识别连接发育中大脑神经元的隧道

在神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔 (Santiago Ramón y Cajal) 发现神经元一百多年后，科学家们继续加深对大脑及其发育的了解。在 4 月 5 日发表在《科学进展》杂志上的一篇文章中，巴斯德研究所和法国国家科学研究中心的一个团队与哈佛大学合作，揭示了大脑外层细胞在出生后小脑形成过程中如何立即相互作用的新见解，朝向头骨后部的大脑区域。科学家们通过纳米管展示了神经前体细胞之间的一种新型连接，甚至在突触形成之前，即神经元之间的传统连接。

2009 年，Chiara Zurzolo 的团队(巴斯德研究所的膜交通和发病机制部门)确定了一种新机制，用于通过纳米隧道(称为隧道纳米管)在培养的神经元细胞之间进行直接通信。这些与神经退行性疾病期间积聚在大脑中的各种有毒蛋白质的传播有关。因此，纳米管可能是治疗这些疾病或癌症的合适靶标，它们也存在于这些疾病或癌症中。

在这项新研究中，研究人员发现了连接大脑前体细胞的纳米级隧道，更具体地说是小脑——这是一个在出生后发育的区域，对于调整姿势以保持平衡很重要——当它们成熟为神经元时。这些隧道虽然大小相似，但形状各不相同：有些包含分支，有些则没有，有些被它们连接的细胞包围，而另一些则暴露在当地环境中。作者认为，这些细胞间连接 (IC) 可能会促进分子交换，从而帮助前神经元细胞物理迁移到各个层并随着大脑发育到达最终目的地。

有趣的是，IC 与细胞完成分裂时形成的桥在解剖学上有相似之处。“IC 可能来自细胞分裂，但在细胞迁移过程中持续存在，因此这项研究可以阐明允许细胞分裂和迁移之间协调与大脑发育有关的机制。另一方面，有丝分裂后细胞之间建立的 IC 可以允许细胞之间的直接交换细胞超越了通常的突触连接，代表了我们对大脑连接性理解的一场革命。我们表明，不仅有突触允许大脑中的细胞之间进行通信，还有纳米管，”高级作者兼负责人 Zurzolo 博士说。膜交通和发病机制单位(Institut Pasteur/CNRS)。

为了实现这些发现，研究人员使用三维 (3D) 电子显微镜方法和来自小鼠模型的脑细胞来研究大脑区域如何相互通信。因此可以重建非常高分辨率的神经网络图。为研究制作和使用的 3D 小脑体积包含 2,000 多个细胞。“如果你真的想了解细胞在三维环境中的行为，并绘制出这些隧道的位置和分布图，你必须重建大脑的整个生态系统，这需要 20 名左右的人参与超过 4 人的非凡努力年，”该文章的第一作者 Diego Cordero 说。

为了应对处理大脑中包含的各种细胞类型的挑战，作者使用了一种人工智能工具来自动区分皮质层。此外，他们开发了一个名为CellWalker的开源程序来表征 3D 片段的形态特征。组织块是根据脑切片图像重建的。这个免费提供的程序将使科学家能够快速、轻松地分析嵌入在这些类型的显微镜图像中的复杂解剖信息。

下一步将是确定这些细胞隧道的生物学功能，以了解它们在中枢神经系统和其他大脑区域发育中的作用，以及它们在神经退行性疾病和癌症中脑细胞之间交流的功能。 开发的计算工具将提供给全球其他研究团队。

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