Ukryte warstwy komórkowe ujawnione w regionie CA1 hipokampa

Ukryte warstwy komórkowe ujawnione w regionie CA1 hipokampa

Naukowcy z Instytutu Neuroobrazowania i Informatyki im. Marka i Mary Stevens (Stevens INI) w Keck School of Medicine na USC zidentyfikowali nieznany wcześniej wzorzec organizacji w jednym z najważniejszych obszarów mózgu odpowiedzialnych za uczenie się i zapamiętywanie. Badanie opublikowane wkomunikacja przyrodnicza,pokazuje, że region CA1 hipokampa myszy, struktura kluczowa dla tworzenia pamięci, nawigacji przestrzennej i emocji, ma cztery odrębne warstwy wyspecjalizowanych typów komórek. Odkrycie to zmienia nasze rozumienie sposobu przetwarzania informacji w mózgu i może wyjaśnić, dlaczego niektóre komórki są bardziej podatne na choroby takie jak choroba Alzheimera i epilepsja.

Naukowcy od dawna podejrzewali, że różne części regionu CA1 hipokampu kontrolują różne aspekty uczenia się i zapamiętywania, ale nie było jasne, w jaki sposób rozmieszczone są leżące u ich podstaw komórki”.

dr Michał S. Bieńkowski, starszy autor badania i adiunkt w zakresie fizjologii i neurologii oraz inżynierii biomedycznej

„Nasze badanie pokazuje, że neurony CA1 są zorganizowane w cztery cienkie, ciągłe pasma, z których każdy reprezentuje inny typ neuronu zdefiniowany przez unikalną sygnaturę molekularną. Warstwy te nie są unieruchomione w miejscu, ale subtelnie przesuwają się i zmieniają grubość wzdłuż hipokampa. Ten wzór przesunięć oznacza, że każda część CA1 zawiera własną mieszankę typów neuronów, co wyjaśnia, dlaczego różne regiony wspierają różne zachowania. Może to również wyjaśnić, dlaczego niektóre neurony CA1 są aktywne w chorobach takich jak choroba Alzheimera i padaczka: „Kiedy choroba atakuje typ komórek warstwy, skutki różnią się w zależności od tego, gdzie w CA1 warstwa ta jest najbardziej widoczna.”

Korzystając z zaawansowanej metody znakowania RNA zwanej RNAscope i mikroskopii o wysokiej rozdzielczości, zespół zarejestrował wyraźne migawki ekspresji genów pojedynczych cząsteczek, aby zidentyfikować typy komórek CA1 w tkance mózgowej myszy. W 58 065 komórkach piramidalnych CA1 uwidoczniono ponad 330 000 cząsteczek RNA – komunikatów genetycznych, które pokazują, kiedy i gdzie geny są aktywowane. Śledząc te wzorce aktywności, badacze stworzyli szczegółową mapę pokazującą granice między różnymi typami neuronów w obszarze CA1 hipokampa.

Wyniki pokazały, że region CA1 składa się z czterech sąsiadujących ze sobą warstw neuronów, z których każda charakteryzuje się specyficznym zestawem aktywnych genów. W 3D warstwy te tworzą arkusze o różnej grubości i strukturze na całej długości hipokampa. Ten wyraźny, warstwowy wzór pomaga zrozumieć wcześniejsze badania, w których postrzegano ten region jako bardziej stopniową mieszaninę lub mozaikę typów komórek.

„Kiedy wizualizowaliśmy wzorce RNA genów w rozdzielczości pojedynczej komórki, mogliśmy zobaczyć wyraźne paski, niczym warstwy geologiczne w skale, z których każdy reprezentuje określony typ neuronu” – powiedział Maricarmen Pachicano, doktorant w Centrum Łączności Integracyjnej w Stevens INI i współautor pierwszego artykułu. „To jak uniesienie zasłony nad wewnętrzną architekturą mózgu. Te ukryte warstwy mogą wyjaśniać różnice w sposobie, w jaki obwody hipokampa wspierają uczenie się i pamięć”.

Hipokamp jest jednym z pierwszych obszarów dotkniętych chorobą Alzheimera i jest również zaangażowany w epilepsję, depresję i inne choroby neurologiczne. Ujawniając warstwową strukturę CA1, badanie stanowi plan działania umożliwiający zbadanie, które konkretne typy neuronów są najbardziej podatne na te choroby.

„Takie odkrycia ilustrują, jak nowoczesne obrazowanie i nauka o danych mogą zmienić nasz pogląd na anatomię mózgu” – powiedział dr Arthur W. Toga, dyrektor Stevens INI i kierownik katedry neurologii Ghada Irani w Keck School of Medicine na USC. „Ta praca opiera się na długiej tradycji obrazowania mózgu Stevensa INI w każdej skali, od cząsteczek po całe sieci, i będzie miała wpływ zarówno na podstawową neuronaukę, jak i badania translacyjne ukierunkowane na pamięć i funkcje poznawcze”.

Nowy atlas typów komórek CA1, stworzony przy użyciu danych z Atlasu ekspresji genów Hippocampus (HGEA), jest bezpłatnie dostępny dla światowej społeczności badawczej. Zbiór danych obejmuje interaktywne wizualizacje 3D dostępne za pośrednictwem aplikacji rzeczywistości rozszerzonej Schol-AR stworzonej w Stevens INI, umożliwiającej naukowcom badanie warstw hipokampa z niespotykaną dotąd szczegółowością.

Ponieważ ten układ warstw u myszy jest podobny do tego, który zaobserwowano w mózgach naczelnych i ludzi – włączając zmiany w grubości regionu CA1 – badacze podejrzewają, że może to być powszechna cecha mózgów wielu ssaków. Chociaż potrzebne są dalsze badania, aby potwierdzić tę organizację u ludzi, odkrycie stanowi obiecującą podstawę dla przyszłych badań porównawczych i translacyjnych nad tym, jak architektura hipokampa wspiera pamięć i funkcje poznawcze.

„Zrozumienie, w jaki sposób te warstwy odnoszą się do zachowania, to kolejne wyzwanie” – powiedział Bieńkowski. „Mamy teraz ramy do badania, w jaki sposób określone warstwy neuronów przyczyniają się do tak różnorodnych funkcji, jak pamięć, nawigacja i emocje, oraz w jaki sposób ich zakłócenie może prowadzić do chorób”.

O badaniu

Oprócz Bieńkowskiego i Pachicano, innymi autorami badania są Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis i Bayla Breningstall.

Praca ta była wspierana przez National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, suplement P30-AG066530-03S1), National Science Foundation (grant 2121164) oraz fundusze z USC Center for Neural Longevity. Dane badawcze przedstawione w tej publikacji zostały wsparte przez Biuro Dyrektora Narodowych Instytutów Zdrowia w ramach grantu o numerze S10OD032285.

Źródła: