约翰斯·霍普金斯医学院的研究人员在2024年12月2日在线发表于《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）的一项研究中，将这种出人意料的结构JianCe地呈现出来。通过研究小鼠神经元，他们发现了证据，表明人们所熟悉的脑细胞解剖图像可能忽略了细胞传递信号的延伸部分的一个重要特征。
此后的相关研究在人脑组织中记录了珍珠状轴突，将观察范围扩展到了小鼠之外。这些发现共同引发了疑问：大脑连线的物理结构是如何帮助调节通讯的。
“了解轴突的结构对于理解脑细胞信号传导至关重要，”约翰斯·霍普金斯大学医学院细胞生物学和神经科学副教授Shigeki Watanabe博士在该大学2024年的公告中表示。“轴突是连接我们脑组织的电缆，能够实现学习、记忆和其他功能。”
脑细胞轴突的不同图景
轴突是长条状的延伸部分，使神经元能够向其他细胞传递电信号。传统的图解显示其为一根相对均匀的管子，偶尔被膨体（含有神经递质团的突触曲张体，能够向其他脑细胞发送信号）打断。
串珠状轴突本身并不罕见。科学家们早就观察到，在濒死的神经元和包括帕金森病在内的神经退行性疾病中，存在明显的肿胀。在这些情况下，串珠现象可能伴随着细胞膜以及帮助维持轴突结构的内部框架的损伤。
约翰斯·霍普金斯大学研究中引人注目的是，在旨在保持其正常结构的条件下检查的轴突中，存在小得多且重复出现的肿胀。研究人员将这些区域称为“非突触曲张体”。与通讯位点相关的常见膨体不同，这些肿胀并非突触。
这种区别很重要：该研究并未表明每个串珠状轴突都是受损的。相反，它指出了一种纳米级珍珠化现象，这可能是所研究的轴突正常结构的一部分。
来自线虫的线索
Watanabe的兴趣始于对线虫轴突上重复珍珠状结构的观察。与瑞士科学家Graham Knott博士的一次交谈促使他进行了进一步调查。一种可能的解释涉及轴突的内部骨架，即蛋白质的支撑网络。
哈佛大学的一个团队在2012年发表的一项研究中曾报告过轴突内存在重复的“骨架”成分。Watanabe和Knott想知道破坏该框架是否会使珍珠状结构消失。约翰斯·霍普金斯大学研究生、该研究的第一作者Jacqueline Griswold测试了这一想法。然而珍珠状结构依然存在。
这一结果将他们的注意力重新转向了轴突的物理特性。Watanabe和Griswold与加州大学圣地亚哥医学院药理学教授、理论生物物理学家Padmini Rangamani博士联手，研究周围的膜可能如何塑造轴突的形状。
冷冻脑细胞揭示隐藏细节
研究脑细胞（神经元）的这些延伸部分需要对远比人类头发细的结构进行成像。约翰斯·霍普金斯大学描述它们大约比头发的宽度小100倍。研究人员使用高压冷冻电子显微镜来保存其脆弱的形状，然后再用电子束进行检查。
制备方法很重要。标准的电子显微镜通常涉及对组织进行化学固定和脱水，这些步骤可能会改变科学家试图观察的结构。冷冻提供了一种保留更接近原始形状的方法。
“为了用标准电子显微镜观察纳米级结构，我们会对组织进行固定和脱水，但冷冻它们能保留其形状——这类似于冷冻葡萄而不是将其脱水变成葡萄干，”Watanabe说。
该团队检查了在实验室中培养的小鼠神经元、来自成年小鼠的神经元以及来自小鼠胚胎的神经元。它们的轴突是无髓鞘的（没有围绕轴突的髓鞘绝缘覆盖层）。在数以万计的组织图像中，研究人员反复遇到相同的珍珠状外观。
他们还通过对活体神经元的高分辨率成像观察到了珍珠化现象，这提供了证据表明它并非简单地由冷冻样本产生。
“这些发现挑战了一个世纪以来对轴突结构的认知，”Watanabe说。
膜物理如何塑造轴突
为了解释这种模式，研究人员建立了围绕轴突的膜的数学模型。相对简单的机械模型重现了珍珠状结构的重要特征，表明物理力可以在不需要刚性内部模具的情况下帮助决定形状。
实验支持了这一解释。提高轴突周围溶液中的糖浓度会使肿胀区域变小。在模型中，增加膜张力也减小了它们的尺寸。
胆固醇提供了另一种改变膜行为的方法。去除胆固醇使膜的硬度降低，流动性增强。这在模型和小鼠神经元中都改变了珍珠状结构，并降低了电信号传导的速度。
“轴突中更宽的空间允许离子[化学微粒]更快地通过并避免交通拥堵，”Watanabe说。
然而，更大的珍珠状结构并不总是意味着更快的信号。肿胀部分及其狭窄的连接段的尺寸都很重要。
电活动改变珍珠状结构
研究人员还测试了神经活动是否能重塑轴突。在高频电刺激后，珍珠状区域平均变长8%、变宽17%，这种膨大持续了至少30分钟。
发表的论文报告称，电信号在刺激后减慢，该效应持续了至少一小时。当预先去除胆固醇时，仍然发生了一些结构变化，但珍珠状结构仍然小于未处理细胞中的结构，并且未检测到同样显著的减慢。
这些发现表明，轴突不仅仅是固定的电缆。它们的物理结构可以对活动做出响应，并帮助调节信息在其中传递的方式。
后续研究在人脑组织中发现珍珠状轴突
当最初的发现于2024年宣布时，该团队计划检查从获得许可的接受脑部手术的患者以及死于神经退行性疾病的患者那里获取的人脑组织中的轴突“手臂”。
随后的一项相关研究报告了在癫痫手术中获取的人类皮质组织中的珍珠状轴突。这项工作由Chelsy R. Eddings及包括Watanabe在内的同事主导，于2025年11月24日在线发表在《神经元》（Neuron）上，并刊登在2026年2月4日的期刊上。
研究人员将电刺激与快速冷冻相结合，以捕获小鼠和人脑切片中微小的膜变化。除了珍珠状轴突外，他们还发现了超快内吞作用的证据，这是神经末梢在释放化学信息后快速回收膜的过程。
这些观察将证据扩展到了人类组织，但它们并没有证实每个轴突都有相同的形状。它们也没有表明珍珠化在整个大脑中对信号传导具有相同的影响。这项人类研究主要调查了突触处的膜回收。
更广泛地探索控制轴突形状的因素
轴突结构与功能之间的关系也成为美国国家心理健康研究所多重首席研究员资助项目的重点，该项目授予了Watanabe和Rangamani，并在2024年得到重点报道。该项目支持建立关于神经元的物理特性和传入信号如何影响其轴突的计算模型，随后在小鼠组织和细胞培养物中进行测试。
另有独立研究正在探索其他方法来研究这种微观连线的尺寸。在2026年7月17日发表在《公共科学图书馆·生物学》（PLOS Biology）上的一项研究中，爱丁堡大学的研究人员利用活体斑马鱼的自动成像技术，筛选了880种化合物对轴突直径的影响。他们确定了33个初步命中目标，并证实影响特定化学信号通路的化合物可以增加轴突宽度。这并不是对珍珠化研究的直接重复，但它为研究轴突尺寸是如何受控的提供了另一种工具。
对于约翰斯·霍普金斯大学团队来说，一个重要问题仍然是：在发挥功能的轴突中观察到的结构，与神经疾病相关的破坏性串珠现象之间有何联系。理解这一区别可以帮助研究人员将神经连线的正常变化与系统崩溃的迹象区分开来。