Αποκαλύφθηκαν κρυμμένα κυτταρικά στρώματα στην περιοχή CA1 του ιππόκαμπου

Αποκαλύφθηκαν κρυμμένα κυτταρικά στρώματα στην περιοχή CA1 του ιππόκαμπου

Ερευνητές στο Ινστιτούτο Νευροαπεικόνισης και Πληροφορικής του Mark and Mary Stevens (Stevens INI) στο Keck School of Medicine του USC εντόπισαν ένα άγνωστο μοτίβο οργάνωσης σε μια από τις πιο σημαντικές περιοχές του εγκεφάλου για μάθηση και μνήμη. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στοεπικοινωνία με τη φύση,δείχνει ότι η περιοχή CA1 του ιππόκαμπου του ποντικιού, μια δομή ζωτικής σημασίας για το σχηματισμό μνήμης, τη χωρική πλοήγηση και τα συναισθήματα, έχει τέσσερα διακριτά στρώματα εξειδικευμένων τύπων κυττάρων. Αυτή η ανακάλυψη αλλάζει την κατανόησή μας για τον τρόπο επεξεργασίας των πληροφοριών στον εγκέφαλο και θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί ορισμένα κύτταρα είναι πιο ευαίσθητα σε ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ και η επιληψία.

Οι ερευνητές υποψιάζονταν εδώ και καιρό ότι διαφορετικά μέρη της περιοχής CA1 του ιππόκαμπου έλεγχαν διαφορετικές πτυχές της μάθησης και της μνήμης, αλλά δεν ήταν σαφές πώς ήταν διατεταγμένα τα υποκείμενα κύτταρα».

Michael S. Bienkowski, PhD, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης και επίκουρος καθηγητής φυσιολογίας και νευροεπιστήμης και βιοϊατρικής μηχανικής

"Η μελέτη μας δείχνει ότι οι νευρώνες CA1 είναι οργανωμένοι σε τέσσερις λεπτές, συνεχείς ζώνες, καθεμία από τις οποίες αντιπροσωπεύει έναν διαφορετικό τύπο νευρώνων που ορίζεται από μια μοναδική μοριακή υπογραφή. Αυτά τα στρώματα δεν είναι σταθερά στη θέση τους, αλλά μετατοπίζονται και αλλάζουν διακριτικά το πάχος κατά μήκος του ιππόκαμπου. Αυτό το μοτίβο μετατοπίσεων σημαίνει ότι κάθε τμήμα του CA1 περιέχει το δικό του μείγμα διαφορετικών τύπων νευρώνων. Οι νευρώνες CA1 είναι ενεργοί σε ασθένειες όπως αυτή η νόσος του Αλτσχάιμερ και η επιληψία: "Όταν μια ασθένεια στοχεύει τον κυτταρικό τύπο ενός στρώματος, τα αποτελέσματα ποικίλλουν ανάλογα με το πού στο CA1 είναι πιο έντονο αυτό το στρώμα."

Χρησιμοποιώντας μια ισχυρή μέθοδο επισήμανσης RNA που ονομάζεται RNAscope και μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης, η ομάδα κατέγραψε καθαρά στιγμιότυπα έκφρασης γονιδίου ενός μορίου για να αναγνωρίσει τους τύπους κυττάρων CA1 στον εγκεφαλικό ιστό ποντικού. Σε 58.065 πυραμιδικά κύτταρα CA1, οραματίστηκαν περισσότερα από 330.000 μόρια RNA - τα γενετικά μηνύματα που δείχνουν πότε και πού ενεργοποιούνται τα γονίδια. Παρακολουθώντας αυτά τα μοτίβα δραστηριότητας, οι ερευνητές δημιούργησαν έναν λεπτομερή χάρτη που δείχνει τα όρια μεταξύ διαφορετικών τύπων νευρώνων στην περιοχή CA1 του ιππόκαμπου.

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η περιοχή CA1 αποτελείται από τέσσερα συνεχόμενα στρώματα νευρώνων, καθένα από τα οποία χαρακτηρίζεται από ένα συγκεκριμένο σύνολο ενεργών γονιδίων. Σε 3D, αυτά τα στρώματα σχηματίζουν φύλλα που ποικίλλουν ελαφρώς σε πάχος και δομή κατά μήκος του ιππόκαμπου. Αυτό το σαφές, πολυεπίπεδο μοτίβο βοηθά στην κατανόηση προηγούμενων μελετών που έβλεπαν την περιοχή ως ένα πιο σταδιακό μείγμα ή μωσαϊκό κυτταρικών τύπων.

«Όταν οπτικοποιήσαμε μοτίβα γονιδίου RNA σε ανάλυση ενός κυττάρου, μπορούσαμε να δούμε καθαρές ρίγες, όπως γεωλογικά στρώματα σε βράχο, που το καθένα αντιπροσωπεύει έναν συγκεκριμένο τύπο νευρώνα», δήλωσε η Maricarmen Pachicano, διδακτορική φοιτήτρια στο Center for Integrative Connectomics στο Stevens INI και συν-πρώτος συγγραφέας της εργασίας. "Είναι σαν να σηκώνεις ένα πέπλο πάνω από την εσωτερική αρχιτεκτονική του εγκεφάλου. Αυτά τα κρυφά στρώματα θα μπορούσαν να εξηγήσουν διαφορές στον τρόπο με τον οποίο τα κυκλώματα του ιππόκαμπου υποστηρίζουν τη μάθηση και τη μνήμη."

Ο ιππόκαμπος είναι από τις πρώτες περιοχές που προσβάλλονται από τη νόσο του Αλτσχάιμερ και εμπλέκεται επίσης στην επιληψία, την κατάθλιψη και άλλες νευρολογικές παθήσεις. Αποκαλύπτοντας την πολυεπίπεδη δομή του CA1, η μελέτη παρέχει έναν οδικό χάρτη για τη διερεύνηση ποιοι συγκεκριμένοι τύποι νευρώνων είναι πιο ευάλωτοι σε αυτές τις ασθένειες.

"Ανακαλύψεις όπως αυτές δείχνουν πώς η σύγχρονη επιστήμη απεικόνισης και δεδομένων μπορεί να μεταμορφώσει την άποψή μας για την ανατομία του εγκεφάλου", δήλωσε ο Arthur W. Toga, PhD, διευθυντής του Stevens INI και της Ghada Irani Chair in Neuroscience στο Keck School of Medicine του USC. «Αυτή η εργασία βασίζεται στη μακρά παράδοση του Stevens INI στην απεικόνιση του εγκεφάλου σε κάθε κλίμακα, από μόρια έως ολόκληρα δίκτυα, και θα επηρεάσει τόσο τις θεμελιώδεις νευροεπιστήμες όσο και τις μεταφραστικές μελέτες που στοχεύουν στη μνήμη και τη γνωστική λειτουργία».

Ο νέος άτλαντας τύπου κυττάρων CA1, που δημιουργήθηκε με χρήση δεδομένων από τον Άτλαντα έκφρασης γονιδίων του Ιππόκαμπου (HGEA), είναι δωρεάν διαθέσιμος στην παγκόσμια ερευνητική κοινότητα. Το σύνολο δεδομένων περιλαμβάνει διαδραστικές 3D οπτικοποιήσεις προσβάσιμες μέσω της εφαρμογής επαυξημένης πραγματικότητας Schol-AR που δημιουργήθηκε στο Stevens INI, επιτρέποντας στους επιστήμονες να εξερευνήσουν τα στρώματα του ιππόκαμπου με πρωτοφανή λεπτομέρεια.

Επειδή αυτό το σχέδιο στρωματοποίησης σε ποντίκια είναι παρόμοιο με αυτό που έχει παρατηρηθεί σε εγκεφάλους πρωτευόντων και ανθρώπων - συμπεριλαμβανομένων των αλλαγών στο πάχος της περιοχής CA1 - οι ερευνητές υποπτεύονται ότι μπορεί να είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό σε πολλούς εγκεφάλους θηλαστικών. Ενώ απαιτούνται περαιτέρω μελέτες για να επιβεβαιωθεί αυτή η οργάνωση στους ανθρώπους, το εύρημα παρέχει μια πολλά υποσχόμενη βάση για μελλοντική συγκριτική και μεταφραστική έρευνα σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο η αρχιτεκτονική του ιππόκαμπου υποστηρίζει τη μνήμη και τη γνώση.

«Η κατανόηση του πώς αυτά τα επίπεδα σχετίζονται με τη συμπεριφορά είναι η επόμενη πρόκληση», είπε ο Bienkowski. «Έχουμε τώρα ένα πλαίσιο για να μελετήσουμε πώς συγκεκριμένα στρώματα νευρώνων συμβάλλουν σε λειτουργίες τόσο διαφορετικές όπως η μνήμη, η πλοήγηση και τα συναισθήματα, και πώς η διακοπή τους μπορεί να οδηγήσει σε ασθένειες».

Σχετικά με τη μελέτη

Εκτός από τους Bienkowski και Pachicano, άλλοι συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνουν τους Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis και Bayla Breningstall.

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας/Εθνικό Ινστιτούτο Γήρανσης (K01AG066847, R36AG087310-01, Συμπλήρωμα P30-AG066530-03S1), το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (επιχορήγηση 2121164) και πόρους από το Κέντρο Νευρωνικής Μακροζωίας του USC. Τα ερευνητικά δεδομένα που αναφέρονται σε αυτή τη δημοσίευση υποστηρίχθηκαν από το Γραφείο του Διευθυντή των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας με αριθμό επιχορήγησης S10OD032285.

Πηγές: