Ученые из Австралии сделали попытку выяснить, как корковые зоны мозга структурно связаны с гиппокампом. Исследователи с помощью нового подхода смогли визуализировать связи по областям гиппокампа и определить количественно масштаб «общения» между «хабом памяти» и другими областями.
Гиппокамп — область нашего мозга, которую чаще всего ассоциируют с памятью и навигацией. После операции по удалению эпилептических очагов в гиппокампе пациента Г.М., которая привела к потере способности консолидировать память (переводить ее из кратковременной в долговременную форму), гиппокамп стал чуть ли не первым кандидатом на титул хаба памяти. За что же такую небольшую область в мозге наделяют столь значимым титулом?
В первую очередь все из-за того, что она имеет многочисленные анатомические связи с другими зонами. Можно сказать, что по уровню коммуникации гиппокамп – самая «общительная» структура мозга. Он получает данные о сенсорном восприятии разных стимулов и переводит их в формат воспоминания. Разумеется, для такой деятельности нужно иметь анатомические связи со всем мозгом, благодаря которым будет поддерживаться постоянный информационный поток.
Что такое гиппокамп
Гиппокамп – область, также известная как Аммонов рог (да-да, мы проверили, что название относится к тому самому богу Древнего Египта), представляет собой свернутые структуры серого вещества, находящиеся в недрах височной коры. В зависимости от того, с какой стороны мы будем смотреть на гиппокамп, мы сможем увидеть разные его компоненты.
Начнем со взгляда сбоку (как будто мы смотрим разрез мозга со стороны ушей). Ученые выделяют три основные части: головку (увеличенная кпереди часть гиппокампа), направленная в сторону лица, тело (другое название – альвеус) и хвост (ориентированная к затылку). На втором рисунке ниже эти области показаны желтым, красным и синим цветами, соответственно.
Если посмотреть на гиппокамп в поперечном разрезе (как будто вы смотрите в лицо человеку), то можно отметить основные субрегионы гиппокампа: зубчатую извилину/фасцию (на картинке ниже — DG), собственно гиппокамп (области CA1, CA2 — спрятанная между CA1 и CA3, CA3, CA4), основание гиппокампа (субикулярную, пресубикулярную и парасубикулярную кору — SB).
У разных частей и субрегионов гиппокампа количество связей с другими областями мозга варьируется, однако неизвестно, в какой мере. Да и, в целом, данные о наличии анатомических связей гиппокампа с другими областями мозга мы имеем в основном из экспериментов с животными.
Связи гиппокампальные
Ученые исследовали анатомические связи гиппокампа с корковыми областями у людей. Главная задача работы состояла в том, чтобы определить, как изменяются связи в разных частях гиппокампа, и описать эти изменения количественно. И сделать это in vivo (для живого организма).
Ученые использовали технологию диффузионной МРТ. Основной ее смысл состоит в измерении направления диффузии молекул воды в тканях мозга, что позволяет определить, как в этих тканях лежат нервные волокна. Диффузия изменяется в зависимости от типа тканей, что позволяет выстраивать достаточно точные микроскопические модели органа. Интересующая нас ткань – это белое вещество мозга, то есть аксоны или отростки нейронов, связывающие одну клетку с другой.
Методологическое новшество авторов исследования заключалось в том, что из рассмотрения связности они убрали зоны, которые находятся ниже гиппокампа и через которые проходят множество пучков, в конечном итоге, прибывающих в сам гиппокамп. Это позволило отслеживать пути пучков до самого гиппокампа и исключить частые случаи, когда окончание пучка находилось вне гиппокампа. Такой подход позволил спроецировать окончания пучков на сам гиппокамп, измерить их количество и определить плотность. Забавно, что ученые настолько хотели задокументировать свое первенство в данном методе анализа, что четырежды подчеркнули «новизну» своего метода и трижды повторили, что этот подход ранее не был реализован.
Данные для исследования ученые взяли из проекта Человеческого коннектома (Human Connectome Project). Всего расчет проводился для 10 молодых и здоровых участников.
Ниже представлен график, демонстрирующий взвешенные значения связности разных корковых зон мозга с разными частями гиппокампа. Наибольшее значение имеют боковая височная кора (зоны TF, TGd и TGv, TE2a), нижне-боковая височная доля, первичная (V1), вторичная (V2) и третичная (V3) зрительные зоны, область теменно-затылочной борозды (POS1). При том на графике ниже можно ясно видеть градиент связи разных зон мозга с разными частями гиппокампа по сагиттальной оси (то есть от лица к затылку). Желтым отмечены связи с головкой гиппокампа, красным – с телом, а синим – с хвостом.
Ученые статистически проанализировали различия в связности разных зон мозга с гиппокампом и показали, что у корковых зон есть свои «любимые» участки на гиппокампе. Так, уровень связности для ProS, V1, V2, V3, DVT, V4, V6, POS1, VMV1, VMV2, RSC, and POS2 значимо увеличивался при приближении к хвосту гиппокампа. Зоны TF, TGd, and TGv были значимо связаны с передними областями гиппокампа. С телом гиппокампа оказались значимо связаны 4 области: TE2a, VVC, FFC, and TE2p. Так как воспринимать данные буквы тяжело, предлагаем более наглядный вариант в виде условной схемы.
Отдельные результаты были получены для медиальной височной доли (MTL), в состав которой, собственно, и входит сам гиппокамп. На рисунке ниже EC — энторинальная кора, PeEc — периринальная кора, PHA1, PHA2 и PHA3 — парагиппокампальная области (1, 2 и 3, соответственно). Обратите внимание, что количество и плотность связей для медиальной височной доли огромна. Именно поэтому ее рассматривали отдельно.
Сверху — количественное описание окончаний пучков от зон медиальной височной доли, посередине — распределение окончаний по частям гиппокампа, ниже — визуализация структурной связности.
Можно задаться вопросом – а зачем в таком исследовании, где мы хотим узнать, какие зоны мозга анатомически связаны с гиппокампом, использовать статистику. Дело в том, что одна область может иметь связь и с телом, и с головкой, и с хвостом гиппокампа. Но общее количество таких связей (окончаний пучков) отличается. Ученые усредняли данные по людям, а затем – по пучкам из конкретных зон мозга. И сравнивали, действительно ли существует перевес в том, что одна корковая область мозга направляет свои связи именно к определенному участку гиппокампа. Или же это случайные вариации.
Ученые обнаружили несколько кластеров в гиппокампе, где была высокая плотность окончаний пучков. Это позволило выдвинуть идею, что такие кластеры – это хабы гиппокампа. Все “хабы” вы можете увидеть по ссылке, ведущей на саму статью. Усреднив данные о количество окончаний пучков, идущих из конкретных корковых областей, ученые создали своеобразную карту, пример который вы можете видеть ниже.
Усреднив данные по корковым долям (среднее по связям всех областей конкретной доли мозга), ученые выяснили, что пучки наиболее связанных с гиппокампом областей из височной доли локализуют свои окончания в головке и теле гиппокампа (рисунок A), пучки из теменной доли – в теле и хвосте (рисунок B), а аксоны затылочных долей – преимущественно в хвосте (рисунок С).
Важно отметить, что ученые обнаружили наложения карт плотности от разных зон мозга (как на рисунке ниже). Так окончания пучков, идущих из первичной зрительной области (голубые точки) практически совпадает с окончаниями пучков из вторичной зрительной области (красные точки).
При сопоставлении усредненных данных с данными по каждому отдельному участнику ученые убедились, что наблюдают как общие паттерны коннективности для людей, так и индивидуальные различия между ними.
Это фундаментальное по сути исследование преподнесло и неожиданный результат. Оказалось, что между гиппокампом и лобной корой прослеживались лишь слабые связи, что опровергало предыдущие результаты экспериментов на животных. Ученые постарались объяснить свой результат тем, что «общение» лобных долей с гиппокампом может происходить через сильно разбросанные по мозгу связи дальнего действия (весьма вероятно – опосредованные). В данном случае такие связи показывают скорее функциональные взаимодействия гиппокампа и лобной коры, а в данной работе исследовались только структурные.
Ученые делают вывод, что подобные множественные связи гиппокампа с разными областями коры могут объяснять ключевую роль Аммонова рога в формировании и консолидации памяти.
Подробности этого изложены в журнале eLife.
Текст: Никита Отставнов