Wissenschaftler widerlegen 100 Jahre alte Annahme über Gehirnzellen und schreiben Lehrbücher neu

Die ursprüngliche Entdeckung wurde 2024 in Nature Neuroscience veröffentlicht, wobei zusätzliche Ergebnisse in biophysical journal 2025 berichtet wurden, die ähnliche Perlen-auf-einer-Kette-Strukturen in Caenorhabditis elegans Motoneuronen, Maushippocampusneuronen und menschlichen kortikalen Neuronen zeigen.

„Das Verständnis der Struktur , um die Signalübertragung in Gehirnzellen zu verstehen“, sagt Shigeki Watanabe, Ph.D., außerordentlicher Professor für Zellbiologie und Neurowissenschaften an der Johns Hopkins University School of Medicine.

„Axone sind die Kabel, die unser Gehirngewebe verbinden und Lernen, Gedächtnis und andere Funktionen ermöglichen.“ Perlenartige Schwellungen in Axonen wurden seit langem mit Verletzungen oder Krankheiten in Verbindung gebracht, einschließlich Parkinson und anderen neurodegenerativen Erkrankungen.

Diese Studien zeigen jedoch, dass sich

Diese Studien zeigen jedoch, dass sich wiederholte Schwellungen auch in ansonsten normalen Axonen zeigen können, zumindest bei den untersuchten Neurontypen.

Traditionell werden Axone als schmale Zylinder mit einem ziemlich gleichmäßigen Durchmesser beschrieben, die nur durch gelegentliche Ausbuchtungen namens synaptische Varikositäten unterbrochen sind, welche Neurotransmitter speichern.

Im Gegensatz dazu besteht das neu identifizierte Muster aus regelmäßig angeordneten Schwellungen, die nicht an Synapsen gebunden sind, was die Forscher „nicht-synaptische Varikositäten“ nennen. Nanoscale Details and Imaging Techniques Diese Strukturen existieren in einem extrem kleinen Maßstab.

Die perlenartigen Regionen messen etwa 250

Die perlenartigen Regionen messen etwa 250 Nanometer im Durchmesser, während die dünneren Verbindungssegmente etwa 70 Nanometer breit sind. Zum Vergleich können Axone eine Länge von 100 mm bis 1.000 mm (etwa 4 Zoll bis 3,3 Fuß) erreichen und dabei nur etwa 100 Nanometer dick bleiben.

Um diese Details zu erfassen, verwendete das Team die Kryoelektronenmikroskopie unter hohem Druck, eine Technik, die zelluläre Strukturen genauer erhält als Standardpräparationsmethoden.

„Um nanoskalige Strukturen mit der Standardelektronenmikroskopie zu sehen, fixieren und dehydrieren wir das Gewebe, aber das Einfrieren erhält seine Form – ähnlich wie das Einfrieren einer Traube und nicht das Dehydrieren zu einer Rosine“, sagt Watanabe.

Die Forscher analysierten im Labor gezüchtete

Die Forscher analysierten im Labor gezüchtete Mausneuronen sowie Neuronen, die Mäusen und Mausembryonen entnommen wurden. Alle wiesen Myelin, die um viele Axone liegende Isolierschicht, nicht auf.

Über zehntausenden , perlenartige Muster. „Diese Ergebnisse stellen ein jahrhundertelanges Verständnis der Axonstruktur in Frage“, sagt Watanabe.

Erste Erklärungen konzentrierten sich auf das innere Skelett des Axons, aber Experimente , dass die Störung dieses Gerüsts das perlenartige Erscheinungsbild nicht eliminierte.

Weitere Analysen, einschließlich mathematischer Modellierung

Weitere Analysen, einschließlich mathematischer Modellierung mit Padmini Rangamani, Ph.D., deuteten stattdessen auf die physikalischen Eigenschaften der Zellmembran hin. Membranphysik und Signalübertragung Veränderungen der Umgebung stützten diese Idee.

Eine Erhöhung der Zuckerkonzentration um die Axone ließ die Schwellungen schrumpfen, während verdünntere Bedingungen sie expandieren ließen. Die Reduzierung der Membransteifigkeit durch das Entfernen und verlangsamte gleichzeitig die Übertragung elektrischer Signale.

„Ein größerer Raum in den Axonen ermöglicht es Ionen [chemischen Teilchen], schneller zu passieren und Staus zu vermeiden“, erklärt Watanabe.

Elektrische Stimulation erzeugte ähnliche Effekte, wobei

Elektrische Stimulation erzeugte ähnliche Effekte, wobei hochfrequente Aktivität die Schwellungen über mindestens um durchschnittlich 8 % in der Länge und 17 % in der Breite ausdehnen ließ, zusammen mit einer schnelleren Signalübertragung; als jedoch Cholesterin entfernt wurde, traten diese strukturellen Veränderungen und die Zunahme der Signalgeschwindigkeit nicht mehr auf.

Hinweise aus lebendem Hirngewebe Eine verwandte Studie aus dem Neuron von 2025 erweiterte diese Beobachtungen auf lebendes Hirngewebe.

Mithilfe Hirnschnitte , wodurch die synaptische Aktivität mit Nanometerauflösung erfasst werden konnte.

Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl Maus-

Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl Maus- als auch humane kortikale Synapsen synaptische Vesikel durch ultraschnelle Endozytose recyceln, ein schneller Prozess der Membranrückgewinnung, und die gleiche perlierte Axonstruktur in menschlichem Gewebe bestätigten.

Die Studie identifizierte außerdem eine Ansammlung des Proteins Dynamin 1xA in der Nähe aktiver Zonen in beiden Arten, was einen gemeinsamen Mechanismus für die schnelle synaptische Funktion unterstützt. „Membrane mechanics dictate axonal pearls-on-a-string morphology and function“ M.

Griswold, Mayte Bonilla-Quintana, Renee Pepper, Christopher T. Lee, Sumana Raychaudhuri, Siyi Ma, Quan Gan, Sarah Syed, Cuncheng Zhu, Miriam Bell, Mitsuo Suga, Yuuki Yamaguchi, Ronan Chéreau, U.

Valentin Nägerl, Graham Knott, Padmini Rangamani

Valentin Nägerl, Graham Knott, Padmini Rangamani und Shigeki Watanabe, 2. Dezember 2024, Nature Neuroscience.

DOI: 10.1038/s41593-024-01813-1 „BPS2025 – Biophysical regulation of axon morphology and plasticity“ , Jacqueline Griswold, Mayte Bonilla Quintana, Renee Pepper, Christopher T. Lee, Sumana Raychaudhuri, Sumana Raychaudhuri und Padmini Rangamani, 13.

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Eddings, Minghua Fan, Yuuta Imoto, Kie

Eddings, Minghua Fan, Yuuta Imoto, Kie Itoh, Xiomara McDonald, Jens Eilers, William S. Anderson, Paul F.

Worley, Kristina Lippmann, David W. Nauen und Shigeki Watanabe, 24.

November 2025, Neuron.

DOI: 10.1016/j.neuron.2025.10.030 Die Forschungsmittel wurden of

DOI: 10.1016/j.neuron.2025.10.030 Die Forschungsmittel wurden of Medicine, dem Marine Biological Laboratory Whitman Fellowship, dem Chan Zuckerberg Initiative Collaborative Pair Grant und Supplement Award, dem Brain Research Foundation Scientific Innovations Award, einem Helis Foundation Award, den National Institutes of Health (NS111133-01, NS105810-01A11, DA055668-01, 1RF1DA055668-01), dem Air Force Office of Scientific Research (FA9550-18-1-0051) und dem Alfred P.

Sloan Research Fellowship, ein McKnight Foundation Stipendium, ein Klingenstein-Simons Fellowship Award in Neurowissenschaften, ein Vallee Foundation Stipendium, die National Science Foundation und die Kavli Institutes an Johns Hopkins und UC San Diego.