Ang utak ay tumatanda sa mga layer: ang "entry" na layer ng sensory cortex ay lumakapal, habang ang malalim na mga layer ay nagiging thinner

Ang isang papel na inilathala sa Nature Neuroscience ay nagpapakita kung paano nakakaapekto ang pagtanda sa mga layer ng sensory cortex nang iba sa mga tao at mga daga. Sa mga matatanda, ang "entry" na layer IV ay lumilitaw na mas makapal at mas myelinated, habang ang malalim na mga layer (V–VI) ay nagiging mas payat, sa kabila ng pangkalahatang pagtaas ng myelin. Sa mga eksperimento sa tissue at calcium sa mga daga, tumaas ang sensory neuronal activity sa edad, at ang density ng PV interneurons, isang malamang na "compensator" para sa pagpapanatili ng balanse ng excitation/inhibition, ay tumaas. Sa madaling salita, ang cortex ay tumatanda hindi pantay, ngunit sa mga layer.

Background

• Ano ang karaniwang iniisip tungkol sa pagtanda ng utak. Madalas nilang sinasabi na "naninipis ang cortex sa edad" - at ipinapaliwanag nito ang lahat. Ngunit ito ay isang average na larawan para sa buong kapal ng cortex, nang hindi isinasaalang-alang na ang cortex ay isang "layered cake" na may iba't ibang mga gawain para sa bawat layer.
• Ang nanatiling hindi malinaw ay kung pare-pareho ang edad ng cortex, o kung ang bawat layer ay may sariling landas. Lalo na sa sensory cortex, kung saan ang ikaapat na layer (layer IV) ay tumatanggap ng input mula sa thalamus (ang "input port") at ang mas malalim na mga layer ay nagpapadala ng mga command sa ibaba ng agos. Ang maagang trabaho ay nagpapahiwatig ng mga layer-by-layer shift, ngunit ang direkta, mataas na resolution ng data ng tao ay kakaunti.
• Bakit mas madaling pag-aralan ito ngayon. Ang mga pamamaraan ng 7-T MRI na may layer-by-layer na pagsusuri ng istraktura at pag-andar, pati na rin ang mga quantitative myelin na mapa (qT1, QSM) ay lumitaw. Maaari silang ihambing sa mga eksperimento sa mga daga - mula sa two-photon "calcium" imaging ng aktibidad ng neuronal hanggang sa histology. Ang disenyo ng "tao ↔ mouse" na ito ay nagbibigay-daan sa amin na suriin kung ang pagtanda ay talagang nangyayari sa mga layer, at hindi lang "average" sa buong cortex.
• Mga pahiwatig mula sa mga modelo. Sa mga hayop, ang mga pandama na tugon ay kadalasang tumataas sa edad, at ang mga nagbabawal na interneuron na may protina na parvalbumin (PV) ay madalas na nire-rewired — ito ang mga "brake" na cell na pumipigil sa network mula sa "sobrang kapana-panabik." Kung magbabago ang kanilang density o function, maaaring bayaran ng network ang mga pagbabagong nauugnay sa edad sa mga input signal.

Ano ang ginawa nila?

Isang team mula sa DZNE (Germany), ang Unibersidad ng Magdeburg at Tübingen at ang mga kasosyo ay naghambing ng mga bata at matatandang grupo ng mga tao na gumagamit ng ultra-high-field na 7-T MRI: sinukat nila ang kapal ng layer, myelin proxy (qT1) at magnetic susceptibility (QSM), pati na rin ang mga functional na tugon sa tactile stimulation ng mga daliri. Kaayon, isinagawa ang two-photon calcium imaging sa barrel cortex ng mga daga at isinagawa ang mga pagsusuri sa post-mortem myelin. Ang "bilingual" na disenyo na ito (tao ↔ mouse) ay nagbigay-daan sa amin na ihambing ang mga pattern ng pagtanda sa antas ng layer.

Ang mga pangunahing natuklasan - sa mga simpleng salita

• Ang Layer IV (ang input channel) ay mas malaki at mas myelinated sa mga matatanda, na may pinahabang sensory input signal. Ang mas malalim na mga layer ay mas payat, bagaman nagpapakita rin sila ng mga palatandaan ng mas malaking myelination. Tinatakpan ng normal na "average na kapal ng cortical" ang mga differential shift na ito, kaya mas nagbibigay-kaalaman ang mga sukatan na partikular sa layer.
• Ang "mga hangganan" ng mga mapa ng daliri (mga lugar na may mababang myelin sa pagitan ng mga representasyon ng daliri) ay pinapanatili sa edad-walang malinaw na mga hangganan ang natagpuan sa pagkasira.
• Ang mga daga ay nagpakita ng mas malaking sensory neuronal activation at mas mataas na density ng mga PV interneuron (ang mga "brake" na mga cell) na may edad, na maaaring magsilbing kabayaran upang maiwasan ang mga network na "tumatakbo." Ang cortical myelin sa mga daga ay nagpakita ng mga dinamikong nauugnay sa edad, kabilang ang pagtaas ng pagtanda at pagbaba sa katandaan (inverted U-curve).

Bakit ito mahalaga?

• Hindi lahat ay tungkol sa "pagpapayat". Oo, ang cortex ay mas manipis sa mga matatandang tao sa karaniwan, ngunit ang "average" na ito ay nagtatago ng susi: iba't ibang mga layer ang nagbabago nang iba. Para sa mga diagnostic at agham, mas tumpak na tingnan ang profile ayon sa mga layer, at hindi lamang ang kabuuang kapal.
• Mga implikasyon ng neurobiological. Ang layer IV na pampalapot/myelination at tumaas na PV inhibition ay lumilitaw na isang adaptasyon sa mga modelo ng mouse: ang mga input signal ay mas mahaba at mas malawak, at ang system ay nagdaragdag ng "preno" upang pigilan ang sobrang pag-activate. Nakakatulong ito na ipaliwanag kung bakit ang ilang matatanda ay nagpapakita ng pinahusay na pandama na mga tugon nang walang hayagang ebidensya ng pagkawala ng pagsugpo.
• Tulay sa klinika: Ang mga diskarte na partikular sa layer ay maaaring magbigay ng liwanag sa kung paano naiiba ang normal na pagtanda sa mga sakit kung saan apektado ang iba pang mga layer at mekanismo – halimbawa, sa Alzheimer's o multiple sclerosis, ang iba pang mga antas at uri ng myelin/interneuron ay higit na nasasangkot.

Mga detalyeng dapat abangan

• Sa isang dataset, ang mga tao ay may kabuuang kapal ng kamay na ≈2.0 mm sa S1, at ang pagkakaiba sa pagitan ng mga edad ay humigit-kumulang -0.12 mm - ngunit ang pangunahing punto ay ang malalim na mga layer ang nag-ambag, habang ang gitnang layer ay lumapot.
• Ang mga may-akda ay walang nakitang malinaw na katibayan ng mahinang pagsugpo sa mga matatanda sa antas ng BOLD; sa halip, sa mga pag-record ng single-neuron ng mouse, naobserbahan nila ang pagtaas ng inhibitory co-activation at pagtaas ng mga PV+ cells, na naaayon sa ideya ng kabayaran.
• Sa mga press material, ang pag-aaral ay ipinakita bilang ebidensya ng "layered" na pagtanda ng cortex at na ang cortex ng tao ay tumatanda nang mas mabagal kaysa sa naunang naisip, hindi bababa sa somatosensory zone, dahil ang ilang mga layer ay nagpapanatili o kahit na nagpapataas ng istrukturang "mga mapagkukunan."

Mga komento ng mga may-akda

Narito ang binibigyang-diin mismo ng mga may-akda (batay sa kahulugan ng kanilang talakayan at mga konklusyon):

• Ang pagtanda ay hindi isang "unipormeng pagnipis," ngunit isang layer-by-layer restructuring. Nakikita nila ang mga pagbabago sa iba't ibang direksyon: ang "entry" layer IV sa mga matatandang tao ay mukhang mas makapal at mas myelinated, habang ang malalim na mga layer ay gumagawa ng pangunahing kontribusyon sa pangkalahatang pagnipis ng cortex. Samakatuwid, ang mga average na sukatan sa buong kapal ng cortex ay nagtatago ng mga pangunahing pagbabago - kailangan mong tumingin "layer by layer."
• Ang sensory input ay nakaunat, ang network ay umaangkop. Ang mas makapal/mas myelinated layer IV sa mga matatanda ay nauugnay sa mas mahabang sensory input; sa isang modelo ng mouse, ang sensory neuronal na aktibidad ay pinahusay at ang proporsyon ng mga interneuron ng PV ay tumataas, isang malamang na mekanismo ng kompensasyon upang mapanatili ang balanse ng paggulo/pagpigil.
• Ang mga malalalim na layer ay isang mahinang lugar sa pagtanda. Ayon sa kanilang data, ito ay ang malalim na mga layer na nagpapaliwanag sa pagnipis na nauugnay sa edad at mga pagbabago sa functional modulation, habang ang mga gitnang layer ay maaaring magpakita ng kabaligtaran na mga pagbabago. Kaya ang konklusyon: ang iba't ibang mga layer ay may iba't ibang aging trajectories, at hindi sila maaaring bawasan sa isang "average na curve".
• Mga implikasyon para sa klinikal na kasanayan at pamamaraan. Ang mga may-akda ay nagtataguyod ng layer-specific na optika: ang mga naturang sukatan ay makakatulong upang mas tumpak na makilala ang normal na pagtanda mula sa mga sakit (kung saan apektado ang iba pang mga layer/mekanismo) at upang mas mahusay na bigyang-kahulugan ang high-density (7T) MRI — parehong structural at functional na data.
• Ang lakas ng trabaho ay ang "tulay" ng tao↔mouse. Ang kumbinasyon ng 7T MRI sa mga tao na may calcium imaging at histology sa mga daga ay nagbunga ng pare-parehong larawan sa mga layer. Ito, ayon sa mga may-akda, ay nagdaragdag sa pagiging maaasahan ng interpretasyon ng mga natuklasan ng tao at nagmumungkahi ng mga mekanismo (myelin, PV interneuron) na maaaring masuri pa.
• Mga limitasyon—at kung saan susunod na maghuhukay. Ang pag-aaral ng tao ay cross-sectional (hindi ang parehong mga kalahok sa paglipas ng panahon) at nakatutok sa pangunahing somatosensory cortex; Ang mga longitudinal na pag-aaral, iba pang cortical area, at paghahambing sa mga klinikal na grupo ay kailangan. Mahalaga rin na linawin kung hanggang saan ang 1:1 na mekanismo sa mga daga ay naililipat sa mga tao.

Sa madaling salita, ang kanilang posisyon: ang utak ay tumatanda nang “layer by layer,” at ito ay makikita pareho sa istruktura (myelin, kapal) at sa pagpapatakbo ng network; iba ang pagbabago ng "input" at "output" ng cortex, at ang ilan sa mga epekto ay lumilitaw na adaptive. Binabago nito ang diskarte sa mga diagnostic at ang pag-aaral ng mga pagbabagong nauugnay sa edad.

Mga limitasyon at ang susunod na hakbang

Ang gawain ay cross-sectional (iba't ibang tao, hindi pareho sa paglipas ng panahon) at nakatutok sa pangunahing somatosensory cortex; ang mekanismo ng mga pagkakaiba sa pagitan ng mga species (tao ↔ mouse) ay nangangailangan din ng paglilinaw. Ang mga longitudinal layer-specific na pag-aaral ay nasa unahan, at sinusuri kung paano nagbabago ang "layered signature" na ito sa mga sakit na neurodegenerative at demyelinating.