Нейробиология в корне меняет представление об аксонах

Исследователи из Johns Hopkins доказали, что аксоны нейронов часто имеют форму «нити жемчуга», а не гладких трубок. Эти наномасштабные утолщения — часть нормальной структуры, регулируются физикой мембраны и нейрональной активностью и влияют на скорость передачи электрических сигналов. Находку подтвердили в тканях человеческого мозга.

Аксоны — длинные отростки нейронов, по которым электрические сигналы передаются другим клеткам. Столетие их изображали как ровные трубки с редкими синаптическими утолщениями. Утолщения в виде «бусин» считались признаком патологии: такое наблюдалось в умирающих нейронах и при нейродегенеративных болезнях, включая болезнь Паркинсона. Однако группа Шигеки Ватанабе показала наличие мелких повторяющихся вздутий — «несинаптических варикоз» — в сохранённых в естественном виде аксонах, что указывает на норму, а не повреждение.

Импульсом к исследованию стали наблюдения за аксонами червей и гипотеза о роли внутреннего цитоскелета. Однако нарушение этого каркаса не устранило «жемчужную» структуру, что направило учёных к изучению физических свойств мембраны вместе с теоретиком Падмини Рангамани.

Для визуализации структур, в 100 раз тоньше человеческого волоса, применили криоэлектронную микроскопию высокого давления: заморозка сохраняет форму лучше, чем химическая фиксация и обезвоживание. Были изучены культивируемые нейроны мыши, нейроны взрослых мышей и эмбрионов. «Жемчужный» вид подтверждён десятками тысяч изображений и микроскопией живых клеток, что исключило артефакт заморозки.

Математические модели показали, что форму определяют физические силы мембраны без жёсткого внутреннего каркаса. Увеличение концентрации сахара в среде уменьшало вздутия, как и повышение натяжения мембраны в модели. Удаление холестерина делало мембрану менее жёсткой, изменяло «жемчужную» структуру и замедляло сигналы. При этом скорость зависела не только от ширины вздутий, но и от узких сегментов между ними.

Аксоны не статичны. Под действием высокочастотной стимуляции вздутия увеличивались в среднем на 8% в длину и на 17% в ширину, эффект сохранялся минимум 30 минут. Скорость сигналов снижалась на срок до часа. При удалении холестерина изменения ослабевали, и значимого замедления не наблюдалось, что указывает на участие мембранной пластичности в регуляции передачи сигналов.

Носкорее исследование команды уже в тканях человеческого мозга (полученных при операциях по поводу эпилепсии, Chelsy Eddings и соавт., Neuron, 2025) выявило «жемчужные» аксоны и ультрабыстрый эндоцитоз у синапсов. Эти данные расширяют выводы, но не доказывают, что все аксоны человека одинаковы или что эффекты на сигнализацию повсеместны идентичны.

Проект поддержан грантом NIMH на моделирование связи структуры и сигналов. Параллельно шотландские исследователи ищут способы менять диаметр аксонов фармакологически. Ключевой вопрос на будущее — как отличать нормальную «жемчужную» архитектуру от патологического бусовидного вздутия при нейроболезнях, что важно для диагностики нарушений нейронального «провода».

Комментарии:

Комментарии

Меня эта новость зацепила сразу — и не столько нейробиологией, сколько тем, как легко мы принимаем картинку из учебника за истину. Целое столетие аксоны рисовали гладкими трубками, а вздутия автоматически читали как признак болезни. Оказалось, «нить жемчуга» — это норма, заданная физикой мембраны, и она ещё и пластична: после высокочастотной стимуляции вздутия меняются, а скорость сигналов снижается на срок до часа. Сколько ещё «патологий» в науке и в жизни окажется просто непонятой нормой?

Важные оговорки в тексте тоже есть, и их стоит держать в уме. Основная часть работы выполнена на нейронах мышей и червей; данные по человеческому мозгу получены на тканях, изъятых при операциях по поводу эпилепсии, — то есть это уже не совсем «типичный» мозг, и авторы честно подчёркивают, что это не доказывает универсальности эффектов. Отдельный открытый вопрос — как отличать нормальные варикозы от патологических вздутий при нейродегенерации, ведь внешне они могут быть похожи.

А ещё я поймала себя на мысли, что это исследование — красивая метафора того, как работает наше восприятие: мы видим то, что готовы увидеть, и фильтруем реальность через привычные схемы. Об этом я подробно писала в разборе того, как фильтры нашего восприятия меняют реальность. Интересно, как вы думаете: если даже нейробиологи столетие смотрели на аксон и не видели его настоящей формы — на что в собственной жизни мы смотрим так же привычно и так же слепо?

Оригинал статьи: Jacqueline M. Griswold, Mayte Bonilla-Quintana, Renee Pepper, Christopher T. Lee, Sumana Raychaudhuri, Siyi Ma, Quan Gan, Sarah Syed, Cuncheng Zhu, Miriam Bell, Mitsuo Suga, Yuuki Yamaguchi, Ronan Chéreau, U. Valentin Nägerl, Graham Knott, Padmini Rangamani, Shigeki Watanabe. Membrane mechanics dictate axonal pearls-on-a-string morphology and function. Nature Neuroscience, 2024; 28 (1): 49 DOI: 10.1038/s41593-024-01813-1