Cell：脑细胞模拟肌肉信号传导来增强学习和记忆

来源：100医药网 2025-02-24 09:44

这项新研究揭示了脑细胞中信号传输的新机制，并有助于回答神经科学中一个悬而未决的问题，即细胞内信号如何在神经元中长距离传播，从而使树突特定位点接收到的信息能够在大脑中处理。

在一项新的研究中，霍华德-休斯医学研究所珍妮莉亚研究园高级小组组长Lippincott Schwartz及其团队发现一个类似于负责传播使肌肉收缩的分子信号的亚细胞结构网络也负责在大脑中传播可能有助于学习和记忆的信号。相关研究结果于2025年1月23日在线发表在Cell期刊上，论文标题为 Periodic ER-plasma membrane junctions support long-range Ca2+ signal integration in dendrites 。

Lippincott-Schwartz说， 爱因斯坦说，当他使用大脑时，就像他在使用肌肉；就这一方面而言，确实有一些相似之处。在这两种情况下，同样的机制在运行，但结果不同。

关于脑细胞和肌肉细胞之间可能存在联系的第一条线索是，Lippincott-Schwartz团队注意到内质网（ER）的一些奇怪之处，其中内质网是细胞内对许多细胞功能至关重要的膜片和褶皱。

论文第一作者、Lippincott-Schwartz实验室研究科学家Lorena Benedetti在哺乳动物神经元的内质网表面以高分辨率追踪分子时，发现分子沿着树突（脑细胞上接收输入信号的树枝状延伸）的整个长度追踪一种重复的梯形模式。

大约在同一时间，高级组长Stephan Saalfeld提醒Lippincott-Schwartz注意果蝇大脑中神经元的高分辨率三维电子显微镜图像，在那里内质网也在形成规则间隔的横向结构。

内质网通常看起来像一个巨大的动态网络，所以Lippincott-Schwartz一看到这些结构，就知道她的实验室需要弄清楚它们的用途。

Lippincott-Schwartz说， 在科学中，结构就是功能。这是一个不寻常的、美丽的结构，我们在整个树突中都能看到，所以我们只是觉得它一定有一些重要的功能。

Lippincott-Schwartz团队首先研究了身体中唯一已知具有类似梯形的内质网结构的其他区域：肌肉组织。在肌肉细胞中，内质网和质膜（细胞的外膜）在周期性的接触部位相遇，这种排列由一种称为亲联蛋白（junctophilin）分子控制。

通过高分辨率成像，该团队发现树突还含有一种控制内质网和质膜之间接触位点的亲联蛋白。此外，他们发现，控制肌肉细胞接触部位钙释放的相同分子机制也存在于树突接触位点，其中在肌肉细胞接触位点，释放的钙驱动肌肉收缩，而在树突接触位点，释放的钙调节神经元信号传导。

由于这些线索，该团队有一种预感，这种存在于树突接触位点的分子机制对于传递细胞用于交流的钙信号也一定很重要。他们猜测树突上的接触位点可能就像电报机上的中继器：接收、放大和远距离传播信号。在神经元中，这可能解释树突特定位点接收到的信号是如何传递到数百微米外的细胞体（cell body）的。

Benedetti说， 这些信息是如何远距离传播的，钙信号是如何被特异性放大的，目前尚不清楚。我们认为内质网可能发挥这一作用，这些规则分布的接触位点是空间和时间上的局部放大器：它们可以接收这种钙信号，局部放大这种钙信号并在一定距离内传递这种钙信号。

该团队发现，当神经元信号导致钙通过位于接触位点的电压门控离子通道蛋白进入树突时，就会触发这一过程。尽管这种初始钙信号迅速消散，但它会触发接触位点的内质网释放额外的钙。

这种钙在接触位点的流入吸引并激活了一种名为CaMKII的激酶，这是一种已知在记忆中很重要的蛋白。CaMKII改变了质膜的生化特性，改变了传递到质膜的信号强度。

这个过程从一个接触点持续到另一个接触点，沿着树突一直到细胞体，在那里神经元决定如何与其他神经元交流。

这项新研究揭示了脑细胞中信号传输的新机制，并有助于回答神经科学中一个悬而未决的问题，即细胞内信号如何在神经元中长距离传播，从而使树突特定位点接收到的信息能够在大脑中处理。

它还揭示了突触可塑性背后的分子机制 加强或削弱能够实现学习和记忆的神经元连接。在分子水平上弄清楚这一过程可能增加对大脑如何正常工作以及这些过程出错的疾病（如）的理解。

在总结这项研究时，Lippincott-Schwartz说， 我们发现，一个在亚细胞组织水平上运作的结构 一个美丽的结构，对整个神经元系统在钙信号传导方面的运作方式产生了巨大的影响。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。 （ 100yiyao.com）

参考资料：

Lorena Benedettiet al. .Cell, 2025, doi:10.1016/j.cell.2024.11.029.

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