阿茨海默症相关脑细胞的完整形态

　　

生物通报道：目前，美国约翰霍普金斯大学的科学家们，通过小鼠实验，成功绘制出哺乳动物大脑中一些最大神经细胞——胆碱能神经元的复杂路径，在阿尔茨海默氏病患者中，胆碱能神经元是第一种退化的细胞。相关研究结果发表在最近的《eLife》杂志。

约翰霍普金斯大学医学院分子生物学和遗传学、神经科学和眼科学教授Jeremy Nathans博士称：“对我们来说，这就像是攀登珠峰。这项工作表明，胆碱能神经元每天都面临惊人的挑战。这些细胞中的每一个，都像是一个城市，通过一条单车道与其近郊联系在一起，所有应急服务只位于市区。你可以想象得到，如果所有救急车辆不得不经过这一条路到达郊外，那么郊外将处于危机之中。我们认为，当胆碱能神经元试图修复阿尔茨海默氏病造成的损伤时，可能就会发生这样的事情。”

Nathans指出，每个胆碱能神经元具有大约1000个分支点。如果首尾排成一行，一个神经元的分支总计达一个小鼠大脑长度的15倍。但是，所有的分支都是由一段单一的非常薄的“管道”连接到一个中心——细胞体（可提供给分支需求）。他说，通过这段单一管道移动材料所面临的挑战，可能会使胆碱能神经元很难抗击类似阿尔茨海默氏病带来的挑战。现在，通过映射这些分支和管道，科学家们可能会更好地了解，当神经元无法应对挑战时会发生什么情况。

胆碱能神经元是哺乳动物大脑中最大的神经元之一。因其能释放一种化学信使乙酰胆碱而命名，仅在小鼠大脑中的数量就有成千上万，是5000万到1亿个所有神经元的一小部分。它们的细胞体位于靠近前端的大脑底部，但是它们的分支延伸分布在整个大脑皮层——最外面褶皱的“灰质” 层，负责大脑最先进的智力功能。因此，虽然有相对较少的胆碱能神经元，但是它们会影响大脑的很大一部分。

Nathans称，将纠结在数百万其他神经元内的单个神经元的数百个微小分支可视化，还是一个技术挑战，因此，单个胆碱能神经元的实际尺寸与形状，以及它们覆盖的范围，直到现在仍然是未知的。Nathans研究小组利用基因工程方法，编程每只小鼠的几个胆碱能神经元，来产生一种蛋白质，能通过一种有颜色的化学反应进行观察。这项工作成功的关键是，能够限制生产蛋白质的细胞数量——如果所有的胆碱能神经元都制造蛋白质，它将不可能区分单个分支。

因为显微镜不能看透厚的组织，Nathans及其研究小组将小鼠大脑组织保存，然后切成薄片，产生连续的图像。然后，从每幅图像中，精心重建和分析每个神经元的分支路径。他说，在成年小鼠中，一个胆碱能神经元分支的平均长度，首位排成一排是31cm（12英寸），从11cm到49cm不等（4到19英寸）。一只小鼠大脑的平均长度只有2cm——比1英寸少一点。虽然平均每个胆碱能神经元包含大约1000个分支，但在所覆盖的范围内，它们有很大的变化。

研究人员使用相同的技术，研究阿尔茨海默氏病小鼠模型的胆碱能神经元，发现这些分支是支离破碎的。他们还发现了一块一块的材料，可能是来自瓦解分支的碎片。

尽管研究人员没有逐个追踪人类大脑的胆碱能神经元，但Nathans的研究小组能够算出，一般人类大脑中的胆碱能神经元总共大约有100米的分支长度，比足球场还长一点。Nathans说：“这真的是一段很长的管道，尤其是，管道只有30/1000毫米的直径，远比人类头发还要窄。”

他补充说：“尽管我们的研究只定义了这些神经元的一些简单物理属性，例如大小和性状，但这可使我们更好地检测，在疾病期间它们出了什么问题。”

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Complete morphologies of basal forebrain cholinergic neurons in the mouse
Abstract: The basal forebrain cholinergic system modulates neuronal excitability and vascular tone throughout the cerebral cortex and hippocampus. This system is severely affected in Alzheimer's disease (AD), and drug treatment to enhance cholinergic signaling is widely used as symptomatic therapy in AD. Defining the full morphologies of individual basal forebrain cholinergic neurons has, until now, been technically beyond reach due to their large axon arbor sizes. Using genetically-directed sparse labeling, we have characterized the complete morphologies of basal forebrain cholinergic neurons in the mouse. Individual arbors were observed to span multiple cortical columns, and to have