Multimodal profiling and intersectional genetics reveal CA1 border inhibitory neuron diversity and postnatal emergence of retrosplenial connectivity

Het brein is een uitgestrekt netwerk van elektrische signalen, maar om deze signalen betekenis te kunnen geven, moeten ze worden georganiseerd in precieze circuits. Binnen de hippocampus, een regio die cruciaal is voor het geheugen, fungeert een specifieke groep neuronen als de belangrijkste output, die informatie naar andere delen van het brein stuurt. Deze outputneuronen werken echter niet alleen; ze worden constant gevormd door een divers team van inhibitoire neuronen die fungeren als verkeersregelaars, die signalen vertragen of stoppen om ervoor te zorgen dat de juiste informatie op het juiste moment doorkomt. Onder deze regelaars vormde een kleine groep die zich op een specifieke grens binnen de hippocampus bevindt, lang een mysterie. Wetenschappers wisten dat deze cellen bestonden en dat sommigen van hen langeafstandssignalen naar de cortex stuurden, een regio die betrokken is bij hogerdenkend denken, maar ze beschikten niet over de instrumenten om precies te identificeren welke cellen welke waren of om te begrijpen hoe deze langeafstandsverbindingen zich tijdens de ontwikkeling van het brein vormden.

Een team van onderzoekers heeft dit verborgen gebied nu in kaart gebracht, waarbij zij hebben onthuld dat de inhibitoire neuronen op deze grens geen enkele uniforme groep zijn, maar verdeeld zijn in verschillende moleculaire families met verschillende taken. Door geavanceerde genetische instrumenten te combineren met gedetailleerde beeldvorming, identificeerden de wetenschappers twee hoofdpopulaties van deze cellen. Eén groep blijft lokaal en communiceert alleen binnen de hippocampus, terwijl de andere groep lange axonen, of zenuwvezels, stuurt naar de retrospleniale cortex, een regio diep in de achterkant van het brein die betrokken is bij ruimtelijke navigatie en geheugen. De onderzoekers ontdekten dat de cellen die deze lange reis maken, gemarkeerd worden door een specifiek eiwit genaamd Ntng1, terwijl de lokale cellen gemarkeerd worden door een ander eiwit genaamd Syt6. Bovendien ontdekten zij dat de langeafstandsverbindingen niet bij de geboorte bestaan; in plaats daarvan groeien de axonen van deze specifieke cellen en bereiken zij hun doel in de cortex tijdens een nauwe tijdspanne, tussen drie en vijf dagen nadat een muis is geboren.

Om dit puzzelstuk op te lossen, hadden de onderzoekers eerst een manier nodig om deze specifieke cellen duidelijk te zien, aangezien ze gemengd zijn met veel andere soorten neuronen. Ze gebruikten een techniek genaamd Patch-seq, waarmee ze de elektrische activiteit van een enkele cel kunnen registreren en vervolgens direct de genetische code ervan kunnen aflezen. Deze aanpak toonde aan dat de cellen op de grens inderdaad divers waren, maar de genetische data alleen waren niet voldoende om te bepalen welke cellen de langeafstandreizigers waren. Om dit gat te overbruggen, creëerden de onderzoekers een nieuw genetisch instrument: een muislijn waarbij een specifiek gen, Cxcl14, fungeert als een schakelaar om een fluorescerende marker in deze cellen aan te zetten. Door deze muis te combineren met een virus dat alleen in inhibitoire neuronen wordt geactiveerd, konden ze alleen de cellen op de grens laten oplichten, waardoor de ruis van andere hersencellen werd weggefilterd. Dit stelde hen in staat om deze specifieke neuronen te isoleren en hun genetische profielen tijdens verschillende stadia van de ontwikkeling te bestuderen.

De studie onthulde dat de cellen die langeafstandsprojecties maken behoren tot een specifieke moleculaire familie die wordt gedefinieerd door de aanwezigheid van Ntng1. Om dit te bevestigen, injecteerden de onderzoekers minuscule, lichtgevende kraaltjes in de retrospleniale cortex. Deze kraaltjes worden opgenomen door zenuwuiteinden en reizen achterwaarts langs de axon naar de celkern. Wanneer zij in de hippocampus keken, zagen zij dat de cellen die oplichtten met deze kraaltjes altijd Ntng1-positief waren en nooit Syt6-positief. Dit bewees dat de Ntng1-cellen verantwoordelijk zijn voor de langeafstandsverbinding, terwijl de Syt6-cellen lokaal blijven. Het team onderzocht ook de genen die deze cellen gebruiken om hun verbindingen op te bouwen, en ontdekte dat de langeafstandreizigers een unieke set oppervlakte-eiwitten dragen, waaronder Ibsp, Scube1 en Tmem132c, die waarschijnlijk helpen de axonen naar de juiste bestemming te leiden.

Misschien wel de meest opmerkelijke bevinding was de timing van deze verbinding. De onderzoekers volgden de groei van deze axonen dag na dag na de geboorte. Op twee dagen oud waren er geen langeafstandsverbindingen zichtbaar. Tegen de derde dag hadden enkele cellen begonnen met het uitzenden van signalen, maar het was pas vijf dagen na de geboorte dat de verbinding consistent was gevestigd. Dit suggereert dat het brein deze specifieke circuits bouwt in een zeer strikt, gepland venster tijdens de vroege ontwikkeling. De studie toonde ook aan dat de genetische markers voor deze cellen niet statisch zijn; sommige eiwitten die de cellen in volwassen staat definiëren, zijn alleen kortstondig aanwezig bij pasgeborenen, wat aangeeft dat de moleculaire identiteit van deze neuronen verandert naarmate ze rijpen.

Door een heldere genetische greep op deze specifieke cellen te bieden, hebben de onderzoekers de deur geopend naar het bestuderen van hoe deze circuits worden samengesteld en functioneren. Zij hebben aangetoond dat het brein zichzelf niet simpelweg willekeurig bedraadt; in plaats daarvan leiden specifieke moleculaire handtekeningen verschillende groepen neuronen naar het vormen van precieze, langeafstandsverbindingen op exacte momenten in de tijd. Dit werk transformeert ons begrip van de hippocampus van een statische structuur naar een dynamisch systeem waar verschillende soorten inhibitoire neuronen gespecialiseerde rollen spelen, waarbij sommigen fungeren als lokale regulatoren en anderen als langeafstandsboodschappers die het geheugencentrum verbinden met de rest van het brein.