近日，上海科技大学生命科学与技术学院王彤课题组和中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心李毅课题组合作，在《细胞生物学杂志》（Journal of Cell Biology）上发表研究论文，报道了一种神经元轴突所特有的抵御机械冲击的快速保护机制。此机制使得极度细长的轴突能够承受弱机械力的冲击，而不会轻易退行。
在人类的日常生活和运动中，高强度、快速的头部运动过程可能导致脑组织产生3-5%的变形，并会将神经元轴突暴露在弱机械力的冲击下。但这些“脆弱”的轴突却承受住了这些弱机械力的冲击而不被损伤。大量临床数据表明突然的强机械力冲击会导致创伤性脑损伤，而重复的低强度机械力冲击也会导致慢性创伤性脑病，在两种病患的脑中都发现严重的轴突损伤或退行病理现象，表明轴突对机械性损伤的高度易感性。然而神经元抵御弱机械力冲击的机理是什么仍然未知。
近期一些研究发现轴突在受到弱机械冲击时会经历可逆的“成珠”过程，这一特有现象表明轴突可能具有某种结构的可塑性用以抵御弱机械力的冲击。而此可塑性与其独特的细胞骨架结构——膜相关周期性结构高度相关。实验室之前工作发现了该结构的重要组分Actomyosin-II可以调控轴突直径快速改变，但其是否参与轴突抵御机械力的可塑性还有待探究。
图1. 脑损伤会导致小鼠大脑皮层神经元轴突产生可逆的“成珠”现象。
在本研究中，王彤实验室和合作者利用新颖的神经元轴突损伤微流控模型对轴突施加精准控制的横向机械力的冲击，发现轴突在受到弱机械压力冲击时会形成可逆的串珠结构。利用超分辨率活细胞显微成像技术，本研究揭示了轴突“成珠”过程是由位于轴突细胞皮质骨架中的Actomyosin-II驱动的轴突直径的快速收缩所介导。而快速的“成珠”反应可显著抑制冲击力导致的有害Ca2+信号在神经元中进一步扩散，进而对受到冲击的神经元起到保护作用。
体外分子生物学和药理学实验均表明激活神经元中的Actomyosin-II可以保护其轴突免受弱机械冲击导致的损伤和退行。与体外实验结果一致，在头部一侧受到机械力冲击的闭颅创伤性脑损伤小鼠模型中，提高Actomyosin-II的活性也可以有效地减轻机械冲击导致的大脑皮层神经元轴突的退行程度。
图2. 神经元损伤微流控装置所捕捉到的弱机械力导致的轴突“成珠”现象。
本研究不仅揭示了神经元轴突快速抵御弱机械力所致损伤和退行的新机理，还为预防和治疗创伤性脑损伤TBI和慢性创伤性脑病CTE等神经系统疾病提供了新策略，有望为未来开发针对脑损伤和退行的治疗方法提供重要参考。
图3. Actomyosin-II介导的轴突径向可塑性保护轴突不受弱机械力冲击的伤害。
上海科技大学生命科学与技术学院王彤课题组2021级博士研究生潘小蓉、2023级博士研究生胡一晴为论文共同第一作者，王彤教授和中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心李毅教授为该论文通讯作者。上海科技大学为第一完成单位和通讯单位。
论文标题: Actomyosin-II protects axons from degeneration induced by mild mechanical stress
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