在一项突破性的研究中，研究人员质疑了神经科学中关于轴突结构的长期信念。轴突是从神经细胞延伸出来的细长纤维，它们在神经细胞之间传递电信号。他们对信息在大脑中的流动提出了新的视角。这项研究由约翰霍普金斯医学院的渡边繁树（Shigeki Watanabe）领导，部分与海洋生物实验室（Marine Biological Laboratory, MBL）神经生物学课程合作，并已发表在《自然神经科学》（Nature Neuroscience）上。
在超过70年的时间里，轴突被描绘成极其细小的电线，其直径沿长度变化，但通常呈现圆柱形状。人们普遍认为电信号（动作电位）在这些轴突中以恒定速度传递，类似于车辆快速穿过隧道。这种理解可以追溯到阿兰·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德鲁·赫克斯利（Andrew Huxley）在1940年代和50年代的开创性工作，大部分是在MBL进行的。
与这种传统观点相反，渡边及其团队展示了轴突在纳米尺度上实际上呈现“珍珠串”结构。这意味着电缆的某些部分夹杂有他们称之为“纳米珍珠”或非突触小泡的突出部分。他们提出，动作电位传播的速度并不是固定的，而是由于这些纳米珍珠的大小波动而变化，这些波动是由于信号传导过程中轴突膜和细胞骨架的机械改变所导致的。
“想象一下这就像汽车在高速公路上行驶，”渡边解释道。“在一条四车道的高速公路上，突然收窄为一条车道，然后又扩展回四条车道，你会期望交通流动受到影响。这更准确地描述了轴突的运作方式。”
“有趣的是，这些珍珠串的尺寸可以在特定地点变化，”渡边补充道。“我们的研究发现，通过改变局部条件，例如血浆膜中的胆固醇水平，可以影响纳米珍珠的大小，从而影响动作电位的速度。这表明轴突具有显著的灵活性。”
通过快速冷冻技术的发现
渡边团队描述的独特轴突结构超出了光学显微镜的限制，轴突直径接近60纳米，而纳米珍珠的直径约为200纳米。这些观察是在小鼠神经系统的非髓鞘轴突中进行的。
“之前的研究之所以忽视了这种轴突结构，是因为传统的检查方法。我们在电子显微镜下使用了冷冻保存样本，”渡边指出。“通常，研究人员采用化学过程进行电子显微镜检查，脱水样本—就像将葡萄变成干 raisins。但是，冷冻保存保持了实际形状，就像保存葡萄的新鲜外形。”
对神经退行性疾病的见解
渡边认为，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的胆固醇失调有关。研究强调，胆固醇水平的变化如何影响纳米珍珠的大小，从而影响动作电位的传导速度。这一机制的损伤可能导致轴突损伤和细胞死亡。
“探索与神经退行性病有关的突变如何影响轴突结构，以及这些神经元的可塑性是否仍然存在，将是非常有趣的，”他评论道。
自2015年以来，渡边参与了MBL神经生物学课程，其中部分研究在此进行。该论文的第一作者杰奎琳·格里斯沃尔德（Jacqueline Griswold）及合著者马思怡（Siyi Ma）和瑞妮·佩珀（Renee Pepper）均为MBL神经生物学课程的校友。
这项研究部分得到了授予渡边的惠特曼奖学金的支持。
