Capas de células ocultas reveladas en la región CA1 del hipocampo

Capas de células ocultas reveladas en la región CA1 del hipocampo

Investigadores del Instituto de Informática y Neuroimagen Mark and Mary Stevens (Stevens INI) de la Facultad de Medicina Keck de la USC han identificado un patrón de organización previamente desconocido en una de las áreas más importantes del cerebro para el aprendizaje y la memoria. El estudio, publicado encomunicación de la naturaleza,muestra que la región CA1 del hipocampo del ratón, una estructura crucial para la formación de la memoria, la navegación espacial y las emociones, tiene cuatro capas distintas de tipos de células especializadas. Este descubrimiento cambia nuestra comprensión de cómo se procesa la información en el cerebro y podría explicar por qué ciertas células son más susceptibles a enfermedades como el Alzheimer y la epilepsia.

Los investigadores han sospechado durante mucho tiempo que diferentes partes de la región CA1 del hipocampo controlaban diferentes aspectos del aprendizaje y la memoria, pero no estaba claro cómo estaban dispuestas las células subyacentes”.

Michael S. Bienkowski, PhD, autor principal del estudio y profesor asistente de fisiología y neurociencia y de ingeniería biomédica

"Nuestro estudio muestra que las neuronas CA1 están organizadas en cuatro bandas delgadas y continuas, cada una de las cuales representa un tipo diferente de neurona definida por una firma molecular única. Estas capas no están fijas en su lugar, sino que se desplazan y cambian sutilmente de grosor a lo largo del hipocampo. Este patrón de cambios significa que cada parte de CA1 contiene su propia mezcla de tipos de neuronas, lo que explica por qué diferentes regiones apoyan diferentes comportamientos. Esto también puede aclarar por qué ciertas neuronas CA1 están activas en enfermedades como la enfermedad de Alzheimer y epilepsia: "Cuando una enfermedad se dirige al tipo de célula de una capa, los efectos varían dependiendo de en qué parte de CA1 esa capa es más pronunciada".

Utilizando un potente método de etiquetado de ARN llamado RNAscope y microscopía de alta resolución, el equipo capturó instantáneas claras de la expresión genética de una sola molécula para identificar los tipos de células CA1 en el tejido cerebral de un ratón. En 58.065 células piramidales CA1, visualizaron más de 330.000 moléculas de ARN: los mensajes genéticos que muestran cuándo y dónde se activan los genes. Al rastrear estos patrones de actividad, los investigadores crearon un mapa detallado que muestra los límites entre diferentes tipos de neuronas en la región CA1 del hipocampo.

Los resultados mostraron que la región CA1 consta de cuatro capas contiguas de neuronas, cada una caracterizada por un conjunto específico de genes activos. En 3D, estas capas forman láminas que varían ligeramente en grosor y estructura a lo largo del hipocampo. Este patrón claro y en capas ayuda a comprender estudios previos que veían la región como una mezcla o mosaico más gradual de tipos de células.

"Cuando visualizamos patrones de ARN genético con resolución unicelular, pudimos ver franjas claras, como capas geológicas en una roca, cada una de las cuales representa un tipo específico de neurona", dijo Maricarmen Pachicano, estudiante de doctorado en el Centro de Conectómica Integrativa del Stevens INI y coprimera autora del artículo. "Es como levantar un velo sobre la arquitectura interna del cerebro. Estas capas ocultas podrían explicar las diferencias en la forma en que los circuitos del hipocampo apoyan el aprendizaje y la memoria".

El hipocampo se encuentra entre las primeras regiones afectadas por la enfermedad de Alzheimer y también está implicado en la epilepsia, la depresión y otras enfermedades neurológicas. Al revelar la estructura en capas de CA1, el estudio proporciona una hoja de ruta para investigar qué tipos específicos de neuronas son más vulnerables en estas enfermedades.

"Descubrimientos como estos ilustran cómo la ciencia moderna de imágenes y datos puede transformar nuestra visión de la anatomía del cerebro", dijo Arthur W. Toga, PhD, director del Stevens INI y de la Cátedra Ghada Irani de Neurociencia en la Facultad de Medicina Keck de la USC. "Este trabajo se basa en la larga tradición de Stevens INI de obtener imágenes del cerebro en todas las escalas, desde moléculas hasta redes completas, y tendrá un impacto tanto en la neurociencia fundamental como en los estudios traslacionales dirigidos a la memoria y la cognición".

El nuevo atlas de tipos de células CA1, creado a partir de datos del Atlas de expresión genética del hipocampo HGEA, está disponible gratuitamente para la comunidad investigadora mundial. El conjunto de datos incluye visualizaciones interactivas en 3D accesibles a través de la aplicación de realidad aumentada Schol-AR creada en Stevens INI, lo que permite a los científicos explorar las capas del hipocampo con un detalle sin precedentes.

Debido a que este patrón de capas en ratones es similar a lo que se ha observado en cerebros de primates y humanos (incluidos cambios en el grosor de la región CA1), los investigadores sospechan que puede ser una característica común en muchos cerebros de mamíferos. Si bien se necesitan más estudios para confirmar esta organización en humanos, el hallazgo proporciona una base prometedora para futuras investigaciones comparativas y traslacionales sobre cómo la arquitectura del hipocampo respalda la memoria y la cognición.

"Comprender cómo se relacionan estas capas con el comportamiento es el próximo desafío", dijo Bienkowski. "Ahora tenemos un marco para estudiar cómo capas específicas de neuronas contribuyen a funciones tan diversas como la memoria, la navegación y las emociones, y cómo su alteración puede provocar enfermedades".

Sobre el estudio

Además de Bienkowski y Pachicano, otros autores del estudio son Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis y Bayla Breningstall.

Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud/Instituto Nacional del Envejecimiento (K01AG066847, R36AG087310-01, Suplemento P30-AG066530-03S1), la Fundación Nacional de Ciencias (subvención 2121164) y fondos del Centro para la Longevidad Neural de la USC. Los datos de investigación informados en esta publicación fueron apoyados por la Oficina del Director de los Institutos Nacionales de Salud bajo el número de subvención S10OD032285.

Fuentes: