蠕虫、啮齿动物、人的研究揭示了神经元形状的秘密

你的大脑所做的每一件事——每一个记忆、决定、情绪和行动命令——都是由神经元产生的电信号开始的。神经元是人体最复杂的细胞之一，每个神经元都有两面。一端是尾巴状的轴突，充当数据传输线，向其他神经元发送信号。另一边是神经元天线状树突的分支冠，用来接收来自其他细胞的信号。这种两部分生物学的重要性怎么强调都不为过;这是大脑惊人能力的基础。

科学家们早就知道，保持这种不对称取决于轴突和树突表面上有不同的受体，这些蛋白质从塑造细胞到对神经递质做出反应。但神经元如何建立这种明显的鸿沟，防止一侧的受体偏离到另一侧，一直是个谜。

现在，Wu Tsai神经科学研究所和大西洋两岸的实验室合作找到了一个解决方案:一种机制，捕捉并摧毁有越过轴突-树突边界危险的错误受体。该小组于8月17日报告了他们的工作自然．

“我们已经确定了轴突和树突是如何作为独立的隔室维持的，”康申博士说，他是吴蔡神经科学研究所的文森特·V.C.吴主任，生物学和病理学教授，HHMI研究员。“这不仅对理解健康很重要大脑功能，但也有可能揭示疾病机制，因为区隔对正常神经元功能的核心重要性。”

为了取得这一新发现，该团队利用了他们在四种物种(蠕虫、小鼠、大鼠和人类)的不同实验技术上的集体跨学科专业知识。这篇新论文的第一作者、博士后学者凯尔西·埃切尔博士说:“一个实验室单独研究每一种动物是极其困难的。”“要进行这种广泛的研究，需要大量的合作。”

这一切都始于沈的实验室，实验室科学中最著名的蠕虫——秀丽隐杆线虫。作为神经科学中最小的模式生物之一，这种毫米长的透明线虫只有302个神经元，这使得它比拥有数百亿个神经元的人类更易于研究。这种蠕虫因其简单而强大，与编程有关的发现获得了诺贝尔奖细胞死亡例如，RNA干扰技术。在某种程度上，这是因为多年来开发的一套工具对它的基因进行了广泛的研究，这些基因与我们的基因有某些相似之处。今天，科学家们可以利用CRISPR技术调整年轻蠕虫的基因，并观察这种修补在活的成年蠕虫及其神经元中发挥的作用。

Eichel专注于这些神经元中的一个，这是一种感觉细胞，帮助动物检测物理接触，在实验室中，当被电线戳时，它会做出反应。这种神经元也被认为是特别不对称的，有很多树突分支和一个单一的、不分枝的轴突。她发现在轴突的两侧有一个明确的边界，这个区域被称为轴突起始段。轴突起始段作为神经信号起源的位置而闻名，在脊椎动物神经元中已经看到，但在蠕虫中还没有很好地定义。

去除中间区域的一些分子(通过改变产生这些分子的基因的活动)会产生深远的影响。一种已知只存在于树突中的受体突然出现在轴突中。这就导致了在轴突中生长出不正常的枝条。蠕虫改变了它的行为，失去了被戳时抽离的自然倾向。

为了研究轴突起始段在将树突受体保留在树突中的作用，Eichel仔细观察了这个区域。她注意到漂浮在水面下的包，里面装着来自表面的树突受体。这似乎是内吞作用的产物，细胞表面向内挤压形成一个容器，可以将分子携带到内部。

内吞作用是否会吸收游离的受体，阻止它们进入轴突?为了证明自己的观点，艾切尔转向了另一个物种。她联系了罗伯特·马伦卡(Robert Malenka)和托马斯·Südhof，这两位吴蔡神经学教授在培养皿中培养啮齿动物神经元方面具有专长。来自波尔多大学的研究人员David Perrais贡献了他的实验室精确测量大鼠细胞内吞作用的技能。结果远远超出了艾歇尔的预期。

“我们最初想知道是否发生了内吞作用，”她说。“他们用他们的黄金标准技术向我们展示，这种情况不仅正在发生，而且经常发生。”

以前的研究没有注意到任何动物轴突起始段的内吞作用。但过去的研究只观察了一直存在于这一区域的蛋白质，而没有观察从树突侵入的受体。

当研究人员以各种方式干扰胞吞作用时，结果通常是相同的。树突受体出现在轴突中，问题随之而来。这不仅发生在蠕虫和啮齿动物的神经元中，也发生在马里乌斯·韦尼格实验室提供的人类神经元中，这是世界上第一个通过重编程人类皮肤细胞来培养功能性神经元细胞的实验室。

Eichel说:“在蠕虫、啮齿动物和人类身上看到同样的迹象，让我们对我们的理论有了很大的信心。”他还收集了其他树突受体和轴突受体内吞作用的证据。

通过追踪包裹中受体的命运，她发现它们最终被降解了。这似乎是一种低效的策略——捕获并摧毁任性的受体，而不是将它们送回各自的位置——但Eichel看到了一种优雅的简单。细胞不需要从轴突和树突中挑选受体，而是把它们都扔出去。

在这项新研究之前，大多数关于轴突和树突区隔化的研究都集中在轴突起始段如何减缓受体的扩散。沈说，这项新工作为这些障碍增加了一个更加活跃的障碍。

“你大脑中的每个神经元都和你一样长寿，”他说。“我们在这里发现的是一种监视过程，它保护了轴突和神经元之间的区别树突让你的大脑在这几十年里保持健康和正常运作。”