Smadzenes noveco slāņos: sensorās garozas "ieejas" slānis sabiezē, bet dziļie slāņi kļūst plānāki.

Žurnālā Nature Neuroscience publicēts raksts parāda, kā novecošanās atšķirīgi ietekmē sensorās garozas slāņus cilvēkiem un pelēm. Gados vecākiem pieaugušajiem "ieejas" slānis IV šķiet biezāks un mielinizētāks, savukārt dziļi slāņi (V–VI) kļūst plānāki, neskatoties uz kopējo mielīna palielināšanos. Audu un kalcija eksperimentos ar pelēm sensoro neironu aktivitāte palielinājās līdz ar vecumu, un PV interneuronu blīvums, kas, iespējams, ir "kompensators" ierosmes/kavēšanas līdzsvara uzturēšanai, palielinājās. Citiem vārdiem sakot, garoza noveco nevis vienmērīgi, bet gan slāņos.

Fons

• Ko parasti domā par smadzeņu novecošanos. Bieži saka: "Smadzeņu garoza ar vecumu kļūst plānāka" - un tas visu izskaidro. Bet šis ir vidējais attēls visam garozas biezumam, neņemot vērā to, ka garoza ir "kārtaina kūka" ar atšķirīgiem uzdevumiem katram slānim.
• Joprojām nebija skaidrs, vai garoza noveco vienmērīgi vai arī katram slānim ir savs ceļš. Īpaši sensorajā garozā, kur ceturtais slānis (IV slānis) saņem ievadi no talāma ("ievades porta"), un dziļāki slāņi sūta komandas lejup pa straumi. Agrīnie pētījumi liecināja par nobīdēm pa slānim, taču tieši, augstas izšķirtspējas dati par cilvēkiem bija nepietiekami.
• Kāpēc tagad to ir vieglāk pētīt. Ir parādījušās 7-T MRI metodes ar struktūras un funkcijas analīzi slāni pa slānim, kā arī kvantitatīvās mielīna kartes (qT1, QSM). Tās var salīdzināt ar eksperimentiem ar pelēm — sākot ar neironu aktivitātes divu fotonu “kalcija” attēlveidošanu līdz histoloģijai. Šis “cilvēka ↔ peles” dizains ļauj mums pārbaudīt, vai novecošanās patiešām notiek pa slāņiem, nevis vienkārši “vidējā” visā garozā.
• Norādes no modeļiem. Dzīvniekiem sensorās reakcijas bieži palielinās līdz ar vecumu, un inhibējošie interneironi ar proteīnu parvalbumīnu (PV) bieži tiek pārprogrammēti — tās ir "bremžu" šūnas, kas neļauj tīklam "pārāk uzbudināties". Ja mainās to blīvums vai funkcija, tīkls var kompensēt ar vecumu saistītas ievades signālu nobīdes.

Ko viņi izdarīja?

DZNE (Vācija), Magdeburgas un Tībingenes universitāšu un partneru komanda, izmantojot īpaši spēcīga lauka 7-T MRI, salīdzināja jaunu un vecu cilvēku grupas: viņi mērīja slāņu biezumu, mielīna aizstājēju (qT1) un magnētisko jutību (QSM), kā arī funkcionālās reakcijas uz pirkstu taustes stimulāciju. Paralēli tika veikta divu fotonu kalcija attēlveidošana peļu mucas garozā un pēcnāves mielīna analīzes. Šis "divvalodīgais" dizains (cilvēks ↔ pele) ļāva mums salīdzināt novecošanās modeļus slāņu līmenī.

Galvenie atklājumi – vienkāršos vārdos

• IV slānis (ievades kanāls) gados vecākiem pieaugušajiem ir lielāks un mielinizētāks, ar plašākiem sensoriem ievades signāliem. Dziļākie slāņi ir plānāki, lai gan arī tiem ir lielākas mielinizācijas pazīmes. Normālais "vidējais kortikālais biezums" maskē šīs atšķirīgās nobīdes, tāpēc slāņiem raksturīgie rādītāji ir informatīvāki.
• Pirkstu karšu "robežas" (apgabali ar zemu mielīna līmeni starp pirkstu attēlojumiem) saglabājas līdz ar vecumu — degradācijas procesā netika konstatētas skaidras robežas.
• Pelēm ar vecumu tika novērota lielāka sensoro neironu aktivācija un lielāks PV interneuronu ("bremžu" šūnu) blīvums, kas varētu kalpot kā kompensācija, lai neļautu tīkliem "savvaļas gaitā" darboties. Peļu kortikālajam mielīnam bija novērojama ar vecumu saistīta dinamika, tostarp pieauguša cilvēka vecuma palielināšanās un vecuma samazināšanās (apgriezta U veida līkne).

Kāpēc tas ir svarīgi?

• Ne viss ir saistīts ar "retināšanu". Jā, garoza vidēji ir plānāka gados vecākiem cilvēkiem, taču šis "vidējais rādītājs" slēpj atslēgu: dažādi slāņi mainās atšķirīgi. Diagnostikas un zinātnes vajadzībām ir precīzāk aplūkot profilu pa slāņiem, nevis tikai kopējo biezumu.
• Neirobioloģiskās sekas. IV slāņa sabiezēšana/mielinizācija un palielināta PV inhibīcija, šķiet, ir adaptācija peļu modeļos: ievades signāli ir garāki un platāki, un sistēma pievieno "bremzes", lai ierobežotu pārmērīgu aktivāciju. Tas palīdz izskaidrot, kāpēc dažiem vecāka gadagājuma pieaugušajiem ir pastiprinātas sensorās reakcijas bez acīmredzamiem inhibīcijas zuduma pierādījumiem.
• Tilts uz klīniku: Slāņiem specifiskas pieejas var izgaismot, kā normāla novecošanās atšķiras no slimībām, kurās tiek ietekmēti citi slāņi un mehānismi, piemēram, Alcheimera slimības vai multiplās sklerozes gadījumā vairāk ir iesaistīti citi mielīna/interneuronu līmeņi un veidi.

Detaļas, kurām pievērst uzmanību

• Vienā datu kopā cilvēkiem S1 kopējais rokas biezums bija aptuveni 2,0 mm, un vecuma atšķirība bija aptuveni –0,12 mm, taču galvenais ir tas, ka tieši dziļie slāņi deva ieguldījumu, savukārt vidējais slānis sabiezēja.
• Autori neatrada skaidrus pierādījumus par pavājinātu inhibīciju gados vecākiem pieaugušajiem BOLD līmenī; tā vietā peļu viena neirona ierakstos viņi novēroja palielinātu inhibējošo koaktivāciju un PV+ šūnu skaita pieaugumu, kas atbilst kompensācijas idejai.
• Preses materiālos pētījums tiek pasniegts kā pierādījums garozas "slāņveida" novecošanai un tam, ka cilvēka garoza noveco lēnāk nekā iepriekš uzskatīts, vismaz somatosensoriskajā zonā, jo daži slāņi saglabā vai pat palielina strukturālos "resursus".

Autoru komentāri

Lūk, ko uzsver paši autori (pamatojoties uz viņu diskusijas un secinājumu nozīmi):

• Novecošana nav “vienmērīga retināšana”, bet gan pārstrukturēšana slāni pa slānim. Tās novēro nobīdes dažādos virzienos: “ieejas” slānis IV gados vecākiem cilvēkiem izskatās biezāks un mielinizētāks, savukārt dziļi slāņi dod galveno ieguldījumu garozas kopējā retināšanā. Tāpēc vidējie rādītāji visā garozas biezumā slēpj galvenās izmaiņas – ir jāskatās “slāni pa slānim”.
• Sensorā ievade tiek izstiepta, tīkls pielāgojas. Biezāks/vairāk mielinizēts IV slānis gados vecākiem cilvēkiem ir saistīts ar ilgākām sensorajām ievadēm; peles modelī sensoro neironu aktivitāte ir pastiprināta un palielinās PV interneuronu īpatsvars, kas, iespējams, ir kompensācijas mehānisms ierosmes/kavēšanas līdzsvara uzturēšanai.
• Dziļie slāņi ir novecošanās procesā ievainojama vieta. Saskaņā ar viņu datiem, tieši dziļie slāņi izskaidro ar vecumu saistīto retināšanu un funkcionālās modulācijas izmaiņas, savukārt vidējie slāņi var uzrādīt pretējas nobīdes. Līdz ar to secinājums: dažādiem slāņiem ir atšķirīgas novecošanās trajektorijas, un tos nevar reducēt līdz vienai "vidējai līknei".
• Ietekme uz klīnisko praksi un metodēm. Autori iesaka slāņiem specifisku optiku: šādi rādītāji palīdzēs precīzāk atšķirt normālu novecošanos no slimībām (kurās tiek ietekmēti citi slāņi/mehānismi) un labāk interpretēt augsta blīvuma (7T) MRI — gan strukturālos, gan funkcionālos datus.
• Darba stiprā puse ir cilvēka un peles “tilts”. 7T MRI kombinācija cilvēkiem ar kalcija attēlveidošanu un histoloģiju pelēm deva konsekventu ainu visos slāņos. Pēc autoru domām, tas palielina cilvēku atradumu interpretācijas ticamību un liek domāt par mehānismiem (mielīnu, PV interneuroniem), kurus var tālāk testēt.
• Ierobežojumi un kur veikt tālāko izpēti. Pētījums ar cilvēkiem ir šķērsgriezuma (nevis vieni un tie paši dalībnieki laika gaitā) un koncentrējas uz primāro somatosensoro garozu; ir nepieciešami garengriezuma pētījumi, citas garozas zonas un salīdzinājumi ar klīniskajām grupām. Ir svarīgi arī noskaidrot, cik lielā mērā 1:1 mehānismi pelēm ir pārnesami uz cilvēkiem.

Īsāk sakot, viņu nostāja: smadzenes noveco “slāni pa slānim”, un tas ir redzams gan struktūrā (mielīns, biezums), gan tīkla darbībā; garozas “ieeja” un “izeja” mainās atšķirīgi, un dažas no sekām šķiet adaptīvas. Tas maina pieeju diagnostikai un ar vecumu saistīto izmaiņu izpētei.

Ierobežojumi un nākamais solis

Darbs ir šķērsgriezuma (dažādi cilvēki, nevis vieni un tie paši laika gaitā) un koncentrējas uz primāro somatosensoro garozu; ir jānoskaidro arī atšķirību mehānisms starp sugām (cilvēks ↔ pele). Gaidāmi garengriezuma slāņiem specifiski pētījumi un tiks pārbaudīts, kā šis "slāņainais paraksts" mainās neirodeģeneratīvo un demielinizējošo slimību gadījumā.