Cientistas descobrem camadas ocultas no centro de memória do cérebro

“Pesquisadores há muito suspeitam que diferentes partes da região CA1 do hipocampo lidam com diferentes aspectos do aprendizado e da memória, mas não estava claro como as células subjacentes estavam organizadas”, disse Michael S. Bienkowski, PhD, autor sênior do estudo e professor assistente de fisiologia e neurociência e de engenharia biomédica.

“Nosso estudo mostra que os neurônios da CA1 estão organizados em quatro faixas finas e contínuas, cada uma representando um tipo de neurônio distinto definido por uma assinatura molecular única. Essas camadas não estão fixas; em vez disso, elas mudam sutilmente e alteram sua espessura ao longo do comprimento do hipocampo. Esse padrão de mudança significa que cada parte da CA1 contém sua própria mistura de tipos neuronais, o que ajuda a explicar por que diferentes regiões suportam comportamentos distintos. Isso também pode esclarecer por que certos neurônios da CA1 são mais vulneráveis em condições como a doença de Alzheimer e a epilepsia: se uma doença ataca o tipo celular de uma camada, os efeitos variarão dependendo de onde essa camada é mais proeminente na CA1.”

Imagens de RNA de alta resolução revelam distinções celulares

Para examinar essa estrutura, a equipe de pesquisa utilizou uma técnica de identificação de RNA chamada RNAscope juntamente com microscopia de alta resolução. Essa abordagem permitiu que eles observassem a expressão de genes em moléculas únicas dentro do tecido da CA1 de camundongos e identificassem tipos neuronais individuais com base em seus genes ativos. A partir de 58.065 células piramidais da CA1, os cientistas registraram mais de 330.000 moléculas de RNA, que representam as instruções genéticas que indicam quando e onde os genes são expressos. Ao mapear esses padrões de atividade gênica, eles produziram um atlas celular detalhado delineando as fronteiras entre os distintos tipos de células nervosas na região CA1.

Os resultados mostraram que a CA1 contém quatro camadas contínuas de células nervosas, cada uma distinguida por seu próprio padrão de genes ativos. Quando vistas em três dimensões, essas camadas formam estruturas semelhantes a folhas que variam em espessura e forma ao longo do hipocampo. Esse arranjo bem definido esclarece estudos anteriores que haviam descrito a CA1 como uma mistura mais mesclada ou mosaica de tipos celulares.

“Listras” ocultas destacam a arquitetura interna do cérebro

“Quando visualizamos os padrões de RNA gênico em resolução de célula única, pudemos ver listras claras, como camadas geológicas em rocha, cada uma representando um tipo de neurônio distinto”, disse Maricarmen Pachicano, pesquisadora de doutorado no Centro de Conectômica Integrativa do Stevens INI e co-primeira autora do artigo. “É como levantar um véu sobre a arquitetura interna do cérebro. Essas camadas ocultas podem explicar as diferenças em como os circuitos hipocampais suportam 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, identificar a estrutura em camadas da CA1 oferece um guia promissor para determinar quais tipos de neurônios podem estar mais em risco à medida que esses distúrbios progridem.

Avançando o mapeamento cerebral com técnicas modernas de imagem e ciência de dados

“Descobertas como esta exemplificam como a imagem moderna e a ciência de dados podem transformar nossa visão da anatomia cerebral”, disse Arthur W. Toga, PhD, diretor do Stevens INI e titular da Cátedra Ghada Irani em Neurociência da Keck School of Medicine da USC. “Este trabalho se baseia 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 estudos translacionais voltados para a memória e cognição.”

Um novo atlas de tipos celulares da CA1 disponível para pesquisadores

A equipe compilou suas descobertas em um novo atlas de tipos celulares da CA1 usando dados do Atlas de Expressão Gênica do Hipocampo (HGEA). Esse recurso está disponível gratuitamente para cientistas em todo o mundo e inclui visualizações interativas em 3D acessíveis por meio do aplicativo de realidade aumentada Schol-AR desenvolvido no Stevens INI. A ferramenta permite que os pesquisadores explorem a estrutura em camadas do hipocampo em grande detalhe.

Como esse padrão em camadas em camundongos se assemelha a arranjos semelhantes observados em primatas e humanos, incluindo variações comparáveis na espessura da CA1, os pesquisadores acreditam que a organização pode ser compartilhada entre muitas espécies de mamíferos. Mais estudos são necessários para determinar quão próximo essa estrutura em humanos corresponde ao que foi observado em camundongos, mas as descobertas criam um forte ponto de partida para estudos futuros examinando como a arquitetura hipocampal suporta a memória e a cognição.

“Entender como essas camadas se conectam ao comportamento é a próxima fronteira”, disse Bienkowski. “Agora temos uma estrutura para estudar como camadas neuronais específicas 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 sobre o Envelhecimento (K01AG066847, R36AG087310-01, suplemento P30-AG066530-03S1), pela Fundação Nacional de Ciências (grant 2121164) e pelo financiamento do USC Center for Neuronal Longevity. Os dados da pesquisa relatados nesta publicação foram apoiados pelo Escritório do Diretor dos Institutos Nacionais de Saúde sob o número de concessão S10OD032285.