Straturi de celule ascunse descoperite în regiunea CA1 a hipocampului

Straturi de celule ascunse descoperite în regiunea CA1 a hipocampului

Cercetătorii de la Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) de la Keck School of Medicine din USC au identificat un model necunoscut anterior de organizare într-una dintre cele mai importante zone ale creierului pentru învățare și memorie. Studiul, publicat încomunicarea naturii,arată că regiunea CA1 a hipocampului șoarecelui, o structură crucială pentru formarea memoriei, navigarea spațială și emoțiile, are patru straturi distincte de tipuri de celule specializate. Această descoperire ne schimbă înțelegerea modului în care informațiile sunt procesate în creier și ar putea explica de ce anumite celule sunt mai susceptibile la boli precum Alzheimer și epilepsie.

Cercetătorii au bănuit de mult că diferite părți ale regiunii CA1 a hipocampului controlează diferite aspecte ale învățării și memoriei, dar nu era clar cum au fost aranjate celulele de la bază.

Michael S. Bienkowski, dr., autor principal al studiului și profesor asistent de fiziologie și neuroștiință și de inginerie biomedicală

„Studiul nostru arată că neuronii CA1 sunt organizați în patru benzi continue, subțiri, fiecare reprezentând un tip diferit de neuron definit printr-o semnătură moleculară unică. Aceste straturi nu sunt fixate pe loc, ci își schimbă subtil și își schimbă grosimea de-a lungul lungimii hipocampului. Acest model de deplasări înseamnă că fiecare parte a CA1 conține, de asemenea, un amestec diferit de neuroni, care explică, de asemenea, de ce anumite tipuri de neuroni explică anumite tipuri de neuroni. Neuronii CA1 sunt activi în boli precum aceasta boala Alzheimer și epilepsia: „Când o boală vizează tipul de celulă al unui strat, efectele variază în funcție de locul în care stratul CA1 este cel mai pronunțat”.

Folosind o metodă puternică de etichetare a ARN numită RNAscope și microscopie de înaltă rezoluție, echipa a capturat instantanee clare ale expresiei genei cu o singură moleculă pentru a identifica tipurile de celule CA1 în țesutul creierului de șoarece. În 58.065 de celule piramidale CA1, ei au vizualizat mai mult de 330.000 de molecule de ARN - mesajele genetice care arată când și unde sunt activate genele. Urmărind aceste modele de activitate, cercetătorii au creat o hartă detaliată care arată granițele dintre diferitele tipuri de neuroni din regiunea CA1 a hipocampului.

Rezultatele au arătat că regiunea CA1 constă din patru straturi contigue de neuroni, fiecare caracterizat de un set specific de gene active. În 3D, aceste straturi formează foi care variază ușor în grosime și structură de-a lungul lungimii hipocampului. Acest model clar, stratificat ajută la înțelegerea studiilor anterioare care au văzut regiunea ca un amestec mai gradual sau un mozaic de tipuri de celule.

„Când am vizualizat modelele ARN-ului genelor la rezoluție cu o singură celulă, am putut vedea dungi clare, precum straturi geologice din rocă, fiecare reprezentând un anumit tip de neuron”, a spus Maricarmen Pachicano, doctorand la Centrul de Conectomică Integrativă de la Stevens INI și co-autor al lucrării. „Este ca și cum ai ridica un văl peste arhitectura internă a creierului. Aceste straturi ascunse ar putea explica diferențele în modul în care circuitele hipocampale susțin învățarea și memoria”.

Hipocampul este printre primele regiuni afectate de boala Alzheimer și este implicat și în epilepsie, depresie și alte boli neurologice. Prin dezvăluirea structurii stratificate a CA1, studiul oferă o foaie de parcurs pentru investigarea tipurilor specifice de neuroni care sunt cele mai vulnerabile în aceste boli.

„Descoperiri ca acestea ilustrează modul în care imagistica modernă și știința datelor ne pot transforma viziunea asupra anatomiei creierului”, a spus Arthur W. Toga, dr., director al Stevens INI și Ghada Irani Chair in Neuroscience la Keck School of Medicine din USC. „Această muncă se bazează pe tradiția îndelungată a creierului Stevens INI la fiecare scară, de la molecule la rețele întregi, și va avea un impact atât asupra neuroștiinței fundamentale, cât și asupra studiilor translaționale care vizează memoria și cogniția.”

Noul atlas de tipul de celule CA1, creat folosind date din Atlasul de expresie a genei hipocampusului (HGEA), este disponibil gratuit pentru comunitatea globală de cercetare. Setul de date include vizualizări 3D interactive accesibile prin aplicația de realitate augmentată Schol-AR creată la Stevens INI, permițând oamenilor de știință să exploreze straturile hipocampului în detalii fără precedent.

Deoarece acest model de stratificare la șoareci este similar cu ceea ce a fost observat în creierul de primate și uman - inclusiv modificări ale grosimii regiunii CA1 - cercetătorii bănuiesc că ar putea fi o caracteristică comună în multe creiere de mamifere. Deși sunt necesare studii suplimentare pentru a confirma această organizare la oameni, descoperirea oferă o bază promițătoare pentru viitoare cercetări comparative și translaționale privind modul în care arhitectura hipocampului sprijină memoria și cunoașterea.

„Înțelegerea modului în care aceste straturi se raportează la comportament este următoarea provocare”, a spus Bienkowski. „Acum avem un cadru pentru a studia modul în care anumite straturi de neuroni contribuie la funcții la fel de diverse precum memoria, navigarea și emoțiile și modul în care întreruperea lor poate duce la boli.”

Despre studiu

Pe lângă Bienkowski și Pachicano, alți autori ai studiului includ Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis și Bayla Breningstall.

Această lucrare a fost susținută de National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, Suppliment P30-AG066530-03S1), National Science Foundation (grant 2121164) și fonduri de la USC Center for Neural Longevity. Datele de cercetare raportate în această publicație au fost susținute de Biroul Director al National Institutes of Health sub numărul de grant S10OD032285.

Surse: