Naukowcy z Johns Hopkins Medicine podważają jedno z fundamentalnych założeń neurobiologii. W badaniach nad komórkami mózgowymi myszy wykazali, że aksony umożliwiające komunikację między komórkami mózgowymi — nie mają kształtu cylindrycznych rurek, jak powszechnie przedstawiano, lecz przypominają sznur pereł. Wyniki tych przełomowych badań opublikowano 2 grudnia w czasopiśmie Nature Neuroscience.
Aksony: kluczowe struktury mózgu
Aksony to niezwykle istotne elementy neuronów, umożliwiające przekazywanie sygnałów w mózgu, co stanowi podstawę pamięci, uczenia się i innych funkcji poznawczych. Jak podkreśla Shigeki Watanabe, Ph.D., profesor biologii komórki i neuronauki w Johns Hopkins University School of Medicine, zrozumienie struktury aksonów jest kluczowe dla pełniejszego poznania procesów sygnalizacyjnych w mózgu.
Od ponad wieku nauka zakładała, że aksony są cylindrycznymi strukturami o stałej średnicy, z rzadkimi wystającymi elementami zwanymi synaptycznymi warikozytami, które przechowują neuroprzekaźniki. Jednak nowe badania sugerują, że ta koncepcja wymaga rewizji.
„Perłowe” struktury w aksonach: nie tylko objaw choroby
Dotychczas znane były struktury przypominające perły w aksonach, tzw. beading, obserwowane w umierających neuronach lub u osób z chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Parkinsona. Zjawisko to przypisywano utracie integralności błony i szkieletu komórkowego.
Watanabe, analizując wcześniejsze wyniki badań, dostrzegł podobne struktury w układzie nerwowym nicieni. Wspólnie ze szwajcarskim naukowcem Grahamem Knottem, Ph.D., oraz zespołem z Harvard University, rozpoczęli badania, aby sprawdzić, czy „perłowe” struktury znikną po usunięciu szkieletu aksonów. Wyniki eksperymentu, przeprowadzonego przez Jacqueline Griswold, studentkę Johns Hopkins, nie potwierdziły tej hipotezy.
Nowa technologia, nowe spojrzenie
Aby dokładniej zbadać strukturę aksonów, zespół naukowców wykorzystał technikę kriomikroskopii elektronowej. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, które wymagają odwodnienia tkanek, zamrażanie próbek pozwala zachować ich naturalny kształt — podobnie jak zamrożenie winogrona zamiast wysuszenia go do postaci rodzynki.
W badaniach wykorzystano trzy rodzaje neuronów myszy: hodowane w laboratorium, pochodzące od dorosłych osobników oraz embrionalne. Wszystkie były pozbawione osłonki mielinowej. Analiza tysięcy obrazów wykazała obecność struktur przypominających perły w każdym z badanych przypadków.
Naukowcy nazwali te struktury niesynaptycznymi warikozytami.
Modele matematyczne i eksperymenty biochemiczne
Kolejnym krokiem było zastosowanie modeli matematycznych do analizy kształtu aksonów. Modele te wykazały, że zmiany w napięciu błony komórkowej oraz stężeniu cukrów w otoczeniu aksonów wpływają na rozmiar „pereł”. Eksperymenty biochemiczne potwierdziły, że usunięcie cholesterolu z błony neuronów, co zwiększa jej płynność, zmniejsza ilość struktur „perłowych” oraz obniża zdolność aksonów do przewodzenia sygnałów elektrycznych.
Badania wykazały również, że stymulacja elektryczna neuronów prowadzi do powiększenia struktur przypominających perły o 8% długości i 17% szerokości. Zmiany te zwiększały prędkość sygnałów elektrycznych, jednak efekt ten zanikał po usunięciu cholesterolu z błony.
Wpływ na dalsze badania i praktykę medyczną
Zespół naukowców planuje teraz analizę aksonów w ludzkich tkankach mózgowych, pozyskanych za zgodą od pacjentów poddawanych operacjom oraz od osób zmarłych na choroby neurodegeneracyjne. Projekt badawczy uzyskał dofinansowanie z National Institute of Mental Health.
To odkrycie może mieć daleko idące implikacje dla neuronauki i praktyki medycznej, od zmiany treści podręczników, po nowe strategie diagnostyczne i terapeutyczne w chorobach neurodegeneracyjnych.
Źródło: Nature Neuroscience, fot. Johns Hopkins Medicine
DOI: 10.1038/s41593-024-01813-1
