Cell:在轴突间隙存在跳跃式传导

脊椎动物的轴突缠绕着多个紧密的髓磷脂膜,这是外周和中枢神经系统电流进行快速和跳跃式传导的解剖学基础。然而,髓鞘并不覆盖整个轴突,在覆盖处还有间隙,这种间隙被称为郎飞氏结。动作电位沿着轴突从一个结“跳”到另一个结,这就是跳跃性传导。大学生理学课本上青蛙坐骨神经的动作电位就是跳跃式传导的经典模型。近年来,关于髓鞘形成的细胞和分子机制取得了许多重要研究进展,其中包括神经元和胶质细胞的相互作用调节髓鞘形成等。

2019年12月26日,荷兰皇家科学院神经科学研究所Maarten H.P. Kole研究团队在Cell杂志上发表文章Saltatory Conduction along Myelinated Axons Involves a Periaxonal Nanocircuit揭示了在轴突间隙存在跳跃式传导。

类似于物理中的等效电路图,轴突和髓鞘形成一个紧密结合的膜,而没有中间的传导路径, 称为“单电缆”(SC)。与之相对应的就是“双电缆”(DC),除了轴突和髓鞘之间的这根“电缆”以外,充满液体的轴突旁间隙和旁淋巴间隙之间也形成一根“电缆”,进行电流传导。研究人员通过计算机构建“单电缆”和“双电缆”模型,利用双极电极同时记录胞体和轴突的电压(这两者之间距离至少在830μm)以评估模型的灵敏度。通过不断的优化模型中电阻、电容等参数发现“双电缆”模式可以更好地反应轴突上短暂电压传导特点。他们进一步利用电子显微镜观察髓鞘的超微结构,结果发现轴突上髓鞘片状层数为5-19层,与轴突直径成正相关关系,也就是说轴突直径越大,髓鞘片状层数越多。

上述单电缆”和“双电缆”模型能不能很好的预测出髓鞘的厚度、片状层数以及髓磷脂膜的电阻和电容?“双电缆”模型预测出髓鞘片状层数平均为14层,这与电镜结果一致,而“单电缆”模型预测出髓鞘片状层数仅为4层。这些结果表明“双电缆”模型是比较符合真实的神经元电流环路的。此外,轴突旁间隙的平均宽度为12.3 nm,电阻平均为53.7 Ω cm,而液体流过这个间隙产生的电阻为550 Ω cm。通过对髓鞘超微结构的和其轴向电阻率数据表明,纳米级(12 nm)轴突间隙的导电性比轴突高3倍,而这种传导具有位置限制,受限于旁淋巴间隙区域。他们通过测定动作电位发现轴突间隙产生的电阻存在跳跃式传导。

为了进一步确认轴突间隙可以独立的产生电压。研究人员使用电压敏感染料(VSD)对动作电位进行光学记录,受刺激的节点产生的电流会比上、下游节点要快一些(节点之间的距离为5μm),并且它们之间的时间间隔不到200μs,而在“双电缆”模型中这种间隔时间不400μs,这些结果揭示了在时间分辨率上轴突间隙的跳跃式传导的特点。那么在空间上又会有何特点呢?研究人员以较低频率记录总长250μm的多个节点之间的动作电位,发现在前三个节点可靠地重复了出现了跳跃式传播的模式,尽管电压上升时间较慢,而在中间节点仍达到约–30 mV。令人意外的是,“双电缆”模型能够以类似的时空分辨率产生跳跃式传导。

总的来说,本文通过数学模型结合电子显微镜和电压记录技术揭示在一直被忽视的轴突旁间隙中电流存在跳跃式传导。这个发现意义重大,弥补了之前的空缺,成为第二条纵向动作电位传导路径。

原文链接:
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31324-8
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