Verborgen cellagen onthuld in het CA1-gebied van de hippocampus

Verborgen cellagen onthuld in het CA1-gebied van de hippocampus

Onderzoekers van het Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) van de Keck School of Medicine van het USC hebben een voorheen onbekend organisatiepatroon geïdentificeerd in een van de belangrijkste hersengebieden voor leren en geheugen. De studie, gepubliceerd innatuurcommunicatie,laat zien dat het CA1-gebied van de hippocampus van de muis, een structuur die cruciaal is voor geheugenvorming, ruimtelijke navigatie en emoties, vier verschillende lagen van gespecialiseerde celtypen heeft. Deze ontdekking verandert ons begrip van hoe informatie in de hersenen wordt verwerkt en zou kunnen verklaren waarom bepaalde cellen vatbaarder zijn voor ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en epilepsie.

Onderzoekers hebben lang vermoed dat verschillende delen van de CA1-regio van de hippocampus verschillende aspecten van leren en geheugen controleren, maar het was niet duidelijk hoe de onderliggende cellen waren gerangschikt.”

Michael S. Bienkowski, PhD, senior auteur van de studie en assistent-professor in de fysiologie en neurowetenschappen en in de biomedische technologie

"Onze studie laat zien dat CA1-neuronen zijn georganiseerd in vier dunne, doorlopende banden, die elk een ander type neuron vertegenwoordigen, gedefinieerd door een unieke moleculaire signatuur. Deze lagen zijn niet op hun plaats gefixeerd, maar verschuiven subtiel en veranderen op subtiele wijze van dikte over de lengte van de hippocampus. Dit patroon van verschuivingen betekent dat elk deel van CA1 zijn eigen mix van neurontypen bevat, wat verklaart waarom verschillende regio's verschillend gedrag ondersteunen. Dit kan ook verduidelijken waarom bepaalde CA1-neuronen actief zijn bij ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en epilepsie: "Wanneer Als een ziekte zich richt op het celtype van een laag, variëren de effecten afhankelijk van waar in CA1 die laag het meest uitgesproken is."

Met behulp van een krachtige RNA-labelingsmethode genaamd RNAscope en microscopie met hoge resolutie heeft het team duidelijke momentopnamen gemaakt van genexpressie van één molecuul om CA1-celtypen in hersenweefsel van muizen te identificeren. In 58.065 CA1-piramidale cellen visualiseerden ze meer dan 330.000 RNA-moleculen: de genetische boodschappen die laten zien wanneer en waar genen worden geactiveerd. Door deze activiteitspatronen te volgen, creëerden de onderzoekers een gedetailleerde kaart die de grenzen laat zien tussen verschillende soorten neuronen in het CA1-gebied van de hippocampus.

De resultaten toonden aan dat het CA1-gebied uit vier aaneengesloten lagen neuronen bestaat, elk gekenmerkt door een specifieke reeks actieve genen. In 3D vormen deze lagen vellen die enigszins variëren in dikte en structuur over de lengte van de hippocampus. Dit duidelijke, gelaagde patroon helpt eerdere onderzoeken te begrijpen waarin de regio werd gezien als een meer geleidelijke mengeling of mozaïek van celtypen.

"Toen we gen-RNA-patronen visualiseerden met een resolutie van één cel, konden we duidelijke strepen zien, zoals geologische lagen in gesteente, die elk een specifiek type neuron vertegenwoordigen", zegt Maricarmen Pachicano, een doctoraalstudent aan het Center for Integrative Connectomics van Stevens INI en co-eerste auteur van het artikel. "Het is alsof je een sluier opheft over de interne architectuur van de hersenen. Deze verborgen lagen kunnen verschillen verklaren in de manier waarop hippocampale circuits het leren en het geheugen ondersteunen."

De hippocampus is een van de eerste regio’s die getroffen wordt door de ziekte van Alzheimer en is ook betrokken bij epilepsie, depressie en andere neurologische ziekten. Door de gelaagde structuur van CA1 bloot te leggen, biedt de studie een routekaart voor het onderzoeken welke specifieke neurontypen het meest kwetsbaar zijn bij deze ziekten.

“Ontdekkingen als deze illustreren hoe moderne beeldvorming en datawetenschap onze kijk op de anatomie van de hersenen kunnen transformeren”, zegt Arthur W. Toga, PhD, directeur van de Stevens INI en de Ghada Irani Chair in Neuroscience aan de Keck School of Medicine van USC. “Dit werk bouwt voort op de lange traditie van Stevens INI om de hersenen op elke schaal in beeld te brengen, van moleculen tot hele netwerken, en zal een impact hebben op zowel de fundamentele neurowetenschappen als translationele studies die zich richten op geheugen en cognitie.”

De nieuwe CA1-celtype-atlas, gemaakt met behulp van gegevens van de Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA), is gratis beschikbaar voor de wereldwijde onderzoeksgemeenschap. De dataset bevat interactieve 3D-visualisaties die toegankelijk zijn via de augmented reality-app die Schol-AR heeft gemaakt bij Stevens INI, waardoor wetenschappers de hippocampale lagen in ongekend detail kunnen verkennen.

Omdat dit gelaagdheidspatroon bij muizen vergelijkbaar is met wat is waargenomen in de hersenen van primaten en mensen - inclusief veranderingen in de dikte van het CA1-gebied - vermoeden de onderzoekers dat dit een veel voorkomend kenmerk kan zijn in de hersenen van veel zoogdieren. Hoewel verder onderzoek nodig is om deze organisatie bij mensen te bevestigen, biedt de bevinding een veelbelovende basis voor toekomstig vergelijkend en translationeel onderzoek naar de manier waarop de architectuur van de hippocampus het geheugen en de cognitie ondersteunt.

“Begrijpen hoe deze lagen zich verhouden tot gedrag is de volgende uitdaging”, zegt Bienkowski. “We hebben nu een raamwerk om te bestuderen hoe specifieke lagen van neuronen bijdragen aan uiteenlopende functies als geheugen, navigatie en emoties, en hoe hun verstoring tot ziekte kan leiden.”

Over de studie

Naast Bienkowski en Pachicano zijn andere auteurs van de studie onder meer Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis en Bayla Breningstall.

Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, Supplement P30-AG066530-03S1), de National Science Foundation (subsidie ​​2121164) en fondsen van het USC Center for Neural Longevity. Onderzoeksgegevens gerapporteerd in deze publicatie werden ondersteund door het Bureau van de Directeur van de National Institutes of Health onder subsidienummer S10OD032285.

Bronnen: