神经元轴突发育的探索简史

来源：中科院神经科学研究所

概要：神经元之间形成复杂而精确的网络连接，是神经系统各种重要功能得以展现的生理基础。

从维持正常生命活动所需的心跳、呼吸，到实现基本活动的运动协调、感觉传递，再到高等思维方式如学习、记忆，都依赖于神经网络。神经元之间形成复杂而精确的网络连接，是神经系统各种重要功能得以展现的生理基础。

 

神经元正常的形态发育对于神经网络的形成至关重要。如果神经元形态发育异常，将引起智力缺陷、情感缺失、交流障碍、学习能力低下，以及其他严重的神经系统发育类疾病。

 

典型的成熟神经元具有一个轴突和多个树突。胞体-树突部分负责接收外来信号，轴突将自身神经元的信号传递给其他神经元，通过轴突和胞体-树突之间的信号传递构成了复杂的神经网络系统。

 

图1：轴突和胞体-树突部分的分化是形成神经元网络和实现神经系统正常功能的基础

 

史上两大理论之争

 

一百多年前，由于受限于实验方法和技术手段，人们对于神经元发育的认知还停留在半观察半猜测阶段。当时的神经生物学家们对于神经轴突最初在胚胎中形成的方式存在很大争议。瑞士的解剖学家伊斯提出“轴突延伸理论”，认为原始的胚胎神经元的细胞质向外凸起形成轴突，并不断延伸，直至其前端与周围感觉器官或肌肉纤维接触时为止。来自西班牙的现代神经生物学“教父”卡哈尔应用胚胎神经组织切片银渍染色技术，支持了“轴突延伸假说”。

图2：卡哈尔通过银渍染色法观察并手绘记录的人视皮层中的各种神经元

 

反对这一观点的学者包括现代神经生物学另一位奠基者施旺，他支持“细胞链理论”，认为从神经元到受神经支配的周围组织之间存在许多原来分散的细胞，这些细胞后来逐渐连接起来，形成细胞链式的神经元轴突。当时他们假说的提出都只是基于一些解剖观察，并没有其他证据。

 

图3：由施旺发现并用他名字命名的施旺细胞其实是以细胞链的形式分段包裹住神经元轴突，而非成为神经元的轴突

 

体外培养神经组织证实“轴突延伸假说”

 

直到后来，美国生物学家哈里森解决了这一争论。他认为，要回答这一问题，最好是能设计出一种在生活状态下直接观察正在生长的神经末端的方法。基于这种推测，哈里森首先解剖蛙胚的新生脊髓的节段，放入生理盐水中，然而组织块没能存活下来。后来，他经过各种尝试，终于找到一种合适的培养方案。他从神经褶闭合不久的蛙胚取出小块，切下一片神经组织后将其移至事先滴有成蛙淋巴液的盖玻片上，然后将盖玻片倒置于一片中间凹陷的厚载物片上，周围用蜡封固。

 

图4：哈里森为了在体外进行组织培养开展了各种实验尝试

 

用这种方法，他首次成功的在体外培养基中培养了神经组织，并按小时观察记录轴突的生长过程，最终证实了“轴突延伸假说”。这就是最早的“哈里森悬滴培养法”，也是最早的组织细胞体外培养技术。正是这个关于神经元轴突发育的辩论，促成了现代神经生物学和组织细胞体外培养技术的诞生。

 

图5：最初参与神经元轴突发育争论的各派科学家和他们提出的理论

 

神经元轴突发育过程

以体外培养的皮层神经元模型为例，神经元轴突发育可以粗略地分为以下几个阶段。第一阶段：黏附到基质后，神经元伸出片状伪足。第二阶段：接着这些伸出的突起发育形成短的不成熟的神经突起。在这个阶段，所有的神经突起不断的延长和回缩，此时，这些神经突起的长度区别不大，很难确定哪一个神经突起会发育成轴突。第三阶段：其中的一个未成熟的神经突起迅速生长成一个细长的新生轴突。第四阶段：在轴突形成后的几天里，剩余的神经突起缓慢的生长成树突。第五阶段：轴突和树突继续发育成熟，最终形成突触联系而建立起神经网络系统。在这五个阶段的神经元形态发育过程中，第二阶段向第三阶段的转变过程称为神经元极性建立。在这个过程中将决定一条神经突起会最终成为轴突，而其余的将发育成为树突。

 

图6：体外培养的皮层神经元轴突发育过程

 

微管、线粒体在轴突生长中的关键作用

 

轴突的生长是一个不连续的过程，旁侧的分支往往从生长锥停滞的地方长出，当停滞的生长锥继续生长时，分支出来的轴突也随之同时延伸。轴突分支还能以丝状伪足和板状伪足的形式形成。在主生长锥中，来自轴突轴的微管携带纤维状肌动蛋白，避开过渡区，贯穿中心区，不断向周边区探索推进。在合适的外部引导信号或者促生长信号的刺激下，微管被稳定下来并侵入周边区。周边区提供微管向前推进的推动力，肌动蛋白提供牵引力，在两种力的共同作用下轴突生长锥不断延伸。

 

轴突生长是一个十分复杂的过程，涉及到神经元微管骨架系统的重排，细胞膜和其他膜结构的转运，蛋白质的合成与降解，极性分子的转运等等。所有这些微观的事件都离不开一个宏观的概念——能量的充分供给，而作为“发电厂”的线粒体对于轴突生长便显得格外重要。线粒体能否在神经元内部快速而自由地穿梭，能否为轴突局部的膜转运、极性分子转运、蛋白合成和微管重排提供充分的能量，对于神经元轴突生长至关重要。

 

图7：线粒体产生ATP，是神经元的发电厂

 

非编码小RNAMir505-3p调控神经元轴突发育

 

最新的研究显示，神经元中的非编码小RNA Mir505-3p，通过靶向抑制自噬相关蛋白ATG12以影响神经元轴突局部的自噬小体形成和轴突局部的线粒体分布，从而促进包括极性建立、轴突生长和轴突分支在内的神经元轴突发育。

 

此项研究利用神经元体外培养模型、体内胚胎电转技术、电镜技术和基因工程小鼠模型共同鉴定了Mir505-3p调控神经元轴突发育的表型。正如图8所象征的那样，在神经元发育过程中轴突局部处，非编码小RNA 505-3p（Mir505-3p）像一把餐叉扎入了自噬相关蛋白12（ATG12）这块洋葱表皮，同时也破坏了自噬小体（autophagosome）（洋葱）的结构。原本将被自噬小体包裹起来并降解的线粒体（mitochondria）（小番茄）将更多地在轴突局部富集，保障轴突生长所必须的充足的能量，于是在Mir505-3p和ATG12的共同影响下，轴突（芹菜）生长发育得到明显的促进。

 

图8：信号通路调控下的神经元轴突发育模型：非编码小RNAMir505-3p（餐刀）/自噬相关蛋白ATG12（洋葱表皮）/自噬小体（洋葱）/线粒体（小番茄）/轴突（芹菜）

 

时至今日，神经元轴突发育相关的诸多科学问题依然吸引着全球众多科学家的目光。科学家们不仅仅关注轴突是如何发育的，他们同样关心损伤后的轴突纤维能否得到有效再生。