Descubren capas ocultas en el centro de memoria del cerebro

Investigadores del Mark and Mary Stevens Neuroimaging and Informatics Institute en la Keck School of Medicine of USC descubrieron un patrón organizativo previamente no reconocido en una de las regiones clave del cerebro para el aprendizaje y la memoria. Según los hallazgos publicados en Nature Communications, la sección CA1 del hipocampo de un ratón contiene cuatro capas separadas de tipos celulares especializados. El hipocampo desempeña un papel esencial en la formación de recuerdos, la navegación espacial y la influencia de las emociones, y el descubrimiento de estas capas ofrece nuevas perspectivas sobre cómo se mueve la información a través de esta parte del cerebro. También proporciona pistas sobre por qué algunos tipos de células son especialmente vulnerables en condiciones como la enfermedad de Alzheimer y la epilepsia.

El Dr. Michael S. Bienkowski, autor principal del estudio y profesor asistente de fisiología y neurociencia, comentó: "Los investigadores han sospechado durante mucho tiempo que diferentes partes de la región CA1 del hipocampo manejan distintos aspectos del aprendizaje y la memoria, pero no estaba claro cómo estaban organizadas las células subyacentes".

El estudio demostró que las neuronas de CA1 están organizadas en cuatro bandas delgadas y continuas, cada una representando un tipo de neurona definido por una firma molecular única. Estas capas no son fijas; en cambio, cambian sutilmente en grosor a lo largo del hipocampo. Este patrón de cambio significa que cada parte de CA1 contiene su propia mezcla de tipos de neuronas, lo que ayuda a explicar por qué diferentes regiones apoyan diferentes comportamientos. Esto también podría aclarar por qué ciertas neuronas de CA1 son más vulnerables en condiciones como la enfermedad de Alzheimer y la epilepsia: si una enfermedad ataca el tipo celular de una capa, los efectos variarán dependiendo de dónde en CA1 esa capa sea más prominente.

Imágenes de alta resolución de ARN revelan distinciones celulares

Para examinar esta estructura, el equipo de investigación utilizó una técnica de etiquetado de ARN llamada RNAscope junto con microscopía de alta resolución. Este enfoque les permitió observar la expresión génica de molécula única dentro del tejido CA1 de ratón e identificar tipos de neuronas individuales según sus genes activos. De 58.065 células piramidales de CA1, los científicos registraron más de 330,000 moléculas de ARN, que representan las instrucciones genéticas que indican cuándo y dónde se expresan los genes. Al mapear estos patrones de actividad génica, produjeron un atlas celular detallado que delineaba los límites entre distintos tipos de células nerviosas en la región CA1.

Los resultados mostraron que CA1 contiene cuatro capas continuas de células nerviosas, cada una distinguida por su propio patrón de genes activos. Cuando se observan en tres dimensiones, estas capas forman estructuras similares a láminas que varían en grosor y forma a lo largo del hipocampo. Este arreglo bien definido aclara estudios anteriores que habían descrito CA1 como una mezcla más difusa o mosaico de tipos celulares.

"Rayas" ocultas destacan la arquitectura interna del cerebro

La doctora Maricarmen Pachicano, investigadora doctoral en el Centro de Conectómica Integrativa del Stevens INI y coautora del artículo, afirmó: "Cuando visualizamos los patrones de ARN génico a resolución de célula única, pudimos ver rayas claras, como capas geológicas en roca, cada una representando un tipo de neurona distinto. Es como levantar un velo sobre la arquitectura interna del cerebro. Estas capas ocultas pueden explicar las diferencias en cómo los circuitos del hipocampo apoyan el aprendizaje y la memoria".

Dado que el hipocampo es una de las primeras regiones afectadas en la enfermedad de Alzheimer y está involucrado en la epilepsia, la depresión y otras condiciones neurológicas, identificar la estructura en capas de CA1 ofrece una guía prometedora para determinar qué tipos de neuronas pueden estar más en riesgo a medida que estas enfermedades progresan.

Avanzando en el mapeo cerebral con imágenes modernas y ciencia de datos

El Dr. Arthur W. Toga, director del Stevens INI y presidente de la cátedra Ghada Irani en Neurociencia en la Keck School of Medicine de USC, comentó: "Descubrimientos como este ejemplifican cómo la imagen moderna y la ciencia de datos pueden transformar nuestra visión de la anatomía cerebral. Este trabajo se basa en la larga tradición del Stevens INI de mapear el cerebro a cada escala, desde moléculas hasta redes completas, e informará tanto la neurociencia básica como los estudios traslacionales dirigidos a la memoria y la cognición".

Un nuevo atlas de tipos celulares de CA1 disponible para investigadores

El equipo compiló sus hallazgos en un nuevo atlas de tipos celulares de CA1 utilizando datos del Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA). Este recurso está disponible de forma gratuita para científicos de todo el mundo e incluye visualizaciones interactivas en 3D accesibles a través de la aplicación de realidad aumentada Schol-AR desarrollada en el Stevens INI. La herramienta permite a los investigadores explorar la estructura en capas del hipocampo en gran detalle.

Dado que este patrón en capas en ratones se asemeja a arreglos similares observados en primates y humanos, incluyendo variaciones comparables en el grosor de CA1, los investigadores creen que la organización puede ser compartida entre muchas especies de mamíferos. Se necesita más trabajo para determinar cuán de cerca esta estructura en humanos coincide con lo que se ha observado en ratones, pero los hallazgos crean un sólido punto de partida para futuros estudios que examinen cómo la arquitectura del hipocampo apoya la memoria y la cognición.

El Dr. Bienkowski concluyó: "Entender cómo estas capas se conectan al comportamiento es la próxima frontera. Ahora tenemos un marco para estudiar cómo capas neuronales específicas contribuyen a funciones tan diferentes como la memoria, la navegación y la emoción, y cómo su interrupción puede llevar a enfermedades".

Acerca del estudio

Además de Bienkowski y Pachicano, los otros autores del estudio incluyen a Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis y Bayla Breningstall. Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud/Instituto Nacional de Envejecimiento y la Fundación Nacional de Ciencias. Los datos de investigación reportados en esta publicación fueron apoyados por la Oficina del Director de los Institutos Nacionales de Salud.