Biologijos vadovėlius gali prireikti peržiūrėti, sako Johnso Hopkinso medicinos mokslininkai, kurie pateikia naujų įrodymų, kad žinduolių smegenų ląstelių struktūra gali būti kitokia, nei mokslininkai manė daugiau nei šimtmetį.
Jų tyrimas su pelių smegenų ląstelėmis rodo, kad ląstelių aksonai – rankos formos struktūros, kurios pasiekia ir keičiasi informacija su kitomis smegenų ląstelėmis – yra ne cilindriniai vamzdeliai, dažnai vaizduojami knygose ir svetainėse, o labiau panašūs į perlus ant virvelės.
Ataskaita apie išvadas paskelbta internete gruodžio 2 d Gamtos neuromokslai.
„Norint suprasti smegenų ląstelių signalizaciją, svarbu suprasti aksonų struktūrą,” sako Shigeki Watanabe, Ph.D., Johnso Hopkinso universiteto medicinos mokyklos ląstelių biologijos ir neurologijos docentas. „Aksonai yra kabeliai, jungiantys mūsų smegenų audinį, įgalinantys mokymąsi, atmintį ir kitas funkcijas.”
Mokslininkai žinojo, kad mirštančiose smegenų ląstelėse ir žmonėms, sergantiems Parkinsono liga ir kitomis neurodegeneracinėmis ligomis, dėl neuronų membranos ir skeleto vientisumo praradimo gali susidaryti į perlus panašios aksonų struktūros, vadinamos aksonų granulėmis.
Manoma, kad įprastomis sąlygomis aksonai yra vamzdelių formos, kurių skersmuo dažniausiai yra pastovus, o kartais susidaro į burbulus panašios struktūros (sinapsinės varikozės, kuriose yra neurotransmiterių, leidžiančių perduoti signalus kitoms smegenų ląstelėms).
Watanabe iš pradžių matė pasikartojančius aksonų perlamutrinimus kirminų nervų sistemoje ir po diskusijos su šveicarų mokslininku Grahamu Knottu, Ph.D., pradėjo domėtis šiomis struktūromis.
Harvardo universiteto tyrimų grupė 2012 m. paskelbė tyrimą, kuriame buvo nustatyti pasikartojantys „skeleto” aksonuose esančių komponentų, todėl tyrėjų pora aptarė eksperimentus, kaip atsikratyti aksono skeleto, kad pamatytų, ar perlų struktūros išnyksta, sako Watanabe.
Johnso Hopkinso magistrantė ir pirmoji studijų autorė Jacqueline Griswold išbandė idėją, bet nerado jokio poveikio aksonų perlamutravimui.
Tada Watanabe ir Griswoldas dirbo su teoriniu biofizikos kolega Padmini Rangamani, Kalifornijos universiteto San Diego medicinos mokyklos farmakologijos profesoriumi, siekdami atidžiau pažvelgti į fizines aksonų savybes.
Kad būtų galima pamatyti smegenų ląstelių (neuronų) aksonus, kurie yra 100 kartų mažesni už žmogaus plauko plotį, mokslininkai naudojo aukšto slėgio šaldymo elektronų mikroskopiją. Kaip ir standartinė elektronų mikroskopija, kuri šaudo elektronų pluoštus į ląstelę, kad apibūdintų jos struktūrą, Watanabe ir jo komanda užšaldė pelių neuronus, kad išsaugotų struktūrų formą.
„Norėdami pamatyti nanoskalės struktūras su standartine elektronine mikroskopija, fiksuojame ir dehidratuojame audinius, tačiau užšaldydami juos išlaikome savo formą – panašiai kaip šaldant vynuoges, o ne dehidratuojant jas į raziną,” sako Watanabe.
Tyrėjai ištyrė trijų tipų pelių neuronus: išaugintus laboratorijoje, paimtus iš suaugusių pelių ir paimtus iš pelių embrionų. Neuronai buvo nemielinizuoti (jie buvo be mieliną izoliuojančio dangtelio, kuris supa aksoną).
Tarp dešimčių tūkstančių audinių mėginių vaizdų mokslininkai aptiko burbuliuojančią kriaušės formą aksonuose.
Mokslininkai įvardijo į perlus panašias struktūras, kuriose aksonas išsipučia „nesinapsinės varikozės.”
„Šios išvados iššaukia šimtmetį supratimą apie aksonų struktūrą,” sako Watanabe.
Mokslininkai taip pat naudojo matematinį modeliavimą, norėdami išsiaiškinti, ar aksono membrana turėjo įtakos perlo formai ar buvimui ant stygos struktūros. Jie nustatė, kad paprasti mechaniniai modeliai gali būti naudojami labai efektyviai paaiškinti šias struktūras.
Be to, eksperimentai su matematiniu modeliu ir pelių smegenų mėginiais parodė, kad padidinus cukrų koncentraciją tirpale aplink aksoną arba sumažinus aksoninių membranų įtampą, sumažėjo perlų struktūrų dydis.
Kito eksperimento metu mokslininkai pašalino cholesterolį iš neurono membranos, kad ji būtų mažiau standi ir panašesnė į skystį. Esant tokiai sąlygai, jie rado mažiau perlamutrinių matematinių modelių ir pelių neuronų, taip pat sumažino aksono gebėjimą perduoti elektrinius signalus.
„Didesnė erdvė aksonuose leidžia jonams (cheminėms dalelėms) prasiskverbti greičiau ir išvengti transporto spūsčių,” sako Watanabe.
Mokslininkai taip pat pritaikė aukšto dažnio elektrinę stimuliaciją pelių neuronams, dėl kurių perlamutrinės struktūros išilgai aksonų išsipūtė vidutiniškai 8% ilgesnės ir 17% platesnės mažiausiai 30 minučių po stimuliacijos ir padidino elektrinių signalų greitį. Tačiau iš membranos pašalinus cholesterolį, aksono perlai prarado išbrinkusią būseną ir nepakito elektros signalų greičiu.
Mokslininkų grupė planuoja ištirti aksonų „ginklų” žmogaus smegenų audiniuose, paimtuose gavus smegenų operacijų ir mirusių nuo neurodegeneracinių ligų leidimą.