走进大脑的微观世界--脑组织超微结构

“21世纪，科学界最大的挑战就是大脑，人类大脑结构可能是全宇宙最复杂的。”波士顿儿童医院教授Upadhyayala如是说。将大脑比喻为城市，我们过去只能看到小街区的面貌。现今目标是构建大脑的谷歌地图，以深入了解大脑的连接与功能。

2019年，Upadhyayala与哈佛医学院技术研究团队共同研发，结合膨胀电子显微镜技术与晶格层光显微技术，发明了快速高通量显示生物大脑超微结构的方法，实现了大体积脑组织结构显像的千倍提速，为现代脑科学建立“大脑谷歌地图”提供便利。

神经元与胶质细胞相似，都起源于胚胎神经系统的神经上皮细胞，基本细胞结构相差不大。神经元有树突和轴突，具备单向传输神经信号的结构基础。细胞膜与化学性受体赋予神经元同时具有电兴奋性和化学兴奋性。电镜结构显示，神经元的细胞核、胞质中的细胞器如线粒体和高尔基体分布于胞体和树突轴突中，细胞核周围可观察到线性排列的粗面内质网结构。

神经细胞的骨架有微管、神经丝和微丝。微管最粗，由alpha-和beta-tubulin单体参与组成，较不稳定。神经丝稳定聚集，多分布于轴突结构中。微丝较微管和神经丝短，主要在质膜下的外周细胞质中聚集，与许多结合蛋白形成致密网络，参与突触前膜和突触后膜形态的形成。微管和微丝的动态聚合和解聚是神经元细胞延展和收回其树突和轴突支的基础，也是观察到的突触可塑性和大脑可塑性的结构基础。

神经元中，蛋白分子和细胞器在树突和轴突上通过轴突运输进行输送。轴突运输有顺向和逆向两种模式，顺向主要负责神经递质和细胞器的输送和分布，速度较快；逆向主要负责回收细胞骨架蛋白等，速度很慢。微管和微丝的动态聚合和解聚活动是细胞骨架的基本结构，也为神经元输送物质提供途径。

大脑皮层组织在光学显微镜下的基本印象显示，神经组织中的细胞类型除了神经元外，还有神经胶质细胞。正常情况下，神经胶质细胞像卫星一样分散在神经元周围，对神经元起支持作用，辅助神经元更好地发挥其功能。正常及病理状态下，神经元的细胞结构和功能表现出不同特点，如突触的对称性和非对称性、神经元轴突和树突结构的形态变化等。

在病理状态下，神经细胞皱缩，内部染色加深，线粒体和核质在胞内蓄积。内质网和高尔基体膨胀。小胶质细胞出现异常染色，且出现异常突触连接。阿尔兹海默症模型中，营养不良型神经突起被胶质细胞包围，小胶质细胞呈现异常的深度染色状态。轴突树突肿胀，髓鞘变性，线粒体结构肿胀变性。病理状态下的细胞结构变化多样，涉及到不同神经系统疾病的具体结构变化，有待深入研究。

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