清華新聞網(wǎng)9月20日電 在大腦的發(fā)育、重塑和再生過(guò)程中，軸突對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的塑造至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)觀(guān)察表明，在神經(jīng)發(fā)育和再生過(guò)程中，軸突存在三種典型狀態(tài)，即生長(zhǎng)（growth）、停滯（stalling）和塌縮（collapse）。軸突的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)依賴(lài)于內(nèi)源或外源產(chǎn)生的力。然而，人們對(duì)軸突生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的力調(diào)控機(jī)制及其狀態(tài)轉(zhuǎn)變這一基本科學(xué)問(wèn)題尚缺乏深刻的理解。
9月12日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院馮西橋教授、邵玥副教授課題組在期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）在線(xiàn)發(fā)表了題為“力調(diào)控的軸突生長(zhǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變”（Force-regulated state transitions of growing axons）的研究論文。
該項(xiàng)工作報(bào)道了力通過(guò)調(diào)節(jié)軸質(zhì)生長(zhǎng)和皮質(zhì)收縮來(lái)協(xié)同決定軸突生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在軸突內(nèi)源張力（tension）和胞外基質(zhì)阻力作用下軸突可以出現(xiàn)四種動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，其中兩種動(dòng)力學(xué)狀態(tài)尚不為人知。該研究揭示了力學(xué)調(diào)控軸突生長(zhǎng)的一種基本原理，并給出了引導(dǎo)軸突生長(zhǎng)的兩個(gè)關(guān)鍵無(wú)量綱數(shù)以及軸突生長(zhǎng)狀態(tài)相圖，為神經(jīng)再生技術(shù)提供了新的啟示。
圖1.（a）軸突結(jié)構(gòu)示意圖，包括軸質(zhì)區(qū)域（AP）和皮質(zhì)區(qū)域（CM）的細(xì)胞骨架成分；（b）生長(zhǎng)軸突的主動(dòng)粘彈性桿模型；（c）模型微元；（d）軸向延伸率與張力的關(guān)系
該研究通過(guò)細(xì)致的理論分析成功預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的感覺(jué)神經(jīng)軸突生長(zhǎng)和塌縮現(xiàn)象（圖2a）。該模型將軸突視為主動(dòng)粘彈性桿（圖1），發(fā)現(xiàn)力敏感的細(xì)胞骨架活性共同調(diào)節(jié)軸突本征的靜息張力Tr，進(jìn)而決定其生長(zhǎng)、停滯和塌縮之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變：當(dāng)生長(zhǎng)錐的張力T大于靜息張力Tr時(shí)，軸突向前生長(zhǎng)；反之，則發(fā)生塌縮（圖2b）。通過(guò)進(jìn)一步研究軸突運(yùn)動(dòng)速度與張力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)軸突可表現(xiàn)出四種典型的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，從而揭示了力調(diào)控軸突狀態(tài)轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)規(guī)律（圖2c）。值得注意的是，狀態(tài)I和III（速度與張力的線(xiàn)性關(guān)系）已得到前人實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，而狀態(tài)II和IV（速度與張力的非線(xiàn)性關(guān)系）則有待更加精確的張力表征手段來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證（圖2d）。這些動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變邊界由兩個(gè)特征量——無(wú)量綱靜息張力和無(wú)量綱軸突長(zhǎng)度——共同決定，其中無(wú)量綱靜息張力反映了軸突（axon shaft）和生長(zhǎng)錐（growth cone）的肌動(dòng)球蛋白機(jī)制之間的競(jìng)爭(zhēng)，而無(wú)量綱軸突長(zhǎng)度則反映了軸突生長(zhǎng)抵抗基質(zhì)黏附的特征長(zhǎng)度。
圖2.（a）理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)的正常和CilD處理后感覺(jué)神經(jīng)軸突的速度；（b）由細(xì)胞骨架活性定義的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變相圖；（c）由內(nèi)源細(xì)胞骨架活性和外源基質(zhì)黏附定義的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變相圖；（d）四種典型動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的軸突運(yùn)動(dòng)速度–張力關(guān)系
清華大學(xué)航院教授馮西橋與副教授邵玥為論文的通訊作者。清華大學(xué)航院2022屆博士畢業(yè)生張煥新為論文的第一作者。清華大學(xué)航院博士后張凱旋和河海大學(xué)副教授李民為本工作的合作者。該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目，重慶市自然科學(xué)基金和博士后科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.128101
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
