曾经被视为神经细胞的步兵轴突成为决策者

就细胞而言，神经元非常奇怪

大多数其他细胞是球形斑点，有一个中央细胞核。然而，神经元具有各种野生和多刺的形状，分支突起从微小的细胞体向各个方向伸出。

与它们的blobby兄弟不同，神经元有不同的区域。细胞体是细胞核的所在地。然后是轴突和树突，即神经元的信号携带和接收部分，它们发出细长的手臂，并与其他神经元形成连接，称为突触。

现在，由哈佛医学院和哈佛大学HMS-FAS干细胞和再生生物系的研究人员领导的研究表明，神经元的某些部分比以前想象的要复杂得多。

1月17日发表在《自然》杂志上的研究小组的发现，为理解构成我们大脑的神经细胞的持续发展增添了又一个转折点。

在大脑的发育过程中，神经元的投射延伸了很长的距离——有时从细胞核延伸到数千个细胞体宽度——以形成对大脑功能至关重要的突触连接。

离细胞指挥中心这么远，会不会给神经细胞的信号触角带来一定程度的独立性？神经元的轴突可能不仅仅是一个信息调度员，一个细胞到另一个细胞的神经冲动吗？事实上，轴突能自己做决定吗？

这些都是团队一直在探索的问题，他们也发现了一些惊喜。

“我们不是第一个认为我们必须拥有自主权的人，”哈佛医学院的神经科学家、哈佛大学干细胞和再生生物学的Max和Anne Wien教授Jeffrey McLeis说。“生长锥向其核心发送信号以寻找‘下一个指令’需要几个小时，在实验室观察轴突生长可以清楚地看到，即使从细胞体上切断，生长锥也能向目标移动。”

所有这些观察结果促使Macklis和他的同事们想知道不同类型的生长锥在连接大脑中极其复杂的回路时是否可以使用明显的自主性。

Macklis和他的同事开发了新的实验和分析方法，使他们能够跟踪同一神经元不同区域活动的分子足迹。这些方法使研究人员能够将轴突工作与细胞体工作分开，并有效地“审计”大脑发育过程中每个人的工作。

最大的惊喜来自于检查神经元的生长锥——轴突触角的最外端，它发育成信号转导突触。这部分包含了许多独立细胞的分子机制，包括参与生长、代谢和信号转导的蛋白质。

McLeis表示，这一发现挑战了细胞核和细胞体是神经元控制中心的教条。相反，它提出了一个更复杂的决策网络和远离中央司令部的半独立单位的存在。

“我们的结果表明，生长锥可以从外界获得信息，在局部做出信号决定，并在没有细胞体的情况下发挥半自主作用，”他说。“这是一种全新的神经元思维方式。”

神经元的细胞体传统上被认为是一台大型计算机，它的轴突像铜线一样指向它的突触。但这项新工作提出了另一种模式。Macklis认为，细胞体可以像连接到智能PC的服务器一样，具有与世界接口的能力。

以前，想要研究轴突生长的分子基础的科学家必须在实验室中培养通常混合的神经元群体，以便他们的轴突可以从细胞的其他部分小心地切下。然而，将神经元放在培养皿中会改变其分子内容，使其与大脑本身的神经元不同。此外，这些传统方法无法将特定类型的神经元与其他类型的神经元隔离开来，因此无法确定是什么使特定的大脑回路在正常大脑中组装得如此精确，以及是什么驱动了疾病中看到的组装扭曲。新方法克服了这一障碍，使科学家能够直接在小鼠大脑中准确分析特定类型的神经元及其亚隔室。

Macklis和他的团队专注于所谓的胼胝体投射神经元，这些神经元连接大脑的两个半球，并实现它们之间的通信。为了识别这些神经元的不同亚细胞部分，研究小组用荧光蛋白基因标记了细胞核或轴突及其生长锥。接下来，研究人员分离出神经细胞体的轴突生长锥，定量全面地绘制出各部分的蛋白质组和RNA转录本。令他们惊讶的是，生长锥包含数百种独特的高度富集的RNA转录物和蛋白质，甚至在细胞中也没有检测到噪音。

据研究人员称，如果在进一步的研究中得到证实，这些发现可能会颠覆神经科学长期以来的教条。

“我们的结果表明，与肾脏或肝细胞或我们认为的大多数细胞不同，神经元没有单一的转录组或蛋白质组，而是有多个亚细胞定位转录组和蛋白质组，”Macklis说。

还有各种其他分子参与细胞的维持和生长，这是人们不希望在生长锥中看到的。这种生长轴突的分子特征看起来更像是自给自足的细胞，而不是从细胞核携带信息的铜线。

这些发现可能会重塑神经科学家未来接近神经系统的方式，并推动他们探索轴突以找到有价值的线索。

“我们希望我们的方法能为研究开辟新的途径，”麦克莱斯说。“这些探索将对各种过程产生重要的见解，从神经回路和神经元布线的形成和疾病到神经再生。”

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