Otak menua dalam lapisan: lapisan "masuk" korteks deria menebal, manakala lapisan dalam menjadi lebih nipis

Makalah yang diterbitkan dalam Nature Neuroscience menunjukkan bagaimana penuaan mempengaruhi lapisan korteks deria secara berbeza pada manusia dan tikus. Pada orang dewasa yang lebih tua, lapisan "masuk" IV kelihatan lebih tebal dan lebih bermielin, manakala lapisan dalam (V-VI) menjadi lebih nipis, walaupun peningkatan keseluruhan mielin. Dalam eksperimen tisu dan kalsium pada tikus, aktiviti neuron deria meningkat dengan usia, dan ketumpatan interneuron PV, kemungkinan "pemampas" untuk mengekalkan keseimbangan pengujaan/perencatan, meningkat. Dalam erti kata lain, umur korteks tidak seragam, tetapi dalam lapisan.

Latar belakang

• Apa yang biasanya difikirkan tentang penuaan otak. Mereka sering berkata "korteks menipis dengan usia" - dan ini menjelaskan segala-galanya. Tetapi ini adalah gambaran purata untuk keseluruhan ketebalan korteks, tanpa mengambil kira bahawa korteks adalah "kek berlapis" dengan tugas yang berbeza untuk setiap lapisan.
• Apa yang masih tidak jelas ialah sama ada korteks berumur seragam, atau sama ada setiap lapisan mempunyai laluannya sendiri. Terutamanya dalam korteks deria, di mana lapisan keempat (lapisan IV) menerima input daripada talamus ("port input") dan lapisan yang lebih dalam menghantar arahan ke hilir. Kerja awal membayangkan peralihan lapisan demi lapisan, tetapi data manusia langsung dan resolusi tinggi adalah terhad.
• Mengapa lebih mudah untuk mengkaji ini sekarang. Kaedah MRI 7-T dengan analisis struktur dan fungsi lapisan demi lapisan, serta peta mielin kuantitatif (qT1, QSM) telah muncul. Mereka boleh dibandingkan dengan eksperimen pada tikus - daripada pengimejan "kalsium" dua foton aktiviti neuron kepada histologi. Reka bentuk "manusia ↔ tetikus" ini membolehkan kami menyemak sama ada penuaan benar-benar berlaku dalam lapisan, dan bukan sekadar "purata" di seluruh korteks.
• Petunjuk daripada model. Pada haiwan, tindak balas deria sering meningkat dengan usia, dan interneuron yang menghalang dengan protein parvalbumin (PV) sering didawai semula — ini adalah sel "brek" yang menghalang rangkaian daripada "terlalu teruja." Jika ketumpatan atau fungsinya berubah, rangkaian boleh mengimbangi peralihan berkaitan usia dalam isyarat input.

Apa yang mereka lakukan?

Pasukan dari DZNE (Jerman), Universiti Magdeburg dan Tübingen dan rakan kongsi membandingkan kumpulan muda dan tua yang menggunakan ultra-tinggi medan 7-T MRI: mereka mengukur ketebalan lapisan, proksi myelin (qT1) dan kepekaan magnetik (QSM), serta tindak balas berfungsi terhadap rangsangan sentuhan jari. Secara selari, pengimejan kalsium dua foton dilakukan dalam korteks tong tikus dan analisis myelin post-mortem telah dilakukan. Reka bentuk "dwibahasa" ini (manusia ↔ tetikus) membolehkan kami membandingkan corak penuaan pada peringkat lapisan.

Penemuan utama - dalam perkataan mudah

• Lapisan IV (saluran input) lebih besar dan lebih bermielin pada orang dewasa yang lebih tua, dengan isyarat input deria yang dilanjutkan. Lapisan yang lebih dalam adalah lebih nipis, walaupun ia juga menunjukkan tanda-tanda mielinasi yang lebih besar. "Ketebalan kortikal purata" biasa menutup anjakan pembezaan ini, jadi metrik khusus lapisan adalah lebih bermaklumat.
• "Sempadan" peta jari (kawasan dengan myelin rendah antara perwakilan jari) dipelihara dengan usia-tiada sempadan yang jelas ditemui dalam degradasi.
• Tikus menunjukkan pengaktifan neuron deria yang lebih besar dan ketumpatan interneuron PV yang lebih tinggi (sel "brek") dengan usia, yang mungkin berfungsi sebagai pampasan untuk memastikan rangkaian daripada "berlari". Myelin kortikal pada tikus menunjukkan dinamik berkaitan usia, termasuk peningkatan dalam masa dewasa dan penurunan usia tua (lengkung U terbalik).

Mengapa ini penting?

• Bukan semuanya tentang "penipisan". Ya, korteks lebih nipis pada orang yang lebih tua secara purata, tetapi "purata" ini menyembunyikan kunci: lapisan berbeza berubah secara berbeza. Untuk diagnostik dan sains, adalah lebih tepat untuk melihat profil mengikut lapisan, dan bukan hanya ketebalan keseluruhan.
• Implikasi neurobiologi. Lapisan IV penebalan/mielinasi dan peningkatan perencatan PV nampaknya merupakan penyesuaian dalam model tetikus: isyarat input lebih panjang dan lebih luas, dan sistem menambah "brek" untuk mengekang pengaktifan berlebihan. Ini membantu menjelaskan mengapa sesetengah orang dewasa yang lebih tua menunjukkan tindak balas deria yang dipertingkatkan tanpa bukti nyata kehilangan perencatan.
• Jambatan ke klinik: Pendekatan khusus lapisan mungkin menjelaskan bagaimana penuaan normal berbeza daripada penyakit di mana lapisan dan mekanisme lain terjejas – contohnya, dalam Alzheimer atau multiple sclerosis, tahap dan jenis myelin/interneuron lain lebih terlibat.

Butiran yang perlu diperhatikan

• Dalam satu set data, manusia mempunyai jumlah ketebalan tangan ≈2.0 mm dalam S1, dan perbezaan antara umur adalah kira-kira -0.12 mm - tetapi perkara utama ialah lapisan dalam yang menyumbang, manakala lapisan tengah menebal.
• Penulis tidak menemui bukti jelas tentang perencatan yang lemah pada orang dewasa yang lebih tua pada tahap BOLD; sebaliknya, dalam rakaman neuron tunggal tetikus, mereka memerhatikan peningkatan pengaktifan bersama perencatan dan peningkatan dalam sel PV+, selaras dengan idea pampasan.
• Dalam bahan akhbar, kajian itu dibentangkan sebagai bukti penuaan "berlapis" korteks dan bahawa korteks manusia menua lebih perlahan daripada yang difikirkan sebelum ini, sekurang-kurangnya dalam zon somatosensori, kerana beberapa lapisan mengekalkan atau bahkan meningkatkan "sumber" struktur.

Komen pengarang

Inilah yang penulis sendiri tekankan (berdasarkan maksud perbincangan dan kesimpulan mereka):

• Penuaan bukanlah "penipisan seragam," tetapi penstrukturan semula lapisan demi lapisan. Mereka melihat perubahan dalam arah yang berbeza: lapisan "masuk" IV pada orang yang lebih tua kelihatan lebih tebal dan lebih bermielin, manakala lapisan dalam membuat sumbangan utama kepada penipisan keseluruhan korteks. Oleh itu, metrik purata merentas keseluruhan ketebalan korteks menyembunyikan perubahan utama - anda perlu melihat "lapisan demi lapisan."
• Input deria diregangkan, rangkaian menyesuaikan diri. Lapisan IV yang lebih tebal/lebih bermielin pada orang tua dikaitkan dengan input deria yang lebih lama; dalam model tetikus, aktiviti neuron deria dipertingkatkan dan perkadaran interneuron PV meningkat, kemungkinan mekanisme pampasan untuk mengekalkan keseimbangan pengujaan/perencatan.
• Lapisan dalam adalah tempat yang terdedah kepada penuaan. Menurut data mereka, ia adalah lapisan dalam yang menerangkan penipisan berkaitan usia dan perubahan dalam modulasi berfungsi, manakala lapisan tengah boleh menunjukkan anjakan yang bertentangan. Oleh itu kesimpulannya: lapisan yang berbeza mempunyai trajektori penuaan yang berbeza, dan mereka tidak boleh dikurangkan kepada satu "lengkung purata".
• Implikasi untuk amalan dan kaedah klinikal. Penulis menyokong optik khusus lapisan: metrik sedemikian akan membantu membezakan penuaan normal daripada penyakit dengan lebih tepat (di mana lapisan/mekanisme lain terjejas) dan untuk mentafsirkan MRI berketumpatan tinggi (7T) dengan lebih baik — kedua-dua data struktur dan berfungsi.
• Kekuatan kerja adalah "jambatan" manusia↔tikus. Gabungan 7T MRI pada manusia dengan pengimejan kalsium dan histologi pada tikus menghasilkan gambaran yang konsisten merentasi lapisan. Ini, menurut pengarang, meningkatkan kebolehpercayaan tafsiran penemuan manusia dan mencadangkan mekanisme (myelin, PV interneuron) yang boleh diuji lebih lanjut.
• Had—dan tempat untuk menggali seterusnya. Kajian manusia adalah keratan rentas (bukan peserta yang sama dari semasa ke semasa) dan tertumpu pada korteks somatosensori primer; kajian membujur, kawasan kortikal lain, dan perbandingan dengan kumpulan klinikal diperlukan. Ia juga penting untuk menjelaskan sejauh mana mekanisme 1:1 dalam tikus boleh dipindahkan kepada manusia.

Pendek kata, kedudukan mereka: usia otak "lapisan demi lapisan," dan ini boleh dilihat dalam struktur (myelin, ketebalan) dan dalam operasi rangkaian; "input" dan "output" korteks berubah secara berbeza, dan beberapa kesan nampaknya adaptif. Ini mengubah pendekatan kepada diagnostik dan kajian perubahan berkaitan usia.

Had dan langkah seterusnya

Kerja ini adalah keratan rentas (orang yang berbeza, bukan orang yang sama dari semasa ke semasa) dan memfokuskan pada korteks somatosensori primer; mekanisme perbezaan antara spesies (manusia ↔ tikus) juga memerlukan penjelasan. Kajian khusus lapisan membujur di hadapan, dan menguji bagaimana "tandatangan berlapis" ini berubah dalam penyakit neurodegeneratif dan demyelinating.