神经科学家们一个多世纪以来一直在研究突触——这种允许神经元之间快速通信的基本连接点。但如今，一个研究团队在《科学》杂志今日发表的报告中指出，他们在大脑中发现了一种不同的神经元连接方式，这种连接可能完全绕过突触。
研究人员利用小鼠和人脑的高分辨率图像，记录到一种连接神经元的管状网络，每根管道长约3微米，厚度仅数百纳米。在小鼠细胞中，团队发现神经元通过这些纳米管传递电信号的证据，甚至观察到与阿尔茨海默病相关的蛋白质也能借此传播。
“我们研究大脑已有漫长历史，但惊喜仍会不期而至，”未参与此项工作的埃默里大学（Emory University）神经科学荣休教授拉里·沃克（Lary Walker）表示。尽管这些纳米管的基础生物学机制仍需深入探索，他指出该发现可能对科学家理解神经元通信和疾病产生广泛影响。
研究人员早已知晓某些细胞会形成纳米管。2004年《科学》杂志一篇论文描述了德国团队在培养皿中观察到大鼠肾细胞自发形成的微小通道，这些通道能传递细胞器。此后研究在多种细胞和组织类型中记录到此类“隧道纳米管”（TNTs），并将其与器官发育、组织修复及病毒在体内传播等过程联系起来。
近期研究发现小胶质细胞（大脑的免疫细胞）与神经元之间会形成TNTs，并暗示它们在脑健康与疾病中具有重要功能。但科学家一直难以在哺乳动物大脑中找到连接神经元彼此的此类通道。搜索尤为困难，因为神经元的分支末端（树突）相互缠绕成团，且研究人员缺乏能区分纳米管与其他细胞结构的分子标记。
在新研究中，约翰斯·霍普金斯大学（Johns Hopkins University）神经科学家权亨百（Hyungbae Kwon）及其同事仔细分析了近期发表的人脑和小鼠脑皮层电子显微镜图像。他们观察到类似连接树突的细管，但隧道两端封闭——不同于典型TNTs的开口结构。此外，此前记录的TNTs多在10微米以上，而这些仅约3微米长。权教授团队将这种潜在新结构命名为“树突纳米管”（DNTs）。
为深入探究这些微型连接，研究人员使用超高分辨率显微镜对小鼠脑切片和培养皿中的单个神经元进行成像——该技术突破了传统光学显微镜的分辨率限制。随后他们运用机器学习方法分析图像特征，确认这些管道与其他神经元细胞细丝结构明显不同。团队还拍摄了培养神经元中DNTs形成与解体的延时影像，过程持续数分钟至数小时。
研究发现，DNTs似乎通过传递带电粒子在邻近神经元间传输电信号。当团队人为提高一个神经元内钙离子浓度时，邻近神经元会记录到相应的钙水平激增——若用抑制纳米管形成的化学物质细胞松弛素D处理细胞，该效应可部分阻断。
这些通道还能将分子从一个神经元传递至下一个。特别地，团队发现若将人类淀粉样β蛋白（阿尔茨海默病相关蛋白）注入一只小鼠神经元，它会迅速出现在邻近细胞中。施用细胞松弛素D则能阻止这种细胞间传递。
研究人员报告称，额外实验与计算机模拟表明DNT网络可能导致神经元内淀粉样β蛋白的积累。鉴于细胞内淀粉样蛋白积累是阿尔茨海默病的早期标志，研究者提出纳米管可能在疾病进展中发挥作用。
未参与此项工作的研究者表示DNTs似乎代表了哺乳动物大脑中一种新型连接。“令人振奋之处在于这是一种非常直接的细胞通信形式，”卢森堡大学（University of Luxembourg）神经科学家迈克尔·亨内卡（Michael Heneka）表示，他研究过小胶质细胞与神经元间的TNTs，并为《科学》杂志同期配发了观点文章。
沃克等人谨慎指出，目前尚不足以确定DNTs在疾病中的作用，因为其普遍性、形成机制及传递物质仍不明确。研究淀粉样β的实验可能无法反映该蛋白在动物大脑中的真实行为，剑桥大学（University of Cambridge）研究神经退行性疾病的细胞生物学家大卫·鲁宾斯坦（David Rubinsztein）补充道。他表示，大多数细胞内淀粉样β可能被各种细胞器的膜包裹，而本研究中它在小鼠神经元内自由移动。
权亨百表示，团队希望进一步探究DNTs如何传递物质，并验证这些管道是否运输其他疾病相关蛋白（如比淀粉样β更大的tau蛋白，后者也与阿尔茨海默病相关）。
“无论这些新结构最终是否成为神经退行的帮凶，这项新研究必将是‘后续工作的起点’，”鲁宾斯坦说，“他们描述了一个非常有趣的现象。”
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