2025年2月9日 — 一項由Lippincott-Schwartz實驗室主導(dǎo)的最新研究發(fā)現(xiàn)，我們的肌肉和腦細(xì)胞之間存在驚人的相似之處，尤其是在信號傳遞機(jī)制上。研究表明，負(fù)責(zé)肌肉收縮的分子信號傳播系統(tǒng)，也可能在大腦中傳遞信號，促進(jìn)學(xué)習(xí)和記憶過程。

這一突破性的研究由Janelia高級小組領(lǐng)導(dǎo)Jennifer Lippincott-Schwartz帶領(lǐng)，研究人員發(fā)現(xiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）這一細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)不僅在肌肉細(xì)胞中發(fā)揮關(guān)鍵作用，還出現(xiàn)在大腦神經(jīng)元的樹突部分，并可能負(fù)責(zé)信號的傳遞與放大。

Lippincott-Schwartz指出：“愛因斯坦曾說，當(dāng)他使用大腦時，就像在使用肌肉一樣。我們的研究表明，盡管兩者的結(jié)果不同，但實際上它們使用了相似的機(jī)制。”

發(fā)現(xiàn)背后的線索

研究的起點是對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的深入研究，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)的膜狀結(jié)構(gòu)，參與眾多細(xì)胞功能。Janelia實驗室的研究員Lorena Benedetti在追蹤哺乳動物神經(jīng)元內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上分子時，意外發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律性排列的階梯狀圖案，這一現(xiàn)象在神經(jīng)元的樹突——接收外部信號的細(xì)胞分支上非常顯著。

與此同時，實驗室的Stephan Saalfeld也通過高分辨率的3D電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在果蠅大腦神經(jīng)元中。這些重復(fù)且有規(guī)律的橫向結(jié)構(gòu)引起了研究人員的關(guān)注，促使他們深入探討這些結(jié)構(gòu)的功能。

Lippincott-Schwartz表示：“在科學(xué)研究中，結(jié)構(gòu)常常決定功能。這些獨特且美麗的結(jié)構(gòu)一定具有重要作用，因此我們決定進(jìn)一步研究?！?/p>

肌肉與大腦的相似性

在進(jìn)一步的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，肌肉細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和細(xì)胞膜之間存在周期性的接觸點，這些接觸點由名為junctophilin的分子調(diào)控。令人驚訝的是，樹突上的接觸點也包含這種分子。更重要的是，肌肉細(xì)胞和樹突的這些接觸點都參與了鈣離子的調(diào)節(jié)，鈣離子在肌肉收縮和神經(jīng)信號傳遞中都起著至關(guān)重要的作用。

研究人員推測，這些接觸點可能像電報機(jī)的放大器一樣，在樹突內(nèi)接收、放大并傳播信號，從而確保信號能夠從遠(yuǎn)距離的樹突端傳遞到細(xì)胞體。

信號放大與記憶機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)神經(jīng)信號通過電壓門控離子通道進(jìn)入樹突時，雖然初始的鈣信號很快衰退，但它會激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放更多的鈣離子。鈣離子的涌入會激活一種名為CaMKII的激酶，CaMKII是與記憶和學(xué)習(xí)密切相關(guān)的蛋白質(zhì)。激活后的CaMKII改變質(zhì)膜的生化特性，增強(qiáng)信號的傳遞強(qiáng)度。

這一過程沿著樹突的接觸點傳遞，直到到達(dá)細(xì)胞體，最終決定神經(jīng)元如何與其他神經(jīng)元交流。這一發(fā)現(xiàn)為神經(jīng)元內(nèi)長距離信號傳遞提供了新線索，解答了如何在神經(jīng)元中將信號從接收到的樹突端傳遞到遠(yuǎn)處的細(xì)胞體。

對學(xué)習(xí)與記憶的啟示

這項研究不僅揭示了大腦細(xì)胞內(nèi)信號傳遞的新機(jī)制，還為理解突觸可塑性提供了新視角。突觸可塑性是指神經(jīng)連接的加強(qiáng)或減弱，它在學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。研究人員相信，揭示這些分子機(jī)制將有助于更深入地理解大腦正常運作的方式，并為阿爾茨海默病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供潛在的研究突破。

Lippincott-Schwartz總結(jié)道：“我們展示了一個精美的結(jié)構(gòu)，它在亞細(xì)胞層面上影響著整個神經(jīng)系統(tǒng)的鈣信號傳遞。這為我們進(jìn)入全新的科學(xué)領(lǐng)域打開了大門?！?/p>

參考文獻(xiàn)：Lorena Benedetti et al, Periodic ER-plasma membrane junctions support long-range Ca2+ signal integration in dendrites,?Cell?(2024).?DOI: 10.1016/j.cell.2024.11.029

編輯：王洪

排版：李麗