Skjulte cellelag afsløret i CA1-regionen af ​​hippocampus

Skjulte cellelag afsløret i CA1-regionen af ​​hippocampus

Forskere ved Mark og Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) ved Keck School of Medicine i USC har identificeret et hidtil ukendt organisationsmønster i et af de vigtigste områder af hjernen for indlæring og hukommelse. Undersøgelsen, offentliggjort inaturkommunikation,viser, at CA1-regionen af ​​musens hippocampus, en struktur, der er afgørende for hukommelsesdannelse, rumlig navigation og følelser, har fire forskellige lag af specialiserede celletyper. Denne opdagelse ændrer vores forståelse af, hvordan information behandles i hjernen og kan forklare, hvorfor visse celler er mere modtagelige for sygdomme som Alzheimers og epilepsi.

Forskere har længe haft mistanke om, at forskellige dele af CA1-regionen af ​​hippocampus kontrollerede forskellige aspekter af indlæring og hukommelse, men det var ikke klart, hvordan de underliggende celler var arrangeret."

Michael S. Bienkowski, PhD, seniorforfatter af undersøgelsen og assisterende professor i fysiologi og neurovidenskab og i biomedicinsk teknik

"Vores undersøgelse viser, at CA1-neuroner er organiseret i fire tynde, kontinuerlige bånd, der hver repræsenterer en anden type neuron defineret af en unik molekylær signatur. Disse lag er ikke fikseret på plads, men skifter subtilt og ændrer tykkelse langs hippocampus' længde. Dette mønster af skift betyder, at hver del af CA1 indeholder sin egen blanding af neurontyper, hvilket også kan forklare, hvorfor visse neurontyper understøtter forskellige neuroner. er aktive i sygdomme som denne Alzheimers sygdom og epilepsi: "Når en sygdom retter sig mod celletypen af et lag, varierer virkningerne afhængigt af, hvor i CA1 det lag er mest udtalt."

Ved hjælp af en kraftfuld RNA-mærkningsmetode kaldet RNAscope og højopløsningsmikroskopi, fangede holdet klare øjebliksbilleder af enkeltmolekylers genekspression for at identificere CA1-celletyper i musehjernevæv. I 58.065 CA1-pyramideceller visualiserede de mere end 330.000 RNA-molekyler – de genetiske beskeder, der viser, hvornår og hvor generne aktiveres. Ved at spore disse aktivitetsmønstre skabte forskerne et detaljeret kort, der viser grænserne mellem forskellige typer neuroner i CA1-regionen af ​​hippocampus.

Resultaterne viste, at CA1-regionen består af fire sammenhængende lag af neuroner, hver karakteriseret ved et specifikt sæt aktive gener. I 3D danner disse lag ark, der varierer lidt i tykkelse og struktur langs hippocampus' længde. Dette klare, lagdelte mønster hjælper med at forstå tidligere undersøgelser, der så regionen som en mere gradvis blanding eller mosaik af celletyper.

"Når vi visualiserede gen-RNA-mønstre ved enkeltcellet opløsning, kunne vi se klare striber, som geologiske lag i klippen, der hver repræsenterede en bestemt type neuron," sagde Maricarmen Pachicano, en doktorgradsstuderende ved Center for Integrative Connectomics ved Stevens INI og medførsteforfatter af papiret. "Det er som at løfte et slør over hjernens indre arkitektur. Disse skjulte lag kan forklare forskelle i måden, hvorpå hippocampale kredsløb understøtter indlæring og hukommelse."

Hippocampus er blandt de første regioner, der er ramt af Alzheimers sygdom og er også involveret i epilepsi, depression og andre neurologiske sygdomme. Ved at afsløre den lagdelte struktur af CA1 giver undersøgelsen en køreplan for at undersøge, hvilke specifikke neurontyper der er mest sårbare i disse sygdomme.

"Opdagelser som disse illustrerer, hvordan moderne billed- og datavidenskab kan transformere vores syn på hjernens anatomi," sagde Arthur W. Toga, PhD, direktør for Stevens INI og Ghada Irani-stolen i neurovidenskab ved Keck School of Medicine i USC. "Dette arbejde bygger på Stevens INIs lange tradition for at afbilde hjernen i alle skalaer, fra molekyler til hele netværk, og vil påvirke både fundamental neurovidenskab og translationelle undersøgelser rettet mod hukommelse og kognition."

Det nye CA1-celletypeatlas, skabt ved hjælp af data fra Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA), er frit tilgængeligt for det globale forskningssamfund. Datasættet inkluderer interaktive 3D-visualiseringer, der er tilgængelige via augmented reality-appen Schol-AR, der er oprettet på Stevens INI, og som giver forskere mulighed for at udforske hippocampus-lag i hidtil usete detaljer.

Fordi dette lagdelingsmønster i mus ligner det, der er blevet observeret i primater og menneskelige hjerner - herunder ændringer i tykkelsen af ​​CA1-regionen - har forskerne mistanke om, at det kan være et fælles træk i mange pattedyrs hjerner. Mens yderligere undersøgelser er nødvendige for at bekræfte denne organisation hos mennesker, giver resultatet et lovende grundlag for fremtidig komparativ og translationel forskning om, hvordan hippocampus arkitektur understøtter hukommelse og kognition.

"At forstå, hvordan disse lag relaterer til adfærd er den næste udfordring," sagde Bienkowski. "Vi har nu en ramme til at studere, hvordan specifikke lag af neuroner bidrager til funktioner så forskellige som hukommelse, navigation og følelser, og hvordan deres forstyrrelse kan føre til sygdom."

Om studiet

Ud over Bienkowski og Pachicano omfatter andre forfattere af undersøgelsen Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis og Bayla Breningstall.

Dette arbejde blev støttet af National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, Supplement P30-AG066530-03S1), National Science Foundation (tilskud 2121164) og midler fra USC Center for Neural Longevity. Forskningsdata rapporteret i denne publikation blev støttet af kontoret for direktøren for National Institutes of Health under bevillingsnummer S10OD032285.

Kilder: