆弱的轴突。相比之下，高压冷冻可以更好地锁定细胞的形状。
研究小组利用电子显微镜（通过向细胞发射电子束来勾勒出细胞的结构）研究了来自三个来源的“裸”轴突：在实验室培养皿中生长的小鼠神经元以及来自成年和胚胎小鼠大脑薄片的神经元。
所有轴突的整个长度上都有奇特的珍珠状斑点。纳米珍珠的直径约为 200 纳米，比压力球小得多，而且间距更小。这些珠子的形成可能是由于生物物理学。最近的研究表明，在张力作用下，长管的各部分会皱缩成珠子——这种现象被称为“膜驱动不稳定性”。为什么会发生这种情况以及它对大脑功能的影响仍然是个谜，但该团队有自己的想法。
眼见为实？
他们利用数学模拟模拟了周围环境的变化如何影响轴突的珠化及其电传输。
轴突被粘稠的保护性蛋白质凝胶包围，就像泡泡服一样。但它们仍会受到物理力——就像我们快速扭头时一样。模拟发现，神经元周围的物理张力是控制轴突珍珠化的关键因素。
在另一项测试中，研究小组从神经元中去除胆固醇（神经元膜中的一种成分），使神经元更加灵活，更像流体。这一调整减少了模拟中的珍珠状现象，并减缓了电信号通过模拟轴突的速度。
记录活体小鼠神经元的电信号也得到了类似的结果。纳米珠越小、排列越紧密，信号传输速度越慢，而纳米珠越大、排列越宽的轴突信号传输速度越快。
作者写道，研究结果提出了一个“有趣的想法”，即改变生物物理力量可以直接改变大脑电信号的速度。
但并非所有人都相信。
一些科学家认为，纳米珍珠是制备过程中产生的产物。耶鲁大学医学院的 Pietro De Camilli（未参与这项研究）告诉 《科学》杂志：“虽然快速冷冻是一个非常快速的过程，但在处理样品的过程中可能会发生一些事情”导致形成珠状。其他人则质疑纳米珍珠是否像压力球一样在压力下形成并最终展开。我们还不知道：显微镜是时间快照，而不是电影。
尽管遭到反对，该团队还是将目光转向人类轴突。健康的人类脑组织很难获得。他们计划在癫痫手术中切除的脑组织和因神经退行性疾病去世的人的脑组织中寻找纳米珍珠的迹象。由健康人开发的脑器官或“微型大脑”也可以帮助破译轴突的形状。
无论如何，这项研究引发了一个问题：当谈到大脑解剖学时，我们还错过了什么？
原创文章，作者：王 浩然，如若转载，请注明出处：https://www.dian8dian.com/you-zheng-yi-de-yan-jiu-biao-ming-jiao-ke-shu-dui-shen-jing
