Couches cellulaires cachées révélées dans la région CA1 de l'hippocampe

Couches cellulaires cachées révélées dans la région CA1 de l'hippocampe

Des chercheurs de l'Institut de neuroimagerie et d'informatique Mark et Mary Stevens (Stevens INI) de la Keck School of Medicine de l'USC ont identifié un modèle d'organisation jusqu'alors inconnu dans l'une des zones du cerveau les plus importantes pour l'apprentissage et la mémoire. L'étude, publiée danscommunication naturelle,montre que la région CA1 de l'hippocampe de la souris, une structure cruciale pour la formation de la mémoire, la navigation spatiale et les émotions, comporte quatre couches distinctes de types cellulaires spécialisés. Cette découverte change notre compréhension de la façon dont l'information est traitée dans le cerveau et pourrait expliquer pourquoi certaines cellules sont plus sensibles à des maladies comme la maladie d'Alzheimer et l'épilepsie.

Les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que différentes parties de la région CA1 de l’hippocampe contrôlent différents aspects de l’apprentissage et de la mémoire, mais la manière dont les cellules sous-jacentes étaient disposées n’était pas claire.

Michael S. Bienkowski, PhD, auteur principal de l'étude et professeur adjoint de physiologie, de neurosciences et de génie biomédical

"Notre étude montre que les neurones CA1 sont organisés en quatre bandes fines et continues, chacune représentant un type différent de neurone défini par une signature moléculaire unique. Ces couches ne sont pas fixées en place, mais se déplacent et changent subtilement d'épaisseur le long de l'hippocampe. Ce modèle de déplacements signifie que chaque partie de CA1 contient son propre mélange de types de neurones, ce qui explique pourquoi différentes régions soutiennent différents comportements. Cela peut également clarifier pourquoi certains neurones CA1 sont actifs dans des maladies comme la maladie d'Alzheimer et l'épilepsie : "Lorsqu'une maladie cible le type cellulaire d'une couche, les effets varient en fonction de l'endroit où cette couche est la plus prononcée dans CA1."

À l’aide d’une puissante méthode de marquage de l’ARN appelée RNAscope et d’une microscopie à haute résolution, l’équipe a capturé des instantanés clairs de l’expression génique d’une seule molécule pour identifier les types de cellules CA1 dans le tissu cérébral de souris. Dans 58 065 cellules pyramidales CA1, ils ont visualisé plus de 330 000 molécules d’ARN – les messages génétiques qui montrent quand et où les gènes sont activés. En suivant ces modèles d'activité, les chercheurs ont créé une carte détaillée montrant les limites entre les différents types de neurones dans la région CA1 de l'hippocampe.

Les résultats ont montré que la région CA1 est constituée de quatre couches contiguës de neurones, chacune caractérisée par un ensemble spécifique de gènes actifs. En 3D, ces couches forment des feuilles dont l’épaisseur et la structure varient légèrement le long de l’hippocampe. Ce motif clair et en couches aide à comprendre les études précédentes qui considéraient la région comme un mélange ou une mosaïque plus progressive de types de cellules.

"Lorsque nous avons visualisé les modèles d'ARN des gènes à une résolution unicellulaire, nous avons pu voir des rayures claires, comme des couches géologiques dans la roche, chacune représentant un type spécifique de neurone", a déclaré Maricarmen Pachicano, doctorant au Center for Integrative Connectomics de Stevens INI et co-premier auteur de l'article. "C'est comme lever le voile sur l'architecture interne du cerveau. Ces couches cachées pourraient expliquer les différences dans la manière dont les circuits hippocampiques soutiennent l'apprentissage et la mémoire."

L'hippocampe fait partie des premières régions touchées par la maladie d'Alzheimer et est également impliqué dans l'épilepsie, la dépression et d'autres maladies neurologiques. En révélant la structure en couches de CA1, l'étude fournit une feuille de route pour vérifier quels types de neurones spécifiques sont les plus vulnérables dans ces maladies.

"Des découvertes comme celles-ci illustrent comment l'imagerie moderne et la science des données peuvent transformer notre vision de l'anatomie du cerveau", a déclaré Arthur W. Toga, PhD, directeur de l'INI Stevens et de la chaire Ghada Irani en neurosciences à la Keck School of Medicine de l'USC. « Ce travail s’appuie sur la longue tradition de Stevens INI en matière d’imagerie du cerveau à toutes les échelles, des molécules aux réseaux entiers, et aura un impact à la fois sur les neurosciences fondamentales et sur les études translationnelles ciblant la mémoire et la cognition. »

Le nouvel atlas des types de cellules CA1, créé à partir des données de l'Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA), est disponible gratuitement pour la communauté mondiale des chercheurs. L'ensemble de données comprend des visualisations 3D interactives accessibles via l'application de réalité augmentée Schol-AR créée chez Stevens INI, permettant aux scientifiques d'explorer les couches hippocampiques avec des détails sans précédent.

Parce que ce modèle de stratification chez la souris est similaire à ce qui a été observé dans le cerveau des primates et des humains - y compris des changements dans l'épaisseur de la région CA1 - les chercheurs soupçonnent qu'il pourrait s'agir d'une caractéristique commune à de nombreux cerveaux de mammifères. Bien que d’autres études soient nécessaires pour confirmer cette organisation chez l’homme, ces résultats constituent une base prometteuse pour de futures recherches comparatives et translationnelles sur la manière dont l’architecture hippocampique soutient la mémoire et la cognition.

"Comprendre comment ces couches sont liées au comportement est le prochain défi", a déclaré Bienkowski. « Nous disposons désormais d’un cadre pour étudier comment des couches spécifiques de neurones contribuent à des fonctions aussi diverses que la mémoire, la navigation et les émotions, et comment leur perturbation peut conduire à des maladies. »

À propos de l'étude

Outre Bienkowski et Pachicano, les autres auteurs de l'étude comprennent Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis et Bayla Breningstall.

Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, supplément P30-AG066530-03S1), la National Science Foundation (subvention 2121164) et des fonds du USC Center for Neural Longevity. Les données de recherche rapportées dans cette publication ont été soutenues par le Bureau du directeur des National Institutes of Health sous le numéro de subvention S10OD032285.

Sources :