Nowe badania podważają tradycyjne poglądy na strukturę aksonów, przedstawiając model „pereł na sznurku”, w którym na prędkość potencjału czynnościowego wpływają zmiany wielkości nanopereł spowodowane czynnikami lokalnymi, takimi jak cholesterol.
Odkrycie to, zaobserwowane w kriokonserwowanych tkankach nerwowych myszy, może mieć wpływ na zrozumienie chorób neurodegeneracyjnych związanych z regulacją cholesterolu.
Nowe podejście do struktury aksonu
W prowokacyjnym badaniu naukowcy kwestionują długo utrzymującą się w neuronauce wiarę w strukturę aksonów – cienkich, wydłużonych włókien przekazujących sygnały elektryczne między komórkami nerwowymi. Badania prowadzone pod kierunkiem Shigeki Watanabe z Johns Hopkins School of Medicine i częściowo przeprowadzone na kursie neurobiologii w Marine Biological Laboratory (MBL) wprowadzają nowy model zrozumienia przepływu informacji w mózgu. Wyniki opublikowano dzisiaj (5 grudnia) w Neuronauka przyrodnicza.
Od ponad 70 lat aksony są przedstawiane jako ultracienkie, cylindryczne kable, które różnią się nieznacznie średnicą, ale zachowują przeważnie jednolity kształt. Uważano, że sygnały elektryczne, czyli potencjały czynnościowe, przemieszczają się przez aksony ze stałą prędkością, podobnie jak samochody poruszające się płynnie w tunelu. Koncepcja ta wywodzi się z pionierskich prac Alana Hodgkina i Andrew Huxleya z lat czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku, które obejmowały badania nad aksonem olbrzymim kałamarnicy przeprowadzone w MBL.
Aksony: ujawniono morfologię pereł na sznurku
Jednakże Watanabe i zespół wykazali, że aksony w rzeczywistości mają morfologię „pereł na sznurku” w miejscu nanoskala poziom – odcinki kabla przeplatane wybrzuszeniami, które nazywają „nanoperłami” (lub boutonami niesynaptycznymi). Twierdzą, że prędkość potencjału czynnościowego nie jest stała, ale modulowana przez zmiany wielkości nanoperełek, które z kolei są spowodowane mechanicznymi zmianami w błonie aksonu i cytoszkielecie podczas przemieszczania się potencjału czynnościowego.
„Możemy myśleć o tym jak o samochodach poruszających się po autostradzie” – mówi Watanabe. „Jeśli masz czteropasmową autostradę przechodzącą przez tunel, samochody poruszają się normalnie. Ale jeśli autostrada ma cztery pasy, to zwęża się do jednego pasa, a potem wraca do czterech pasów, jednego pasa – tak faktycznie wyglądają aksony. Można by pomyśleć, że natężenie ruchu nie będzie zbyt duże.
„Ale co ciekawe, rozmiar pereł na sznurku może się zmieniać w niektórych miejscach” – kontynuuje Shigeki. „Pokazaliśmy, że można modulować wielkość nanopereł, zmieniając lokalne czynniki, takie jak poziom cholesterolu we krwi”. osocze membrana. To z kolei moduluje prędkość potencjału czynnościowego. Zatem aksony są pod tym względem bardzo elastyczne.”
Zamrażanie Flasha przed obrazowaniem doprowadziło do odkrycia
Ta ultrastruktura aksonu opisana przez Watanabe i zespół znajduje się znacznie poniżej granicy dyfrakcji mikroskopii świetlnej, przy czym droga aksonu ma średnicę około 60 nm i powtarzające się nanoperły o średnicy około 200 nm. (Obserwacji dokonano w niemielinowanych aksonach w układzie nerwowym myszy.)
„Powodem, dla którego ludzie wcześniej przeoczyli morfologię aksonów i że mogliśmy to zaobserwować, jest to, że przyglądamy się kriokonserwowanym tkankom pod mikroskopem elektronowym” – powiedział Watanabe. „Zwykle ludzie używają środków chemicznych do przetwarzania próbek do mikroskopii elektronowej, a następnie suszą te tkanki, co przypomina przerabianie winogron na rodzynki. Ale kiedy kriokonserwujesz, to tak, jakbyś robił mrożone winogrona. Można zachować rzeczywisty kształt.”
Implikacje dla chorób neurodegeneracyjnych
Odkrycie to ma wpływ na zrozumienie chorób neurodegeneracyjnych, powiedział Watanabe. Alzheimera choroba jest na przykład związana z błędną regulacją poziomu cholesterolu w mózgu. Badanie Watanabe pokazuje, że wielkość nanopereł jest modyfikowana przez cholesterol przemieszczający się do neuronalnej błony plazmatycznej lub z niej, co z kolei reguluje prędkość przewodzenia potencjałów czynnościowych. Jeśli mechanizm ten zostanie zaburzony, może to ostatecznie doprowadzić do śmierci aksonów.
„W przyszłości interesujące będzie przyjrzenie się mutacjom prowadzącym do neurodegeneracji, jak wygląda morfologia aksonów w tych neuronach i czy plastyczność aksonów jest nadal obecna” – powiedział.
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
Od 2015 roku Watanabe jest wykładowcą kierunku Neurobiologia MBL, gdzie prowadzono część badań. Pierwsza autorka Jacqueline Griswold oraz współautorzy Siyi Ma i Renee Pepper są absolwentami kursu MBL Neurobiology.
Część tej pracy była wspierana przez stypendium MBL Whitman Fellowship to Watanabe.
