Pesquisadores do Instituto Mark e Mary Stevens de Neuroimagem e Informática (Stevens INI) da Escola de Medicina Keck (USC) descobriram um padrão organizacional anteriormente não reconhecido em uma das regiões-chave do cérebro para aprendizagem e memória. De acordo com as conclusões relatadas em Comunicações da naturezaa seção CA1 do hipocampo do camundongo contém quatro camadas distintas de tipos de células especializadas. O hipocampo desempenha um papel essencial na formação de memórias, no controle da navegação espacial e na influência das emoções, e a descoberta dessas camadas oferece novos insights sobre como a informação se move 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 há muito suspeitam que diferentes partes da região CA1 do hipocampo processam diferentes aspectos da aprendizagem e da memória, mas não estava claro como as células subjacentes estavam organizadas”, disse Michael Biankowski, Ph.D., autor sénior do estudo e professor associado 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 uma assinatura molecular única. Essas camadas não são fixas no lugar; em vez disso, elas mudam sutilmente e variam em espessura ao longo do comprimento do hipocampo. Esse padrão de viés 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. Também pode explicar por que alguns neurônios CA1 são mais vulneráveis em condições como a doença de Alzheimer e epilepsia: se a doença atingir células de uma camada, os efeitos serão diferentes dependendo de onde em CA1 essa camada é mais proeminente”.
Imagens de alta resolução de RNA revelam diferenças celulares
Para examinar essa estrutura, a equipe de pesquisa usou uma técnica de marcação de RNA chamada RNAscope junto com microscopia de alta resolução. Esta abordagem permitiu-lhes observar a expressão de uma única molécula genética no tecido CA1 do rato e identificar tipos individuais de neurónios com base nos seus genes activos. A partir de 58.065 células piramidais CA1, os cientistas registaram mais de 330.000 moléculas de ARN, que representam as instruções genéticas que dizem quando e onde expressar os genes. Ao mapear esses padrões de atividade genética, eles criaram um atlas celular detalhado que delineou os limites entre os diferentes tipos de células nervosas na região CA1.
Os resultados mostraram que CA1 contém quatro camadas contínuas de células nervosas, cada uma com seu próprio padrão de genes ativos. 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 explica estudos anteriores que descreveram CA1 como uma mistura mais mista ou em mosaico de tipos de células.
“Listras” ocultas enfatizam a arquitetura interna do cérebro
“Quando visualizamos os padrões de RNA dos genes na resolução unicelular, pudemos ver bandas distintas, semelhantes a camadas geológicas de rocha, cada uma representando um tipo distinto de neurônio”, disse Maricarmen Pacicana, pós-doutorado no Stevens Center for Integrative Connectomics do INI e um dos autores do artigo. “É como levantar a cortina da 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 pela doença de Alzheimer e tem sido implicado na epilepsia, depressão e outras condições neurológicas, a identificação da estrutura em camadas do CA1 oferece um guia promissor para identificar os tipos de neurônios que podem estar em maior risco à medida que esses distúrbios progridem.
Aumentando o mapa cerebral com visualização moderna e ciência de dados
“Descobertas como essas mostram como as imagens modernas e a ciência de dados podem mudar a maneira como olhamos para a anatomia do cérebro”, disse Arthur W. Togo, Ph.D., diretor do INI Stevens e do Departamento de Neurologia Ghada Irani da Escola de Medicina Keck da USC. “Este trabalho baseia-se na longa tradição do Stevens INI de gerar imagens do 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 de tipo de célula CA1 está disponível para pesquisadores
A equipe compilou suas descobertas em um novo atlas de tipo de célula CA1 usando dados do Hippocampal 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 examinar detalhadamente a estrutura em camadas do hipocampo.
Dado que este padrão multicamadas em ratos se assemelha a um mecanismo semelhante observado em primatas e humanos, incluindo variações comparáveis na espessura de CA1, os investigadores sugerem que esta organização pode ser comum a 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 fornecem 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 relacionam com o comportamento é a próxima fronteira”, disse Bienkowski. “Temos agora uma estrutura para estudar como camadas específicas de neurônios contribuem para funções tão diversas como memória, navegação e emoção, e como sua interrupção pode levar a doenças”.
Sobre estudos
Além de Biankowski e Pachikan, outros autores do estudo incluem Sri Matta, Angelo Hurtado, Tyler Ard, Jim Stannis e Baila Branningstall.
Este trabalho foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde/Instituto Nacional sobre Envelhecimento (K01AG066847, R36AG087310-01, Suplemento P30-AG066530-03S1), pela National Science Foundation (concessão 2121164) e pelo financiamento do Centro de Longevidade Neural da USC. Os dados de pesquisa apresentados nesta publicação foram apoiados pelo Gabinete do Diretor dos Institutos Nacionais de Saúde sob o prêmio número S10OD032285.
