科學家發現大腦記憶中心的隱藏層

“研究人員長期以來一直懷疑海馬體 CA1 區域的不同部分處理學習和記憶的不同方面。不同但尚不清楚底層細胞是如何組織的，”該研究的資深作者、生理學助理教授 Michael S. Bienkowski 博士說。神經科學和生物醫學工程說

“我們的研究表明，CA1 神經元被組織成細帶。四個連續的條帶代表由獨特的分子特徵定義的不同神經元類型。這些層不是固定的。相反，它沿著海馬體的長度微妙地移動和改變厚度。這種移動模式意味著 CA1 的每個部分都有神經元類型的混合。這有助於解釋為什麼不同的區域因此支持不同的行為。它還可以解釋為什麼一些 CA1 神經元在阿爾茨海默病和癲癇等疾病中更容易受到傷害：如果疾病針對特定類型的細胞，影響將根據 CA1 該層最突出的位置而有所不同。”

高分辨率 RNA 成像揭示細胞差異

為了檢查這種結構，研究小組使用了一種稱為 RNAscope 的 RNA 標記技術，並結合高分辨率顯微鏡。這種方法使他們能夠觀察小鼠 CA1 組織內單基因分子的表達，並根據哪些基因處於活躍狀態來識別每種神經元類型。科學家們從 58.065 個 CA1 錐體細胞中記錄了超過 330,000 個 RNA 分子，這些分子代表了指示基因何時何地表達的遺傳指令。通過繪製這些基因的功能模式，他們創建了詳細的細胞圖譜，概述了 CA1 區域不同神經元類型之間的界限。

結果顯示CA1有四層連續的神經元。每個類別根據其自己的活躍基因模式而有所不同。從三個維度觀察時，這些層形成片狀結構，其厚度和形狀在海馬體中各不相同。這種明確的排列揭示了之前的研究，這些研究將 CA1 描述為更多的細胞類型或嵌合體的混合物。

隱藏的“條形”凸顯大腦內部結構

史蒂文斯 INI 綜合中心的博士研究員、該論文的共同第一作者 Maricarmen Pachicano 表示：“當我們以單細胞分辨率可視化基因的 RNA 模式時，我們可以看到清晰的條帶，例如岩石中的地質層。每一層代表不同類型的神經元。“這就像揭開了大腦內部結構的帷幕。這些隱藏層可以解釋海馬迴路如何支持學習和記憶的差異。 ”

因為海馬體是最先受到阿爾茨海默病影響的區域之一，並且與癲癇、抑鬱症和其他神經系統疾病有關。因此，識別 CA1 的分層結構代表了一種有前途的方法，可以確定隨著這些疾病的進展哪些神經元類型可能面臨最大的風險。

利用尖端成像和數據科學推進大腦繪圖

“這樣的發現是現代成像和數據科學如何改變我們對大腦解剖學看法的一個很好的例子，”史蒂文斯 INI 主任、南加州大學凱克醫學院 Ghada Israel 神經病學主席 Arthur W. Toga 博士說。 “這項工作建立在 Stevens INI 繪製各種大小大腦圖譜的悠久傳統之上。從分子到整個網絡，將為基礎神經科學和針對記憶和認知的轉化研究提供信息。”

為研究人員提供的新 CA1 細胞類型圖譜

該團隊利用海馬基因表達圖譜 (HGEA) 的數據將他們的發現編譯成新的 CA1 細胞類型圖譜。世界各地的科學家可以免費獲取該資源。它還包括交互式 3D 可視化，可通過 Stevens INI 開發的 Schol-AR 增強現實應用程序訪問。該工具使研究人員能夠詳細探索海馬體的分層結構。

這是因為小鼠體內各層的佈局與哺乳動物和人類中發現的類似排列相似。這包括 CA1 厚度的類似變化。因此，研究人員認為，這種組織可能是許多哺乳動物共有的。需要進一步的工作來確定人類的這種結構在多大程度上與在小鼠中觀察到的相匹配。但這些發現為未來研究海馬結構如何支持記憶和認知奠定了重要的起點。

“了解這些層如何與行為聯繫起來是下一個前沿領域，”Bienkowski 說。 “我們現在有了一個框架來研究特定神經元層如何促進記憶、導航和情感等功能，以及它們的破壞如何導致疾病。”

教育性的

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

這項工作得到了美國國立衛生研究院/國家老齡化研究所的支持。 （K01AG066847、R36AG087310-01、補充 P30-AG066530-03S1）、國家科學基金會撥款（撥款 2121164）以及南加州大學神經元長壽中心的資助。本出版物中報告的研究得到了主任辦公室的支持。美國國立衛生研究院，獎項編號：S10OD032285