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航院冯西桥、邵玥课题组在神经生长动力学研究中取得重要进展

在大脑的发育、重塑和再生过程中,轴突对神经系统的塑造至关重要。实验观察表明,在神经发育和再生过程中,轴突存在三种典型状态,即生长(growth)、停滞(stalling)和塌缩(collapse)。轴突的动力学状态依赖于内源或外源产生的力。然而,人们对轴突生长动力学的力调控机制及其状态转变这一基本科学问题尚缺乏深刻的理解。

9月12日,清华大学dafabet黄金手机版冯西桥教授、邵玥副教授课题组在期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了题为“力调控的轴突生长状态转变”(Force-regulated state transitions of growing axons)的研究论文。

该项工作报道了力通过调节轴质生长和皮质收缩来协同决定轴突生长动力学及状态转变的过程,发现在轴突内源张力(tension)和胞外基质阻力作用下轴突可以出现四种动力学状态,其中两种动力学状态尚不为人知。该研究揭示了力学调控轴突生长的一种基本原理,并给出了引导轴突生长的两个关键无量纲数以及轴突生长状态相图,为神经再生技术提供了新的启示。

20220916-科研成果-张焕新-轴突结构的活性粘弹性杆模型.jpg

图1.(a)轴突结构示意图,包括轴质区域(AP)和皮质区域(CM)的细胞骨架成分;(b)生长轴突的主动粘弹性杆模型;(c)模型微元;(d)轴向延伸率与张力的关系

该研究通过细致的理论分析成功预测了实验观测到的感觉神经轴突生长和塌缩现象(图2a)。该模型将轴突视为主动粘弹性杆(图1),发现力敏感的细胞骨架活性共同调节轴突本征的静息张力Tr,进而决定其生长、停滞和塌缩之间的运动状态转变:当生长锥的张力T大于静息张力Tr时,轴突向前生长;反之,则发生塌缩(图2b)。通过进一步研究轴突运动速度与张力的关系,发现轴突可表现出四种典型的动力学状态,从而揭示了力调控轴突状态转变的动力学规律(图2c)。值得注意的是,状态I和III(速度与张力的线性关系)已得到前人实验的证实,而状态II和IV(速度与张力的非线性关系)则有待更加精确的张力表征手段来进行验证(图2d)。这些动力学状态的转变边界由两个特征量——无量纲静息张力和无量纲轴突长度——共同决定,其中无量纲静息张力反映了轴突(axon shaft)和生长锥(growth cone)的肌动球蛋白机制之间的竞争,而无量纲轴突长度则反映了轴突生长抵抗基质黏附的特征长度。

20220916-科研成果-张焕新-轴突生长动力学状态转变相图.jpg

图2.(a)理论预测与实验观测的正常和CilD处理后感觉神经轴突的速度;(b)由细胞骨架活性定义的运动状态转变相图;(c)由内源细胞骨架活性和外源基质黏附定义的动力学状态转变相图;(d)四种典型动力学状态的轴突运动速度–张力关系

清华大学航院教授冯西桥与副教授邵玥为论文的通讯作者。清华大学航院2022届博士毕业生张焕新为论文的第一作者。清华大学航院博士后张凯旋和河海大学副教授李民为本工作的合作者。该成果得到了国家自然科学基金创新研究群体项目、重点项目、面上项目,重庆市自然科学基金和博士后科学基金项目等的资助。

论文链接:

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.128101