Dolda celllager avslöjade i CA1-regionen i hippocampus

Dolda celllager avslöjade i CA1-regionen i hippocampus

Forskare vid Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) vid Keck School of Medicine of USC har identifierat ett tidigare okänt organisationsmönster i ett av hjärnans viktigaste områden för inlärning och minne. Studien, publicerad inaturkommunikation,visar att CA1-regionen i mushippocampus, en struktur som är avgörande för minnesbildning, rumslig navigering och känslor, har fyra distinkta lager av specialiserade celltyper. Denna upptäckt förändrar vår förståelse av hur information bearbetas i hjärnan och kan förklara varför vissa celler är mer mottagliga för sjukdomar som Alzheimers och epilepsi.

Forskare har länge misstänkt att olika delar av CA1-regionen i hippocampus kontrollerade olika aspekter av inlärning och minne, men det var inte klart hur de underliggande cellerna var ordnade."

Michael S. Bienkowski, PhD, senior författare till studien och biträdande professor i fysiologi och neurovetenskap och i biomedicinsk teknik

"Vår studie visar att CA1-neuroner är organiserade i fyra tunna, kontinuerliga band, som var och en representerar en annan typ av neuron som definieras av en unik molekylär signatur. Dessa lager är inte fixerade på plats, utan subtilt skiftar och ändrar tjocklek längs hippocampus längd. Detta mönster av förskjutningar innebär att varje del av CA1 innehåller sin egen blandning av neurontyper, vilket också kan förklara varför olika neurontyper kan förklaras varför CA1 kan förklaras varför. är aktiva vid sjukdomar som denna Alzheimers sjukdom och epilepsi: "När en sjukdom riktar sig mot celltypen i ett lager, varierar effekterna beroende på var i CA1 det lagret är mest uttalat."

Med hjälp av en kraftfull RNA-märkningsmetod som kallas RNAscope och högupplöst mikroskopi, tog teamet tydliga ögonblicksbilder av enstaka molekylers genuttryck för att identifiera CA1-celltyper i mushjärnvävnad. I 58 065 CA1-pyramidceller visualiserade de mer än 330 000 RNA-molekyler - de genetiska meddelanden som visar när och var gener aktiveras. Genom att spåra dessa aktivitetsmönster skapade forskarna en detaljerad karta som visar gränserna mellan olika typer av neuroner i CA1-regionen i hippocampus.

Resultaten visade att CA1-regionen består av fyra sammanhängande lager av neuroner, var och en kännetecknad av en specifik uppsättning aktiva gener. I 3D bildar dessa lager ark som varierar något i tjocklek och struktur längs med hippocampus. Detta tydliga, skiktade mönster hjälper till att förstå tidigare studier som såg regionen som en mer gradvis blandning eller mosaik av celltyper.

"När vi visualiserade gen-RNA-mönster med encellsupplösning kunde vi se tydliga ränder, som geologiska lager i berg, som var och en representerar en specifik typ av neuron", säger Maricarmen Pachicano, doktorand vid Center for Integrative Connectomics vid Stevens INI och medförfattare till uppsatsen. "Det är som att lyfta en slöja över hjärnans inre arkitektur. Dessa dolda lager kan förklara skillnader i hur hippocampala kretsar stödjer inlärning och minne."

Hippocampus är bland de första regionerna som drabbas av Alzheimers sjukdom och är också involverad i epilepsi, depression och andra neurologiska sjukdomar. Genom att avslöja den skiktade strukturen hos CA1 ger studien en färdplan för att undersöka vilka specifika neurontyper som är mest sårbara för dessa sjukdomar.

"Upptäckter som dessa illustrerar hur modern bild- och datavetenskap kan förändra vår syn på hjärnans anatomi", säger Arthur W. Toga, PhD, chef för Stevens INI och Ghada Irani-stolen i neurovetenskap vid Keck School of Medicine i USC. "Detta arbete bygger på Stevens INI:s långa tradition av att avbilda hjärnan i alla skala, från molekyler till hela nätverk, och kommer att påverka både grundläggande neurovetenskap och translationella studier inriktade på minne och kognition."

Den nya celltypsatlasen CA1, skapad med hjälp av data från Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA), är fritt tillgänglig för det globala forskarsamhället. Datauppsättningen innehåller interaktiva 3D-visualiseringar som är tillgängliga via augmented reality-appen Schol-AR skapad på Stevens INI, vilket gör att forskare kan utforska hippocampus-lager i oöverträffad detalj.

Eftersom detta lagermönster hos möss liknar det som har observerats i primater och mänskliga hjärnor - inklusive förändringar i tjockleken på CA1-regionen - misstänker forskarna att det kan vara ett vanligt inslag i många däggdjurshjärnor. Medan ytterligare studier behövs för att bekräfta denna organisation hos människor, ger fyndet en lovande grund för framtida jämförande och translationell forskning om hur hippocampus arkitektur stöder minne och kognition.

"Att förstå hur dessa lager relaterar till beteende är nästa utmaning," sa Bienkowski. "Vi har nu ett ramverk för att studera hur specifika lager av neuroner bidrar till så olika funktioner som minne, navigering och känslor, och hur deras störning kan leda till sjukdom."

Om studien

Förutom Bienkowski och Pachicano är andra författare till studien Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis och Bayla Breningstall.

Detta arbete stöddes av National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, Supplement P30-AG066530-03S1), National Science Foundation (anslag 2121164) och medel från USC Center for Neural Longevity. Forskningsdata som rapporterats i denna publikation stöddes av kontoret för direktören för National Institutes of Health under anslagsnummer S10OD032285.

Källor: