Ученые обнаружили, что аксоны клеток головного мозга, возможно, не представляют собой гладкие трубки, как это показывали учебники более века, а на самом деле напоминают цепочки крошечных жемчужин. Эти жемчужные структуры могут изменяться в зависимости от нейронной активности и, возможно, помогают контролировать скорость распространения электрических сигналов по мозгу.
Микроскопические структуры головного мозга, возможно, нуждаются в ином изображении из учебника. Вместо гладких, узких трубок, обычно изображаемых от нервных клеток, некоторые аксоны напоминают нити крошечных жемчужин. Эти повторяющиеся выступы — не просто декоративные детали. Их форма, по-видимому, влияет на то, как передаются электрические сигналы.
Исследователи из Медицинского центра Джона Хопкинса обратили внимание на эту неожиданную архитектуру в исследовании, опубликованном в онлайн-журнале Nature Neuroscience 2 декабря 2024 года. Работая с нейронами мышей, они обнаружили доказательства того, что привычная картина анатомии клеток головного мозга может упускать из виду важную особенность сигнальных отростков этих клеток.
Впоследствии в ходе соответствующих исследований были обнаружены аксоны с жемчужной структурой в тканях головного мозга человека, что расширило область наблюдений за пределы мышей. В совокупности эти результаты поднимают вопросы о том, как физическая структура нейронных связей головного мозга помогает регулировать коммуникацию.
«Понимание структуры аксонов важно для понимания клеточной сигнализации в головном мозге», — заявил Шигеки Ватанабе, доктор философии, доцент кафедры клеточной биологии и нейробиологии Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса, в заявлении университета от 2024 года. «Аксоны — это кабели, соединяющие ткани нашего мозга, обеспечивающие обучение, память и другие функции».
Другая картина аксонов клеток головного мозга.
Аксоны — это длинные отростки, позволяющие нейронам передавать электрические сигналы другим клеткам. На общепринятом рисунке изображена относительно однородная трубка, прерываемая редкими утолщениями (синаптическими варикозными расширениями, содержащими скопления нейромедиаторов, обеспечивающих передачу сигналов другим клеткам головного мозга).
Сами по себе бусинообразные аксоны — не редкость. Ученые давно наблюдают выраженные отеки в погибающих нейронах и при нейродегенеративных заболеваниях, включая болезнь Паркинсона. В таких случаях бусинообразная структура может сопровождаться повреждением клеточной мембраны и внутреннего каркаса, который помогает поддерживать структуру аксона.
В исследовании Университета Джонса Хопкинса особенно выделялось наличие гораздо меньших, повторяющихся утолщений в аксонах, исследованных в условиях, предназначенных для сохранения их нормальной структуры. Исследователи назвали эти области «несинаптическими варикозными расширениями». В отличие от привычных выступов, связанных с местами коммуникации, эти утолщения не являлись синапсами.
Это различие имеет значение: исследование не показало, что каждый бусинообразный аксон поврежден. Вместо этого оно указало на форму наноразмерного образования бусинок, которая может быть частью нормальной архитектуры изученных аксонов.
Подсказка от червей
Интерес Ватанабе к этой теме начался с наблюдений за повторяющимися жемчужинами вдоль аксонов червей. Разговор со швейцарским ученым Грэмом Кноттом, доктором философии, побудил его к дальнейшим исследованиям. Одно из возможных объяснений связано с внутренним скелетом аксона — поддерживающей сетью белков.
В исследовании, опубликованном в 2012 году, группа ученых из Гарвардского университета сообщила о повторяющихся «скелетных» компонентах внутри аксонов. Ватанабе и Кнотт задались вопросом, приведет ли нарушение этой структуры к исчезновению «жемчужин». Жаклин Грисволд, аспирантка Университета Джонса Хопкинса и первый автор исследования, проверила эту идею. «Жемчужины» остались.
Этот результат перенаправил их внимание на физические свойства аксона. Ватанабе и Грисволд объединили усилия с теоретическим биофизиком Падмини Рангамани, доктором философии, профессором фармакологии в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего, чтобы исследовать, как окружающая мембрана может формировать аксон.
Замораживание клеток мозга раскрывает скрытые детали.
Изучение этих выростов клеток головного мозга (нейронов) требует визуализации структур, гораздо более узких, чем человеческий волос. В Университете Джонса Хопкинса их описали как примерно в 100 раз меньшие по размеру, чем ширина волоса. Исследователи использовали электронную микроскопию с высоким давлением замораживания, чтобы сохранить их хрупкую форму перед исследованием с помощью пучков электронов.
Метод подготовки образцов имел важное значение. Стандартная электронная микроскопия обычно включает химическую фиксацию и обезвоживание ткани, этапы, которые могут изменить структуры, которые ученые пытаются наблюдать. Замораживание позволяет сохранить форму, более близкую к исходной.
«Чтобы увидеть наноструктуры с помощью стандартной электронной микроскопии, мы фиксируем и обезвоживаем ткани, но замораживание сохраняет их форму — подобно замораживанию винограда, а не его обезвоживанию до состояния изюма», — сказал Ватанабе.
Исследовательская группа изучила нейроны мышей, выращенные в лаборатории, нейроны взрослых мышей и нейроны эмбрионов мышей. Их аксоны были немиелинизированными (у них отсутствовала миелиновая оболочка, окружающая аксон). На десятках тысяч изображений тканей исследователи неоднократно сталкивались с одним и тем же перламутровым видом.
Они также наблюдали эффект «жемчужного» эффекта при визуализации живых нейронов с высоким разрешением, что свидетельствует о том, что он не был вызван простым замораживанием образцов.
«Эти результаты ставят под сомнение вековые представления о структуре аксонов», — сказал Ватанабе.
Как физика мембран влияет на формирование аксонов
Для объяснения образовавшейся структуры исследователи создали математические модели мембраны, окружающей аксон. Относительно простые механические модели воспроизвели важные особенности этих образований, что позволяет предположить, что физические силы могут помочь определить их форму без необходимости использования жесткой внутренней формы.
Эксперименты подтвердили эту интерпретацию. Увеличение концентрации сахара в растворе, окружающем аксоны, приводило к уменьшению размеров набухших участков. В модели увеличение натяжения мембраны также уменьшало их размер.
Холестерин предоставил еще один способ изменить поведение мембраны. Его удаление сделало мембрану менее жесткой и более текучей. Это изменило жемчужную структуру как в модельных клетках, так и в нейронах мышей, а также снизило скорость электрической сигнализации.
«Более широкое пространство в аксонах позволяет ионам [химическим частицам] проходить быстрее и избегать заторов», — сказал Ватанабе.
Однако более крупные жемчужины не всегда означали более быструю передачу сигналов. Важны были как размеры утолщений, так и узких соединительных сегментов между ними.
Электрическая активность изменяет свойства жемчуга.
Исследователи также проверили, может ли нейронная активность изменять форму аксонов. После высокочастотной электрической стимуляции жемчужные участки увеличились в среднем на 8% в длину и на 17% в ширину, причем увеличение длилось не менее 30 минут.
В опубликованной статье сообщается, что после этой стимуляции электрические сигналы замедлились, и эффект сохранялся как минимум час. Когда холестерин был удален предварительно, некоторые структурные изменения все же происходили, но жемчужины оставались меньше, чем в необработанных клетках, и аналогичного значительного замедления не наблюдалось.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что аксоны — это не просто неподвижные кабели. Их физическая структура может реагировать на активность и помогать регулировать передачу сигналов по ним.
Позднее исследования обнаружили аксоны с жемчужной оболочкой в тканях человека.
Когда в 2024 году были объявлены первоначальные результаты, команда планировала изучить аксональные «отростки» в тканях головного мозга человека, полученных с разрешения людей, перенесших операции на головном мозге, а также людей, умерших от нейродегенеративных заболеваний.
Впоследствии в связанном исследовании сообщалось об обнаружении перламутровых аксонов в тканях коры головного мозга человека, полученных во время операции по поводу эпилепсии. Работа, проведенная Челси Р. Эддингс и ее коллегами, включая Ватанабе, была опубликована в онлайн-журнале Neuron 24 ноября 2025 года, а также в выпуске от 4 февраля 2026 года.
Исследователи объединили электрическую стимуляцию с быстрым замораживанием, чтобы зафиксировать мельчайшие изменения мембран в срезах мозга мышей и человека. Наряду с поврежденными аксонами они обнаружили свидетельства сверхбыстрого эндоцитоза — процесса, при котором нервные окончания быстро извлекают мембрану после высвобождения химических сигналов.
Эти наблюдения распространяют имеющиеся данные на ткани человека, но не доказывают, что каждый аксон имеет одинаковую форму. Они также не показывают, что «жемчужная» форма оказывает одинаковое воздействие на передачу сигналов во всем человеческом мозге. В исследовании на людях в основном изучалась рециркуляция мембран в синапсах.
Более широкий поиск факторов, контролирующих форму аксонов.
Взаимосвязь между структурой и функцией аксонов также стала предметом исследования в рамках гранта Национального института психического здоровья для нескольких главных исследователей, присужденного Ватанабе и Рангамани и отмеченного в 2024 году . Проект поддерживает создание вычислительных моделей того, как физические свойства нейрона и поступающие сигналы влияют на его аксон, с последующими исследованиями на тканях мышей и культурах клеток.
В рамках отдельных исследований изучаются другие способы исследования размеров этой микроскопической проводящей сети. В исследовании, опубликованном в журнале PLOS Biology 17 июля 2026 года, исследователи из Эдинбургского университета использовали автоматизированную визуализацию живых рыбок данио для проверки 880 соединений на предмет их влияния на диаметр аксонов. Они выявили 33 первоначальных соединения и подтвердили, что соединения, влияющие на определенные химические сигнальные пути, могут увеличивать ширину аксонов. Это не является прямым воспроизведением исследования с использованием жемчужного зонда, но предоставляет еще один инструмент для изучения того, как контролируется размер аксонов.
Для команды из Университета Джонса Хопкинса важным остается вопрос о том, как структура, наблюдаемая в функционирующих аксонах, связана с повреждающим утолщением, характерным для неврологических заболеваний. Понимание этого различия может помочь исследователям отделить нормальные изменения в нейронных связях от признаков нарушения работы системы.