海马 CA1 区隐藏的细胞层显露出来

海马 CA1 区隐藏的细胞层显露出来

南加州大学凯克医学院马克和玛丽史蒂文斯神经影像和信息学研究所 (Stevens INI) 的研究人员在大脑学习和记忆最重要的区域之一发现了一种以前未知的组织模式。该研究发表于自然沟通，研究表明，小鼠海马体的 CA1 区域是记忆形成、空间导航和情感的关键结构，具有四层不同的特殊细胞类型。这一发现改变了我们对大脑如何处理信息的理解，并可以解释为什么某些细胞更容易患阿尔茨海默病和癫痫等疾病。

研究人员长期以来一直怀疑海马体 CA1 区域的不同部分控制着学习和记忆的不同方面，但尚不清楚底层细胞是如何排列的。”

Michael S. Bienkowski 博士，该研究的资深作者，生理学、神经科学和生物医学工程助理教授

“我们的研究表明，CA1 神经元被组织成四个薄而连续的带，每个带代表由独特分子特征定义的不同类型的神经元。这些层不是固定在适当位置的，而是沿着海马体的长度微妙地移动和改变厚度。这种移动模式意味着 CA1 的每个部分都包含其自己的神经元类型组合，这解释了为什么不同的区域支持不同的行为。这也可能澄清为什么某些 CA1 神经元在阿尔茨海默病和癫痫等疾病中活跃：针对某一层的细胞类型，效果会有所不同，具体取决于该层在 CA1 中最明显的位置。”

使用称为 RNAscope 的强大 RNA 标记方法和高分辨率显微镜，该团队捕获了单分子基因表达的清晰快照，以识别小鼠脑组织中的 CA1 细胞类型。在 58,065 个 CA1 锥体细胞中，他们观察到了超过 330,000 个 RNA 分子——这些遗传信息显示了基因何时何地被激活。通过跟踪这些活动模式，研究人员创建了一张详细的地图，显示海马 CA1 区域不同类型神经元之间的边界。

结果表明，CA1 区域由四个连续的神经元层组成，每个神经元都有一组特定的活性基因。在 3D 中，这些层形成片状，沿着海马体的长度，其厚度和结构略有不同。这种清晰的分层模式有助于理解之前的研究，这些研究将该区域视为细胞类型的渐进混合物或镶嵌体。

“当我们以单细胞分辨率可视化基因 RNA 模式时，我们可以看到清晰的条纹，就像岩石中的地质层一样，每个条纹代表一种特定类型的神经元，”史蒂文斯 INI 综合连接组学中心的博士生、该论文的共同第一作者 Maricarmen Pachicano 说。 “这就像揭开了大脑内部结构的面纱。这些隐藏层可以解释海马回路支持学习和记忆方式的差异。”

海马体是最早受阿尔茨海默病影响的区域之一，也与癫痫、抑郁症和其他神经系统疾病有关。通过揭示 CA1 的分层结构，该研究为研究哪些特定神经元类型最容易受到这些疾病的影响提供了路线图。

“像这样的发现说明了现代成像和数据科学如何改变我们对大脑解剖学的看法，”南加州大学凯克医学院史蒂文斯 INI 主任兼神经科学教授 Arthur W. Toga 博士说。 “这项工作建立在 Stevens INI 的长期传统之上，即从分子到整个网络的各个尺度上对大脑进行成像，并将影响基础神经科学和针对记忆和认知的转化研究。”

新的 CA1 细胞类型图谱是使用海马基因表达图谱 (HGEA) 的数据创建的，可免费提供给全球研究界。该数据集包括交互式 3D 可视化，可通过 Stevens INI 创建的增强现实应用程序 Schol-AR 访问，使科学家能够以前所未有的细节探索海马层。

由于小鼠的这种分层模式与在灵长类动物和人类大脑中观察到的类似，包括 CA1 区域厚度的变化，因此研究人员怀疑这可能是许多哺乳动物大脑的共同特征。虽然还需要进一步的研究来证实人类的这种组织，但这一发现为未来关于海马体结构如何支持记忆和认知的比较和转化研究提供了有希望的基础。

“理解这些层与行为的关系是下一个挑战，”Bienkowski 说。 “我们现在有了一个框架来研究神经元的特定层如何促进记忆、导航和情感等多种功能，以及它们的破坏如何导致疾病。”

关于该研究

除了 Bienkowski 和 Pachicano 之外，该研究的其他作者还包括 Shrey Mehta、Angela Hurtado、Tyler Ard、Jim Stanis 和 Bayla Breningstall。

这项工作得到了美国国立卫生研究院/国家老龄化研究所（K01AG066847、R36AG087310-01、补充 P30-AG066530-03S1）、国家科学基金会（赠款 2121164）和南加州大学神经长寿中心的资助。本出版物中报告的研究数据得到了美国国立卫生研究院院长办公室的支持，拨款号为 S10OD032285。

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