Według naukowców z Johns Hopkins aksony w komórkach mózgowych przypominają raczej sznur pereł niż gładkie rurki. Odkrycie to, wspomagane zaawansowanym obrazowaniem i modelowaniem, ujawnia, w jaki sposób właściwości fizyczne i błonowe wpływają na strukturę i funkcję aksonów, podważając długo utrzymywane przekonania i oferując wgląd w sygnalizację mózgową i choroby.
Zdaniem naukowców z Johns Hopkins Medicine, którzy przedstawili nowe dowody sugerujące, że przypominająca ramię struktura komórek mózgowych ssaków może wymagać rewizji, podręczniki biologii mogą mieć inny kształt niż ten, który naukowcy zakładali od ponad stulecia.
Badania na mysich komórkach mózgowych pokazują, że aksony komórek – przypominające ramiona struktury, które wyciągają rękę i wymieniają informacje z innymi komórkami mózgowymi – nie są cylindrycznymi rurkami często przedstawianymi w książkach i na stronach internetowych, ale bardziej przypominają perły na sznurku.
Niedawno w czasopiśmie opublikowano raport z wyników badań Neuronauka przyrodnicza.
„Zrozumienie struktury aksonów jest ważne dla zrozumienia sygnalizacji komórek mózgowych” – mówi dr Shigeki Watanabe, profesor nadzwyczajny biologii komórki i neurologii w Szkole Medycznej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. „Aksony to kable łączące naszą tkankę mózgową, umożliwiające uczenie się, zapamiętywanie i inne funkcje”.
Naukowcy wiedzą, że perłowe struktury w aksonach, zwane koralikami aksonowymi, mogą rozwijać się w umierających komórkach mózgowych oraz u osób chorych na chorobę Parkinsona i inne choroby neurodegeneracyjne z powodu utraty integralności błon i szkieletu w neuronach.
Uważa się, że w normalnych warunkach aksony mają kształt rurek o przeważnie stałej średnicy i sporadycznie o strukturach przypominających pęcherzyki (żylaki synaptyczne, w których znajdują się kulki neuroprzekaźników, które umożliwiają przekazywanie sygnałów do innych komórek mózgowych).
Badanie Axona Pearlinga
Watanabe początkowo zaobserwował powtarzające się perły aksonów w układzie nerwowym robaków, a po dyskusji ze szwajcarskim naukowcem Grahamem Knottem zainteresował się tymi strukturami. Opublikował je zespół badawczy z Uniwersytetu Harvarda badanie w 2012 roku które zidentyfikowały powtarzające się elementy „szkieletowe” w aksonach, dlatego para badaczy omówiła eksperymenty mające na celu pozbycie się szkieletu aksonu i sprawdzenie, czy struktury perłowe znikną, mówi Watanabe.
Absolwentka Johns Hopkins i pierwsza autorka badania, Jacqueline Griswold, przetestowała ten pomysł, ale nie stwierdziła żadnego wpływu na perłowanie aksonów.
Następnie Watanabe i Griswold współpracowali z kolegą z biofizyki teoretycznej, doktorem Padmini Rangamani, profesorem farmakologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego School of Medicine, aby bliżej przyjrzeć się właściwościom fizycznym aksonów.
Aby móc zobaczyć aksony komórek mózgowych (neuronów), które są 100 razy mniejsze niż szerokość ludzkiego włosa, naukowcy wykorzystali wysokociśnieniową mikroskopię elektronową z zamrażaniem. Podobnie jak w przypadku standardowej mikroskopii elektronowej, która strzela wiązkami elektronów w komórkę, aby zarysować jej strukturę, Watanabe i jego zespół zamrozili neurony myszy, aby zachować kształt struktur.
„Aby zobaczyć[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>nanoscale structures with standard electron microscopy, we fix and dehydrate the tissues, but freezing them retains their shape — similar to freezing a grape rather than dehydrating it into a raisin,” says Watanabe.
The researchers studied three types of mouse neurons: ones grown in the lab, those taken from adult mice, and those taken from mouse embryos. The neurons were nonmyelinated (they were without the myelin-insulating cover that surrounds the axon).
The researchers found the bubbly, pear shape of axons among all of the tens of thousands of images taken of the tissue samples.
The scientists named the pearl-like structures in which the axon swells “non-synaptic varicosities.”
“These findings challenge a century of understanding about axon structure,” says Watanabe.
Insights from Mathematical Modeling and Experiments
The scientists also used mathematical modeling to see if the axon membrane influenced the shape or presence of the pearl on a string structure. They found that simple mechanical models could be used to explain these structures very effectively.
Furthermore, experiments with the mathematical model and mouse brain samples showed that increasing the concentration of sugars in the solution around the axon or decreasing tension in the axonal membranes reduced the pearl structures’ size.
In another experiment, the scientists removed cholesterol from the neuron’s membrane to make it less stiff and more fluid-like. Under this condition, they found less pearling in both mathematical models and mouse neurons, along with reduced ability of the axon to transmit electrical signals.
“A wider space in the axons allows ions [chemical particles] szybciej przejechać i uniknąć korków” – mówi Watanabe.
Naukowcy zastosowali także stymulację elektryczną o wysokiej częstotliwości do neuronów myszy, co spowodowało, że perłowe struktury wzdłuż aksonów puchły średnio o 8% dłużej i 17% szerzej przez co najmniej 30 minut po stymulacji, co zwiększyło prędkość sygnałów elektrycznych. Jednakże, gdy cholesterol został usunięty z błony, perły aksonu straciły swój spuchnięty stan i nie uległy zmianie w prędkości sygnałów elektrycznych.
Zespół badawczy planuje zbadać „ramiona” aksonów w ludzkiej tkance mózgowej pobrane za zgodą osób poddawanych operacjom mózgu oraz osób, które zmarły z powodu chorób neurodegeneracyjnych. Praca ta stała się podstawą niedawno nagrodzonego Stypendium wielokrotnego głównego badacza Do Watanabe i Rangamani z Narodowego Instytutu Zdrowia Psychicznego.
Odniesienie: „Mechanika membrany dyktuje morfologię i funkcję pereł aksonalnych na sznurku” 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 i Shigeki Watanabe, 2 grudnia 2024 r., Neuronauka przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41593-024-01813-1
Fundusze na badania zapewniły: Szkoła Medyczna Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, Marine Biological Laboratory Whitman Fellowship, nagroda Chan Zuckerberg Initiative Collaborative Pair Grant and Suplement Award, nagroda Brain Research Foundation Scientific Innovations Award, nagroda Fundacji Helis, nagroda Fundacji Narodowe Instytuty Zdrowia (NS111133-01, NS105810-01A11, DA055668-01, 1RF1DA055668-01), Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-18-1-0051), stypendium badawcze im. Alfreda P. Sloana, stypendium Fundacji McKnighta, stypendystka Klingensteina – Nagroda Simons Fellowship w dziedzinie neurologii, a Stypendium Fundacji Vallee, National Science Foundation i Kavli Institutes na Johns Hopkins i UC San Diego.
Inni badacze, którzy przeprowadzili badanie, to Chintan Patel, Renee Pepper, Sumana Raychaudhuri, Quan Gan, Sarah Syed i Brady Maher z Johns Hopkins, Mayte Bonilla-Quintana, Christopher Lee, Cuncheng Zhu i Miriam Bell z UC San Diego, Siyi Ma z Laboratorium Biologii Morskiej, Mitsuo Suga i Yuuki Yamaguchi z JEOL w Tokio oraz Ronan Chéreau i U. Valentin Nägerl z Université de Bordeaux we Francji.
