عضله دوسر بازو و سلول‌های مغز ما ممکن است بیشتر از حد تصور، ویژگی‌های مشترک داشته باشند. پژوهش جدید انجام‌شده به سرپرستی «آزمایشگاه لیپینکات شوارتز»(Lippincott-Schwartz Lab) نشان می‌دهد که شبکه‌ای از ساختارهای درون سلول شبیه به سلول‌های مسئول انتشار سیگنال‌های مولکولی عامل انقباض عضلات، مسئول انتقال سیگنال‌هایی در مغز هستند که ممکن است یادگیری و حافظه را تسهیل کنند.

به نقل از وب‌سایت رسمی مؤسسه پزشکی هاورد هیوز، «جنیفر لیپینکات شوارتز»(Jennifer Lippincott-Schwartz) سرپرست این پژوهش گفت: «آلبرت اینشتین» زمانی گفت که وقتی از مغز خود استفاده می‌کند، مثل این است که از یک عضله بهره می‌برد و از این نظر، در این پژوهش نیز موارد مشابهی وجود دارد. سیستمی که در هر دو مورد کار می‌کند، یکسان است اما بازخوانی‌های متفاوتی دارد.

اولین سرنخ درباره ارتباط احتمالی بین سلول‌های مغز و عضله زمانی به دست آمد که دانشمندان متوجه نکته عجیبی درباره شبکه آندوپلاسمی شدند. شبکه آندوپلاسمی شامل ورقه‌های غشایی و چین‌های درون سلول‌هاست که برای بسیاری از عملکردهای سلولی حیاتی هستند.

«لورنا بندتی»(Lorena Benedetti) از اعضای آزمایشگاه لیپینکات شوارتز در حال ردیابی مولکول‌ها با وضوح بالا در امتداد شبکه آندوپلاسمی و نورون‌های پستان‌داران بود که مشاهده کرد مولکول‌ها یک الگوی نردبان‌مانند تکرارشونده را در طول دندریت‌ها دنبال می‌کنند.

تقریبا در همان زمان، «استفان سالفلد»(Stephan Saalfeld) سرپرست ارشد گروه به لیپینکات شوارتز درباره تصاویر وضوح بالای میکروسکوپ الکترونی سه‌بعدی از نورون‌های مغز مگس هشدار داد که در آنها شبکه آندوپلاسمی نیز در حال تشکیل دادن ساختارهای عرضی با فاصله منظم بود.

شبکه آندوپلاسمی معمولا مانند یک سیستم بزرگ و پویا به نظر می‌رسد. بنابراین به محض این که لیپینکات شوارتز ساختارها را دید، می‌دانست که آزمایشگاه او باید کارآیی آنها را درک کنند. لیپینکات شوارتز گفت: در علم، ساختار به معنای عملکرد است. این یک ساختار غیر معمول و زیباست که ما در کل دندریت می‌بینیم. بنابراین، احساس ما فقط این بود که باید عملکرد مهمی داشته باشد.

این گروه پژوهشی با بررسی یک ناحیه دیگر از بدن که دارای ساختارهای شبکه آندوپلاسمی مشابه و نردبان‌مانند است، کار خود را آغاز کردند. این ناحیه جدید، بافت عضلانی است. در سلول‌های عضلانی، شبکه آندوپلاسمی و غشای پلاسمایی در مکان‌های تماس دوره‌ای به هم می‌رسند. این آرایش منظم توسط مولکولی به نام «جونکتوفیلین»(junctophilin) کنترل می‌شود.

پژوهشگران با استفاده از تصویربرداری وضوح بالا دریافتند دندریت‌ها نیز حاوی نوعی جونکتوفیلین هستند که مکان‌های تماس بین شبکه آندوپلاسمی و غشای پلاسمایی آنها را کنترل می‌کند. علاوه بر این، آنها دریافتند همان ماشین مولکولی کنترل‌کننده انتشار کلسیم در محل‌های تماس سلول‌های عضلانی، در مکان‌های تماس دندریت نیز وجود دارد که کلسیم در آنجا سیگنال‌های عصبی را تنظیم می‌کند.

پژوهشگران به دلیل یافتن این سرنخ‌ها تصور می‌کردند ماشین‌های مولکولی در مکان‌های تماس دندریتیک نیز باید برای انتقال سیگنال‌های کلسیم که سلول‌ها از آن برای برقراری ارتباط استفاده می‌کنند، مهم باشند. حدس آنها این بود که مکان‌های تماس در امتداد دندریت‌ها ممکن است مانند دستگاه تکرارگر در یک دستگاه تلگراف عمل کنند و کار دریافت، تقویت و انتشار سیگنال‌ها را در فواصل طولانی انجام دهند. این ویژگی در نورون‌ها می‌تواند توضیح دهد که سیگنال‌های دریافتی در مکان‌های خاص روی دندریت‌ها چگونه به بدن سلول در فاصله صدها میکرومتر دورتر منتقل می‌شوند.

بندتی گفت: چگونگی حرکت کردن این اطلاعات در مسافت‌های طولانی و چگونگی تقویت شدن سیگنال کلسیم به طور خاص مشخص نبود. ما فکر می‌کردیم که شبکه آندوپلاسمی می‌تواند این نقش را بازی کند و مکان‌های تماسی که به طور منظم توزیع می‌شوند، تقویت‌کننده‌های محلی و مکانی هستند. آنها می‌توانند سیگنال کلسیم را بگیرند، آن را به صورت محلی تقویت کنند و به رله سیگنال کلسیم در فاصله‌ دور بپردازند.

پژوهشگران دریافتند این فرآیند زمانی آغاز می‌شود که یک سیگنال عصبی باعث شود کلسیم از طریق پروتئین‌های کانال یونی قرارگرفته در محل‌های تماس، به دندریت راه یابد. اگرچه سیگنال اولیه کلسیم به سرعت از بین می‌رود اما به انتشار کلسیم اضافی از شبکه آندوپلاسمی در محل تماس منجر می‌شود.

این هجوم کلسیم در محل تماس، یک کیناز به نام «CaMKII» را جذب و فعال می‌کند که برای حافظه مهم است. این پروتئین، خواص بیوشیمیایی غشای پلاسمایی و قدرت سیگنالی را که از غشای پلاسمایی عبور می‌کند، تغییر می‌دهد. این فرآیند از یک محل تماس به محل تماس دیگر در سراسر دندریت تا سلول ادامه می‌یابد؛ یعنی جایی که نورون تصمیم می‌گیرد چگونه با سایر نورون‌ها ارتباط برقرار کند.

این پژوهش، مکانیسم جدیدی را برای انتقال سیگنال در سلول‌های مغزی نشان می‌دهد و اطلاعاتی را درباره چگونگی حرکت سیگنال‌های درون‌سلولی در فواصل طولانی ارائه می‌دهد و امکان پردازش اطلاعات دریافتی را در مکان‌های خاص روی دندریت‌ها در مغز فراهم می‌کند.

این پژوهش در مجله «Cell» به چاپ رسید.