Pesquisadores do Instituto de Neuroimagem e Informática Mark e Mary Stevens (Stevens INI) da Escola de Medicina Keck da USC descobriram um padrão organizacional anteriormente não reconhecido em uma das regiões-chave do cérebro para aprendizagem e memória. De acordo com as conclusões do relatório comunicações da naturezaa porção CA1 do hipocampo do camundongo contém quatro camadas separadas de tipos de células especializadas. O hipocampo desempenha um papel importante na formação de memórias, orientando a navegação espacial e influenciando as emoções, e a descoberta destas camadas fornece novos insights sobre como a informação é transmitida através desta parte do cérebro. Também fornece pistas sobre por que certos tipos de células são particularmente vulneráveis em doenças como a doença de Alzheimer e a epilepsia.
“Os investigadores suspeitam há muito tempo que diferentes partes da região CA1 do hipocampo lidam com diferentes aspectos da aprendizagem e da memória, mas não estava claro como as células subjacentes estavam organizadas”, disse o autor sénior do estudo, Michael S. Bienkowski, Ph.D., professor assistente de fisiologia, neurociência e engenharia biomédica.
“Nosso estudo mostra que os neurônios CA1 são organizados em quatro bandas finas e contínuas, cada uma representando um tipo diferente de neurônio definido por características moleculares únicas. Essas camadas não são fixas no lugar; em vez disso, elas se movem sutilmente e mudam de espessura ao longo do comprimento do hipocampo. Esse padrão de movimento significa que cada parte do CA1 contém sua própria combinação de tipos de neurônios, o que ajuda a explicar por que diferentes regiões suportam comportamentos diferentes. Também pode explicar por que alguns neurônios CA1 são mais suscetíveis a danos em doenças como a doença de Alzheimer e epilepsia: se a doença atingir uma camada de tipos de células, o impacto será diferente dependendo de onde é mais proeminente na camada CA1”.
Imagens de RNA de alta resolução revelam diferenças celulares
Para examinar essa estrutura, a equipe usou uma tecnologia de rotulagem de RNA chamada RNAscope junto com microscopia de alta resolução. Esta abordagem permitiu-lhes observar a expressão genética de uma única molécula no tecido CA1 de rato e identificar tipos de neurônios individuais com base em seus genes ativos. Os cientistas registraram mais de 330 mil moléculas de RNA de 58.065 células piramidais CA1, que representam as instruções genéticas que dizem aos genes quando e onde expressá-las. Ao mapear esses padrões de atividade genética, eles criaram um atlas celular detalhado delineando os limites entre os diferentes tipos de células nervosas na região CA1.
Os resultados mostraram que CA1 contém quatro camadas contíguas de células nervosas, cada uma com seu próprio padrão de genes ativos. Quando vistas em três dimensões, essas camadas formam estruturas semelhantes a folhas cuja espessura e formato variam ao longo do hipocampo. Este arranjo inequívoco esclarece estudos anteriores que descreveram CA1 como uma mistura mais mista ou em mosaico de tipos de células.
‘Listras’ ocultas destacam a estrutura interna do cérebro
“Quando visualizamos padrões de RNA genético em resolução unicelular, podemos ver listras claras, como camadas geológicas em uma rocha, com cada faixa representando um tipo diferente de neurônio”, disse Maricarmen Pachicano, pesquisador de doutorado no INI Center for Integrative Connectomics em Stevens e co-autor do artigo. “É como levantar a tampa da estrutura interna do cérebro. Essas camadas ocultas podem explicar as diferenças na forma como os circuitos do hipocampo apoiam o aprendizado e a memória.”
Como o hipocampo é uma das primeiras regiões afetadas pela doença de Alzheimer e tem sido implicado na epilepsia, depressão e outros distúrbios neurológicos, a identificação da estrutura hierárquica do CA1 fornece um guia promissor para determinar quais tipos de neurônios podem estar em maior risco à medida que essas doenças progridem.
Avanço no mapeamento cerebral usando imagens modernas e ciência de dados
“Descobertas como esta exemplificam como as imagens modernas e a ciência de dados estão mudando nossa visão da anatomia cerebral”, disse Arthur W. Toga, PhD, diretor do Stevens INI e da Cátedra Ghada Irani em Neurociências na Keck School of Medicine da USC. “Este trabalho baseia-se na longa tradição do Stevens INI de mapear o cérebro em todas as escalas, desde moléculas até redes inteiras, e informará a neurociência básica e a pesquisa translacional visando a memória e a cognição.”
Pesquisadores obtêm acesso ao novo mapa de tipos de células CA1
A equipe de pesquisa usou dados do Hippocampal Gene Expression Atlas (HGEA) para compilar suas descobertas em um novo atlas de tipos de células CA1. O recurso é gratuito para cientistas de todo o mundo e inclui visualizações 3D interativas acessíveis através do aplicativo de realidade aumentada Schol-AR desenvolvido por Stevens INI. A ferramenta permite aos pesquisadores explorar detalhadamente a estrutura hierárquica do hipocampo.
Dado que este padrão de camadas em ratos se assemelha a arranjos semelhantes observados em primatas e humanos, incluindo alterações semelhantes na espessura de CA1, os investigadores acreditam que esta organização pode ser partilhada entre muitas espécies de mamíferos. Mais trabalhos são necessários para determinar o quão próxima esta estrutura em humanos está daquela observada em ratos, mas estas descobertas fornecem uma base sólida para pesquisas futuras sobre como a estrutura do hipocampo suporta a memória e a cognição.
“Compreender como essas camadas se conectam ao comportamento é a próxima fronteira”, disse Bienkowski. “Agora temos uma estrutura para estudar como camadas específicas de neurônios contribuem para diferentes funções, como memória, navegação e emoção, e como sua interrupção pode levar a doenças”.
Sobre o estudo
Além de Bienkowski e Pachicano, outros autores do estudo incluem Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis e Bayla Breningstall.
Este trabalho foi apoiado por doações do NIH/National Institute on Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, Suplemento P30-AG066530-03S1), da National Science Foundation (concessão 2121164) e do USC Neuronal Longevity Center. Os dados de pesquisa relatados nesta publicação foram apoiados pelo Gabinete do Diretor dos Institutos Nacionais de Saúde sob o prêmio número S10OD032285.
