2025年2月9日 — 一項由Lippincott-Schwartz實驗室主導的最新研究發(fā)現，我們的肌肉和腦細胞之間存在驚人的相似之處，尤其是在信號傳遞機制上。研究表明，負責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，促進學習和記憶過程。

這一突破性的研究由Janelia高級小組領導Jennifer Lippincott-Schwartz帶領，研究人員發(fā)現，內質網（ER）這一細胞內結構不僅在肌肉細胞中發(fā)揮關鍵作用，還出現在大腦神經元的樹突部分，并可能負責信號的傳遞與放大。

Lippincott-Schwartz指出：“愛因斯坦曾說，當他使用大腦時，就像在使用肌肉一樣。我們的研究表明，盡管兩者的結果不同，但實際上它們使用了相似的機制?！?/p>

發(fā)現背后的線索

研究的起點是對內質網的深入研究，內質網是細胞內的膜狀結構，參與眾多細胞功能。Janelia實驗室的研究員Lorena Benedetti在追蹤哺乳動物神經元內質網上分子時，意外發(fā)現了一個規(guī)律性排列的階梯狀圖案，這一現象在神經元的樹突——接收外部信號的細胞分支上非常顯著。

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)現了類似的結構出現在果蠅大腦神經元中。這些重復且有規(guī)律的橫向結構引起了研究人員的關注，促使他們深入探討這些結構的功能。

Lippincott-Schwartz表示：“在科學研究中，結構常常決定功能。這些獨特且美麗的結構一定具有重要作用，因此我們決定進一步研究?！?/p>

肌肉與大腦的相似性

在進一步的實驗中，研究人員發(fā)現，肌肉細胞的內質網和細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，肌肉細胞和樹突的這些接觸點都參與了鈣離子的調節(jié)，鈣離子在肌肉收縮和神經信號傳遞中都起著至關重要的作用。

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

信號放大與記憶機制

研究發(fā)現，當神經信號通過電壓門控離子通道進入樹突時，雖然初始的鈣信號很快衰退，但它會激活內質網釋放更多的鈣離子。鈣離子的涌入會激活一種名為CaMKII的激酶，CaMKII是與記憶和學習密切相關的蛋白質。激活后的CaMKII改變質膜的生化特性，增強信號的傳遞強度。

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

對學習與記憶的啟示

這項研究不僅揭示了大腦細胞內信號傳遞的新機制，還為理解突觸可塑性提供了新視角。突觸可塑性是指神經連接的加強或減弱，它在學習和記憶中發(fā)揮著至關重要的作用。研究人員相信，揭示這些分子機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系統(tǒng)疾病提供潛在的研究突破。

Lippincott-Schwartz總結道：“我們展示了一個精美的結構，它在亞細胞層面上影響著整個神經系統(tǒng)的鈣信號傳遞。這為我們進入全新的科學領域打開了大門?！?/p>

參考文獻：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