生物学教科书可能需要修订，约翰霍普金斯大学医学院的科学家们提出了新的证据，表明哺乳动物脑细胞的臂状结构（轴突）可能与科学家一个多世纪以来的假设不同。他们的关于小鼠脑细胞的研究显示，这些细胞的轴突并不是书籍和网站上经常描绘的圆柱形管，而更像是串珠。
该研究结果于12月2日在《自然神经科学》杂志上在线发表。“了解轴突的结构对于理解脑细胞信号传导非常重要，”约翰霍普金斯大学医学院细胞生物学和神经科学副教授Shigeki Watanabe博士说，“轴突是连接我们脑组织的电缆，使学习、记忆和其他功能成为可能。”
科学家们已经知道，在死亡的脑细胞和患有帕金森病及其他神经退行性疾病的人中，轴突中的珠状结构（称为轴突珠状化）可以发展，这是由于神经元膜和骨架完整性的丧失所致。在正常条件下，轴突被认为呈管状，直径大致恒定，偶尔有泡状结构（突触变性，其中含有传递信号到其他脑细胞的神经递质）。
Watanabe最初在蠕虫的神经系统中观察到了重复的轴突珠状化现象，并在与瑞士科学家Graham Knott博士讨论后对这些结构产生了更大的兴趣。哈佛大学的一个研究团队在2012年发表了一项研究，发现了轴突中的重复“骨架”成分，因此两位研究人员讨论了通过去除轴突骨架来看这些珠状结构是否会消失的实验，Watanabe说。
约翰霍普金斯大学的研究生、研究第一作者Jacqueline Griswold测试了这一想法，但未发现对轴突珠状化的影响。随后，Watanabe和Griswold与加州大学圣地亚哥分校药理学教授Padmini Rangamani博士合作，进一步研究了轴突的物理特性。
为了观察比人类头发宽度小100倍的脑细胞（神经元）的轴突，科学家们使用了高压冷冻电子显微镜。与标准电子显微镜通过向细胞发射电子束来勾勒其结构不同，Watanabe和他的团队将小鼠神经元冷冻以保留结构的形状。“为了看到纳米级的结构，我们通常会固定和脱水组织，但冷冻它们可以保留其形状——就像冷冻葡萄而不是将其脱水成葡萄干一样，”Watanabe说。
研究人员研究了三种类型的小鼠神经元：实验室培养的、从成年小鼠中提取的以及从小鼠胚胎中提取的。这些神经元是非髓鞘化的（没有围绕轴突的髓鞘绝缘层）。研究人员在数万张组织样本图像中发现了轴突的泡状、珠状形态。
科学家们将轴突肿胀的珠状结构命名为“非突触变性”。“这些发现挑战了一个世纪以来对轴突结构的理解，”Watanabe说。
科学家们还使用数学建模来研究轴突膜是否影响珠状结构的形状或存在。他们发现简单的机械模型可以非常有效地解释这些结构。此外，通过数学模型和小鼠脑样本进行的实验表明，增加溶液中糖的浓度或减少轴突膜的张力可以减小珠状结构的大小。
在另一项实验中，科学家们去除了神经元膜上的胆固醇，使其变得不那么僵硬，更加流动。在这种条件下，他们在数学模型和小鼠神经元中都发现珠状化减少，并且轴突传输电信号的能力降低。“轴突内的空间更宽，离子[化学粒子]可以通过得更快，避免交通堵塞，”Watanabe说。
科学家们还对小鼠神经元施加高频电刺激，这使得轴突上的珠状结构平均膨胀8%的长度和17%的宽度，并在刺激后至少30分钟内增加了电信号的速度。然而，当从膜上去除胆固醇时，轴突的珠状结构失去了膨胀状态，并且电信号的速度没有变化。
研究团队计划检查从接受脑手术的人和死于神经退行性疾病的人那里获得的人类脑组织中的轴突“臂”。
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