Des scientifiques découvrent des couches cachées dans le centre de la mémoire du cerveau
Des chercheurs de l’Institut de neuroimagerie et d’informatique Mark et Mary Stevens (Stevens INI) de la Keck School of Medicine de l’USC ont découvert un modèle organisationnel jusqu’alors méconnu dans l’une des régions clés du cerveau pour l’apprentissage et la mémoire. Selon les conclusions rapportées dans Communications naturellesla section CA1 de l’hippocampe d’une souris contient quatre couches distinctes de types cellulaires spécialisés. L’hippocampe joue un rôle essentiel dans la formation des souvenirs, dans le guidage de la navigation spatiale et dans l’influence des émotions, et la découverte de ces couches offre de nouvelles informations sur la façon dont l’information circule dans cette partie du cerveau. Cela fournit également des indices sur les raisons pour lesquelles certains types de cellules sont particulièrement vulnérables dans des conditions telles que la maladie d’Alzheimer et l’épilepsie.
“Les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que différentes parties de la région CA1 de l’hippocampe gèrent différents aspects de l’apprentissage et de la mémoire, mais la manière dont les cellules sous-jacentes étaient disposées n’était pas claire”, a déclaré Michael S. Bienkowski, PhD, auteur principal de l’étude et professeur adjoint de physiologie, de neurosciences et de génie biomédical.
“Notre étude montre que les neurones CA1 sont organisés en quatre bandes fines et continues, chacune représentant un type de neurone différent défini par une signature moléculaire unique. Ces couches ne sont pas fixées en place ; au lieu de cela, elles se déplacent et changent subtilement d’épaisseur le long de l’hippocampe. Ce modèle changeant signifie que chaque partie de CA1 contient son propre mélange de types de neurones, ce qui aide à expliquer pourquoi différentes régions soutiennent différents comportements. Cela peut également clarifier pourquoi certains neurones CA1 sont plus vulnérables dans des conditions comme la maladie d’Alzheimer et épilepsie : si une maladie cible le type cellulaire d’une couche, les effets varieront en fonction de l’endroit où cette couche est la plus importante dans CA1. »
L’imagerie haute résolution de l’ARN révèle des distinctions cellulaires
Pour examiner cette structure, l’équipe de recherche a utilisé une technique de marquage de l’ARN appelée RNAscope ainsi qu’une microscopie à haute résolution. Cette approche leur a permis d’observer l’expression d’une seule molécule dans le tissu CA1 de souris et d’identifier des types de neurones individuels en fonction de leurs gènes actifs. À partir de 58 065 cellules pyramidales CA1, les scientifiques ont enregistré plus de 330 000 molécules d’ARN, qui représentent les instructions génétiques qui indiquent quand et où les gènes sont exprimés. En cartographiant ces modèles d’activité génétique, ils ont produit un atlas cellulaire détaillé décrivant les limites entre les types distincts de cellules nerveuses dans la région CA1.
Leurs résultats ont montré que CA1 contient quatre couches continues de cellules nerveuses, chacune se distinguant par son propre modèle de gènes actifs. Vus en trois dimensions, ces couches forment des structures en forme de feuille dont l’épaisseur et la forme varient le long de l’hippocampe. Cet arrangement bien défini clarifie des études antérieures qui décrivaient CA1 comme un mélange de types de cellules plus mélangés ou en mosaïque.
Des « rayures » cachées mettent en valeur l’architecture interne du cerveau
“Lorsque nous avons visualisé les modèles d’ARN des gènes à une résolution unicellulaire, nous avons pu voir des rayures claires, comme des couches géologiques dans la roche, chacune représentant un type de neurone distinct”, a déclaré Maricarmen Pachicano, doctorante au Centre de connectomique intégrative de Stevens INI et co-premier auteur de l’article. “C’est comme lever le voile sur l’architecture interne du cerveau. Ces couches cachées peuvent expliquer les différences dans la manière dont les circuits hippocampiques soutiennent l’apprentissage et la mémoire.”
Parce que l’hippocampe est l’une des premières régions touchées par la maladie d’Alzheimer et qu’il est impliqué dans l’épilepsie, la dépression et d’autres affections neurologiques, l’identification de la structure en couches du CA1 offre un guide prometteur pour déterminer quels types de neurones peuvent être les plus à risque à mesure que ces troubles progressent.
Faire progresser la cartographie cérébrale grâce à l’imagerie moderne et à la science des données
“Des découvertes comme celle-ci illustrent comment l’imagerie moderne et la science des données peuvent transformer notre vision de l’anatomie du cerveau”, a déclaré Arthur W. Toga, PhD, directeur du Stevens INI et de la chaire Ghada Irani en neurosciences à la Keck School of Medicine de l’USC. “Ce travail s’appuie sur la longue tradition de Stevens INI consistant à cartographier le cerveau à toutes les échelles, des molécules aux réseaux entiers, et éclairera à la fois les neurosciences fondamentales et les études translationnelles ciblant la mémoire et la cognition.”
Un nouvel atlas des types cellulaires CA1 à disposition des chercheurs
L’équipe a compilé ses découvertes dans un nouvel atlas de types cellulaires CA1 en utilisant les données de l’Hippocampus Gene Expression Atlas (HGEA). Cette ressource est disponible gratuitement pour les scientifiques du monde entier et comprend des visualisations 3D interactives accessibles via l’application de réalité augmentée Schol-AR développée au Stevens INI. L’outil permet aux chercheurs d’explorer de manière très détaillée la structure en couches de l’hippocampe.
Étant donné que ce motif en couches chez la souris ressemble à des dispositions similaires observées chez les primates et les humains, y compris des variations comparables de l’épaisseur de CA1, les chercheurs pensent que cette organisation pourrait être partagée par de nombreuses espèces de mammifères. Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour déterminer dans quelle mesure cette structure chez l’homme correspond à ce qui a été observé chez la souris, mais les résultats constituent un point de départ solide pour de futures études examinant comment l’architecture hippocampique soutient la mémoire et la cognition.
“Comprendre comment ces couches sont liées au comportement est la prochaine frontière”, a déclaré Bienkowski. “Nous disposons désormais d’un cadre pour étudier comment des couches neuronales spécifiques contribuent à des fonctions aussi différentes que la mémoire, la navigation et les émotions, et comment leur perturbation peut conduire à des maladies.”
À propos de l’étude
Outre Bienkowski et Pachicano, les autres auteurs de l’étude comprennent Shrey Mehta, Angela Hurtado, Tyler Ard, Jim Stanis et Bayla Breningstall.
Ce travail a été soutenu par les National Institutes of Health/National Institute of Aging (K01AG066847, R36AG087310-01, supplément P30-AG066530-03S1), la National Science Foundation (subvention 2121164) et le financement du USC Center for Neuronal Longevity. Les données de recherche rapportées dans cette publication ont été soutenues par le Bureau du directeur des National Institutes of Health sous le numéro de récompense S10OD032285.
