Paras üllatus: närvirakkude osad ei näe üldse nii välja nagu sada aastat on kujutatud

Mikrofoto aksoni pärlikujulisest struktuurist. Foto: Quan Gan, Mitsuo Suga, Shigeki Watanabe

Johns Hopkinsi meditsiiniteadlased soovitavad muuta bioloogiaõpikute sisu, kuna uus uurimus viitab sellele, et imetajate ajurakkude käesarnased (ing. k. armlike) struktuurid võivad olla teistsuguse kujuga, kui teadlased on üle sajandi arvanud.

Hiirte ajurakkude uurimine näitab, et nende aksonid – käesarnased struktuurid, mis ulatuvad teistesse ajurakkudesse ja vahetavad nendega teavet – ei ole silindrilised torud, nagu sageli kirjeldatakse, vaid meenutavad pigem pärlikeed.​

Ameerika Ühendriikides asuva John Hopkinsi ülikooli meditsiinikooli rakubioloogia ja neuroteaduse dotsent Shigeki Watanabe selgitab, et aksonite struktuuri mõistmine on ajurakkude signaaliülekande mõistmise seisukohalt oluline. Aksonid on meie ajukoe ühendused, mis võimaldavad õppimist, mälu ja teisi kognitiivseid funktsioone.

Aksonite kuju ja funktsiooni uus käsitlus

Teadlased on juba varem täheldanud, et pärlisarnased struktuurid aksonites, mida nimetatakse aksoni helmeks, võivad tekkida surevates ajurakkudes ja Parkinsoni tõve ning teiste neurodegeneratiivsete haiguste puhul, kui neuronite membraan ja struktuur lagunevad.

Normaaltingimustes on aksonid arvatud olevat torukujulised, ühtlase diameetriga struktuurid, millel on aeg-ajalt mullitaolised moodustised (sünaptilised laiendid ing.k. synaptic varicosities), mis sisaldavad neurotransmitterite kogumeid ja võimaldavad signaaliülekannet teistele ajurakkudele.

Watanabe hakkas aksonite helmeste vastu huvi tundma pärast seda, kui nägi korduvaid helmestruktuure usside närvisüsteemis ja arutas Šveitsi teadlase Graham Knottiga seda, kas aksonite skelett tekitab neid helmeid.

John Hopkinsi kraadiõppur Jacqueline Griswold testis seda ideed, kuid leidis, et aksonite helmeste esinemine ei tulene aksoni skeletist.

Seejärel kaasati uurimistöösse ka teoreetilise biofüüsika ekspert, San Diego California ülikooli farmakoloogia professor Padmini Rangamani, et uurida aksonite füüsikalisi omadusi.

Uued pildistamismeetodid avavad peidetud struktuure

Aksonite uurimiseks kasutasid teadlased elektronmikroskoopiat, kus neuronite proovid eelnevalt kõrge rõhu all külmutati (ing.k. high pressure freezing electron microscopy). See tehnoloogia võimaldab säilitada rakkude struktuuri.

Uurimuses kasutati kolme tüüpi hiirte neuroneid: laboris kasvatatud, täiskasvanud hiirtest võetud ja embrüonaalseid neuroneid. Kõik uuritud neuronid olid müeliinita (ilma müeliinisolatsioonita). Analüüsid näitasid, et aksonid omasid kümnete tuhandete pildistatud kudede hulgas selgelt nähtavaid mullitaolisi struktuure, mida nimetati «mittesünaptilisteks laienditeks».

Eksperimentaalsed ja matemaatilised analüüsid

Matemaatilise modelleerimise abil kontrolliti, kas aksoni membraan mõjutab pärlikee struktuuri teket. Leiti, et lihtsad mehaanilised mudelid suudavad neid struktuure tõhusalt kirjeldada.

Eksperimendid näitasid, et suhkru kontsentratsiooni suurendamine aksonit ümbritsevas lahuses või aksoni membraani pingete vähendamine vähendasid helmeste suurust. Kolesterooli eemaldamine membraanist muutis selle vähem jäigaks ja vähendas helmeste esinemist. See aga nõrgendas aksonite võimet edastada elektrilisi signaale.

Aksonite elektrilise stimulatsiooni rakendamine tegi helmeste struktuurid 8% pikemaks ja 17% laiemaks, kiirendades signaaliülekannet. Kolesterooli puudumisel kadus aga paisunud olek ja signaaliülekandes muutusi ei ilmnenud.

Tähenduslikud leiud ja tulevikusuunad

Uuring seab kahtluse alla sajandipikkuse arusaama aksonite struktuurist. Teadlased plaanivad uurida sarnaseid aksoni «käsivarsi» inimese ajukoes, mida on saadud operatsioonide või neurodegeneratiivsetesse haigustesse surnute lahkamiste käigus.

Uurimuse tulemused avaldati ajakirjas Nature Neuroscience.​

Allikas: MedicalXpress