长期以来，神经生物学教科书告诉我们，神经元轴突的生长是由外部化学信号引导的。然而，德国神经退行性疾病中心（DZNE）Frank Bradke教授领导的一项最新研究彻底颠覆了这一经典理论。研究团队发现，轴突的形成并非被动响应外界信号，而是年轻神经元内部一套精密的“遗传程序”自主驱动的结果。该研究近日发表于国际顶级期刊《Nature》。

“如果我们的神经元有多个轴突，大脑就会陷入混乱，”Bradke教授解释道，“因此，大自然找到了一种巧妙的方法，确保每个神经元只生成一个轴突。这不仅适用于人类，也适用于整个动物界。我们正在研究塑造大脑和神经系统布线的最基本过程。”

在早期胚胎发育过程中，神经元最初是对称的，会伸出多个称为“神经突”的小突起。最终，其中一个神经突会发育成轴突，从而打破对称性。此前，科学界普遍认为这一过程由作用于神经元外部的生物生长因子决定，如同引诱剂一般引导轴突发育。但Bradke团队的结论截然不同。

“根据我们的观察，轴突的形成源于年轻神经元自身发起的细胞骨架重塑。这一过程起源于神经元的中心——胞体，”该研究的第一作者、DZNE科学家林添振博士指出。

年轻神经元表现出一种节律性行为：它们的神经突会先向外伸展一点，然后轻微回缩。“这以分钟为单位发生。从某种意义上说，这个过程遵循‘两步进、一步退’的原则。这种序列一遍又一遍地重复，”林博士说。通常，在48小时内，其中一个神经突会生长成轴突，而其余的神经突则发育为接收信号的树突。

“实际上，这种重复过程早已为人所知，但其背后的机制一直不清楚。我们现在已经能够阐明其潜在机制。”关键在于神经元的细胞骨架——一个承载张力的分子支架，如同细胞的“束身衣”。

“一种名为Arp2/3的蛋白质复合物在此发挥作用。我们的发现表明，它像一个拉链，局部打开细胞的束身衣，”林博士说。“通过这种方式，Arp2/3驱动了细胞节律性的形态变化，反复松开一个否则会再次收紧的网络。”

研究人员发现，Arp2/3每次只作用于一个神经突，暂时使其得以生长。“这伴随着细胞骨架的局部重构，并以波浪形式传播，”林博士说。“这些事件持续进行，直到波浪消退。因为虽然细胞束身衣被松开，但它仍然提供一定程度的阻力。然后这个过程重新开始。同一个神经突可能再次受到影响，或者另一个神经突被卷入。这似乎是随机的。”

与这种向外延伸并行的是，相对刚性的结构蛋白——微管——从内部生长进入神经突。“最终，其中一个神经突变得足够稳定，能够抵抗回缩。然后它可以独立于Arp2/3继续生长，并最终发育成轴突。与此同时，整体的‘波浪驱动’生长停止，”林博士说。

“我们不能排除外部因素发挥一定作用。但基于我们的数据，我们确信驱动轴突生长的基本过程源于细胞内部，”Bradke教授表示。目前仍有未解之谜：是什么启动了这种重塑？为什么它会以节律性方式一次作用于一个神经突？以及，为什么一旦其中一个神经突长得足够大，重塑就停止了？

“年轻的神经细胞可能遵循其基因组中编码的程序。然而，我们还不知道相关的遗传程序，对其调控过程的理解也仍然有限。因此，前方还有大量研究工作，这激励我们继续探索这一课题。”