2025年2月9日 — 一项由Lippincott-Schwartz实验室主导的最新研究发现，我们的肌肉和脑细胞之间存在惊人的相似之处，尤其是在信号传递机制上。研究表明，负责肌肉收缩的分子信号传播系统，也可能在大脑中传递信号，促进学习和记忆过程。
这一突破性的研究由Janelia高级小组领导Jennifer Lippincott-Schwartz带领，研究人员发现，内质网（ER）这一细胞内结构不仅在肌肉细胞中发挥关键作用，还出现在大脑神经元的树突部分，并可能负责信号的传递与放大。
Lippincott-Schwartz指出：“爱因斯坦曾说，当他使用大脑时，就像在使用肌肉一样。我们的研究表明，尽管两者的结果不同，但实际上它们使用了相似的机制。”
发现背后的线索
研究的起点是对内质网的深入研究，内质网是细胞内的膜状结构，参与众多细胞功能。Janelia实验室的研究员Lorena Benedetti在追踪哺乳动物神经元内质网上分子时，意外发现了一个规律性排列的阶梯状图案，这一现象在神经元的树突——接收外部信号的细胞分支上非常显著。
与此同时，实验室的Stephan Saalfeld也通过高分辨率的3D电子显微镜，发现了类似的结构出现在果蝇大脑神经元中。这些重复且有规律的横向结构引起了研究人员的关注，促使他们深入探讨这些结构的功能。
Lippincott-Schwartz表示：“在科学研究中，结构常常决定功能。这些独特且美丽的结构一定具有重要作用，因此我们决定进一步研究。”
肌肉与大脑的相似性
在进一步的实验中，研究人员发现，肌肉细胞的内质网和细胞膜之间存在周期性的接触点，这些接触点由名为junctophilin的分子调控。令人惊讶的是，树突上的接触点也包含这种分子。更重要的是，肌肉细胞和树突的这些接触点都参与了钙离子的调节，钙离子在肌肉收缩和神经信号传递中都起着至关重要的作用。
研究人员推测，这些接触点可能像电报机的放大器一样，在树突内接收、放大并传播信号，从而确保信号能够从远距离的树突端传递到细胞体。
信号放大与记忆机制
研究发现，当神经信号通过电压门控离子通道进入树突时，虽然初始的钙信号很快衰退，但它会激活内质网释放更多的钙离子。钙离子的涌入会激活一种名为CaMKII的激酶，CaMKII是与记忆和学习密切相关的蛋白质。激活后的CaMKII改变质膜的生化特性，增强信号的传递强度。
这一过程沿着树突的接触点传递，直到到达细胞体，最终决定神经元如何与其他神经元交流。这一发现为神经元内长距离信号传递提供了新线索，解答了如何在神经元中将信号从接收到的树突端传递到远处的细胞体。
对学习与记忆的启示
这项研究不仅揭示了大脑细胞内信号传递的新机制，还为理解突触可塑性提供了新视角。突触可塑性是指神经连接的加强或减弱，它在学习和记忆中发挥着至关重要的作用。研究人员相信，揭示这些分子机制将有助于更深入地理解大脑正常运作的方式，并为阿尔茨海默病等神经系统疾病提供潜在的研究突破。
Lippincott-Schwartz总结道：“我们展示了一个精美的结构，它在亚细胞层面上影响着整个神经系统的钙信号传递。这为我们进入全新的科学领域打开了大门。”
参考文献：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
编辑：王洪
排版：李丽
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