Исследователи из Института нейровизуализации и информатики имени Марка и Мэри Стивенсов (Stevens INI) при Медицинской школе Кека Университета Южной Калифорнии обнаружили ранее неизвестную организационную структуру в ключевой области мозга, отвечающей за обучение и память. Согласно результатам, опубликованным в журнале Nature Communications, область СА1 гиппокампа мыши состоит из четырёх отдельных слоёв специализированных типов клеток. Гиппокамп играет важнейшую роль в формировании воспоминаний, пространственной навигации и влиянии на эмоции, и открытие этих слоёв предлагает новое понимание того, как информация обрабатывается в этой части мозга. Это также даёт подсказки относительно того, почему некоторые типы клеток особенно уязвимы при таких состояниях, как болезнь Альцгеймера и эпилепсия.
Долгое время оставалось неясным, как именно организованы клетки в области СА1 гиппокампа, хотя учёные предполагали, что её различные части отвечают за разные аспекты обучения и памяти. Доктор Майкл С. Беньковский, старший автор исследования и доцент физиологии, неврологии и биомедицинской инженерии, пояснил, что обнаруженные нейроны СА1 организованы в четыре тонкие, непрерывные полосы. Каждая полоса представляет собой определённый тип нейронов, характеризующийся уникальной молекулярной сигнатурой. Эти слои не являются статичными – они тонко смещаются и изменяют свою толщину по всей длине гиппокампа. Такое динамическое расположение означает, что каждая часть СА1 содержит свой собственный набор типов нейронов, что помогает объяснить, почему различные участки поддерживают разные виды поведения. Это также проясняет, почему определённые нейроны СА1 более уязвимы при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера и эпилепсия: если болезнь нацелена на клеточный тип одного слоя, последствия будут зависеть от того, насколько этот слой выражен в конкретной части СА1.
Для изучения этой структуры исследовательская группа применила метод мечения РНК под названием RNAscope в сочетании с микроскопией высокого разрешения. Такой подход позволил наблюдать экспрессию отдельных молекул генов внутри ткани СА1 мыши и идентифицировать индивидуальные типы нейронов на основе их активных генов. Учёные зафиксировали более 330 тысяч молекул РНК из 58 065 пирамидных клеток СА1, представляющих генетические инструкции, указывающие, когда и где выражаются гены. Сопоставив эти паттерны активности генов, они создали подробный клеточный атлас, очерчивающий границы между различными типами нервных клеток в области СА1.
Результаты показали, что СА1 содержит четыре непрерывных слоя нервных клеток, каждый из которых отличается собственным паттерном активных генов. При рассмотрении в трёх измерениях эти слои образуют листообразные структуры, которые меняются по толщине и форме по всей длине гиппокампа. Эта чётко определённая организация проясняет более ранние исследования, описывавшие СА1 как более смешанную или мозаичную комбинацию типов клеток.
«Когда мы визуализировали паттерны РНК генов с разрешением на уровне одной клетки, мы увидели чёткие полосы, похожие на геологические слои в горной породе, каждая из которых представляла отдельный тип нейронов», – отметила Марикармен Пачикано, докторант Центра интегративной коннектомики Stevens INI и соавтор исследования. «Это словно снятие завесы с внутренней архитектуры мозга. Эти скрытые слои могут объяснить различия в том, как гиппокампальные цепи поддерживают обучение и память».
Поскольку гиппокамп является одной из первых областей, поражаемых при болезни Альцгеймера, и участвует в развитии эпилепсии, депрессии и других неврологических состояний, идентификация слоистой структуры СА1 предлагает многообещающее направление для определения того, какие типы нейронов могут быть наиболее подвержены риску по мере прогрессирования этих расстройств.
Артур В. Тога, директор Stevens INI и заведующий кафедрой неврологии имени Гады Ирани в Медицинской школе Кека Университета Южной Калифорнии, подчеркнул, что подобные открытия показывают, как современные методы визуализации и анализа данных способны изменить наше представление об анатомии мозга. Он добавил, что эта работа продолжает давние традиции Stevens INI в картировании мозга на всех уровнях – от молекул до целых нейронных сетей – и послужит основой как для фундаментальной нейробиологии, так и для трансляционных исследований, направленных на изучение памяти и познавательной функции.
Команда исследователей объединила свои открытия в новый атлас клеточных типов СА1, используя данные из Атласа экспрессии генов гиппокампа (HGEA). Этот ресурс свободно доступен учёным по всему миру и включает интерактивные 3D-визуализации, к которым можно получить доступ через приложение дополненной реальности Schol-AR, разработанное в Stevens INI. Инструмент позволяет исследователям детально изучать слоистую структуру гиппокампа.
Поскольку обнаруженный слоистый паттерн у мышей напоминает аналогичные структуры у приматов и людей, включая сопоставимые изменения толщины СА1, исследователи полагают, что такая организация может быть характерна для многих видов млекопитающих. Для точного определения того, насколько эта структура у человека соответствует наблюдениям у мышей, необходимы дальнейшие исследования. Тем не менее, полученные данные создают прочную основу для будущих работ по изучению того, как архитектура гиппокампа поддерживает память и когнитивные функции.
«Понимание того, как эти слои связаны с поведением, является следующей границей исследований, – сказал Беньковский. – Теперь у нас есть основа для изучения того, как определённые слои нейронов способствуют таким различным функциям, как память, навигация и эмоции, и как их нарушение может привести к заболеваниям».
