Pesquisadores do Instituto de Neuroimagem e Informática Mark e Mary Stevens da Escola de Medicina Keck da USC (Stevens INI) descobriram padrões organizacionais anteriormente não reconhecidos em uma das regiões-chave do cérebro para aprendizagem e memória. De acordo com os dados Comunicação da naturezaA seção CA1 do hipocampo de um camundongo possui quatro camadas distintas de tipos de células especializadas. O hipocampo desempenha um papel essencial na formação de memórias, direcionando a navegação espacial e influenciando as emoções, e a descoberta destas camadas fornece novos insights sobre como a informação passa através desta parte do cérebro. Também fornece pistas sobre por que certos tipos de células são particularmente vulneráveis a condições como a doença de Alzheimer e a epilepsia.
“Os investigadores suspeitam há muito tempo que diferentes partes da região CA1 do hipocampo governam 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, neurociência e 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. Pode esclarecer ainda mais por que certas condições dos neurônios CA1, como a doença de Alzheimer e a epilepsia, são mais vulneráveis: se uma doença atingir um tipo de célula em uma camada, os efeitos variarão dependendo de qual camada é mais proeminente em CA1”.
Imagens de RNA de alta resolução revelam diferenciação celular
Para examinar essa estrutura, a equipe de pesquisa usou uma técnica de rotulagem de RNA chamada RNAscope com microscopia de alta resolução. Essa abordagem permitiu monitorar a expressão gênica de uma única molécula dentro do tecido CA1 de camundongo e identificar tipos de neurônios individuais com base em seus genes ativados. A partir de 58.065 células piramidais CA1, os cientistas registraram mais de 330 mil moléculas de RNA, que representam instruções genéticas que ditam quando e onde os genes são expressos. Ao mapear esses padrões de atividade genética, eles criaram um atlas celular detalhado delineando os limites entre as células nervosas individuais na região CA1.
Os seus resultados mostraram que os neurónios CA1 têm quatro camadas distintas, cada uma distinguida pelo seu próprio padrão de genes activados. Vistas em três dimensões, essas camadas formam estruturas semelhantes a folhas que variam em espessura e tamanho ao longo do hipocampo. Este arranjo bem definido esclarece estudos anteriores que descreveram CA1 como uma mistura mais mista ou em mosaico de tipos de células.
“Listras” ocultas destacam a arquitetura interna do cérebro
“Quando visualizamos os padrões de RNA dos genes em resolução unicelular, pudemos ver listras claras como camadas geológicas na rocha, cada uma representando um tipo distinto de neurônio”, disse Maricarmen Pacchicano, pesquisadora de doutorado no Centro de Conectômica Integrativa do Stevens INI e co-primeiro autor do artigo. “É como levantar um véu sobre a 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 implicado 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 essas exemplificam como as imagens modernas e a ciência de dados podem mudar nossa visão da anatomia cerebral”, disse Arthur W. Toga, PhD, diretor do Stevens INI e da Cátedra Ghada Irani em Neurociências da 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 a pesquisa translacional visando a memória e a 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. Esta ferramenta permite aos pesquisadores explorar detalhadamente a estrutura em camadas do hipocampo.
Dado que este padrão em camadas em ratos se assemelha a sistemas semelhantes observados em primatas e humanos, incluindo variações comparáveis na espessura de CA1, os investigadores acreditam que a organização pode ser partilhada entre muitas espécies de mamíferos. Mais trabalho é necessário para determinar até que ponto esta estrutura em humanos corresponde ao que foi observado em ratos, mas os resultados fornecem um forte ponto de partida para pesquisas futuras 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. “Temos agora uma estrutura para estudar como camadas neuronais específicas contribuem para várias funções, como memória, navegação e emoção, e como a sua perturbação pode levar a doenças”.
Sobre o estudo
Além de Bienkowski e Pachicano, outros autores do estudo incluem Sre Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis e Byala Brenningstall.
Este trabalho foi financiado por fundos do National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, suplemento P30-AG066530-03S1), da National Science Foundation (concessão 2121164) e 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.
