Skjulte cellelag avslørt i CA1-regionen av hippocampus

Skjulte cellelag avslørt i CA1-regionen av hippocampus

Forskere ved Mark og Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) ved Keck School of Medicine of USC har identifisert et tidligere ukjent organisasjonsmønster i et av de viktigste områdene i hjernen for læring og hukommelse. Studien, publisert inaturkommunikasjon,viser at CA1-regionen av musehippocampus, en struktur som er avgjørende for hukommelsesdannelse, romlig navigasjon og følelser, har fire distinkte lag med spesialiserte celletyper. Denne oppdagelsen endrer vår forståelse av hvordan informasjon behandles i hjernen og kan forklare hvorfor visse celler er mer utsatt for sykdommer som Alzheimers og epilepsi.

Forskere har lenge mistenkt at forskjellige deler av CA1-regionen av hippocampus kontrollerte forskjellige aspekter av læring og hukommelse, men det var ikke klart hvordan de underliggende cellene ble arrangert."

Michael S. Bienkowski, PhD, seniorforfatter av studien og assisterende professor i fysiologi og nevrovitenskap og i biomedisinsk ingeniørfag

"Vår studie viser at CA1 nevroner er organisert i fire tynne, kontinuerlige bånd, som hver representerer en annen type nevron definert av en unik molekylær signatur. Disse lagene er ikke fiksert på plass, men subtilt skifter og endrer tykkelse langs lengden av hippocampus. Dette mønsteret av skift betyr at hver del av CA1 inneholder sin egen blanding av nevrontyper, noe som også kan forklare hvorfor forskjellige nevrontyper kan forklare hvorfor CA1 er forskjellige. er aktive i sykdommer som denne Alzheimers sykdom og epilepsi: "Når en sykdom retter seg mot celletypen til et lag, varierer effekten avhengig av hvor i CA1 det laget er mest uttalt."

Ved å bruke en kraftig RNA-merkingsmetode kalt RNAscope og høyoppløselig mikroskopi, fanget teamet klare øyeblikksbilder av enkeltmolekylers genuttrykk for å identifisere CA1-celletyper i musehjernevev. I 58 065 CA1-pyramideceller visualiserte de mer enn 330 000 RNA-molekyler – de genetiske meldingene som viser når og hvor gener aktiveres. Ved å spore disse aktivitetsmønstrene laget forskerne et detaljert kart som viser grensene mellom ulike typer nevroner i CA1-regionen av hippocampus.

Resultatene viste at CA1-regionen består av fire sammenhengende lag med nevroner, hver preget av et spesifikt sett med aktive gener. I 3D danner disse lagene ark som varierer litt i tykkelse og struktur langs hippocampus. Dette klare, lagdelte mønsteret hjelper til med å forstå tidligere studier som så på regionen som en mer gradvis blanding eller mosaikk av celletyper.

"Når vi visualiserte gen-RNA-mønstre med encellet oppløsning, kunne vi se klare striper, som geologiske lag i bergarter, som hver representerer en spesifikk type nevron," sa Maricarmen Pachicano, doktorgradsstudent ved Center for Integrative Connectomics ved Stevens INI og medforfatter av artikkelen. "Det er som å løfte et slør over hjernens indre arkitektur. Disse skjulte lagene kan forklare forskjeller i måten hippocampale kretsløp støtter læring og hukommelse."

Hippocampus er blant de første regionene som rammes av Alzheimers sykdom og er også involvert i epilepsi, depresjon og andre nevrologiske sykdommer. Ved å avsløre den lagdelte strukturen til CA1, gir studien et veikart for å undersøke hvilke spesifikke nevrontyper som er mest sårbare for disse sykdommene.

"Oppdagelser som disse illustrerer hvordan moderne bilde- og datavitenskap kan transformere vårt syn på hjernens anatomi," sa Arthur W. Toga, PhD, direktør for Stevens INI og Ghada Irani Chair in Neuroscience ved Keck School of Medicine of USC. "Dette arbeidet bygger på Stevens INIs lange tradisjon med å avbilde hjernen i alle skalaer, fra molekyler til hele nettverk, og vil påvirke både grunnleggende nevrovitenskap og translasjonsstudier rettet mot hukommelse og kognisjon."

Det nye CA1 celletypeatlaset, laget ved hjelp av data fra Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA), er fritt tilgjengelig for det globale forskningsmiljøet. Datasettet inkluderer interaktive 3D-visualiseringer tilgjengelig gjennom augmented reality-appen Schol-AR laget på Stevens INI, som lar forskere utforske hippocampale lag i enestående detalj.

Fordi dette lagdelingsmønsteret i mus ligner på det som er observert i primater og menneskelige hjerner - inkludert endringer i tykkelsen på CA1-regionen - mistenker forskerne at det kan være et vanlig trekk i mange pattedyrhjerner. Mens ytterligere studier er nødvendig for å bekrefte denne organiseringen hos mennesker, gir funnet et lovende grunnlag for fremtidig komparativ og translasjonsforskning om hvordan hippocampus-arkitektur støtter hukommelse og kognisjon.

"Å forstå hvordan disse lagene forholder seg til atferd er den neste utfordringen," sa Bienkowski. "Vi har nå et rammeverk for å studere hvordan spesifikke lag av nevroner bidrar til funksjoner så forskjellige som hukommelse, navigasjon og følelser, og hvordan forstyrrelsene deres kan føre til sykdom."

Om studiet

I tillegg til Bienkowski og Pachicano, inkluderer andre forfattere av studien Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis og Bayla Breningstall.

Dette arbeidet ble støttet av National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, Supplement P30-AG066530-03S1), National Science Foundation (stipend 2121164), og midler fra USC Center for Neural Longevity. Forskningsdata rapportert i denne publikasjonen ble støttet av kontoret til direktøren for National Institutes of Health under bevilgningsnummer S10OD032285.

Kilder: