Comparative analysis of the molecular, spatial and functional domains of vertebrate habenula

Abstract

The habenula (Hb) is a diencephalic brain region implicated in adaptive behaviors and neuropsychiatric disorders. Two main Hb subdivisions, the lateral habenula and medial habenula, have been shown to play different roles in diverse behaviors, ranging from classical and operant learning to the prediction of outcomes, fear, addiction, and social interactions. However, our understanding of cytoarchitecture and topography of the vertebrate Hb, as well as how different Hb microcircuits are organized across species, remains limited. In this study, we utilized a combination of single-cell and spatial transcriptomic approaches across multiple species to investigate how habenular subdivisions are organized and how this organization compares across species in relation to Hb function. First, we demonstrated that habenular cell types are relatively conserved across species from fish to mice, with some exceptions. Subsequently, employing spatial transcriptomics at subcellular resolution, we identified numerous topographically organized subregions within the adult zebrafish and mouse Hb. Many of these subregions were found to be shared between both species. We also observed that while zebrafish Hb is known to be highly asymmetric across hemispheres, several habenular subdomains remain symmetric, resembling those of mouse Hb. Similarly, though the mouse habenula is traditionally considered highly symmetrical across hemispheres, we observed a few mouse Hb subregions with prominent asymmetries. These results suggest that the asymmetry of the vertebrate habenula exists on a continuum across species. Moreover, vertebrates share many cytoarchitectural similarities that are topographically organized. Our ongoing investigation aims to elucidate how the molecular topography of the zebrafish Hb relates to its functional architecture.

Habenula (Hb), adaptif davranışlar ve nöropsikiyatrik bozukluklarla ilişkili olan diensefalik bir beyin bölgesidir. İki ana Hb alt bölümü, lateral habenula ve medial habenula, klasik ve edimsel öğrenmeden sonuçların öngörülmesi, korku, bağımlılık ve sosyal etkileşimlere kadar çeşitli davranışlarda farklı roller oynamaktadır. Bununla birlikte, omurgalı habenulasının hücre yapısı ve topografyası ile farklı habenula mikro devrelerinin türler arasında nasıl organize edildiği konusundaki anlayışımız sınırlıdır. Bu çalışmada, habenulanın alt bölümlerinin nasıl organize edildiğini ve bu organizasyonun habenula fonksiyonu ile ilgili olarak türler arasında nasıl karşılaştırıldığını araştırmak için tek hücre RNA dizileme (scRNA-seq) ve mekansal transkriptomik yaklaşımlarını birleştirerek farklı omurgalı türlerde araştırma yaptık. İlk olarak, habenular hücre tiplerinin balıklardan farelere kadar türler arasında , bazı istisnalar dışında, nispeten korunduğunu gösterdik. Ardından, hücre altı çözünürlükte mekansal transkriptomikleri kullanarak, yetişkin zebra balığı ve fare habenulası içinde çok sayıda topografik olarak organize edilmiş alt bölgeyi tanımladık. Bu alt bölgelerin birçoğunun her iki tür arasında paylaşıldığını bulduk. Ayrıca, zebra balığı habenulasının yarıküreler arasında oldukça asimetrik olduğu bilinirken, bazı habenular alt bölgelerin fare habenulası gibi simetrik kaldığını gözlemledik. Benzer şekilde, fare habenulası geleneksel olarak yarıküreler arasında oldukça simetrik kabul edilse de, birkaç fare habenula alt bölgesinde belirgin asimetriler gözlemledik. Bu sonuçlar, omurgalı habenulasının asimetrisinin türler arasında bir devamlılık içinde olduğunu göstermektedir. Ayrıca, omurgalılar, topografik olarak organize edilmiş birçok hücre yapısı benzerliği paylaşmaktadır. Devam eden araştırmamız, zebrafish Hb'sinin moleküler topografyasının fonksiyonel mimarisiyle nasıl ilişkili olduğunu aydınlatmayı amaçlamaktadır.