Creierul îmbătrânește în straturi: stratul de „intrare” al cortexului senzorial se îngroașă, în timp ce straturile profunde devin mai subțiri.

O lucrare publicată în Nature Neuroscience arată cum îmbătrânirea afectează straturile cortexului senzorial în mod diferit la oameni și șoareci. La adulții mai în vârstă, stratul „de intrare” IV apare mai gros și mai mielinizat, în timp ce straturile profunde (V-VI) devin mai subțiri, în ciuda unei creșteri generale a mielinei. În experimentele cu țesuturi și calciu efectuate pe șoareci, activitatea neuronală senzorială a crescut odată cu vârsta, iar densitatea interneuronilor fotovoltaici, un probabil „compensator” pentru menținerea echilibrului excitație/inhibiție, a crescut. Cu alte cuvinte, cortexul nu îmbătrânește uniform, ci în straturi.

Fundal

• Ceea ce se crede de obicei despre îmbătrânirea creierului. Se spune adesea că „cortexul se subțiază odată cu vârsta” - și asta explică totul. Dar aceasta este o imagine medie pentru întreaga grosime a cortexului, fără a ține cont de faptul că acesta este un „tort stratificat” cu sarcini diferite pentru fiecare strat.
• Ceea ce a rămas neclar a fost dacă cortexul îmbătrânește uniform sau dacă fiecare strat are propria sa traiectorie. Mai ales în cortexul senzorial, unde al patrulea strat (stratul IV) primește input de la talamus („portul de intrare”), iar straturile mai profunde trimit comenzi în aval. Studiile inițiale au sugerat schimbări strat cu strat, dar datele directe, de înaltă rezoluție, provenite de la oameni erau puține.
• De ce este mai ușor să studiem acest lucru acum. Au apărut metode RMN 7-T cu analiză strat cu strat a structurii și funcției, precum și hărți cantitative ale mielinei (qT1, QSM). Acestea pot fi comparate cu experimente pe șoareci - de la imagistica „calciu” cu doi fotoni a activității neuronale până la histologie. Acest design „om ↔ șoarece” ne permite să verificăm dacă îmbătrânirea are loc într-adevăr în straturi și nu este pur și simplu „mediată” pe întregul cortex.
• Indicii din modele. La animale, răspunsurile senzoriale cresc adesea odată cu vârsta, iar interneuronii inhibitori cu proteina parvalbumină (PV) sunt adesea reconectați - acestea sunt celulele „frână” care împiedică rețeaua să se „supraexcite”. Dacă densitatea sau funcția lor se modifică, rețeaua poate compensa modificările semnalelor de intrare legate de vârstă.

Ce au făcut ei?

O echipă de la DZNE (Germania), Universitățile din Magdeburg și Tübingen și partenerii au comparat grupuri de persoane tinere și vârstnice utilizând RMN-ul cu câmp ultra-înalt de 7T: au măsurat grosimea stratului, proxy-ul mielinei (qT1) și susceptibilitatea magnetică (QSM), precum și răspunsurile funcționale la stimularea tactilă a degetelor. În paralel, s-a efectuat imagistică cu calciu cu doi fotoni în cortexul cilindric al șoarecilor și s-au efectuat analize post-mortem ale mielinei. Acest design „biling” (om ↔ șoarece) ne-a permis să comparăm modelele de îmbătrânire la nivel de strat.

Principalele constatări - în cuvinte simple

• Stratul IV (canalul de intrare) este mai mare și mai mielinizat la adulții în vârstă, cu semnale senzoriale de intrare extinse. Straturile mai profunde sunt mai subțiri, deși prezintă și semne de mielinizare mai mare. „Grosimea corticală medie” normală maschează aceste schimbări diferențiale, astfel încât valorile specifice stratului sunt mai informative.
• „Granițele” hărților digitale (zonele cu conținut scăzut de mielină între reprezentările degetelor) se păstrează odată cu vârsta - nu s-au găsit limite clare în degradare.
• Șoarecii au prezentat o activare neuronală senzorială mai mare și o densitate mai mare de interneuroni fotovoltaici (celulele „frână”) odată cu vârsta, ceea ce poate servi drept compensație pentru a împiedica rețelele să se „dezlănțuie”. Mielina corticală la șoareci a prezentat o dinamică legată de vârstă, inclusiv o creștere a vârstei adulte și o scădere a vârstei înaintate (curbă în U inversată).

De ce este important acest lucru?

• Nu totul se rezumă la „subțiere”. Da, cortexul este în medie mai subțire la persoanele în vârstă, dar această „medie” ascunde cheia: diferitele straturi se schimbă diferit. Pentru diagnosticare și știință, este mai precis să privim profilul pe straturi și nu doar pe grosimea generală.
• Implicații neurobiologice. Îngroșarea/mielinizarea stratului IV și creșterea inhibiției fotovoltaice par a fi o adaptare la modelele murine: semnalele de intrare sunt mai lungi și mai largi, iar sistemul adaugă „frâne” pentru a reduce supraactivarea. Acest lucru ajută la explicarea motivului pentru care unii adulți în vârstă prezintă răspunsuri senzoriale îmbunătățite fără dovezi evidente de pierdere a inhibiției.
• Punte către clinică: Abordările specifice straturilor pot clarifica modul în care îmbătrânirea normală diferă de bolile în care sunt afectate alte straturi și mecanisme - de exemplu, în Alzheimer sau scleroză multiplă, alte niveluri și tipuri de mielină/interneuroni sunt mai implicate.

Detalii la care trebuie să fii atent

• Într-un set de date, oamenii aveau o grosime totală a mâinii de ≈2,0 mm în S1, iar diferența dintre vârste era de aproximativ –0,12 mm – dar punctul cheie este că straturile profunde au contribuit, în timp ce stratul din mijloc s-a îngroșat.
• Autorii nu au găsit dovezi clare ale unei inhibiții slăbite la adulții în vârstă la nivelul BOLD; în schimb, în înregistrările neuronale individuale la șoareci, au observat o coactivare inhibitorie crescută și o creștere a numărului de celule PV+, în concordanță cu ideea de compensare.
• În materialele de presă, studiul este prezentat ca o dovadă a îmbătrânirii „stratificate” a cortexului și a faptului că cortexul uman îmbătrânește mai lent decât se credea anterior, cel puțin în zona somatosenzorială, deoarece unele straturi păstrează sau chiar cresc „resursele” structurale.

Comentariile autorilor

Iată ce subliniază autorii înșiși (pe baza sensului discuției și concluziilor lor):

• Îmbătrânirea nu este o „subțiere uniformă”, ci o restructurare strat cu strat. Aceștia observă schimbări în direcții diferite: stratul IV „de intrare” la persoanele în vârstă pare mai gros și mai mielinizat, în timp ce straturile profunde contribuie în principal la subțierea generală a cortexului. Prin urmare, valorile medii pe întreaga grosime a cortexului ascund schimbările cheie - trebuie să privim „strat cu strat”.
• Inputul senzorial este întins, rețeaua se adaptează. Stratul IV mai gros/mai mielinizat la vârstnici este asociat cu inputuri senzoriale mai lungi; într-un model murin, activitatea neuronală senzorială este amplificată și proporția de interneuroni PV crește, un probabil mecanism de compensare pentru menținerea echilibrului excitație/inhibiție.
• Straturile profunde sunt un punct vulnerabil în procesul de îmbătrânire. Conform datelor lor, straturile profunde sunt cele care explică subțierea și modificările modulației funcționale legate de vârstă, în timp ce straturile din mijloc pot prezenta schimbări opuse. De aici și concluzia: diferite straturi au traiectorii de îmbătrânire diferite și nu pot fi reduse la o singură „curbă medie”.
• Implicații pentru practica clinică și metode. Autorii recomandă optica specifică straturilor: astfel de valori vor ajuta la o distincție mai precisă a îmbătrânirii normale de boli (unde sunt afectate alte straturi/mecanisme) și la o interpretare mai bună a RMN-ului de înaltă densitate (7T) - atât datele structurale, cât și cele funcționale.
• Punctul forte al lucrării constă în „puntea” om↔șoarece. Combinarea RMN-ului 7T la om cu imagistica calciului și histologia la șoareci a produs o imagine consistentă pe toate straturile. Acest lucru, potrivit autorilor, crește fiabilitatea interpretării descoperirilor la om și sugerează mecanisme (mielină, interneuroni fotovoltaici) care pot fi testate în continuare.
• Limitări - și unde să investigăm în continuare. Studiul pe oameni este transversal (nu sunt implicați aceiași participanți în timp) și s-a concentrat pe cortexul somatosenzorial primar; sunt necesare studii longitudinale, alte zone corticale și comparații cu grupuri clinice. De asemenea, este important să se clarifice măsura în care mecanismele 1:1 de la șoareci sunt transferabile la oameni.

Pe scurt, poziția lor: creierul îmbătrânește „strat cu strat”, iar acest lucru este vizibil atât în structură (mielină, grosime), cât și în funcționarea rețelei; „intrarea” și „ieșirea” cortexului se schimbă diferit, iar unele dintre efecte par a fi adaptive. Acest lucru schimbă abordarea diagnosticării și studiul schimbărilor legate de vârstă.

Limitări și următorul pas

Lucrarea este transversală (oameni diferiți, nu aceiași de-a lungul timpului) și se concentrează pe cortexul somatosenzorial primar; mecanismul diferențelor dintre specii (om ↔ șoarece) necesită, de asemenea, clarificări. Sunt în curs de desfășurare studii longitudinale specifice straturilor, care testează modul în care această „semnătură stratificată” se modifică în bolile neurodegenerative și demielinizante.