Versteckte Zellschichten in der CA1-Region des Hippocampus enthüllt

Versteckte Zellschichten in der CA1-Region des Hippocampus enthüllt

Forscher am Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) an der Keck School of Medicine der USC haben ein bisher unbekanntes Organisationsmuster in einem der wichtigsten Bereiche des Gehirns für Lernen und Gedächtnis identifiziert. Die Studie, veröffentlicht in Naturkommunikation, zeigt, dass die CA1-Region des Hippocampus einer Maus, eine Struktur, die für die Gedächtnisbildung, räumliche Navigation und Emotionen von entscheidender Bedeutung ist, vier verschiedene Schichten spezialisierter Zelltypen aufweist. Diese Entdeckung verändert unser Verständnis darüber, wie Informationen im Gehirn verarbeitet werden, und könnte erklären, warum bestimmte Zellen anfälliger für Krankheiten wie Alzheimer und Epilepsie sind.

Forscher haben schon lange vermutet, dass verschiedene Teile der CA1-Region des Hippocampus unterschiedliche Aspekte des Lernens und des Gedächtnisses steuern, aber es war nicht klar, wie die darunter liegenden Zellen angeordnet waren.“

Michael S. Bienkowski, PhD, leitender Autor der Studie und Assistenzprofessor für Physiologie und Neurowissenschaften sowie für biomedizinische Technik

„Unsere Studie zeigt, dass CA1-Neuronen in vier dünnen, kontinuierlichen Bändern organisiert sind, die jeweils einen anderen Neuronentyp repräsentieren, der durch eine einzigartige molekulare Signatur definiert ist. Diese Schichten sind nicht an ihrem Platz fixiert, sondern verschieben sich subtil und verändern ihre Dicke entlang der Länge des Hippocampus. Dieses Verschiebungsmuster bedeutet, dass jeder Teil von CA1 seine eigene Mischung von Neuronentypen enthält, was erklärt, warum verschiedene Regionen unterschiedliche Verhaltensweisen unterstützen. Dies könnte auch klären, warum bestimmte CA1-Neuronen bei Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit anfälliger sind und Epilepsie: Wenn eine Krankheit auf den Zelltyp einer Schicht abzielt, variieren die Auswirkungen je nachdem, wo in CA1 diese Schicht am stärksten ausgeprägt ist.“

Mit einer leistungsstarken RNA-Markierungsmethode namens RNAscope und hochauflösender Mikroskopie erfasste das Team klare Schnappschüsse der Genexpression einzelner Moleküle, um CA1-Zelltypen im Gehirngewebe von Mäusen zu identifizieren. In 58.065 CA1-Pyramidenzellen visualisierten sie mehr als 330.000 RNA-Moleküle – die genetischen Botschaften, die zeigen, wann und wo Gene aktiviert sind. Durch die Verfolgung dieser Aktivitätsmuster erstellten die Forscher eine detaillierte Karte, die die Grenzen zwischen verschiedenen Arten von Nervenzellen in der CA1-Region des Hippocampus zeigt.

Die Ergebnisse zeigten, dass die CA1-Region aus vier zusammenhängenden Schichten von Nervenzellen besteht, die jeweils durch einen bestimmten Satz aktiver Gene gekennzeichnet sind. In 3D bilden diese Schichten Schichten, deren Dicke und Struktur entlang der Länge des Hippocampus leicht variieren. Dieses klare, geschichtete Muster hilft dabei, frühere Studien zu verstehen, in denen die Region als eine eher allmähliche Mischung oder ein Mosaik von Zelltypen betrachtet wurde.

„Als wir Gen-RNA-Muster mit Einzelzellauflösung visualisierten, konnten wir klare Streifen erkennen, wie geologische Schichten im Gestein, die jeweils einen bestimmten Neuronentyp repräsentierten“, sagte Maricarmen Pachicano, Doktorandin am Center for Integrative Connectomics des Stevens INI und Co-Erstautorin der Arbeit. „Es ist, als würde man einen Schleier über die innere Architektur des Gehirns lüften. Diese verborgenen Schichten könnten Unterschiede in der Art und Weise erklären, wie Hippocampus-Schaltkreise Lernen und Gedächtnis unterstützen.“

Der Hippocampus gehört zu den ersten Regionen, die von der Alzheimer-Krankheit betroffen sind, und ist auch an Epilepsie, Depressionen und anderen neurologischen Erkrankungen beteiligt. Durch die Aufdeckung der Schichtstruktur von CA1 liefert die Studie einen Fahrplan zur Untersuchung, welche spezifischen Neuronentypen bei diesen Erkrankungen am anfälligsten sind.

„Entdeckungen wie diese veranschaulichen, wie moderne Bildgebung und Datenwissenschaft unsere Sicht auf die Gehirnanatomie verändern können“, sagte Arthur W. Toga, PhD, Direktor des Stevens INI und des Ghada Irani Chair in Neuroscience an der Keck School of Medicine der USC. „Diese Arbeit baut auf der langen Tradition des Stevens INI auf, das Gehirn auf jeder Skala, von Molekülen bis hin zu ganzen Netzwerken, abzubilden, und wird sowohl grundlegende Neurowissenschaften als auch translationale Studien, die auf Gedächtnis und Kognition abzielen, beeinflussen.“

Der neue CA1-Zelltypatlas, der anhand von Daten aus dem Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA) erstellt wurde, ist für die globale Forschungsgemeinschaft frei verfügbar. Der Datensatz umfasst interaktive 3D-Visualisierungen, die über die am Stevens INI erstellte Augmented-Reality-App Schol-AR zugänglich sind und es Wissenschaftlern ermöglichen, Hippocampusschichten in beispielloser Detailtiefe zu erkunden.

Da dieses Schichtmuster bei Mäusen dem ähnelt, was man in Gehirnen von Primaten und Menschen beobachtet hat – einschließlich der Veränderungen der Dicke der CA1-Region – vermuten die Forscher, dass es ein gemeinsames Merkmal in vielen Gehirnen von Säugetieren sein könnte. Während weitere Studien erforderlich sind, um diese Organisation beim Menschen zu bestätigen, bietet das Ergebnis eine vielversprechende Grundlage für zukünftige vergleichende und translationale Forschungen darüber, wie die Hippocampus-Architektur Gedächtnis und Kognition unterstützt.

„Zu verstehen, wie diese Schichten mit dem Verhalten zusammenhängen, ist die nächste Herausforderung“, sagte Bienkowski. „Wir haben jetzt einen Rahmen, um zu untersuchen, wie bestimmte Neuronenschichten zu so unterschiedlichen Funktionen wie Gedächtnis, Navigation und Emotionen beitragen und wie ihre Störung zu Krankheiten führen kann.“

Über die Studie

Zu den weiteren Autoren der Studie gehören neben Bienkowski und Pachicano Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis und Bayla Breningstall.

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, Ergänzung P30-AG066530-03S1), der National Science Foundation (Zuschuss 2121164) und Mitteln des USC Center for Neuronal Longevity unterstützt. Die in dieser Veröffentlichung veröffentlichten Forschungsdaten wurden vom Büro des Direktors der National Institutes of Health unter der Fördernummer S10OD032285 unterstützt.

Quellen: