先进的分子绘图技术揭示了海马体CA1区域沿长度分布的四种不同神经元层次结构。这一新发现的结构有助于阐明记忆回路如何运作，以及为何某些细胞会在阿尔茨海默病等疾病中退化。
南加州大学凯克医学院的马克和玛丽·史蒂文斯神经影像与信息学研究所（Stevens INI）研究人员发现了一个先前未被识别的大脑组织模式，该区域是学习和记忆的关键区域之一。根据发表在《自然通讯》杂志上的研究结果，小鼠海马体的CA1部分包含四种不同类型的特化细胞层。海马体在形成记忆、指导空间导航和影响情绪方面发挥着关键作用，这些层次的发现为了解信息如何通过大脑这一部分提供了新的见解。它还提供了关于为什么某些细胞类型在阿尔茨海默病和癫痫等疾病中特别脆弱的线索。
"研究人员长期以来一直怀疑海马体CA1区域的不同部分处理学习和记忆的不同方面，但尚不清楚基础细胞是如何排列的，"该研究的高级作者、生理学、神经科学和生物医学工程助理教授Michael S. Bienkowski博士说。
"我们的研究表明，CA1神经元被组织成四条薄而连续的带，每条带代表一种由独特分子特征定义的不同神经元类型。这些层次并非固定不变；相反，它们沿着海马体的长度微妙地移动并改变厚度。这种移动模式意味着CA1的每个部分都包含其自身的神经元类型组合，这有助于解释为什么不同区域支持不同的行为。这也可能阐明为什么某些CA1神经元在阿尔茨海默病和癫痫等疾病中更为脆弱：如果某种疾病针对某一层次的细胞类型，其影响将取决于该层次在CA1中最突出的位置。"
高分辨率RNA成像揭示细胞差异
为了研究这一结构，研究团队使用了一种称为RNAscope的RNA标记技术，结合高分辨率显微镜。这种方法使他们能够观察小鼠CA1组织内的单分子基因表达，并根据活跃基因识别单个神经元类型。从58,065个CA1锥体细胞中，科学家记录了超过330,000个RNA分子，这些分子代表了指示基因何时何地表达的遗传指令。通过绘制这些基因活动模式，他们制作了一个详细的细胞图谱，勾勒出CA1区域不同神经细胞类型之间的边界。
他们的结果显示，CA1包含四层连续的神经细胞，每层都以其独特的活跃基因模式为特征。在三维视图中，这些层次形成类似薄片的结构，沿着海马体的长度在厚度和形状上有所变化。这种明确的排列澄清了早期将CA1描述为更混合或马赛克状细胞类型混合物的研究。
隐藏的"条纹"揭示大脑内部结构
"当我们以单细胞分辨率可视化基因RNA模式时，我们可以看到清晰的条纹，就像岩石中的地质层一样，每条代表一种不同的神经元类型，"Stevens INI综合连接组学中心的博士研究员、该论文的共同第一作者Maricarmen Pachicano说。"这就像揭开了大脑内部结构的面纱。这些隐藏的层次可能解释海马回路如何支持学习和记忆的差异。"
由于海马体是阿尔茨海默病最早受影响的区域之一，并且参与癫痫、抑郁症和其他神经疾病，确定CA1的层次结构为确定随着这些疾病进展哪些神经元类型可能面临最大风险提供了一个有希望的指导。
利用现代成像和数据科学推进大脑绘图
"这样的发现例证了现代成像和数据科学如何改变我们对大脑解剖学的看法，"南加州大学凯克医学院Stevens INI主任、神经科学Ghada Irani讲席教授Arthur W. Toga博士说。"这项工作建立在Stevens INI长期从分子到整个网络的各个尺度绘制大脑图谱的传统基础上，将为针对记忆和认知的基础神经科学和转化研究提供信息。"
为研究人员提供新的CA1细胞类型图谱
研究团队利用海马体基因表达图谱（Hippocampus Gene Expression Atlas, HGEA）的数据，将其发现编纂成一个新的CA1细胞类型图谱。这一资源向全球科学家免费提供，包括通过Stevens INI开发的Schol-AR增强现实应用程序可访问的交互式3D可视化。该工具使研究人员能够详细探索海马体的层次结构。
由于小鼠中的这种层次模式与灵长类动物和人类中观察到的类似排列相似，包括CA1厚度的可比变化，研究人员认为这种组织可能在许多哺乳动物物种中共享。需要进一步工作来确定人类中的这种结构与在小鼠中观察到的匹配程度，但这些发现为未来研究海马体结构如何支持记忆和认知提供了一个强有力的起点。
Bienkowski说："了解这些层次如何与行为相连是下一个前沿领域。我们现在有了一个框架来研究特定神经元层次如何贡献于记忆、导航和情绪等不同功能，以及它们的破坏如何导致疾病。"
关于这项研究
除了Bienkowski和Pachicano之外，该研究的其他作者还包括Shrey Mehta、Angela Hurtado、Tyler Ard、Jim Stanis和Bayla Breningstall。
这项工作得到了美国国立卫生研究院/国家老龄化研究所（K01AG066847、R36AG087310-01、补充P30-AG066530-03S1）、国家科学基金会（资助号2121164）以及南加州大学神经元长寿中心的资金支持。本出版物报告的研究数据得到了美国国立卫生研究院主任办公室在S10OD032285奖项下的支持。
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