Smegenys sensta sluoksniais: sensorinės žievės „įėjimo“ sluoksnis storėja, o gilieji sluoksniai tampa plonesni.

Žurnale „Nature Neuroscience“ paskelbtame straipsnyje parodyta, kaip senėjimas skirtingai veikia sensorinės žievės sluoksnius žmonėms ir pelėms. Vyresnio amžiaus suaugusiesiems „įėjimo“ IV sluoksnis atrodo storesnis ir labiau mielinuotas, o gilieji sluoksniai (V–VI) tampa plonesni, nepaisant bendro mielino padidėjimo. Audinių ir kalcio eksperimentuose su pelėmis sensorinių neuronų aktyvumas didėjo su amžiumi, o PV interneuronų, kurie greičiausiai yra sužadinimo / slopinimo pusiausvyros „kompensatorius“, tankis padidėjo. Kitaip tariant, žievė sensta ne tolygiai, o sluoksniais.

Fonas

• Kas paprastai manoma apie smegenų senėjimą. Dažnai sakoma, kad „žievė su amžiumi plonėja“ – ir tai viską paaiškina. Tačiau tai yra vidutinis viso žievės storio vaizdas, neatsižvelgiant į tai, kad žievė yra „sluoksniuotas pyragas“ su skirtingomis užduotimis kiekvienam sluoksniui.
• Liko neaišku, ar žievė sensta tolygiai, ar kiekvienas sluoksnis turi savo kelią. Ypač sensorinėje žievėje, kur ketvirtasis sluoksnis (IV sluoksnis) gauna signalus iš talamo („įvesties prievado“), o gilesni sluoksniai siunčia komandas pasroviui. Ankstyvieji darbai užsiminė apie poslinkius sluoksnis po sluoksnio, tačiau tiesioginių, didelės skiriamosios gebos žmonių duomenų buvo mažai.
• Kodėl dabar lengviau tai tirti. Atsirado 7-T MRT metodai, atliekantys sluoksnių po sluoksnio struktūros ir funkcijos analizę, taip pat kiekybiniai mielino žemėlapiai (qT1, QSM). Juos galima palyginti su eksperimentais su pelėmis – nuo dviejų fotonų „kalcio“ vaizdinimo neuronų aktyvumui iki histologijos. Šis „žmogaus ↔ pelės“ modelis leidžia mums patikrinti, ar senėjimas iš tikrųjų vyksta sluoksniais, o ne tiesiog „vidurkinamas“ visoje žievėje.
• Užuominos iš modelių. Gyvūnų sensorinės reakcijos dažnai didėja su amžiumi, o slopinantys interneuronai su baltymu parvalbuminu (PV) dažnai yra perprogramuojami – tai „stabdžių“ ląstelės, kurios neleidžia tinklui „per daug sužadinti“. Jei jų tankis ar funkcija pasikeičia, tinklas gali kompensuoti su amžiumi susijusius įvesties signalų pokyčius.

Ką jie padarė?

DZNE (Vokietija), Magdeburgo ir Tiubingeno universitetų bei partnerių komanda, naudodama itin stipraus lauko 7-T MRT, palygino jaunų ir senų žmonių grupes: jie matavo sluoksnio storį, mielino pakaitalą (qT1) ir magnetinį jautrumą (QSM), taip pat funkcines reakcijas į pirštų lytėjimo stimuliaciją. Lygiagrečiai buvo atliktas dviejų fotonų kalcio vaizdinimas pelių cilindrinėje žievėje ir atlikta mielino analizė po mirties. Šis „bikalbis“ dizainas (žmogus ↔ pelė) leido mums palyginti senėjimo modelius sluoksnių lygmeniu.

Pagrindinės išvados – paprastais žodžiais tariant

• IV sluoksnis (įvesties kanalas) vyresnio amžiaus suaugusiųjų organizme yra didesnis ir labiau mielinizuotas, jo jutiminiai įvesties signalai yra platesni. Gilesni sluoksniai yra plonesni, nors juose taip pat yra didesnės mielinizacijos požymių. Normalus „vidutinis žievės storis“ maskuoja šiuos skirtingus poslinkius, todėl sluoksniui būdingi rodikliai yra informatyvesni.
• Pirštų žemėlapių „sritys“ (sritys su mažu mielino kiekiu tarp pirštų atvaizdavimų) išlieka su amžiumi – degradacijos metu aiškių ribų nerasta.
• Pelėms su amžiumi buvo pastebėtas didesnis sensorinių neuronų aktyvavimas ir didesnis PV interneuronų („stabdžių“ ląstelių) tankis, o tai gali būti kompensacija, neleidžianti tinklams „išsivaldyti“. Pelių žievės mielinas parodė su amžiumi susijusią dinamiką, įskaitant suaugusiojo amžiaus padidėjimą ir senėjimo amžiaus sumažėjimą (apversta U kreivė).

Kodėl tai svarbu?

• Ne viskas sukasi apie „plonėjimą“. Taip, vyresnio amžiaus žmonių žievė vidutiniškai yra plonesnė, tačiau šis „vidurkis“ slepia raktą: skirtingi sluoksniai kinta skirtingai. Diagnostikai ir mokslui tiksliau žiūrėti į profilį pagal sluoksnius, o ne tik į bendrą storį.
• Neurobiologinės pasekmės. IV sluoksnio sustorėjimas/mielinizacija ir padidėjęs PV slopinimas, atrodo, yra prisitaikymas prie pelių modelių: įvesties signalai yra ilgesni ir platesni, o sistema prideda „stabdžius“, kad sumažintų per didelį aktyvavimą. Tai padeda paaiškinti, kodėl kai kurie vyresnio amžiaus suaugusieji rodo sustiprėjusius sensorinius atsakus be akivaizdžių slopinimo praradimo požymių.
• Tiltas į kliniką: Sluoksniams būdingi metodai gali padėti suprasti, kuo normalus senėjimas skiriasi nuo ligų, kai pažeidžiami kiti sluoksniai ir mechanizmai – pavyzdžiui, Alzheimerio ligos ar išsėtinės sklerozės atveju labiau veikia kiti mielino / interneuronų lygiai ir tipai.

Išsami informacija, į kurią reikia atkreipti dėmesį

• Viename duomenų rinkinyje bendras žmonių rankų storis S1 buvo apie 2,0 mm, o amžiaus skirtumas buvo apie -0,12 mm, tačiau svarbiausia yra tai, kad prisidėjo gilieji sluoksniai, o vidurinis sluoksnis sustorėjo.
• Autoriai nerado aiškių įrodymų apie susilpnėjusį slopinimą vyresnio amžiaus suaugusiesiems BOLD lygmenyje; vietoj to, atlikdami pelių vieno neurono įrašus, jie pastebėjo padidėjusią slopinančią koaktyvaciją ir PV+ ląstelių skaičiaus padidėjimą, o tai atitinka kompensacijos idėją.
• Spaudos medžiagoje tyrimas pateikiamas kaip „sluoksniuoto“ žievės senėjimo įrodymas ir tai, kad žmogaus žievė sensta lėčiau nei manyta anksčiau, bent jau somatosensorinėje zonoje, nes kai kurie sluoksniai išlaiko ar net padidina struktūrinius „išteklius“.

Autorių komentarai

Štai ką pabrėžia patys autoriai (remdamiesi savo diskusijos ir išvadų prasme):

• Senėjimas nėra „vienodas plonėjimas“, o sluoksnis po sluoksnio vykstantis restruktūrizavimas. Jie mato poslinkius skirtingomis kryptimis: vyresnio amžiaus žmonių IV „pradinis“ sluoksnis atrodo storesnis ir labiau mielinuotas, o gilieji sluoksniai daugiausia prisideda prie bendro žievės retėjimo. Todėl vidutiniai viso žievės storio rodikliai slepia esminius pokyčius – reikia žiūrėti „sluoksnis po sluoksnio“.
• Sensorinė įvestis ištempiama, tinklas prisitaiko. Storesnis/labiau mielinuotas IV sluoksnis vyresnio amžiaus žmonėms yra susijęs su ilgesnėmis sensorinėmis įvestimis; pelių modelyje padidėja sensorinių neuronų aktyvumas ir padidėja PV interneuronų dalis – tai tikėtinas kompensacinis mechanizmas, skirtas palaikyti sužadinimo/slopinimo pusiausvyrą.
• Gilieji sluoksniai yra pažeidžiama senėjimo vieta. Remiantis jų duomenimis, būtent gilieji sluoksniai paaiškina su amžiumi susijusį plonėjimą ir funkcinės moduliacijos pokyčius, o viduriniai sluoksniai gali rodyti priešingus poslinkius. Todėl daroma išvada: skirtingi sluoksniai turi skirtingas senėjimo trajektorijas ir jų negalima redukuoti iki vienos „vidutinės kreivės“.
• Klinikinės praktikos ir metodų reikšmė. Autoriai pasisako už sluoksniams būdingą optiką: tokie rodikliai padės tiksliau atskirti normalų senėjimą nuo ligų (kai pažeidžiami kiti sluoksniai / mechanizmai) ir geriau interpretuoti didelio tankio (7T) MRT – tiek struktūrinius, tiek funkcinius duomenis.
• Darbo stiprybė yra žmogaus ir pelės „tiltas“. 7T MRT derinimas žmonėms su kalcio vaizdinimu ir histologija pelėms davė nuoseklų vaizdą visuose sluoksniuose. Pasak autorių, tai padidina žmonių tyrimų rezultatų interpretavimo patikimumą ir leidžia manyti, kad mechanizmai (mielinas, PV interneuronai) gali būti toliau tiriami.
• Apribojimai ir kur toliau gilintis. Žmonių tyrimas yra skerspjūvio (ne tie patys dalyviai laikui bėgant) ir sutelktas į pirminę somatosensorinę žievę; reikalingi išilginiai tyrimai, kitos žievės sritys ir palyginimai su klinikinėmis grupėmis. Taip pat svarbu išsiaiškinti, kiek 1:1 mechanizmai pelėse yra perduodami žmonėms.

Trumpai tariant, jų pozicija: smegenys sensta „sluoksnis po sluoksnio“, ir tai matoma tiek struktūroje (mielinas, storis), tiek tinklo veikloje; žievės „įvestis“ ir „išvestis“ kinta skirtingai, o kai kurie efektai atrodo adaptyvūs. Tai keičia diagnostikos ir su amžiumi susijusių pokyčių tyrimo požiūrį.

Apribojimai ir kitas žingsnis

Darbas yra skerspjūvio (skirtingi žmonės, o ne tie patys laikui bėgant) ir daugiausia dėmesio skiria pirminei somatosensorinei žievei; taip pat reikia išsiaiškinti rūšių skirtumų mechanizmą (žmogus ↔ pelė). Laukia išilginiai sluoksnių specifiniai tyrimai, kurių metu bus tiriama, kaip šis „sluoksniuotas parašas“ keičiasi sergant neurodegeneracinėmis ir demielinizuojančiomis ligomis.