Cientistas encontram camadas ocultas no centro de memória do cérebro

“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 Michael S. Bienkowski, PhD, autor sénior do estudo e professor assistente de fisiologia e neurociência e de engenharia biomédica.

“Nosso estudo mostra que os neurônios CA1 são organizados em quatro bandas finas e contínuas, cada uma representando um tipo de neurônio diferente definido por uma assinatura molecular única. Essas camadas não são fixas no lugar; em vez disso, elas mudam sutilmente e mudam de espessura ao longo do comprimento do hipocampo. Esse padrão de mudança significa que cada parte do CA1 contém sua própria mistura de tipos de neurônios, o que ajuda a explicar por que diferentes regiões suportam comportamentos diferentes. Isso também pode esclarecer por que certos neurônios CA1 são mais vulneráveis em condições como doença de Alzheimer e epilepsia: se uma doença atingir o tipo de célula de uma camada, os efeitos variarão dependendo de onde em CA1 essa camada é mais proeminente”.

Imagens de RNA de alta resolução revelam distinções celulares

Para examinar essa estrutura, a equipe de pesquisa usou uma técnica de rotulagem de RNA chamada RNAscope juntamente com microscopia de alta resolução. Esta abordagem permitiu-lhes observar a expressão genética de uma única molécula dentro do tecido CA1 do rato e identificar tipos de neurônios individuais com base em seus genes ativos. A partir de 58.065 células piramidais CA1, os cientistas registraram mais de 330 mil moléculas de RNA, que representam as instruções genéticas que indicam quando e onde os genes são expressos. Ao mapear esses padrões de atividade genética, eles produziram um atlas celular detalhado delineando os limites entre tipos distintos de células nervosas na região CA1.

Os resultados mostraram que CA1 contém quatro camadas contínuas de células nervosas, cada uma distinguida pelo seu próprio padrão de genes activos. Quando vistas em três dimensões, essas camadas formam estruturas semelhantes a folhas que variam em espessura e formato ao longo do hipocampo. Este arranjo bem definido esclarece estudos anteriores que descreveram o CA1 como uma mistura mais mesclada ou em mosaico de tipos de células.

“Listras” ocultas destacam a arquitetura interna do cérebro

“Quando visualizamos padrões de RNA genético em resolução unicelular, pudemos ver listras claras, como camadas geológicas na rocha, cada uma representando um tipo distinto de neurônio”, disse Maricarmen Pachicano, pesquisador de doutorado no Centro de Conectômica Integrativa do Stevens INI e co-primeiro autor do artigo. “É como levantar um véu na arquitetura 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 na doença de Alzheimer e está envolvido na epilepsia, depressão e outras condições neurológicas, a identificação da estrutura em camadas do CA1 oferece um guia promissor para determinar quais tipos de neurônios podem estar em maior risco à medida que esses distúrbios progridem.

Avanço no mapeamento cerebral com imagens modernas e ciência de dados

“Descobertas como esta exemplificam como as imagens modernas e a ciência de dados podem transformar a 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 tanto a neurociência básica quanto os estudos translacionais direcionados à memória e à cognição.”

Um novo atlas do tipo celular CA1 disponível para pesquisadores

A equipe compilou suas descobertas em um novo atlas do tipo de célula CA1 usando dados do Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA). Este recurso está disponível gratuitamente para cientistas de todo o mundo e inclui visualizações 3D interativas acessíveis através do aplicativo de realidade aumentada Schol-AR desenvolvido no Stevens INI. A ferramenta permite aos pesquisadores explorar detalhadamente a estrutura em camadas do hipocampo.

Dado que este padrão em camadas em ratos se assemelha a arranjos semelhantes observados em primatas e humanos, incluindo variações comparáveis ​​na espessura de CA1, os investigadores acreditam que a organização pode ser partilhada por muitas espécies de mamíferos. Mais trabalhos são necessários para determinar até que ponto esta estrutura em humanos corresponde ao que foi observado em ratos, mas as descobertas criam um forte ponto de partida para estudos futuros que examinem como a arquitetura do hipocampo apoia 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 funções tão diferentes como memória, navegação e emoção, e como sua interrupção pode levar a doenças”.

Sobre o estudo

Além de Bienkowski e Pachicano, os outros autores do estudo incluem Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis e Bayla Breningstall.

Este trabalho foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde/Instituto Nacional de Envelhecimento (K01AG066847, R36AG087310-01, suplemento P30-AG066530-03S1), National Science Foundation (concessão 2121164) e financiamento do USC Center for Neuronal Longevity. Os dados de pesquisa relatados nesta publicação foram apoiados pelo Gabinete do Diretor dos Institutos Nacionais de Saúde sob o número de prêmio S10OD032285.