一项新的研究发现，大脑细胞和二头肌细胞之间可能有着比我们想象中更多的共同点。根据Lippincott-Schwartz实验室的研究，一种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起作用，可能有助于学习和记忆。另读 | 锻炼能否改善脑健康？研究探讨其复杂关系
探索大脑和肌肉细胞之间的潜在联系。（图片来源：Pixabay）
“爱因斯坦曾说过，当他使用大脑时，感觉就像在使用肌肉，在某种程度上，这里确实存在一些平行之处，”Janelia高级小组负责人Jennifer Lippincott-Schwartz说。“两种情况下使用的机器相同，但结果不同。”
研究人员的第一个线索来自于内质网（ER）的异常现象——内质网是细胞内部的膜状结构，对许多细胞功能至关重要。Lippincott-Schwartz实验室的研究科学家Lorena Benedetti在高分辨率下追踪哺乳动物神经元内质网表面的分子时，发现这些分子沿着整个树突（接收传入信号的脑细胞分支状延伸）形成了重复的梯形图案。
与此同时，高级小组负责人Stephan Saalfeld向Lippincott-Schwartz展示了果蝇大脑中神经元的高分辨率3D电子显微镜图像，其中内质网也形成了规则间隔的横向结构。通常情况下，内质网看起来像一个巨大的动态网，因此当Lippincott-Schwartz看到这些结构时，她意识到她的实验室需要弄清楚它们的功能。“在科学中，结构决定功能，”Lippincott-Schwartz说，她还领导着Janelia的4D细胞生理学研究领域。“我们看到的这种在整个树突中重复出现的美丽结构一定有重要的功能。”
研究人员由Benedetti带领，首先研究了体内唯一已知具有类似梯形内质网结构的区域：肌肉组织。在肌肉细胞中，内质网和质膜（细胞外膜）在周期性接触点相遇，这一排列由一种名为junctophilin的分子控制。
通过高分辨率成像，研究人员发现树突也含有junctophilin的一种形式，控制其内质网和质膜之间的接触点。此外，团队发现控制肌肉细胞接触点钙释放的相同分子机制——钙驱动肌肉收缩——也存在于树突接触点——钙调节神经元信号传导。
基于这些线索，研究人员推测树突接触点的分子机制对于传输钙信号同样重要。他们怀疑树突上的接触点可能像电报机上的中继器一样工作：接收、放大并传播信号到远距离。在神经元中，这可以解释为什么在特定位置接收到的信号可以传递到几百微米外的细胞体。
“这些信息如何在长距离上传输，以及钙信号如何被特异性放大，这些问题以前并不清楚，”Benedetti分享道。“我们认为内质网可以发挥这个作用，这些规则分布的接触点在空间和时间上都是局部放大器：它们可以接收钙信号，局部放大钙信号，并将钙信号传递到远处。”
研究人员发现，当神经元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。虽然初始钙信号迅速消散，但它会触发接触点处内质网释放额外的钙。
接触点处的钙流入吸引了并激活了一种名为CaMKII的激酶，这种蛋白质在记忆中起重要作用。CaMKII改变了质膜的生物化学特性，改变了沿质膜传递的信号强度。
这一过程从一个接触点到另一个接触点沿着树突一直持续到细胞体，最终决定神经元如何与其他神经元通信。
这项新研究揭示了脑细胞信号传导的新机制，有助于回答神经科学中的一个开放问题：细胞内的信号如何在神经元中长距离传递，从而使树突上特定位置接收到的信息能够在大脑中处理。
它还阐明了突触可塑性的分子机制——神经元连接的加强或减弱，这是学习和记忆的基础。了解这一过程的分子水平可以帮助人们更好地理解大脑在正常状态和疾病状态（如阿尔茨海默病）下的运作方式。
“我们展示了一个美丽的结构在亚细胞组织水平上对整个神经元系统的运作产生了巨大影响，”Lippincott-Schwartz说。“这是一个很好的例子，说明在科学研究中，如果你看到一个美丽的结构，它可以带你进入一个全新的世界。”
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