在一项具有挑衅性的新研究中，科学家们挑战了神经科学中关于轴突形状的基本原则，并提出了一种新的模型来理解信息是如何在大脑中传递的。轴突是神经细胞辐射出来的细长细丝，在细胞之间传递电信号。这项研究由约翰霍普金斯大学医学院的Shigeki Watanabe领导，部分在海洋生物实验室（MBL）神经生物学课程中进行，并于本周发表在《自然神经科学》上。

　　70多年来，科学家们一直把轴突描绘成超薄的电缆，沿长度方向直径不同，但形状大致呈圆柱形。电信号（动作电位）被认为以恒定的速度通过它们，就像汽车在隧道中加速一样。（这个概念和速度方程来自艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德鲁·赫胥利（Andrew Huxley）在20世纪40年代至50年代对鱿鱼巨轴突动作电位的历史性研究，部分来自MBL。）

　　然而，Watanabe和他的团队证明，轴突实际上在纳米尺度上具有“串上的珍珠”的形态——电缆的长度点缀着他们称之为“纳米珍珠”（或非突触钮扣）的凸起。他们断言，动作电位的速度不是恒定的，而是受纳米珍珠大小的变化所调节的，而纳米珍珠大小的变化又是由动作电位通过时轴突膜和细胞骨架的机械变化引起的。

　　Shigeki继续说道：“但有趣的是，串珠的大小在某些位置会发生变化。”“我们已经证明，你可以通过改变局部区域的因素来调节纳米珍珠的大小，比如质膜中的胆固醇。这反过来又调节动作电位的速度。所以，轴突在这个意义上是高度灵活的。”

　　Watanabe和团队描述的轴突超微结构远远低于光学显微镜的衍射极限，轴突束直径约为60纳米，重复的纳米珍珠直径约为200纳米。（这些观察是在小鼠神经系统的无髓鞘轴突中进行的。）

　　渡边说：“以前人们错过了这种轴突形态，而我们能够观察到这一点，是因为我们在电子显微镜下观察冷冻保存的组织。”“通常，人们使用化学物质来处理电子显微镜下的样品，然后使这些组织脱水，这就像把葡萄变成葡萄干一样。但当你冷冻保存时，就像你在做冷冻葡萄。你可以保留原来的形状。”

　　Watanabe说，这一发现对理解神经退行性疾病具有重要意义。例如，阿尔茨海默病与大脑中胆固醇的失调有关。Watanabe的研究表明，胆固醇进出神经元质膜会改变纳米珍珠的大小，从而调节动作电位的传导速度。如果这一机制受损，最终可能导致轴突死亡。

　　他说：“在未来，研究导致神经变性的突变，这些神经元的轴突形态是什么样子，以及轴突可塑性是否仍然存在，将是一件有趣的事情。”

　　自2015年以来，渡边一直是MBL神经生物学课程的教员，该课程进行了部分研究。第一作者Jacqueline Griswold和合著者Siyi Ma和Renee Pepper是MBL神经生物学课程的校友。

　　这项工作的一部分得到了MBL惠特曼渡边奖学金的支持。