我们的二头肌和脑细胞可能比我们想象中有更多共同点。根据Lippincott-Schwartz实验室的一项新研究，一种类似于肌肉收缩信号传播的亚细胞结构网络也存在于大脑中，这些结构可能有助于学习和记忆。
“爱因斯坦说过，当他使用大脑时，感觉就像在使用肌肉，在这个意义上，这里确实存在某种平行关系，”Janelia高级研究组负责人Jennifer Lippincott-Schwartz说。“在这两种情况下，相同的机制在起作用，但结果不同。”
研究发现：
关于大脑和肌肉细胞之间可能存在联系的第一个线索出现在研究人员注意到内质网（ER）的异常情况时。内质网是细胞内的膜状结构，对于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（接收传入信号的大脑细胞分支状延伸部分）形成重复的梯形图案。
与此同时，高级研究组负责人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，她立即意识到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Janelia的4D细胞生理学研究领域。“我们在整个树突中看到这种不寻常且美丽的结构，直觉告诉我们它一定有重要的功能。”
研究人员，由Benedetti领导，首先研究了体内已知具有类似梯形内质网结构的唯一区域：肌肉组织。在肌肉细胞中，内质网和细胞膜（细胞的外膜）在周期性的接触点相遇，这种排列由一种叫做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，它控制内质网和细胞膜之间的接触点。此外，研究团队发现，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，那里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也可能对传递钙信号至关重要，而钙信号是细胞间通信的关键。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、放大并将信号传递到远处。在神经元中，这可以解释特定位置接收到的信号如何被传递到数百微米远的细胞体。
“关于这些信息如何长距离传输以及钙信号如何特异性放大，之前并不清楚，”Benedetti分享道。“我们认为内质网可能在这个过程中起到作用，这些均匀分布的接触点可能是时空上局部化的放大器：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电压门控离子通道蛋白进入树突时，这一过程被触发，这些通道位于接触点处。虽然最初的钙信号迅速消失，但它会触发接触点处内质网释放额外的钙。
这种接触点处的钙流入会吸引并激活一种称为CaMKII的激酶，这是一种已知对记忆至关重要的蛋白质。CaMKII改变细胞膜的生化特性，从而改变传递沿细胞膜的信号强度。
这个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，在那里神经元决定如何与其他神经元通信。
这项新研究揭示了一种新的脑细胞信号传导机制，帮助解答了神经科学中的一个开放问题，即细胞内部信号如何在神经元中长距离传输，使特定位置接收到的信息能够在大脑中处理。
该研究还揭示了突触可塑性（神经连接的增强或减弱，从而使学习和记忆成为可能）背后的分子机制。了解这一过程在分子水平上的运作方式可以增加对大脑正常工作原理的理解，以及在阿尔茨海默病等疾病中这些过程出错的原因。
“我们展示了这种结构——一个美丽的结构——在亚细胞组织水平上的运作对整个神经元系统的钙信号传导产生了巨大影响，”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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