轴突神经元轴突发育的探索简史

摘要:神经元之间复杂而精确的网络连接的形成是显示神经系统各种重要功能的生理基础。

从维持正常生活活动所需的心跳和呼吸，到基本活动的运动协调和感觉传递的实现，再到学习记忆等更高层次的思维模式，都依赖于神经网络。神经元之间复杂而精确的网络连接的形成是显示神经系统各种重要功能的生理基础。

神经元的正常形态发育对神经网络的形成非常重要。如果神经元形态异常，就会引起智力低下、情感缺失、交流障碍、学习能力低下等神经系统发育的严重疾病。

典型的成熟神经元有一个轴突和多个树突。胞体-树突部分负责接收外界信号，轴突将自身神经元的信号传递给其他神经元，从而通过轴突与胞体-树突之间的信号传递形成复杂的神经网络系统。

图1:轴突和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

历史上的两次理论论争

一百多年前，由于实验方法和技术手段的限制，人们对神经元发育的认知还停留在半观察半推测的阶段。当时，神经生物学家对轴突最初在胚胎中形成的方式有很大争议。瑞士解剖学家伊希斯提出“轴突延伸理论”，认为原始胚胎神经元的细胞质向外凸出形成轴突，轴突继续延伸，直至其前端与周围的感觉器官或肌纤维接触。西班牙现代神经生物学教父Cahal利用胚胎神经组织切片银染染色技术支持轴突延伸假说。

图2:人视皮层的各种神经元，由卡哈尔通过银染染色进行观察和手绘

反对这种观点的学者包括现代神经生物学的另一位创始人王石，他支持“细胞链理论”，认为神经元和受神经支配的周围组织之间有许多分散的细胞，这些细胞逐渐连接形成细胞链神经元轴突。当时他们所有的假设都是基于一些解剖学观察，没有其他证据。

图3:由王石发现并以他的名字命名的施万细胞实际上是以细胞链的形式包裹神经元的轴突，而不是成为神经元的轴突

体外培养的神经组织证实了“轴突延伸假说”

直到后来，美国生物学家哈里森解决了这个争议。在他看来，要回答这个问题，最好是设计一种方法，直接观察生活条件下生长的神经末梢。基于这一推测，哈里森首先解剖了青蛙胚胎的新生脊髓段，并将其放入生理盐水中，但组织块未能存活。后来经过各种尝试，他终于找到了合适的训练方案。他从青蛙胚胎中取出一小块很快闭合的神经皱襞，切下一块神经组织，然后把它移到预先滴有青蛙淋巴的盖玻片上。然后将盖玻片倒置在中间有凹陷的厚载玻片上，外围用蜡封好。

图4:哈里森进行了各种体外组织培养的实验尝试

就这样，他首次成功地在体外培养基中培养了神经组织，并每小时观察记录轴突生长过程，最终证实了“轴突延伸假说”。这是最早的“哈里森悬滴培养法”，也是最早的体外组织细胞培养技术。正是这种关于神经元轴突发育的争论，导致了现代神经生物学和体外组织细胞培养技术的诞生。

图5:最初参与神经元轴突发育及其理论辩论的各派科学家

神经元轴突发育过程

以体外培养的皮层神经元模型为例，神经元的轴突发育大致可分为以下几个阶段。第一阶段:神经元附着于基质后，伸出片状伪足。第二阶段:然后这些突起发展成短而不成熟的突起。在这个阶段，所有的轴突都在不断地伸展和收缩。此时这些轴突的长度差别不大，很难确定哪些轴突会发育成轴突。第三阶段:其中一个未成熟的轴突迅速生长成细长的新生轴突。第四阶段:轴突形成后的几天，剩余的轴突慢慢生长成树突。第五阶段:轴突和树突继续成熟，最终形成突触连接，建立神经网络系统。在神经元形态发育的五个阶段中，从第二阶段向第三阶段的过渡称为神经元极性建立。在这个过程中，会决定一个轴突最终会变成轴突，而其余的会发育成树突。

图6:体外皮层神经元的轴突发育

微管和线粒体在轴突生长中的关键作用

轴突生长是一个不连续的过程，侧枝往往是从停滞的生长锥中生长出来的。当停滞的生长锥继续生长时，分支轴突也同时延伸。轴突分支也可以形成丝状伪足和板状伪足的形式。在主生长锥中，来自轴突轴的微管携带纤维肌动蛋白，避开过渡带，穿透中心带，不断向外周带探索推进。在适当的外部引导信号或生长促进信号的刺激下，微管稳定并侵入周围区域。周边区域提供微管前进的驱动力，肌动蛋白提供牵引力。在这两种力的共同作用下，轴突生长锥继续延伸。

轴突生长是一个非常复杂的过程，涉及微管骨架系统的重排、细胞膜等膜结构的转运、蛋白质的合成与降解、极性分子的转运等。所有这些微观事件都离不开一个宏观的概念——充足的能量供应，而线粒体作为“动力工厂”，对于轴突的生长尤为重要。线粒体能否在神经元内部快速自由穿梭，线粒体能否为轴突的局部膜运输、极性分子运输、蛋白质合成和微管重排提供足够的能量，对轴突的生长至关重要。

图7:线粒体产生ATP，ATP是神经元的动力工厂

非编码小RNAMir505-3p调节神经元的轴突发育

最新研究表明，神经元中的非编码小RNA Mir505-3p可以通过靶向抑制自噬相关蛋白ATG12，影响轴突中自噬小体的形成和线粒体的分布，从而促进轴突的发育，包括极性建立、轴突生长和轴突分支。

本研究采用体外神经元培养模型、体内胚胎电转化技术、电镜技术和基因工程小鼠模型，鉴定了Mir505-3p调控神经元轴突发育的表型。如图8所示，在神经元发育过程中的轴突部分，非编码小RNA 505-3p(Mir505-3p)像叉子一样渗入自噬相关蛋白12(ATG12)的洋葱表皮，也破坏了自噬体(洋葱)的结构。原本被自噬体包裹降解的线粒体(小番茄)，会在轴突内局部富集，保证轴突生长有足够的能量。因此，在Mir505-3p和ATG12的共同作用下，轴突(芹菜)的生长发育明显得到促进。