La mappa del cervello mostra i quattro strati segreti dietro il modo in cui ricordiamo / Brain Map Shows Four Secret Layers Behind How We Remember
La mappa del cervello mostra i quattro strati segreti dietro il modo in cui ricordiamo. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questo tipo di applicazione. / Brain Map Shows Four Secret Layers Behind How We Remember. The procedure of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this type of application.
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I ricercatori del Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute ( Stevens INI ) della Keck School of Medicine della USC hanno identificato un modello di organizzazione precedentemente sconosciuto in una delle aree cerebrali più importanti per l'apprendimento e la memoria. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, rivela che la regione CA1 dell'ippocampo di un topo, una struttura vitale per la formazione della memoria, l'orientamento spaziale e le emozioni, presenta quattro distinti strati di tipi di cellule specializzate. Questa scoperta cambia la nostra comprensione di come le informazioni vengono elaborate nel cervello e potrebbe spiegare perché alcune cellule sono più vulnerabili in malattie come l'Alzheimer e l'epilessia.
"I ricercatori sospettano da tempo che diverse parti della regione CA1 dell'ippocampo gestiscano aspetti diversi dell'apprendimento e della memoria, ma non era chiaro come fossero organizzate le cellule sottostanti", ha affermato Michael S. Bienkowski, PhD, autore principale dello studio e professore associato di fisiologia e neuroscienze e di ingegneria biomedica.
"Il nostro studio dimostra che i neuroni CA1 sono organizzati in quattro bande sottili e continue, ciascuna delle quali rappresenta un diverso tipo di neurone definito da una firma molecolare unica. Questi strati non sono fissi in una posizione; al contrario, si spostano e cambiano leggermente di spessore lungo la lunghezza dell'ippocampo. Questo schema mutevole significa che ogni parte di CA1 contiene il proprio mix di tipi di neuroni, il che aiuta a spiegare perché regioni diverse supportano comportamenti diversi. Questo potrebbe anche chiarire perché alcuni neuroni CA1 sono più vulnerabili in condizioni come il morbo di Alzheimer e l'epilessia: se una malattia colpisce il tipo cellulare di uno strato, gli effetti varieranno a seconda della posizione in CA1 in cui quello strato è più prominente."
Utilizzando un potente metodo di marcatura dell'RNA chiamato RNAscope con imaging microscopico ad alta risoluzione, il gruppo ha catturato istantanee nitide dell'espressione genica di singole molecole per identificare i tipi di cellule CA1 all'interno del tessuto cerebrale del topo. All'interno di 58.065 cellule piramidali CA1, hanno visualizzato oltre 330.000 molecole di RNA, i messaggi genetici che mostrano quando e dove i geni vengono attivati. Tracciando questi modelli di attività, i ricercatori hanno creato una mappa dettagliata che mostra i confini tra i diversi tipi di cellule nervose nella regione CA1 dell'ippocampo.
I risultati hanno mostrato che la regione CA1 è costituita da quattro strati continui di cellule nervose, ciascuno contrassegnato da un distinto insieme di geni attivi. In 3D, questi strati formano strati che variano leggermente in spessore e struttura lungo la lunghezza dell'ippocampo. Questo chiaro schema a strati aiuta a dare un senso a studi precedenti che consideravano la regione come un mix più graduale od un mosaico di tipi cellulari.
"Quando abbiamo visualizzato i modelli di RNA genico a risoluzione di singola cellula, abbiamo potuto vedere strisce chiare, come strati geologici nella roccia, ognuna rappresentante un distinto tipo di neurone", ha affermato Maricarmen Pachicano, ricercatrice di dottorato presso il Center for Integrative Connectomics dello Stevens INI e co-prima autrice dell'articolo. "È come sollevare un velo sull'architettura interna del cervello. Questi strati nascosti potrebbero spiegare le differenze nel modo in cui i circuiti dell'ippocampo supportano l'apprendimento e la memoria".
L'ippocampo è tra le prime regioni colpite dal morbo di Alzheimer ed è anche implicato nell'epilessia, nella depressione ed in altre patologie neurologiche. Svelando la struttura stratificata del CA1, lo studio fornisce una mappa per indagare quali specifici tipi di neuroni siano più vulnerabili in questi disturbi.
"Scoperte come questa esemplificano come l'imaging moderno e la scienza dei dati possano trasformare la nostra visione dell'anatomia cerebrale", ha affermato Arthur W. Toga, PhD , direttore dello Stevens INI e titolare della cattedra Ghada Irani in Neuroscienze presso la Keck School of Medicine della USC. "Questo lavoro si basa sulla lunga tradizione dello Stevens INI di mappare il cervello ad ogni scala, dalle molecole alle reti intere, ed informerà sia le neuroscienze di base che gli studi traslazionali mirati alla memoria ed alla cognizione".
Il nuovo atlante dei tipi cellulari CA1, costruito utilizzando i dati dell'Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA), è disponibile gratuitamente per la comunità scientifica globale. Il set di dati include visualizzazioni 3D interattive accessibili tramite l' app di realtà aumentata Schol-AR, creata presso lo Stevens INI, che consente agli scienziati di esplorare gli strati dell'ippocampo con un dettaglio senza precedenti.
Poiché questo schema a strati nei topi assomiglia a quanto osservato nei cervelli dei primati e degli esseri umani, incluso il modo in cui la regione CA1 cambia di spessore, i ricercatori ritengono che possa essere una caratteristica comune a molti cervelli di mammiferi. Sebbene siano necessari ulteriori studi per confermare questa organizzazione negli esseri umani, la scoperta fornisce una base promettente per future ricerche comparative e traslazionali su come l'architettura dell'ippocampo supporti la memoria e la cognizione.
"Capire come questi strati si collegano al comportamento è la prossima frontiera", ha affermato Bienkowski. "Ora disponiamo di un quadro per studiare come specifici strati di neuroni contribuiscano a funzioni così diverse come la memoria, la navigazione e le emozioni, e come la loro alterazione possa portare a malattie".
ENGLISH
Scientists discovered four hidden layers in the brain’s memory hub, offering new clues to how learning and memory work.
Researchers at the Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute (Stevens INI) at the Keck School of Medicine of USC have identified a previously unknown pattern of organization in one of the brain’s most important areas for learning and memory. The study, published in Nature Communications, reveals that the CA1 region of a mouse’s hippocampus, a structure vital for memory formation, spatial navigation, and emotions, has four distinct layers of specialized cell types. This discovery changes our understanding of how information is processed in the brain and could explain why certain cells are more vulnerable in diseases like Alzheimer’s and epilepsy.
“Researchers have long suspected that different parts of the hippocampus’ CA1 region handle different aspects of learning and memory, but it wasn’t clear how the underlying cells were arranged,” said Michael S. Bienkowski, PhD, senior author of the study and assistant professor of physiology and neuroscience and of biomedical engineering.
“Our study shows that CA1 neurons are organized into four thin, continuous bands, each representing a different neuron type defined by a unique molecular signature. These layers aren’t fixed in place; instead, they subtly shift and change in thickness along the length of the hippocampus. This shifting pattern means that each part of CA1 contains its own mix of neuron types, which helps explain why different regions support different behaviors. This may also clarify why certain CA1 neurons are more vulnerable in conditions like Alzheimer’s disease and epilepsy: if a disease targets one layer’s cell type, the effects will vary depending on where in CA1 that layer is most prominent.”
Using a powerful RNA labeling method called RNAscope with high-resolution microscopy imaging, the team captured clear snapshots of single-molecule gene expression to identify CA1 cell types inside mouse brain tissue. Within 58.065 CA1 pyramidal cells, they visualized more than 330,000 RNA molecules—the genetic messages that show when and where genes are turned on. By tracing these activity patterns, the researchers created a detailed map showing the borders between different types of nerve cells across the CA1 region of the hippocampus.
The results showed that the CA1 region consists of four continuous layers of nerve cells, each marked by a distinct set of active genes. In 3D, these layers form sheets that vary slightly in thickness and structure along the length of the hippocampus. This clear, layered pattern helps make sense of earlier studies that saw the region as a more gradual mix or mosaic of cell types.
“When we visualized gene RNA patterns at single-cell resolution, we could see clear stripes, like geological layers in rock, each representing a distinct neuron type,” said Maricarmen Pachicano, doctoral researcher at the Stevens INI’s Center for Integrative Connectomics and co–first author of the paper. “It’s like lifting a veil on the brain’s internal architecture. These hidden layers may explain differences in how hippocampal circuits support learning and memory.”
The hippocampus is among the first regions affected in Alzheimer’s disease and is also implicated in epilepsy, depression, and other neurological conditions. By revealing the CA1’s layered structure, the study provides a roadmap to investigate which specific neuron types are most vulnerable in these disorders.
“Discoveries like this exemplify how modern imaging and data science can transform our view of brain anatomy,” said Arthur W. Toga, PhD, director of the Stevens INI and the Ghada Irani Chair in Neuroscience at the Keck School of Medicine of USC. “This work builds on the Stevens INI’s long tradition of mapping the brain at every scale, from molecules to whole networks, and will inform both basic neuroscience and translational studies targeting memory and cognition.”
The new CA1 cell-type atlas, built using data from the Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA), is freely available to the global research community. The dataset includes interactive 3D visualizations accessible through the Schol-AR augmented-reality app, created at the Stevens INI, which allows scientists to explore hippocampal layers in unprecedented detail.
Because this layered pattern in mice resembles what has been seen in primate and human brains—including how the CA1 region changes in thickness—the researchers think it may be a common feature across many mammalian brains. While additional studies are needed to confirm this organization in humans, the finding provides a promising foundation for future comparative and translational research into how hippocampal architecture supports memory and cognition.
“Understanding how these layers connect to behavior is the next frontier,” Bienkowski said. “We now have a framework to study how specific neuron layers contribute to such different functions like memory, navigation, and emotion, and how their disruption may lead to disease.”
Da:
https://www.technologynetworks.com/proteomics/news/brain-map-shows-four-secret-layers-behind-how-we-remember-407634
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