19世纪末，西班牙神经科学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔绘制了数百幅神经元图像。他精美的作品影响了我们对神经元外观的理解：细胞中心呈球形，一端长着树状分支，另一端则是一条平滑的长尾。
几个世纪后，这些图像仍然是教科书的标准。但一项有争议的研究现在表明，拉蒙-卡哈尔及其后的神经科学家可能遗漏了一个关键细节。
约翰霍普金斯大学的一个团队发现，轴突——即那条长尾——上点缀着微小的“气泡”。通常被描绘为几乎平滑的圆柱形电缆，轴突实际上可能看起来像“串上的珍珠”。
为什么这很重要？轴突传输电信号，连接产生我们思维、记忆和情感的神经网络。其形状的微小变化可能会改变这些信号，进而可能影响大脑的输出——即我们的行为。
“了解轴突的结构对于理解脑细胞信号传导非常重要，”领导这项研究的约翰霍普金斯大学医学院的Shigeki Watanabe在新闻发布会上说。
该研究利用了一种能更好地保留神经元结构的显微镜技术。在三种类型的小鼠神经元中——一些在培养皿中生长，其他来自成年小鼠和小鼠胚胎——研究团队一致观察到纳米珍珠，这表明它们是轴突正常形态的一部分。
“这些发现挑战了一个世纪以来对轴突结构的理解，”Watanabe说。
纳米珍珠并不是静止的。向神经元的液体环境中添加糖或去除膜中的胆固醇——脂肪保护外层——会改变纳米珍珠的大小和分布，以及信号沿轴突传播的速度。
对这项研究的反应不一。一些科学家欢迎这一发现。在过去70年里，科学家们广泛研究了轴突的形状，并认识到其复杂的结构。随着显微镜技术的改进，发现新的结构并不令人惊讶，而是相当令人兴奋。
其他人则更加怀疑。法国艾克斯-马赛大学的Christophe Leterrier（未参与该研究）在接受《科学》杂志采访时说：“我认为[轴突]不是完美的管子，但它也不是他们展示的那种风琴。”
带有应力球的电缆
轴突在大脑中延伸数英寸，直径比人类头发细100倍。虽然主要呈管状，但它们点缀着偶尔出现的气泡，称为突触变粗，其中含有与邻近神经元传递信息的化学物质。这些长分支主要分为两种类型：一些被脂肪鞘包裹，而另一些则是“裸露”的，没有缓冲。
尽管常被比作树枝，轴突却是变形者。例如，短暂的电脉冲会导致突触变粗暂时扩大20%。轴突也会在较长时间内略微变宽，然后恢复到正常大小。
这些微小的变化对大脑计算有重大影响。就像可以改变特性的电缆一样，它们微调网络之间的信号强度，从而影响神经元的整体功能。
轴突还有另一个绝招：在受伤时，如运动中意外头部撞击或阿尔茨海默病和帕金森病中，它们会缩成“应力球”。与突触变粗相比，应力球相对较大。但它们是暂时的。这些结构最终会松开并恢复管状。与其说是有害的，它们更可能是通过限制损伤范围来保护大脑，并在恢复期间滋养轴突。
但轴突的变形能力是暂时的，通常只在压力下发生。那么，在健康的大脑中，轴突是什么样的？
串上的珍珠
大约十年前，Watanabe在开发一种新的显微镜技术时注意到线虫轴突上的微小气泡。虽然这些结构比应力球小得多且更紧密地排列，但他将其视为一个有趣的现象，但并未进一步研究。几年后，伯根大学的Pawel Burkhardt也在栉水母——一种微小的海洋无脊椎动物——中发现了类似的珍珠状轴突。
在这项新研究中，Watanabe和他的同事们重新审视了这些令人费解的发现，并使用了一种更新的显微镜技术：高压冷冻。为了成像大脑中的细微结构，科学家们通常会用多种化学物质处理大脑，以固定神经元。处理后的大脑会被切成极薄的片，然后逐片扫描。
这个过程需要几天时间。如果不小心操作，它可能会扭曲神经元的膜，损坏甚至撕裂脆弱的轴突。相比之下，高压冷冻能更好地锁定细胞的形状。
使用电子显微镜——通过发射电子束来勾勒细胞结构——研究团队研究了来自三个来源的“裸露”轴突：实验室培养的小鼠神经元和来自成年小鼠和小鼠胚胎大脑切片的神经元。
所有轴突在其整个长度上都有奇特的珍珠状小球。这些纳米珍珠大约200纳米宽，远小于应力球，且间距更近。这些珠子很可能是由于生物物理学形成的。最近的研究表明，当长管受到张力时，某些部分会皱成珠子——这种现象被称为“膜驱动不稳定性”。为什么会这样以及它对大脑功能的影响仍 largely 未知，但研究团队有一些想法。
看到就是相信？
通过数学模拟，他们建模了周围环境变化如何影响轴突的珠化及其电信号传输。
轴突被一层黏稠的保护性蛋白凝胶包围，就像一个泡泡服。但它们仍然会经历物理力——比如当我们快速摇头时。模拟发现，神经元周围的物理张力是管理轴突珠化的关键因素。
在另一项测试中，研究团队去除了神经元膜中的胆固醇——使其更加灵活和液态。这一改变在模拟中减少了珠化，并减慢了电信号通过模拟轴突的传递速度。
记录活体小鼠神经元的电信号得出了类似的结果。较小且更紧密排列的纳米珍珠减慢了信号传递速度，而具有较大且间距较宽的纳米珍珠的轴突则导致更快的传输。
研究结果提出了一个“有趣的想法”，即改变生物物理力可以直接改变大脑电信号的传递速度，作者写道。
并非所有人都信服。
一些科学家认为，纳米珍珠是制备过程中的伪影。“虽然快速冷冻是一个极其迅速的过程，但在处理样本时可能会发生某些事情”而导致珠化，耶鲁医学院的Pietro De Camilli（未参与该研究）告诉《科学》。其他人则质疑，纳米珍珠是否像应力球一样在压力下形成，最终会展开。我们目前还不知道：显微镜只是时间的一瞬间快照，而不是电影。
尽管存在反对意见，研究团队正在转向人类轴突。健康的脑组织很难获得。他们计划在癫痫手术切除的脑组织和因神经退行性疾病去世者的脑组织中寻找纳米珍珠的迹象。由健康人开发的类脑器官或“迷你脑”也可能有助于解开轴突的形状之谜。
无论结果如何，这项研究引发了这样一个问题：在大脑解剖学方面，我们还错过了什么？
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