新的研究显示，一种类似于负责传播使肌肉收缩的分子信号的亚细胞结构网络，也负责在大脑中传递可能促进学习和记忆的信号。
我们的二头肌和脑细胞可能比之前认为的更有共同之处。
由Lippincott-Schwartz实验室领导的新研究表明，一种类似于负责传播使肌肉收缩的分子信号的亚细胞结构网络，也在大脑中传递可能促进学习和记忆的信号。
“爱因斯坦曾说，当他使用他的脑子时，就像他在使用肌肉，在这个方面，确实有某种相似性，”Janelia高级组长Jennifer Lippincott-Schwartz说。“在两种情况下，运作的机制是相同的，但输出不同。”
关于大脑与肌肉细胞之间可能联系的第一个线索出现在Janelia科学家注意到内质网或ER的奇怪之处时——这一膜状片层和折叠在细胞内，对许多细胞功能至关重要。
Lorena Benedetti，Lippincott-Schwartz实验室的研究科学家，在追踪哺乳动物神经元内质网表面上的分子时，发现这些分子沿着树突的整个长度描绘出一个重复的梯子状图案——树突是脑细胞上接收传入信号的分叉状延伸。
与此同时，高级组长Stephan Saalfeld向Lippincott-Schwartz报告了来自果蝇大脑神经元的高分辨率3D电子显微镜图像，显示内质网也形成了规则间隔的横向结构。
内质网通常看起来像一个巨大的动态网，因此当Lippincott-Schwartz看到这些结构时，她知道她的实验室需要弄清楚它们的用途。
“在科学中，结构就是功能，”Lippincott-Schwartz说，她还负责Janelia的4D细胞生理学研究领域。“这是一个不寻常的、美丽的结构，我们在整个树突上都看到了，所以我们就觉得它一定具有某种重要功能。”
研究人员在Benedetti的带领下，开始研究身体中已知具有类似梯状内质网结构的唯一其他区域：肌肉组织。在肌肉细胞中，内质网和质膜——细胞的外膜——在周期性接触点相遇，这种排列由一种称为连接蛋白的分子控制。
利用高分辨率成像，研究人员发现树突中也含有一种连接蛋白，控制其内质网与质膜之间的接触点。此外，团队发现，控制肌肉细胞接触点钙释放的相同分子机械——钙驱动肌肉收缩的地方，在树突接触点上也存在——在树突接触点上，钙调节神经元信号传递。
因为这些线索，研究人员直觉上认为，树突接触点的分子机械对于传递细胞用以沟通的钙信号也必定重要。他们怀疑，树突上的接触点可能像电报机上的中继器一样：接收、放大和传播信号，距离很远。在神经元中，这可以解释树突特定位置接收到的信号是如何传递到距离几百微米的细胞体的。
“如何在长距离上传递这些信息以及钙信号如何被特定放大尚不清楚，”Benedetti说。“我们认为内质网可以发挥这个作用，而这些分布规律的接触点是时空局部放大器：它们可以接收这个钙信号，在局部放大这个钙信号，并在一定距离上传递这个钙信号。”
研究人员发现，当神经信号导致钙通过位于接触点的电压门控离子通道蛋白进入树突时，这一过程被触发。虽然这种初始的钙信号迅速衰减，但它触发了内质网在接触点释放额外的钙。
接触点的钙涌入吸引并激活一种叫做CaMKII的激酶，这是一种对记忆至关重要的蛋白质。CaMKII改变质膜的生化性质，改变沿质膜传递的信号强度。
这个过程从接触点沿着树突持续到细胞体，神经元决定如何与其他神经元进行沟通。
这项新研究揭示了一种新的信号传递机制在脑细胞中，并帮助回答了神经科学中一个开放性问题，即细胞内信号如何在神经元中长距离传播，使得在树突特定位置接收到的信息能够在大脑中处理。
它还揭示了突触可塑性背后的分子机制——这种神经连接的增强或削弱使学习和记忆成为可能。在分子水平上搞清楚这个过程可能增加对大脑正常运作及其在阿尔茨海默病等这些过程失常的疾病中的理解。
“我们展示了一种结构——一种美丽的结构——在亚细胞组织层面上运作，对整个神经系统在钙信号方面的运作产生了巨大影响，”Lippincott-Schwartz说。“这是科学研究的一个很好的例子，如果你看到一种美丽的结构，它可以带你进入一个全新的世界。”
