通过重新审视映射大脑细胞之间连接的三维图像，科学家们正在发现关于一种小型、难以捉摸且常常被忽视的细胞结构的新见解。
在我们的身体中，许多细胞具有一个主要的纤毛，这是一个从细胞表面延伸出的微小、类毛状结构，起着传递信号的作用。纤毛对于控制各种细胞过程至关重要，但由于其体积小、数量有限，研究人员很难使用传统的方法在大脑细胞中研究它们，从而导致对它们的组织和功能缺乏清晰的了解。
最近，来自HHMI贾内利亚研究校园、艾伦研究所、德克萨斯大学西南医学中心和哈佛医学医学院的团队，利用之前为绘制连接组制作的高分辨率三维电子显微镜图像，对小鼠脑组织中的主要纤毛进行了仔细研究。
他们的发现揭示了某些关键大脑区域中纤毛的新信息，这可能增强科学家对这些结构的作用及其与疾病潜在联系的理解。
“重新利用这些庞大的电子显微镜数据集来研究细胞生物学，让我们获得了之前无法获得的见解，”该项目的负责人、Lippincott-Schwartz实验室的高级科学家卡罗琳·奥特解释道。
揭示新的生物学见解
纤毛的研究 notoriously具有挑战性。在大脑细胞中，一个仅几微米长的单纤毛从细胞中突出，进入其他细胞的复杂网络。利用传统显微镜方法定位和成像纤毛就像在干草堆中寻找针，样本量往往很小，使得得出明确结论变得困难。虽然研究人员通过研究实验室培养的细胞中的孤立纤毛学到了一些信息，但这些技术忽略了细胞器在其自然背景中的功能。
最近，科学家们开发了先进的技术，能够生成超高分辨率的组织三维图像，使研究人员能够探索细胞过程的细致细节。这些方法统称为体积电子显微镜，或称为体积EM，这些方法涉及使用电子显微镜对标本的薄层进行成像，然后将这些层组合成超高分辨率的三维图像。研究人员已利用这项技术构建连接组，提供单个神经元及其在大脑中相互连接的地图。
然而，用于构建连接组的体积EM图像并不仅仅描绘神经元。它们提供了组织样本内所有细胞和结构的纳米级别视角，包括纤毛。
“每当你深入这些庞大的体积数据集时，你都会发现新的生物学信息，”贾内利亚高级组长詹妮弗·利彭科特-施瓦茨说，她领导着贾内利亚的4D细胞生理研究领域，并且是最近发表论文的共同作者。“有大量生物学尚未被探索，而这项新技术使这一探索成为可能。”
进一步探索纤毛
在了解到奥特在视觉皮层的研究后，德克萨斯大学西南医学中心的副教授赛卡特·穆克霍帕迪亚联系了她，希望利用体积EM数据查看小鼠小脑颗粒细胞上的纤毛。
小脑颗粒细胞构成了小鼠大脑中最显著的细胞类型。这些细胞在其发育阶段具有纤毛，这有助于检测对其生长和成熟至关重要的蛋白质。然而，成体颗粒细胞缺乏纤毛，这可能导致其停止生长和这些成熟神经元的变化。穆克霍帕迪亚自开始研究小脑发育以来，对这些细胞为何以及如何失去纤毛充满了兴趣，但传统方法未能提供清晰的见解。
由奥特和穆克霍帕迪亚实验室的前博士后研究员桑迪·康斯特布尔领导的联盟，成功找到了发育小鼠小脑组织的体积EM图像，使他们能够观察不同发育阶段的纤毛。他们发现，许多中间细胞上的纤毛被包裹并隐藏，防止其暴露在细胞表面，并限制了其感知负责增殖的蛋白质的能力。在成熟细胞中，纤毛解体并完全消失，尽管细胞表面仍然锚定着来自于中心粒的结构，这是纤毛生成的地方。
进一步检查表明，随着细胞的发展，维持纤毛所需的基因失去活性，这意味着细胞通过停止生产必要的维持蛋白质来消除其纤毛。细胞表面找到的中心粒含有一个抑制纤毛再生的封闭复合物。
这些新发现可能帮助科学家理解一种类型的脑肿瘤，其中成熟的颗粒细胞异常地对导致细胞增殖的蛋白质保留纤毛，从而促进肿瘤生长。了解这些肿瘤细胞中出了什么问题可能有助于阐明该疾病的整体情况。
穆克霍帕迪亚认为，没有体积EM图像，这些发现是无法实现的，这些图像提供了对颗粒细胞上纤毛的无与伦比的视角。他观察到，研究人员对纤毛重要性的兴趣相比十年前显著提高。
“当前的挑战是：这如何导致疾病，我们能否找到治疗这些患者的方法？”他评论道。
