Strati cellulari nascosti rivelati nella regione CA1 dell'ippocampo

Strati cellulari nascosti rivelati nella regione CA1 dell'ippocampo

I ricercatori del Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) della Keck School of Medicine della USC hanno identificato un modello di organizzazione precedentemente sconosciuto in una delle aree più importanti del cervello per l’apprendimento e la memoria. Lo studio, pubblicato incomunicazione della natura,mostra che la regione CA1 dell’ippocampo del topo, una struttura cruciale per la formazione della memoria, la navigazione spaziale e le emozioni, ha quattro strati distinti di tipi cellulari specializzati. Questa scoperta cambia la nostra comprensione di come le informazioni vengono elaborate nel cervello e potrebbe spiegare perché alcune cellule sono più suscettibili a malattie come l'Alzheimer e l'epilessia.

I ricercatori sospettavano da tempo che diverse parti della regione CA1 dell’ippocampo controllassero diversi aspetti dell’apprendimento e della memoria, ma non era chiaro come fossero disposte le cellule sottostanti”.

Michael S. Bienkowski, PhD, autore senior dello studio e professore assistente di fisiologia e neuroscienza e di ingegneria biomedica

"Il nostro studio mostra che i neuroni CA1 sono organizzati in quattro bande sottili e continue, ciascuna rappresentante un diverso tipo di neurone definito da una firma molecolare unica. Questi strati non sono fissi sul posto, ma si spostano e cambiano leggermente spessore lungo la lunghezza dell'ippocampo. Questo modello di spostamenti significa che ciascuna parte di CA1 contiene il proprio mix di tipi di neuroni, il che spiega perché diverse regioni supportano comportamenti diversi. Ciò potrebbe anche chiarire perché alcuni neuroni CA1 sono attivi in malattie come l'Alzheimer e l'epilessia: "Quando una malattia prende di mira il tipo cellulare di uno strato, gli effetti variano a seconda di dove nello strato CA1 quello strato è più pronunciato."

Utilizzando un potente metodo di etichettatura dell'RNA chiamato RNAscope e la microscopia ad alta risoluzione, il team ha catturato istantanee chiare dell'espressione genica di singole molecole per identificare i tipi di cellule CA1 nel tessuto cerebrale dei topi. In 58.065 cellule piramidali CA1, hanno visualizzato più di 330.000 molecole di RNA, i messaggi genetici che mostrano quando e dove i geni vengono attivati. Tracciando questi modelli di attività, i ricercatori hanno creato una mappa dettagliata che mostra i confini tra i diversi tipi di neuroni nella regione CA1 dell’ippocampo.

I risultati hanno mostrato che la regione CA1 è costituita da quattro strati contigui di neuroni, ciascuno caratterizzato da un insieme specifico di geni attivi. In 3D, questi strati formano fogli che variano leggermente in spessore e struttura lungo la lunghezza dell'ippocampo. Questo modello chiaro e stratificato aiuta a comprendere studi precedenti che consideravano la regione come una miscela più graduale o un mosaico di tipi di cellule.

"Quando abbiamo visualizzato i modelli di RNA genetico alla risoluzione di una singola cellula, abbiamo potuto vedere strisce chiare, come strati geologici nella roccia, ciascuno rappresentante un tipo specifico di neurone", ha affermato Maricarmen Pachicano, studente di dottorato presso il Center for Integrative Connectomics presso Stevens INI e co-primo autore dell'articolo. "È come sollevare un velo sull'architettura interna del cervello. Questi strati nascosti potrebbero spiegare le differenze nel modo in cui i circuiti dell'ippocampo supportano l'apprendimento e la memoria."

L'ippocampo è tra le prime regioni colpite dal morbo di Alzheimer ed è coinvolto anche nell'epilessia, nella depressione e in altre malattie neurologiche. Rivelando la struttura a strati di CA1, lo studio fornisce una tabella di marcia per indagare quali tipi specifici di neuroni sono più vulnerabili in queste malattie.

“Scoperte come queste illustrano come l’imaging moderno e la scienza dei dati possano trasformare la nostra visione dell’anatomia del cervello”, ha affermato Arthur W. Toga, PhD, direttore dello Stevens INI e della Ghada Irani Chair in Neuroscience presso la Keck School of Medicine della USC. “Questo lavoro si basa sulla lunga tradizione di Stevens INI di imaging del cervello su ogni scala, dalle molecole a intere reti, e avrà un impatto sia sulle neuroscienze fondamentali che sugli studi traslazionali mirati alla memoria e alla cognizione”.

Il nuovo atlante dei tipi di cellule CA1, creato utilizzando i dati dell’Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA), è liberamente disponibile per la comunità di ricerca globale. Il set di dati include visualizzazioni 3D interattive accessibili tramite l’app di realtà aumentata Schol-AR creata presso Stevens INI, che consente agli scienziati di esplorare gli strati dell’ippocampo con un dettaglio senza precedenti.

Poiché questo modello di stratificazione nei topi è simile a quanto osservato nel cervello dei primati e dell'uomo (compresi i cambiamenti nello spessore della regione CA1), i ricercatori sospettano che possa essere una caratteristica comune in molti cervelli di mammiferi. Sebbene siano necessari ulteriori studi per confermare questa organizzazione negli esseri umani, la scoperta fornisce una base promettente per la futura ricerca comparativa e traslazionale su come l’architettura dell’ippocampo supporta la memoria e la cognizione.

“Capire come questi strati si relazionano al comportamento è la prossima sfida”, ha detto Bienkowski. “Ora disponiamo di un quadro per studiare come specifici strati di neuroni contribuiscono a funzioni diverse come la memoria, la navigazione e le emozioni, e come la loro interruzione può portare alla malattia”.

A proposito dello studio

Oltre a Bienkowski e Pachicano, altri autori dello studio includono Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis e Bayla Breningstall.

Questo lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, Supplemento P30-AG066530-03S1), dalla National Science Foundation (sovvenzione 2121164) e dai fondi dell'USC Center for Neural Longevity. I dati di ricerca riportati in questa pubblicazione sono stati supportati dall'Ufficio del Direttore del National Institutes of Health con il numero di sovvenzione S10OD032285.

Fonti: