על פי מחקר חדש, ייתכן שעלינו לעדכן את ספרי הלימוד העוסקים בתאי מוח

ספרי לימוד בתחום הביולוגיה עשויים להזדקק לעדכון, כך טוענים חוקרי רפואה מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס, המציגים עדויות חדשות המצביעות על כך שמבנה דמוי זרוע של תאי מוח ביונקים עשוי להיות שונה מההנחות המדעיות ששלטו במשך למעלה ממאה שנה.

במחקר שנערך על תאי מוח של עכברים, נמצא כי האקסונים - אותם מבנים דמויי זרוע אשר מתמשכים החוצה ומעבירים מידע בין תאי מוח שונים - אינם מבנים גליליים פשוטים, כפי שמתוארים לעיתים קרובות בספרי לימוד ובאתרי מידע, אלא למעשה מזכירים יותר שרשרת פנינים.

דו"ח על הממצאים התפרסם ב-2 בדצמבר ב-Nature Neuroscience

"הבנת מבנה האקסונים חיונית להבנת מנגנוני האיתות בתאי מוח. האקסונים משמשים ככבלים המקשרים בין חלקי רקמת המוח, ומאפשרים למידה, זיכרון ותפקודים מוחיים רבים נוספים".

בעוד שמדענים ידעו זה מכבר כי קיימים מבנים דמויי פנינים באקסונים - תופעה המכונה "חרוזי אקסונים" (axon beading) - הם זוהו בעיקר במצבים פתולוגיים, כמו במקרי ניוון עצבי, מחלת פרקינסון ומחלות נוירולוגיות אחרות, אשר גורמות לאובדן שלמות קרום התא והשלד התוך-תאי. בתנאים רגילים, נהוג היה להניח כי האקסונים בעלי מבנה גלילי אחיד ברובו, עם הופעה מזדמנת של מבנים דמויי בועות המכונים "דליות סינפטיות", המשמשות לאחסון נוירוטרנסמיטורים ומאפשרות העברת אותות בין תאי מוח.

פרופ' שיגקי ווטנבה (Shigeki Watanabe), חוקר בתחום ביולוגיית התא ומדעי המוח מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס, הבחין לראשונה במבנה חוזר של פנינים לאורך האקסונים במערכת העצבים של תולעים. בעקבות שיחה עם המדען השוויצרי גרהם נוט (Graham Knott), התעניין עוד יותר במבנים אלו. מחקר שפורסם בשנת 2012 על ידי קבוצת חוקרים מאוניברסיטת הרווארד תיאר רכיבים "שלדיים" החוזרים על עצמם באקסונים, מה שהוביל את ווטנבה ונוט להעלות השערה ולתכנן ניסויים שמטרתם לבחון האם הסרת שלד האקסון תגרום להיעלמות הפנינים.

את הרעיון בחנה ג'קלין גריסוולד (Jacqueline Griswold), סטודנטית לתואר שני בג'ונס הופקינס ומחברת ראשית של המאמר המדעי. אך להפתעתה, הסרת השלד לא השפיעה על מבני הפנינים. בעקבות כך, ווטנבה וגריסוולד שיתפו פעולה עם פרופ' פדמיני רנגמני (Padmini Rangamani), מומחית לביופיזיקה תיאורטית מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, כדי לבחון את התכונות הפיזיות של האקסונים לעומק.

כדי לצפות באקסונים של תאי מוח, אשר קוטרם קטן פי 100 מעובי שערת אדם, השתמשו החוקרים בטכניקה של מיקרוסקופ אלקטרונים קריוגני. בשונה ממיקרוסקופ אלקטרונים רגיל, השולח אלומת אלקטרונים לרקמה על מנת למפות את מבנה התא, שיטה זו כוללת הקפאה מהירה של הדגימה לשימור המבנים ברזולוציה גבוהה.

"כאשר משתמשים במיקרוסקופיית אלקטרונים רגילה, יש צורך לקבע ולייבש את הרקמה, אך הקפאה שומרת על המבנים באופן טבעי - זה דומה להקפאת ענב במקום לייבש אותו לצימוק", מסביר ווטנבה.

במהלך המחקר, החוקרים בחנו שלושה סוגים של נוירונים של עכברים: כאלה שגודלו במעבדה, כאלה שנלקחו ממוחות של עכברים בוגרים, וכאלה שנלקחו מעוברים של עכברים. אף אחד מהנוירונים לא היה מצופה במיאלין (חומר המשמש כבידוד סביב האקסון). בכל הדגימות, החוקרים זיהו את המבנה המבעבע של האקסונים לאורך עשרות אלפי תמונות שצולמו. הם כינו את אותם "דליות לא סינפטיות" - כלומר, מבנים דמויי פנינים המופיעים באקסון עצמו, ללא קשר למבנים הידועים אשר משמשים להעברת אותות סינפטיים.

"ממצאים אלה מערערים את התפיסה הרווחת על מבנה האקסונים, שהייתה מקובלת במשך למעלה ממאה שנה", מדגיש ווטנבה. כדי להבין את המקור הפיזי של מבנים אלה, המדענים השתמשו במודלים מתמטיים ובחנו כיצד קרום האקסון משפיע על צורתו. הם גילו כי מבנה הפנינים יכול להיות מוסבר באמצעות מודלים מכניים פשוטים, והצליחו לשחזר אותו בניסויים ממוחשבים. יתר על כן, ניסויים עם המודל המתמטי ודגימות מוח של עכברים הראו כי הגדלת ריכוז הסוכרים בתמיסה סביב האקסון או הפחתת המתח בקרומים האקסונליים הקטינה את גודל מבני הפנינה.

תמונת מיקרוגרפיה של מבנה ה"פנינים" של אקסון / Image credit: Quan Gan, Mitsuo Suga, Shigeki Watanabe

בניסוי נוסף, הוסרו מולקולות כולסטרול מקרום התא - מה שהפך אותו לפחות נוקשה ויותר גמיש. במצב זה, נצפתה ירידה בכמות הפנינים, הן במודלים מתמטיים והן בתאי עצב של עכברים, וכן ירידה ביכולתו של האקסון להעביר אותות חשמליים. "כאשר לאקסונים יש חלל רחב יותר, יונים כימיים יכולים לנוע דרכם ביעילות רבה יותר, ולהימנע מ'פקקי תנועה'", מציין ווטנבה.

בנוסף, גירו החוקרים חשמלית את הנוירונים של העכברים בתדר גבוה. בעקבות הגירוי, מבני הפנינים האקסונליים התנפחו - אורכם גדל בכ-8% ורוחבם בכ-17% למשך 30 דקות לפחות, והשדרים החשמליים הפכו למהירים יותר. לעומת זאת, כאשר הוסר הכולסטרול מהממברנה, פניני האקסון איבדו את נפחם ולא חל שינוי במהירות האותות החשמליים. למרות הממצאים המרתקים, חלק מהקהילה המדעית נשארת ספקנית. אחת ההתלבטויות המרכזיות נוגעת לאפשרות שהשיטה החדשה להדמיה עלולה להשפיע על התוצאה. "גם כאשר מקפיאים דגימות במהירות גבוהה, ייתכן שמשהו בתהליך המניפולציה גורם להופעת הפנינים", ציין ד"ר פייטרו דה קמילי (Pietro De Camilli), חוקר מדעי המוח מאוניברסיטת ייל, בראיון ל-Science.

טונג וואנג (Tong Wang), מדען מוח מאוניברסיטת שאנגחאי-טק, הוסיף כי המחקר החדש עשוי להצביע על כך שמבנה האקסונים הוא דינמי, ומשתנה כל הזמן בבעלי חיים חיים.

למרות הספקות, החוקרים עומדים מאחורי ממצאיהם ומקווים להמשיך במחקרם באמצעות ניתוח אקסונים אנושיים. לשם כך, הם מתכננים לבחון דגימות מוח של מטופלים שעברו ניתוחי מוח, וכן דגימות ממוחות של אנשים שנפטרו ממחלות ניווניות.

מקורות:

• קטעים מהמחקר- Membrane mechanics dictate axonal pearls-on-a-string morphology and function מאת Nature Neuroscience.

• קטעים מ- Study challenges long-standing understanding of axon structure מאת news-medical.net שנכתב ע"י: Johns Hopkins Medicine.

• קטעים מ- We Need To Redraw The Biology Textbooks About Brain Cells, Claims A New Study מאת IFLScience שנכתב ע"י: Tom Hale.