Мозъкът старее на слоеве: „входният“ слой на сензорната кора се удебелява, докато дълбоките слоеве стават по-тънки.

Статия, публикувана в Nature Neuroscience, показва как стареенето влияе по различен начин на слоевете на сензорната кора при хора и мишки. При по-възрастни хора „входният“ слой IV изглежда по-дебел и по-миелинизиран, докато дълбоките слоеве (V-VI) стават по-тънки, въпреки общото увеличение на миелина. В експерименти с тъкани и калций върху мишки, сензорната невронна активност се увеличава с възрастта, а плътността на PV интерневроните, вероятен „компенсатор“ за поддържане на баланса възбуждане/инхибиране, се увеличава. С други думи, кората старее не равномерно, а на слоеве.

Предистория

• Какво обикновено се мисли за стареенето на мозъка. Често казват „кората на главния мозък изтънява с възрастта“ - и това обяснява всичко. Но това е средна картина за цялата дебелина на кората, без да се отчита, че кората е „пластова торта“ с различни задачи за всеки слой.
• Това, което остана неясно, беше дали кората на главния мозък остарява равномерно или всеки слой има свой собствен път. Особено в сензорната кора, където четвъртият слой (слой IV) получава входни данни от таламуса („входния порт“), а по-дълбоките слоеве изпращат команди надолу по веригата. Ранните изследвания намекват за промени слой по слой, но директните данни с висока резолюция от хора бяха оскъдни.
• Защо е по-лесно да се изучава това сега. Появиха се 7-T ЯМР методи с анализ на структурата и функцията слой по слой, както и количествени миелинови карти (qT1, QSM). Те могат да бъдат сравнени с експерименти върху мишки - от двуфотонно „калциево“ изобразяване на невронната активност до хистология. Този дизайн „човек ↔ мишка“ ни позволява да проверим дали стареенето наистина се случва на слоеве, а не просто е „осреднено“ по цялата кора.
• Указания от модели. При животните сензорните реакции често се увеличават с възрастта, а инхибиторните интерневрони с протеина парвалбумин (PV) често се пренастройват – това са „спирачните“ клетки, които предпазват мрежата от „превъзбуждане“. Ако тяхната плътност или функция се променят, мрежата може да компенсира свързаните с възрастта промени във входните сигнали.

Какво направиха те?

Екип от DZNE (Германия), университетите в Магдебург и Тюбинген и партньори сравни млади и стари групи хора, използвайки ултрависоко полева 7-T ЯМР: те измериха дебелината на слоя, миелиновия прокси (qT1) и магнитната възприемчивост (QSM), както и функционалните реакции на тактилна стимулация на пръстите. Успоредно с това беше извършено двуфотонно калциево изобразяване в бъчвовидната кора на мишките и бяха извършени миелинови анализи след смъртта. Този „двуезичен“ дизайн (човек ↔ мишка) ни позволи да сравним моделите на стареене на ниво слой.

Основните констатации - с прости думи

• Слой IV (входният канал) е по-голям и по-миелинизиран при по-възрастните хора, с разширени сензорни входни сигнали. По-дълбоките слоеве са по-тънки, въпреки че също показват признаци на по-голяма миелинизация. Нормалната „средна дебелина на кората“ маскира тези диференциални промени, така че специфичните за слоя показатели са по-информативни.
• „Границите“ на пръстовите карти (области с нисък миелин между изображенията на пръстите) се запазват с възрастта - не са открити ясни граници при деградация.
• Мишките показват по-голяма сензорна невронна активация и по-висока плътност на PV интерневрони („спирачните“ клетки) с възрастта, което може да служи като компенсация, за да се предотврати „дивото действие“ на мрежите. Кортикалният миелин при мишки показва динамика, свързана с възрастта, включително увеличаване на зрялата възраст и намаляване на старостта (обърната U-образна крива).

Защо това е важно?

• Не всичко е свързано с „изтъняване“. Да, кората на мозъка е средно по-тънка при по-възрастните хора, но тази „средна стойност“ крие ключа: различните слоеве се променят по различен начин. За диагностиката и науката е по-точно да се разглежда профилът по слоеве, а не само общата дебелина.
• Невробиологични последици. Удебеляването/миелинизацията на слой IV и повишеното инхибиране на паравентрикуларните влакна изглежда са адаптация при миши модели: входните сигнали са по-дълги и по-широки, а системата добавя „спирачки“, за да ограничи свръхактивацията. Това помага да се обясни защо някои по-възрастни хора показват засилени сензорни реакции без явни доказателства за загуба на инхибиране.
• Мост към клиниката: Специфичните за слоевете подходи могат да хвърлят светлина върху това как нормалното стареене се различава от заболявания, при които са засегнати други слоеве и механизми – например при болестта на Алцхаймер или множествената склероза, други нива и видове миелин/интерневрони са по-ангажирани.

Детайли, за които да внимавате

• В един набор от данни, хората са имали обща дебелина на ръката си ≈2,0 мм в S1, а разликата между възрастите е била около –0,12 мм – но ключовият момент е, че дълбоките слоеве са допринесли за това, докато средният слой се е удебелил.
• Авторите не откриха ясни доказателства за отслабено инхибиране при по-възрастни хора на ниво BOLD; вместо това, при записи на единични неврони при мишки, те наблюдаваха повишена инхибиторна коактивация и увеличение на PV+ клетките, което е в съответствие с идеята за компенсация.
• В пресата изследването е представено като доказателство за „слоесто“ стареене на кората и че човешката кора старее по-бавно, отколкото се смяташе досега, поне в соматосензорната зона, защото някои слоеве запазват или дори увеличават структурните „ресурси“.

Коментари на авторите

Ето какво подчертават самите автори (въз основа на смисъла на тяхното обсъждане и заключения):

• Стареенето не е „равномерно изтъняване“, а преструктуриране слой по слой. Те наблюдават промени в различни посоки: „входният“ слой IV при по-възрастните хора изглежда по-дебел и по-миелинизиран, докато дълбоките слоеве допринасят основно за общото изтъняване на кората. Следователно, средните показатели по цялата дебелина на кората крият ключови промени - трябва да се гледа „слой по слой“.
• Сензорният вход се разтяга, мрежата се адаптира. По-дебелият/по-миелинизиран слой IV при възрастните хора е свързан с по-дълги сензорни входове; в миши модел сензорната невронна активност е засилена и делът на PV интерневроните се увеличава, което е вероятен компенсационен механизъм за поддържане на баланса между възбуждане и инхибиране.
• Дълбоките слоеве са уязвимо място при стареене. Според техните данни, именно дълбоките слоеве обясняват свързаното с възрастта изтъняване и промените във функционалната модулация, докато средните слоеве могат да показват противоположни промени. Оттук и заключението: различните слоеве имат различни траектории на стареене и те не могат да бъдат сведени до една „средна крива“.
• Последици за клиничната практика и методите. Авторите препоръчват оптика, специфична за отделните слоеве: подобни показатели ще помогнат за по-точното разграничаване на нормалното стареене от заболявания (където са засегнати други слоеве/механизми) и за по-доброто тълкуване на ЯМР с висока плътност (7T) — както структурни, така и функционални данни.
• Силата на работата е „мостът човек-мишка“. Комбинацията от 7T ЯМР при хора с калциево изобразяване и хистология при мишки дава последователна картина в различните слоеве. Според авторите това повишава надеждността на интерпретацията на човешките находки и предполага механизми (миелин, PV интерневрони), които могат да бъдат тествани допълнително.
• Ограничения – и накъде да се насочим по-нататък. Проучването върху хора е с напречно сечение (не са едни и същи участници във времето) и е фокусирано върху първичната соматосензорна кора; необходими са надлъжни проучвания, други кортикални области и сравнения с клинични групи. Важно е също да се изясни до каква степен механизмите 1:1 при мишки са приложими към хората.

Накратко, тяхната позиция: мозъкът старее „слой по слой“ и това е видимо както в структурата (миелин, дебелина), така и във функционирането на мрежата; „входът“ и „изходът“ на кората се променят по различен начин и някои от ефектите изглеждат адаптивни. Това променя подхода към диагностиката и изучаването на промените, свързани с възрастта.

Ограничения и следващата стъпка

Работата е с напречно сечение (различни хора, не едни и същи във времето) и се фокусира върху първичната соматосензорна кора; механизмът на разликите между видовете (човек ↔ мишка) също изисква изясняване. Предстоят надлъжни, специфични за отделните слоеве, изследвания и тестване как този „слоен подпис“ се променя при невродегенеративни и демиелинизиращи заболявания.