Клетки мозга имитируют мышечные сигналы для улучшения обучения и памяти
Наши бицепсы и клетки нашего мозга могут иметь больше общего, чем считалось ранее.
Новое исследование, проведенное в лаборатории Липпинкотта-Шварца, показывает, что сеть субклеточных структур, аналогичных тем, которые отвечают за распространение молекулярных сигналов , заставляющих мышцы сокращаться, также отвечает за передачу сигналов в мозге, которые могут способствовать обучению и запоминанию.
«Эйнштейн сказал, что когда он использует свой мозг, это как будто он использует мускул, и в этом отношении здесь есть некоторая параллель», — говорит старший руководитель группы Janelia Дженнифер Липпинкотт-Шварц. «В обоих случаях работает один и тот же механизм, но с разными показаниями».
Первая подсказка о возможной связи между мозговыми и мышечными клетками появилась, когда ученые Janelia заметили нечто странное в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) — мембранных слоях и складках внутри клеток, которые имеют решающее значение для многих клеточных функций.
Лорена Бенедетти, научный сотрудник лаборатории Липпинкотта-Шварца, отслеживала молекулы с высоким разрешением вдоль поверхности ЭР в нейронах млекопитающих, когда она увидела, что молекулы вычерчивают повторяющийся, похожий на лестницу узор по всей длине дендритов — разветвленных отростков на клетках мозга, которые получают входящие сигналы.
Примерно в то же время старший руководитель группы Стефан Заальфельд сообщил Липпинкотт-Шварц о трехмерных электронных микроскопических изображениях нейронов в мозге мухи, где ЭР также формировал регулярно расположенные поперечные структуры.
Обычно отделение неотложной помощи выглядит как огромная динамическая сеть, поэтому, как только Липпинкотт-Шварц увидела эти структуры, она поняла, что ее лаборатории необходимо выяснить, для чего они предназначены.
«В науке структура — это функция», — говорит Липпинкотт-Шварц, которая также возглавляет исследовательскую область 4D Cellular Physiology в Janelia. «Это необычная, красивая структура, которую мы видим по всему дендриту, поэтому у нас просто возникло ощущение, что у нее должна быть какая-то важная функция».
Исследователи под руководством Бенедетти начали с изучения единственной другой области тела, известной наличием подобных лестничных структур ЭР: мышечной ткани. В мышечных клетках ЭР и плазматическая мембрана — внешняя мембрана клетки — встречаются в периодических контактных участках, расположение которых контролируется молекулой, называемой юнктофилин.
Играть
00:00
00:39
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Новое исследование подробно описывает субклеточные структуры в нейронах, которые позволяют передавать сигналы из определенных мест на дендритах, где они принимаются, в принимающее решения тело клетки, расположенное в сотнях микрометров. Новое исследование показывает, что эндоплазматический ретикулум и плазматическая мембрана образуют контактные сайты, где специализированные молекулы контролируют высвобождение кальция, который регулирует сигналы, отправляемые по дендриту в сому. В этом фильме показаны 3D-визуализации этих структур на 3D-изображениях электронной микроскопии высокого разрешения нейронов плодовой мушки. Эндоплазматический ретикулум (зеленый), плазматическая мембрана (синий), митохондрии (розовый), микротрубочки (коричневый) и контакты ER-плазматической мембраны (пурпурный) сегментированы из наборов данных FIB-SEM нейрона MBON1 Drosophila melanogaster. Кредит: Benedetti et al.
Используя визуализацию высокого разрешения, исследователи обнаружили, что дендриты также содержат форму юнктофилина, который контролирует места контакта между их ЭР и плазматической мембраной. Кроме того, команда обнаружила, что тот же самый молекулярный механизм, контролирующий высвобождение кальция в местах контакта мышечных клеток — где кальций управляет сокращением мышц — также присутствует в местах контакта дендритов — где кальций регулирует нейронную сигнализацию.
Из-за этих подсказок у исследователей возникла догадка, что молекулярные механизмы в дендритных контактных участках также должны быть важны для передачи кальциевых сигналов, которые клетки используют для общения. Они подозревали, что контактные участки вдоль дендритов могут действовать как повторитель в телеграфном аппарате: принимая, усиливая и распространяя сигналы на большие расстояния. В нейронах это могло бы объяснить, как сигналы, полученные в определенных участках дендритов, передаются в тело клетки на расстоянии сотен микрометров.
«То, как эта информация распространяется на большие расстояния и как кальциевый сигнал специфически усиливается, было неизвестно», — говорит Бенедетти. «Мы думали, что ER может играть эту роль, и что эти регулярно распределенные контактные участки являются пространственно и временно локализованными усилителями: они могут получать этот кальциевый сигнал, локально усиливать этот кальциевый сигнал и передавать этот кальциевый сигнал на расстояние».
Исследователи обнаружили, что этот процесс запускается, когда нейронный сигнал заставляет кальций проникать в дендрит через потенциалзависимые ионные каналы, которые расположены в местах контакта. Хотя этот начальный кальциевый сигнал быстро рассеивается, он запускает высвобождение дополнительного кальция из ЭР в месте контакта.
Этот приток кальция в место контакта привлекает и активирует киназу под названием CaMKII, белок, который, как известно, важен для памяти. CaMKII изменяет биохимические свойства плазматической мембраны, изменяя силу сигнала, который передается по плазматической мембране .
Этот процесс продолжается от одного места контакта к другому вдоль дендрита до тела клетки, где нейрон решает, как он будет общаться с другими нейронами.
Новое исследование раскрывает новый механизм передачи сигналов в клетках мозга и помогает ответить на открытый вопрос нейронауки о том, как внутриклеточные сигналы распространяются на большие расстояния в нейронах, позволяя обрабатывать в мозге информацию, полученную в определенных участках дендритов.
Это также проливает свет на молекулярные механизмы, лежащие в основе синаптической пластичности — укрепление или ослабление нейронных связей, которые обеспечивают обучение и память. Выяснение этого процесса на молекулярном уровне может улучшить понимание того, как мозг работает в норме и при заболеваниях, когда эти процессы нарушаются, например, при болезни Альцгеймера.
«Мы показываем, что структура — прекрасная структура — действующая на уровне субклеточной организации, оказывает огромное влияние на то, как работает вся нейронная система в отношении кальциевой сигнализации», — говорит Липпинкотт-Шварц. «Это прекрасный пример того, как в науке, если вы видите прекрасную структуру, она может перенести вас в совершенно новый мир».