Мікроскопічна мережа мозку може потребувати іншого виду підручникової ілюстрації. Замість гладких вузьких трубочок, які зазвичай відходять від нервових клітин, деякі аксони виглядають як нитки крихітних перлин. Ці розрізи, що перекриваються, не просто декоративні деталі. Схоже, що їх форма впливає на передачу електричних повідомлень.
Дослідники Johns Hopkins Medicine підкреслили цю несподівану архітектуру в дослідженні, опублікованому в Інтернеті. Неврологія природи 2 грудня 2024 р. Працюючи з нейронами миші, вони знайшли докази того, що знайома картина анатомії клітин мозку може не помічати важливу особливість посилення сигналу клітинного передавача.
Пов’язані дослідження з того часу задокументували перламутрові аксони в тканинах мозку людини, поширивши спостереження на мишах. Разом ці результати викликають питання про те, як фізична структура проводки мозку допомагає регулювати спілкування.
«Розуміння структури аксонів має вирішальне значення для розуміння сигналізації клітин головного мозку», — сказав Шігекі Ватанабе, доктор філософії, доцент кафедри клітинної біології та нейронауки Медичної школи Університету Джона Хопкінса в повідомленні університету за 2024 рік. “Аксони – це дроти, які з’єднують тканини нашого мозку та забезпечують навчання, пам’ять та інші функції”.
Різні зображення аксонів клітин мозку
Аксони – це довгі розширення, які дозволяють нейронам передавати електричні сигнали іншим клітинам. Звичайне зображення показує відносно однорідну трубку із синаптичними варикозами, які містять глобули нейромедіаторів, які передають сигнали іншим клітинам мозку.
Намистинчасті аксони самі по собі не є незнайомим видовищем. Вчені вже давно спостерігають важкі пухлини в нейронах, що відмирають, і при нейродегенеративних станах, включаючи хворобу Паркінсона. У цьому випадку стрижень може супроводжувати пошкодження клітинної мембрани та внутрішнього каркаса, що допомагає підтримувати структуру аксона.
У дослідженні Джона Гопкінса виявилося набагато менших, відтворюваних пухлин в аксонах, які досліджувалися в умовах, призначених для збереження їх нормальної структури. Дослідники назвали ці області «несинаптичними варикозними розширеннями вен». На відміну від звичних з’єднань, пов’язаних із вузлами зв’язку, ці пухлини не були синапсами.
Різниця важлива: дослідження не показало, що кожен платний аксон був пошкоджений. Замість цього він вказав на нанорозмірний перламутровий малюнок, який міг бути частиною нормальної архітектури досліджуваних аксонів.
Поради від глистів
Інтерес Ватанабе був викликаний спостереженнями подвоєння перлин уздовж аксонів у хробаків. Розмова зі швейцарським вченим Гремом Ноттом, доктором філософії, спонукала його до подальших досліджень. Одним із можливих пояснень був внутрішній скелет аксона, підтримуючої мережі білків.
У дослідженні, опублікованому в 2012 році, команда з Гарвардського університету повідомила про дублювання «скелетних» компонентів в аксонах. Ватанабе та Нотт задавалися питанням, чи знищить перлини порушення цієї структури. Жаклін Грісволд, аспірантка університету Джонса Хопкінса та перша авторка дослідження, перевірила цю ідею. Перлина залишилася.
Цей результат зосередив їхню увагу на фізичних властивостях аксона. Ватанабе та Грізволд об’єдналися з теоретиком-біофізиком Падміні Рангамані, доктором фармакології з Медичної школи Сан-Дієго при Каліфорнійському університеті, щоб дослідити, як навколишня мембрана може формувати аксон.
Заморожування клітин мозку відкриває приховані деталі
Для вивчення цього розширення клітин головного мозку (нейронів) потрібні структури зображення, набагато вужчі за людську волосину. Джон Хопкінс описав їх як приблизно в 100 разів менші за ширину волосини. Дослідники використовували електронну мікроскопію з заморожуванням під високим тиском, щоб зберегти їх витончені форми перед дослідженням електронних променів.
Важливим був спосіб приготування. Стандартна електронна мікроскопія зазвичай включає хімічну фіксацію та висушування тканини, кроки, які можуть змінити структури, які вчені намагаються спостерігати. Заморожування пропонує спосіб зберегти форму ближче до оригіналу.
«Щоб побачити нанорозмірні структури за допомогою стандартної електронної мікроскопії, ми фіксуємо та заморожуємо тканини, але заморожування їх зберігає їхню форму — як заморожування винограду замість сушіння в родзинках», — сказав Ватанабе.
Команда досліджувала нейрони мишей, вирощених у лабораторії, нейрони дорослих мишей і нейрони мишачих ембріонів. Їхні аксони були немієлінізованими (вони були без ізолюючої мієлінової оболонки, яка оточує аксон). На десятках тисяч зображень тканин дослідники неодноразово зустрічали один і той же тип перлин.
Вони також спостерігали за перлиною за допомогою зображень живих нейронів високої роздільної здатності, що свідчить про те, що вона була отримана не просто заморожуванням зразків.
«Ці знахідки кидають виклик столітньому розумінню структури аксона», — сказав Ватанабе.
Як фізика мембрани формує аксони
Щоб пояснити цю закономірність, дослідники створили математичні моделі мембрани, що оточує аксон. Відносно прості механічні моделі відтворювали основні властивості перлин, де фізичні сили могли допомогти визначити форму, не вимагаючи жорсткої внутрішньої форми.
Експерименти підтвердили це тлумачення. Збільшення концентрації цукру в розчині навколо аксонів зменшило набряклі ділянки. У моделі збільшення натягу мембрани також зменшило їх розмір.
Холестерин забезпечив ще один спосіб змінити поведінку мембран. Його видалення зробило мембрану твердішою та текучою. Це змінило структуру перлини як у модельних нейронах, так і в нейронах миші та зменшило швидкість передачі електричних сигналів.
«Ширіші аксони пропускають іони [chemical particles] рухатися швидше та уникати заторів», – сказав Ватанабе.
Однак більші перлини не обов’язково означали швидші сигнали. Розміри як пухлин, так і зв’язуючих їх вузьких сегментів були значними.
Електрична активність змінює перлину
Дослідники також перевірили, чи може нервова активність змінювати аксони. Після високочастотної електричної стимуляції перлиноподібні ділянки стали в середньому на 8% довшими і на 17% ширшими, і розширення тривало щонайменше 30 хвилин.
В опублікованій статті повідомляється, що електричні сигнали були ослаблені після цієї стимуляції та що ефект тривав щонайменше годину. Коли холестерин був попередньо видалений, деякі структурні зміни все ще відбувалися, але кульки були меншими, ніж у необроблених клітинах, і такого ж значного ослаблення не було виявлено.
Висновки показують, що аксони – це не просто фіксовані кабелі. Їх фізична структура може реагувати на активність і допомагати регулювати спосіб передачі повідомлень через них.
Пізніші дослідження виявили перлинні аксони в тканинах людини
Коли в 2024 році було оголошено про перші висновки, команда планувала вивчити «руки» аксонів у тканині мозку людини, отриманої від суб’єктів операції на мозку та людей, які померли від нейродегенеративних захворювань.
Пізніше в пов’язаному дослідженні повідомили, що перламутрові аксони були отримані в кортикальній тканині людини під час операції на епілепсію. На чолі з Челсі Р. Еддінгс і колегами, включаючи Ватанабе, знайшли роботу в Інтернеті нейрон 24 листопада 2025 р. та у випуску від 4 лютого 2026 р.
Дослідники поєднали електричну стимуляцію з швидким заморожуванням, щоб зафіксувати невеликі зміни мембран у зрізах мозку миші та людини. Уздовж перламутрових аксонів вони виявили докази надшвидкого ендоцитозу, за допомогою якого нервові закінчення швидко поглинають мембрану після вивільнення хімічних речовин.
Ці спостереження поширюють дані на тканини людини, але вони не встановлюють, що кожен аксон має однакову форму. Вони також не показують, що перли мають такий самий вплив на передачу сигналів у всьому мозку людини. Дослідження на людях в першу чергу вивчали процес мембрани в синапсах.
Більш широкий пошук того, що контролює форму аксона
Взаємозв’язок між структурою та функцією аксона також був у центрі уваги гранту Національного інституту дослідників психічного здоров’я, наданого Ватанабе та Рангамані, і був підкреслений у 2024 році. Проект підтримує обчислювальні моделі того, як фізичні властивості нейрона та вхідні сигнали впливають на його аксон, після чого проводяться експерименти на тканинах мишей і клітинних культурах.
Окреме дослідження вивчатиме інші способи дослідження розмірів цього мікроскопічного дроту. У дослідженні, проведеному в Біологія PLoS 17 липня 2026 р. Дослідники з Единбурзького університету використовували автоматизовану візуалізацію живих рибок даніо, щоб перевірити 880 сполук на предмет впливу на діаметр аксона. Вони ідентифікували 33 первинних попадання та підтвердили, що сполуки, які впливають на певні хімічні сигнальні шляхи, можуть збільшити ширину аксона. Це не було прямим повторенням дослідження Перла, але воно надає інший спосіб дослідження контролю розміру аксона.
Для команди Джона Хопкінса важливим питанням залишається те, як структура, яку можна побачити в працюючих аксонах, пов’язана з пошкодженням, пов’язаним із неврологічним захворюванням. Розуміння цієї різниці може допомогти дослідникам відрізнити нормальні зміни в нервових проводках від ознак несправної системи.
