Зубчатая извилина гиппокампа: структура и функции.

Введение

Область гиппокампа в мозге

Зубчатая извилина (DG) является частью гиппокампальной формации в височной доле мозга, которая также включает гиппокамп и субикулум. Зубчатая извилина входит в состав гиппокампальной трисинаптической цепи и, как считается, способствует формированию новых эпизодических воспоминаний и спонтанному исследованию новых сред. Она примечательна тем, что является одной из немногих структур мозга, у которых у многих видов млекопитающих, от грызунов до приматов, наблюдается значительный уровень нейрогенеза у взрослых. Другие области, где может происходить нейрогенез у взрослых, включают субвентрикулярную зону, стриатум и мозжечок. Однако вопрос о том, существует ли значительный нейрогенез в зубчатой извилине взрослого человека, остаётся предметом дискуссий.

Структура

Зубчатая извилина, как и гиппокамп, состоит из трех различных слоев: наружный молекулярный слой, средний гранулярный клеточный слой и внутренний полиморфный слой. (В гиппокампе наружный слой – это молекулярный слой, средний слой – пирамидальный слой, а внутренний слой – stratum oriens). Полиморфный слой также является гиппусом зубчатой извилины (CA4, область соединения гиппокампа и зубчатой извилины). Гранулярный слой расположен между налегающим молекулярным слоем и подлежащим гиппусом (полиморфным слоем). Гранулярные клетки гранулярного слоя проецируют свои аксоны, известные как моховые волокна, для формирования возбуждающих синапсов на дендритах пирамидальных нейронов CA3. Гранулярные клетки плотно упакованы друг с другом в ламинированном порядке, что снижает возбудимость нейронов. Некоторые из базальных дендритов гранулярных клеток изгибаются вверх в молекулярный слой. Большинство базальных дендритов входят в гиппус. Эти гиппальные дендриты короче и тоньше и имеют меньше боковых ветвей. Вторым типом возбуждающих клеток в гиппусе являются клетки моха – необычная конфигурация, предположительно предназначенная для подготовки набора клеточных ансамблей в CA3 к роли извлечения информации путем рандомизации их клеточного распределения. Между гиппусом и гранулярным клеточным слоем находится область, называемая субгранулярной зоной, которая является местом нейрогенеза взрослых.

Трисинаптическая схема

Трисинаптическая цепь состоит из возбуждающих клеток (в основном звездчатых клеток) во втором слое энторинальной коры, проецирующих в гранулерный клеточный слой зубчатой извилины через перфоральный путь. Зубчатая извилина не получает прямых входящих сигналов от других корковых структур. Перфоральный путь разделяется на медиальный и латеральный перфоральные пути, формирующиеся соответственно в медиальной и латеральной частях энторинальной коры. Медиальный перфоральный путь образует синапсы на проксимальном дендритном участке гранулярных клеток, в то время как латеральный перфоральный путь – на их дистальных дендритах. Большинство латеральных видов зубчатой извилины могут создавать впечатление структуры, состоящей лишь из одного образования, однако медиальное смещение может указывать на наличие вентральной и дорсальной частей зубчатой извилины. Аксоны гранулярных клеток, называемые моховыми волокнами, формируют возбуждающие синаптические связи с пирамидальными клетками CA3 и CA1. У людей, по оценкам, генерация гранулярных клеток начинается на 10,5–11 неделе гестации и продолжается во втором и третьем триместрах, после рождения и вплоть до взрослого возраста. Зародышевые источники гранулярных клеток и пути их миграции изучались в ходе развития мозга крысы. Самые старые гранулярные клетки формируются в определенном участке нейроэпителия гиппокампа и мигрируют в примордиальную зубчатую извилину примерно на 17–18-й день эмбрионального развития, а затем оседают в качестве самых наружных клеток формирующегося гранулярного слоя. Далее, предшественники зубчатой извилины покидают этот же участок нейроэпителия гиппокампа и, сохраняя митотическую активность, внедряются в гилус (ядро) формирующейся зубчатой извилины. Эта рассеянная зародышевая матрица является источником гранулярных клеток с этого момента. Новообразованные гранулярные клетки накапливаются под более старыми клетками, которые начали оседать в гранулярном слое. По мере увеличения количества образующихся гранулярных клеток слой утолщается, а клетки располагаются в соответствии с возрастом – самые старые находятся наиболее поверхностно, а самые молодые – глубже. Прекурсоры гранулярных клеток остаются в субгранулярной зоне, которая постепенно истончается по мере роста зубчатой извилины, но эти прекурсорные клетки сохраняются у взрослых крыс. Эти редко расположенные клетки постоянно генерируют нейроны гранулярных клеток, которые пополняют общую популяцию. Существуют различные другие различия в зубчатой извилине у крысы, обезьяны и человека. У гранулярных клеток крысы имеются только апикальные дендриты. Однако у обезьяны и человека многие гранулярные клетки также имеют базальные дендриты.

The trisynaptic circuit consists of excitatory cells (mostly stellate cells) in layer II of the entorhinal cortex, projecting to the granule cell layer of the dentate gyrus via the perforant path. The dentate gyrus receives no direct inputs from other cortical structures. The perforant path is divided into the medial and lateral perforant paths, generated, respectively, at the medial and lateral portions of the entorhinal cortex. The medial perforant path synapses onto the proximal dendritic area of the granule cells, whereas the lateral perforant path does so onto their distal dendrites. Most lateral views of the dentate gyrus may appear to suggest a structure consisting of just one entity, but medial movement may provide evidence of the ventral and dorsal parts of the dentate gyrus. The axons of the granule cells called mossy fibres, make excitatory synaptic connections with the pyramidal cells of CA3 and CA1. In humans, it is estimated that granule cells begin to be generated during gestation weeks 10.5 to 11, and continue being generated during the second and third trimesters, after birth and all the way into adulthood. The germinal sources of granule cells and their migration pathways have been studied during rat brain development. The oldest granule cells are generated in a specific region of the hippocampal neuroepithelium and migrate into the primordial dentate gyrus around embryonic days (E) 17/18, and then settle as the outermost cells in the forming granular layer. Next, dentate precursor cells move out of this same area of the hippocampal neuroepithelium and, retaining their mitotic capacity, invade the hilus (core) of the forming dentate gyrus. This dispersed germinal matrix is the source of granule cells from that point on. The newly generated granule cells accumulate under the older cells that began to settle in the granular layer. As more granule cells are produced, the layer thickens and the cells are stacked up according to age—the oldest being the most superficial and the youngest being deeper. The granule cell precursors remain in a subgranular zone that becomes progressively thinner as the dentate gyrus grows, but these precursor cells are retained in adult rats. These sparsely scattered cells constantly generate granule cell neurons, which add to the total population. There are a variety of other differences in the rat, monkey and human dentate gyrus. The granule cells only have apical dendrites in the rat. But in the monkey and human, many granule cells also have basal dendrites.

Функция

Считается, что зубчатая извилина способствует формированию воспоминаний и играет роль в развитии депрессии. Роль гиппокампа в обучении и памяти изучалась на протяжении многих десятилетий, особенно с конца 1950-х годов, после результатов операции, проведенной американскому мужчине, в ходе которой была удалена большая часть гиппокампа. До сих пор неясно, каким образом гиппокамп обеспечивает формирование новых воспоминаний, однако в этой области мозга происходит один процесс, называемый долговременной потенциацией (LTP). Соответственно, было предложено, что незрелые, новорожденные гранулярные клетки восприимчивы к формированию новых синаптических связей с аксонами, поступающими из II слоя энторинальной коры, таким образом, определенная новая совокупность событий запоминается как эпизодическая память, посредством первоначальной ассоциации этих событий в молодых гранулярных клетках, обладающих подходящим, благоприятным возрастом. Эта концепция подтверждается тем фактом, что повышенный нейрогенез связан с улучшением пространственной памяти у грызунов, что проявляется в их результатах при прохождении лабиринта. Зубчатая извилина известна как единица предварительной обработки информации. В то время как субполе CA3 участвует в кодировании, хранении и извлечении памяти, зубчатая извилина важна для разделения паттернов. Это обеспечивает кодирование новых воспоминаний отдельно, без влияния ранее сохраненных воспоминаний с похожими характеристиками. Разделение паттернов дает возможность различать одно воспоминание от других сохраненных воспоминаний. Разделение паттернов начинается в зубчатой извилине. Гранулярные клетки зубчатой извилины обрабатывают сенсорную информацию с помощью конкурентного обучения и передают предварительное представление для формирования карт места. Карты места чрезвычайно специфичны, поскольку способны к перенастройке и изменению частоты активации в ответ на незначительные изменения сенсорных сигналов. Эта специфичность критически важна для разделения паттернов, поскольку она позволяет различать воспоминания друг от друга. Его эпилепсию лечили хирургическим удалением гиппокампов (каждое полушарие – левое и правое – имеет свой гиппокамп), а также части окружающих тканей. Это целенаправленное удаление ткани мозга лишило пациента Молайзона способности формировать новые воспоминания, и с тех пор считается, что гиппокамп играет важную роль в формировании памяти, хотя механизмы, лежащие в основе этого процесса, остаются неясными. Физиологические эффекты стресса, часто характеризующиеся высвобождением глюкокортикоидов, таких как кортизол, а также активацией симпатической нервной системы (подразделение автономной нервной системы), показали способность ингибировать процесс нейрогенеза у приматов. Как эндогенные, так и экзогенные глюкокортикоиды, как известно, вызывают психоз и депрессию, что позволяет предположить, что нейрогенез в зубчатой извилине может играть важную роль в модуляции симптомов стресса и депрессии.

The dentate gyrus is thought to contribute to the formation of memories, and to play a role in depression. The role of the hippocampus in learning and memory has been studied for many decades particularly since the late 1950s, following the results of surgery, in an American male, to remove most of the hippocampus. It remains unclear how the hippocampus enables new memory formation, but one process, called long term potentiation (LTP), occurs in this brain region. Correspondingly, it has been proposed that the immature, newborn granule cells are receptive to form new synaptic connections with the axons arriving from the layer II of the entorhinal cortex, this way a particular new constellation of events is remembered as an episodic memory by first associating the events in the young granule cells that have the appropriate, permissive age. This concept is reinforced by the fact that increased neurogenesis is associated with improved spatial memory in rodents, as seen through performance in a maze. The dentate gyrus is known to serve as a pre processing unit. While the CA3 subfield is involved in encoding, storage, and retrieval of memory, the dentate gyrus is important in pattern separation. This ensures that new memories are encoded separately without input from previously stored memories of similar feature, Pattern separation gives the ability to differentiate one memory from other stored memories. Pattern separation begins in the dentate gyrus. Granule cells in the dentate gyrus process sensory information using competitive learning, and relay a preliminary representation to form place fields. Place fields are extremely specific, as they are capable of remapping and adjusting firing rates in response to subtle sensory signal changes. This specificity is critical for pattern separation, as it distinguishes memories from one another. His epilepsy was treated with surgical removal of his hippocampi (left and right hemispheres each have their own hippocampus) as well as some surrounding tissue. This targeted brain tissue removal left Mr. Molaison with an inability to form new memories, and the hippocampus has been thought critical to memory formation since that time, though the processes involved are unclear. The physiological effects of stress, often characterized by release of glucocorticoids such as cortisol, as well as activation of the sympathetic nervous system (a division of the autonomic nervous system), have been shown to inhibit the process of neurogenesis in primates. Both endogenous and exogenous glucocorticoids are known to cause psychosis and depression, implying that neurogenesis in the dentate gyrus may play an important role in modulating symptoms of stress and depression.

Сахар в крови

Исследования, проведенные учеными из Медицинского центра Колумбийского университета, показывают, что плохой контроль уровня глюкозы может приводить к негативным последствиям для зубчатой извилины, что вызывает ухудшение памяти.

Другое

Некоторые данные, полученные на мышах, указывают на то, что нейрогенез в зубчатой извилине повышается в ответ на аэробные упражнения. Ряд экспериментов продемонстрировал, что нейрогенез (образование новой нервной ткани) часто увеличивается в зубчатой извилине взрослых грызунов при помещении в обогащенную среду.

Пространственное поведение

Исследования показали, что после уничтожения около 90% клеток зубчатого гиппокампа, крысам было крайне трудно ориентироваться в лабиринте, который они ранее успешно проходили. Многократное тестирование на способность к обучению лабиринту показало, что крысы не демонстрировали никакого прогресса, что свидетельствует о серьезном нарушении их кратковременной памяти. Крысы испытывали трудности с использованием пространственных стратегий, поскольку не могли закрепить полученную информацию о лабиринте в кратковременной памяти и, следовательно, не могли вспомнить ее при повторном прохождении лабиринта. Каждый раз, попадая в лабиринт, крыса вела себя так, будто видела его впервые.