ספרי לימוד בביולוגיה עשויים להזדקק לתיקון, אומרים מדעני רפואה של ג'ונס הופקינס, המציגים ראיות חדשות לכך שמבנה דמוי זרוע של תאי מוח של יונקים עשוי להיות שונה ממה שמדענים הניחו במשך יותר ממאה שנה.
המחקר שלהם על תאי מוח של עכברים מראה שהאקסונים של התאים -; המבנים דמויי הזרוע שמגיעים החוצה ומחליפים מידע עם תאי מוח אחרים -; אינן הצינורות הגליליים המצולמים לעתים קרובות בספרים ובאתרי אינטרנט אלא יותר כמו פנינים על חוט.
דו"ח על הממצאים מתפרסם באינטרנט ב-2 בדצמבר מדעי המוח בטבע.
הבנת מבנה האקסונים חשובה להבנת איתות תאי מוח. האקסונים הם הכבלים המחברים את רקמת המוח שלנו, ומאפשרים למידה, זיכרון ותפקודים אחרים".
Shigeki Watanabe, Ph.D., פרופסור חבר לביולוגיה של התא ומדעי המוח, בית הספר לרפואה של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס
מדענים ידעו שמבנים דמויי פנינים באקסונים, המכונים אגלי אקסונים, יכולים להתפתח בתאי מוח גוססים ובאנשים עם פרקינסון ומחלות ניווניות אחרות עקב אובדן שלמות הממברנה והשלד בתאי עצב.
בתנאים רגילים, האקסונים נחשבים לצורת צינורות עם קוטר קבוע לרוב ומבנים דמויי בועות מדי פעם (דליות סינפטיות שמחזיקות כדוריות של נוירוטרנסמיטורים, המאפשרות איתות לתאי מוח אחרים).
Watanabe ראה תחילה פנינים חוזרות ונשנות של אקסונים במערכת העצבים של תולעים והתעניין יותר לגבי המבנים לאחר דיון עם המדען השוויצרי Graham Knott, Ph.D. צוות מחקר מאוניברסיטת הרווארד פרסם בשנת 2012 מחקר שזיהה רכיבים "שלדיים" חוזרים ונשנים באקסונים, אז צמד החוקרים דנו בניסויים להיפטר משלד האקסון כדי לראות אם מבני הפנינים נעלמים, אומר ווטנבה.
סטודנטית לתואר שני ג'ונס הופקינס ומחברת המחקר הראשונה, ג'קלין גריסוולד, בדקה את הרעיון אך לא מצאה שום השפעה על פניני האקסונים.
לאחר מכן, Watanabe ו-Griswold עבדו עם עמית לביופיזיקה תיאורטית Padmini Rangamani, Ph.D., פרופסור לפרמקולוגיה בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, כדי לבחון מקרוב את התכונות הפיזיקליות של האקסונים.
כדי להיות מסוגלים לראות אקסונים על תאי מוח (נוירונים), שקטנים פי 100 מרוחב שערה אנושית, השתמשו המדענים במיקרוסקופ אלקטרוני מקפיא בלחץ גבוה. כמו מיקרוסקופ אלקטרונים סטנדרטי, שיורה אלומות אלקטרונים לעבר תא כדי לשרטט את המבנה שלו, וואטנבה והצוות שלו הקפיאו נוירונים של עכברים כדי לשמר את צורת המבנים.
"כדי לראות מבנים ננומטריים עם מיקרוסקופיה אלקטרונית סטנדרטית, אנו מתקנים ומייבשים את הרקמות, אך הקפאתן שומרת על צורתן -; בדומה להקפאה של ענב במקום לייבוש שלו לצימוקים", אומר ווטנבה.
החוקרים חקרו שלושה סוגים של נוירונים של עכברים: אלה שגדלו במעבדה, אלה שנלקחו מעכברים בוגרים ואלה שנלקחו מעוברי עכברים. הנוירונים היו ללא מיאלין (הם היו ללא כיסוי בידוד המיאלין המקיף את האקסון).
החוקרים מצאו את צורת האגס המבעבעת של האקסונים בין כל עשרות אלפי התמונות שצולמו מדגימות הרקמה.
המדענים כינו את המבנים דמויי הפנינים שבהם האקסון מתנפח "דליות לא סינפטיות".
"ממצאים אלה מאתגרים מאה שנה של הבנה לגבי מבנה האקסונים", אומר ווטנבה.
המדענים השתמשו גם במודלים מתמטיים כדי לראות אם קרום האקסון השפיע על הצורה או הנוכחות של הפנינה על מבנה מיתר. הם גילו שניתן להשתמש במודלים מכניים פשוטים כדי להסביר את המבנים הללו בצורה יעילה מאוד.
יתר על כן, ניסויים עם המודל המתמטי ודגימות מוח של עכברים הראו כי הגדלת ריכוז הסוכרים בתמיסה סביב האקסון או הפחתת המתח בקרומים האקסונליים הקטינה את גודל מבני הפנינה.
בניסוי אחר הסירו המדענים כולסטרול מקרום הנוירון כדי להפוך אותו פחות נוקשה ויותר דומה לנוזל. במצב זה, הם מצאו פחות פנינים גם במודלים מתמטיים וגם בתאי עצב של עכברים, יחד עם יכולת מופחתת של האקסון לשדר אותות חשמליים.
"חלל רחב יותר באקסונים מאפשר ליונים (חלקיקים כימיים) לעבור מהר יותר ולהימנע מפקקי תנועה", אומר וואטנבה.
המדענים הפעילו גם גירוי חשמלי בתדר גבוה על נוירוני העכבר, מה שגרם למבני פנינה לאורך האקסונים להתנפח, בממוצע, 8% יותר ו-17% רחב יותר במשך 30 דקות לפחות לאחר הגירוי והגביר את מהירות האותות החשמליים. עם זאת, כאשר הכולסטרול הוסר מהממברנה, הפנינים של האקסון איבדו את מצבן הנפוח ולא היה שינוי במהירות האותות החשמליים.
צוות המחקר מתכנן לבחון "זרועות" אקסונליות ברקמת מוח אנושית שנלקחו באישור מאנשים שעברו ניתוח מוח וכאלה שמתו ממחלות ניווניות עצביות. עבודה זו היוותה את הבסיס למענק חוקר ראשי מרובים שהוענק לאחרונה לווטאנבה ורנגמאני מהמכון הלאומי לבריאות הנפש.
הכספים למחקר סופקו על ידי בית הספר לרפואה של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס, מלגת ויטמן במעבדה ביולוגית ימית, מענק שיתוף פעולה ותוספי יוזמת צ'אן צוקרברג, פרס החידושים המדעיים של קרן לחקר המוח, פרס קרן Helis, המכונים הלאומיים של בריאות (NS111133-01, NS105810-01A11, DA055668-01, 1RF1DA055668-01), משרד חיל האוויר למחקר מדעי (FA9550-18-1-0051), מלגת המחקר אלפרד פ. סלואן, מלגת קרן מקנייט, פרס מלגת קלינגשטיין-סימון במדעי המוח, ואלי מלגת הקרן, הקרן הלאומית למדע ומכוני קאולי בג'ונס הופקינס ו UC סן דייגו.
חוקרים נוספים שביצעו את המחקר הם צ'ינטן פאטל, רנה פפר, סומנה רייצ'אודורי, קואן גאן, שרה סייד וברידי מאהר מג'ונס הופקינס, מייטה בונילה-קווינטנה, כריסטופר לי, קנצ'נג ז'ו ומרים בל מאוניברסיטת סן דייגו, סיי מא מאוניברסיטת סן דייגו. המעבדה לביולוגיה ימית, מיצואו סוגה ויוקי יאמאגוצ'י מ-JEOL בטוקיו, ורונן Chéreau ו-U. Valentin Nägerl מאוניברסיטת בורדו בצרפת.
