ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΥΓΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΥΓΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ Συγκριτική μελέτη της ρυθμικής δραστηριότητας που αναπτύσσεται σε τομές ραχιαίου και κοιλιακού ιππόκαμπου αρουραίου με αγωνιστή υποδοχέων Ακετυλοχολίνης ΙΩΑΝΝΑ ΝΙΚΗΤΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΑΤΡΑ 2009

2 Τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή ΚΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, Επιβλέπων, Καθηγητής, Εργαστήριο Φυσιολογίας, Τμήμα Ιατρικής, Πανεπιστήμιο Πατρών. ΠΑΠΑΘΕΟΔΩΡΟΠΟΥΛΟΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ, Επίκουρος καθηγητής, Εργαστήριο Φυσιολογίας, Τμήμα Ιατρικής, Πανεπιστήμιο Πατρών. ΚΟΥΒΕΛΑΣ ΗΛΙΑΣ, Καθηγητής, Εργαστήριο Φυσιολογίας, Τμήμα Ιατρικής, Πανεπιστήμιο Πατρών. Επταμελής εξεταστική επιτροπή ΑΓΓΕΛΑΤΟΥ ΦΕΒΡΩΝΙΑ, αν. καθηγήτρια Τμήματος Ιατρικής, Παν/μίου Πατρών. ΚΟΥΒΕΛΑΣ ΗΛΙΑΣ, καθηγητής Τμήματος Ιατρικής, Παν/μίου Πατρών ΚΩΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, καθηγητής, Τμήματος Ιατρικής, Παν/μιου Πατρών. ΜΗΤΣΑΚΟΥ ΑΔΑΜΑΝΤΙΑ, αν. καθηγήτρια Τμήματος Ιατρικής, Παν/μίου Πατρών. ΜΠΕΡΜΠΕΡΙΔΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ, καθηγητής Τμήματος Η/Υ & Πληροφορικής Παν/μιου Πατρών. ΠΑΠΑΘΕΟΔΩΡΟΠΟΥΛΟΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ, επ. καθηγητής Τμήματος Ιατρικής, Παν/μίου Πατρών. ΨΑΡΡΟΠΟΥΛΟΥ ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ, καθηγήτρια Τμήματος Βιολογικών Εφαρμογών και Τεχνολογιών Παν/μιου Ιωαννίνων.

3 Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α ΓΕΝΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Ιππόκαμπος Περιγραφή των περιοχών του ιπποκάμπου -προσαγωγές και απαγωγές συνδέσεις Διαφοροποίηση κατά τον επιμήκη άξονα του ιπποκάμπου Χολινεργική νεύρωση ιπποκάμπου Ρυθμοί Γάμμα ρυθμός Θήτα ρυθμός Οξέα κύματα ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΡΥΘΜΙΚΗΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΓΩΝΙΣΤΕΣ ΑΚΕΤΥΛΟΧΟΛΙΝΗΣ 2.1. Ερευνητική υπόθεση Μέθοδοι Αποτελέσματα Αργή δραστηριότητα Ρυθμική δραστηριότητα θ Ρυθμική δραστηριότητα γ Ποσοτικοποίηση και σύγκριση τομών ραχιαίου και κοιλιακού ιπποκάμπου Ραχιαίες τομές Κοιλιακές τομές Σύγκριση ραχιαίων και κοιλιακών τομών Συμπεράσματα-Συζήτηση ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

4 Ευχαριστίες.. Θα ήταν μεγάλη παράλειψη να μην ευχαριστήσω όλους όσους με βοήθησαν στην επίπονη αλλά δημιουργική συγγραφή της εργασίας αυτής. Πρώτα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή μου κ. Γεώργιο Κωστόπουλο για την υπομονή του και τη δυνατότητα που μου έδωσε να ασχοληθώ με την τόσο γοητευτική επιστήμη της νευροφυσιολογίας. Τον καθηγητή μου κ. Κώστα Παπαθεοδωρόπουλο, για την «πειραματική εκπαίδευση», την συμπαράσταση και τις ατελείωτες συζητήσεις. Η ενθάρρυνσή του και η εμπιστοσύνη του ήταν καταλυτικές για την υπέρβαση των αμφιβολιών και των δυσκολιών κατά τις πολύωρες πειραματικές καταγραφές. Τους καθηγητές του τομέα Φυσιολογίας κ. Φεβρωνία Αγγελάτου, κ. Άντα Μητσάκου, κ. Γεωργία Βουκελάτου και κ. Ηλία Κούβελα για τον ενθουσιασμό και το ενδιαφέρον με τα οποία περιέβαλαν πάντοτε τόσο εμένα όσο και τους άλλους μεταπτυχιακούς φοιτητές. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Φεβρωνία Αγγελάτου, διότι χωρίς το δικό της ενδιαφέρον, την ενθάρρυνση και την απεριόριστη υποστήριξη, η εργασία αυτή δεν θα είχε πραγματοποιηθεί ποτέ, γι αυτό και της την αφιερώνω.

5 στη Ρόνη στη Φωτεινή

6 Σκοπός της εργασίας Η σύγχρονη περιοδική δραστηριότητα των νευρώνων του εγκεφάλου καταγράφεται στο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα ως ένας ρυθμός συγκεκριμένης συχνότητας. Οι ρυθμοί μας επιτρέπουν να πραγματοποιούμε απλές λειτουργίες εκούσιες ή ακούσιες όπως το βάδισμα και η αναπνοή [Buzsáki 2006]. Συμμετέχουν όμως όπως φαίνεται και στην πραγματοποίηση μιας σειράς λειτουργιών που συνήθως τις σκεφτόμαστε ως ανώτερες διανοητικές λειτουργίες όπως η διαμόρφωση των νοητικών αναπαραστάσεων των αντικειμένων, η μάθηση και η μνήμη. Κάθε ανώτερη διανοητική λειτουργία έχει ένα βιολογικό υπόστρωμα, και η δομή του καθορίζει και την λειτουργία του. Η χολινεργική ενεργοποίηση προκαλεί την οργάνωση διαφορετικών ρυθμικών σχημάτων στον ιππόκαμπο, και κυρίως θήτα και γάμα [Fisahn et al. 1998, Cobb et al 2000] οι οποίες εμπλέκονται στον σχηματισμό της μνήμης στα ζώα και στον άνθρωπο. Ο ιππόκαμπος εμφανίζει διαφορές στις ανατομικές συνδέσεις των δύο πόλων του (ραχιαίου και κοιλιακού) στις οποίες μπορεί να αποδοθεί εν μέρει η διαφοροποιημένη ηλεκτροφυσιολογική τους συμπεριφορά και συμμετοχή τους σε συγκεκριμένες εγκεφαλικές λειτουργίες όπως η χωρική μνήμη. Τα περισσότερα πειραματικά δεδομένα από μελέτες in vivo και in vitro προέρχονται από το ραχιαίο άκρο του ιπποκάμπου. Επομένως στην προσπάθεια να κατανοήσουμε την λειτουργία του ιπποκάμπου είναι αναγκαία η

7 αύξηση των δεδομένων που διαθέτουμε σχετικά με τις ρυθμικές δραστηριότητες τις οποίες αναπτύσσει η/και στις οποίες εμπλέκεται το κοιλιακό άκρο. Η εργασία αυτή έχει σκοπό να διερευνήσει την πιθανή διαφορετική ικανότητα των δύο περιοχών του ιπποκάμπου να αναπτύσσουν διαφορετικούς ρυθμούς ως αντανάκλαση της λειτουργικής διαφοροποίησής τους. Η εργασία αποτελείται από ένα γενικό μέρος (κεφ. 1) και ένα ειδικό μέρος (κεφ. 2). Στο κεφ. 1 γίνεται μια ανασκόπηση της μέχρι σήμερα γνώσης για τη διαφοροποίηση των ανατομικών συνδέσεων των πεδίων του ιπποκάμπου κατά τον επιμήκη άξονά του. Επίσης παρουσιάζονται τα μέχρι τώρα δεδομένα για την χολινεργική ρύθμιση του ιπποκάμπου σε επίπεδο νευρώνα, συναπτικής διαβίβασης και νευρωνικού κυκλώματος. Τέλος, γίνεται μια μικρή ανασκόπηση τριών κύριων δραστηριοτήτων του ιπποκάμπου: των θ και γ ρυθμών που συναντώνται στην εγρήγορση, κατά την περιήγηση στο χώρο και κατά τη REM φάση του ύπνου, και την σύγχρονη ημιρυθμική δραστηριότητα των οξέων κυμάτων που συναντιέται στην εγρήγορση σε στατικές συμπεριφορές (π.χ πρόσληψη τροφής) και στον ύπνο βραδέων κυμάτων. Στο ειδικό μέρος, στις παραγράφους 2.1 και 2.2 παρουσιάζονται οι ερευνητικές μας υποθέσεις και η πειραματική μεθοδολογία που ακολουθήσαμε. Στην 2.3 γίνεται μια περιγραφή των ευρημάτων ανά ρυθμική δραστηριότητα (δηλαδή αργά δ κύματα, θήτα δραστηριότητα και γ δραστηριότητα) και ανά είδος τομής (ραχιαία ή κοιλιακή) που προκαλέσαμε με την in vitro χορήγηση ενός χολινεργικού αγωνιστή, της καρβαχόλης. Οι δραστηριότητες συγκρίνονται ως προς τα χαρακτηριστικά τους (πλάτος, συχνότητα κλπ) μεταξύ ραχιαίων και κοιλιακών τομών και αποτυπώνονται οι μεταξύ τους σχέσεις. Στην 2.4 γίνεται ποσοτικοποίηση των ευρημάτων με βάση τις μετρήσεις ισχύος και σύγκριση μεταξύ ραχιαίων και κοιλιακών τομών. Τέλος στην 2.5 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας.

8 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ο Ιππόκαμπος Ο Ιππόκαμπος ή Αμμώνιο κέρας είναι μέρος του στεφανιαίου συστήματος (μεταιχμιακό, limbic system) και αποτελείται από τα πεδία CA1-CA3. Είναι τμήμα ενός ευρύτερου συνόλου δομών που περιλαμβάνει επίσης την οδοντωτή έλικα, (dentate gyrus), το υπόθεμα (subiculum), το προϋπόθεμα (presubiculm), το παραϋπόθεμα (parasubiculum) και τον ενδορινικό φλοιό (entorhinal cortex), και ονομάζονται από κοινού Ιπποκάμπειος Σχηματισμός (hippocampal formation) [Amaral και Witter, 1995]. Στο χώρο το σχήμα του μοιάζει με ένα επιμυκυσμένο C (ή μισό ανακάρυδο). Στα τρωκτικά σχηματίζει ημικύκλιο γύρω από το Θάλαμο εκτεινόμενος από τους πυρήνες του διαφράγματος (προσθιοραχιαία) για να καταλήξει οπισθοκοιλιακά στο έσω τμήμα του κροταφικού λοβού [σχήμα 1a]. Σχήμα 1a. Ο ιππόκαμπος αρουραίου από πλευρική άποψη. Σημειώνεται ο επιμήκης (ραχιαίο-κοιλιακός ST) και ο εγκάρσιος άξονάς του (trans). Πάνω αριστερά: τομή κατά τον εγκάρσιο άξονα και οι διάφορες περιοχές του ιπποκάμπειου σχηματισμού καθώς και οι εσωτερικές συνδέσεις τους. DG, οδοντωτή έλικα, CA1, CA3, τα πεδία του ιπποκάμπου, S, υπόθεσμα, pp διατητρaίνουσα οδός, Sc, παράπλευρες ίνες του Schaffer, mf βρυώδεις ίνες. [Από Johnston & Amaral 1998]

9 εισαγωγή Σχήμα 1β. Διάγραμμα οριζόντιας τομής εγκεφάλου ανθρώπου όπου φαίνεται η ροή πληροφορίας από και προς τον ιππόκαμπο. Στην ένθετη εικόνα δεξιά, λεπτομέρειες των πεδίων του ιπποκάμπου. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1, μια τομή εγκάρσια προς τον επιμήκη άξονα του σχηματισμού, αποτελείται από διαφορετικές περιοχές που συνδέονται μεταξύ τους με διεγερτικές μονόδρομες συνδέσεις δημιουργώντας ένα χαρακτηριστικό τρισυναπτικό κύκλωμα. Η κύρια είσοδος του κυκλώματος αυτού προέρχεται από τον ενδορινικό φλοιό και αποτελείται από τις ίνες της διατiτραίνουσας οδού (perforant path) που συνάπτονται με τα κοκκοειδή κύτταρα της οδοντωτής έλικας. Με τη σειρά τους τα κοκκοειδή κύτταρα συνάπτονται με τους πυραμιδικούς νευρώνες της περιοχής CA3. Οι τελευταίοι μέσω των παράπλευρων ινών του Schaffer προβάλλουν στην CA1 περιοχή, η οποία προβάλλει με τη σειρά της στο υπόθεμα και στον ενδορινικό φλοιό, κλείνοντας τον βρόγχο της χαρακτηριστικής αυτής εγκάρσιας διασύνδεσης [Andersen et al. 1969]. Ο ιππόκαμπος ως τμήμα του μεταιχμιακού συστήματος συμμετέχει στην οργάνωση της ειδικής για κάθε ζωικό είδος (βασικής, ενστικτώδους, συναισθηματικής) συμπεριφοράς με σημαντικές επιδράσεις στον υποθάλαμο και δι αυτού στο ενδοκρινικό και αυτόνομο νευρικό σύστημα [Kandel et al. 1997]. σελ. 2

10 Κεφάλαιο 1 Επί πλέον είναι μια περιοχή του εγκεφάλου με σημαντικό ρόλο στη μάθηση και τη μνήμη, όπως προέκυψε αρκετά νωρίς από μελέτες αμνησικών ασθενών [Kandel et al. 1997] και από συστηματικές πειραματικές προσεγγίσεις με ζώα (ειδικά πιθήκους), [Mishkin 1982]. Συνδεόμενος με υποφλοιϊακούς πυρήνες μέσω της ψαλίδας και με το νεοφλοιό μέσω της παραιπποκάμπειας έλικας [Burwell et al. 1995, Σχήμα 1β], αποτελεί την περιοχή τελικής σύγκλισης πληροφοριών από πολλές περιοχές του φλοιού και στέλνει αποκλίνουσες πληροφορίες που επιστρέφουν στο φλοιό για να επηρεάσουν ή να οργανώσουν τις φλοιικές μνημονικές αναπαραστάσεις. Είναι σημαντικό ότι το κύριο ρεύμα πληροφόρησης στον ιππόκαμπο περιλαμβάνει το κύκλωμα των διαδοχικών διεγερτικών συνάψεων που περιγράψαμε πιο πάνω μέσω του οποίου οι πληροφορίες επιστρέφουν δια της παραϊπποκάμπιας περιοχής στις νεοφλοιακές περιοχές που έστειλαν αρχικά την πληροφορία στον ιππόκαμπο. Αυτή η οργάνωση του ιπποκάμπου μεγιστοποιεί τη δυνατότητα συνειρμικής (associative) σύνδεσης των πληροφοριών από πολλά φλοιακά ρεύματα και τη δυνατότητα τέτοιων συνδέσεων να επηρεάσουν σφαιρικά την επεξεργασία πληροφοριών στον εγκέφαλο. Επί πλέον η ικανότητα συνδεσμικής πλαστικότητας υπό μορφή μακροπρόθεσμης συναπτικής ενίσχυσης στην οδοντωτή έλικα και τη CA1 είναι καλά τεκμηριωμένη και έχει συσχετιστεί με την φυσιολογική ρυθμική δραστηριότητα (ρυθμός θήτα) του ιπποκάμπου και με τη μνήμη [Kandel et al. 1997, Leung 1998]. Ασθενείς με αμφοτερόπλευρη βλάβη του ιπποκάμπου παρουσιάζουν πλήρη ανικανότητα συνειδητής μάθησης καινούργιων στοιχείων, ενώ περισώζονται παλιότερα απομνημονευμένα στοιχεία καθώς και η βραχύβια μνήμη [Kandel et al. 1997, Zola-Morgan et al. 1986, Eichenbaum 1999, Squire 1992]. Τα ίδια συμπεράσματα προκύπτουν και από μελέτες σε πρώτιστα πειραματόζωα. Η πλέον γνωστή από τις προτάσεις για τον ακριβή ρόλο του σελ. 3

11 εισαγωγή ιπποκάμπου στην μνήμη είναι η υπόθεση ότι ο ιππόκαμπος αποτελεί κάποιο είδος γνωστικού χάρτη, μια αναπαράσταση του χώρου [O'Keefe & Nadel 1978]. Πρόσφατα ευρήματα επεκτείνουν το φάσμα των διαδικασιών κωδικοποίησης του ιπποκάμπου αναγνωρίζοντας την σφαιρική εμπλοκή του ιπποκάμπου στη μνήμη και ενισχύουν το συμπέρασμα ότι ο ιππόκαμπος είναι ο μηχανισμός παραγωγής και ανάκλησης των μνημονικών αναπαραστάσεων και αποθηκευμένων πληροφοριών [Buzsáki 2006]. Από την άποψη της παθολογίας της συμπεριφοράς, ο ιππόκαμπος στον άνθρωπο (και ιδιαίτερα το πρόσθιο τμήμα του), αποτελεί την συχνότερη περιοχή εκκίνησης επιληπτικών κρίσεων (επιληπτογόνος εστία) [Brazier 1970, Sloviter 1999]. Αλλά και σε τρωκτικά έχει τον χαμηλότερο ουδό επιληπτικών κρίσεων από κάθε άλλη περιοχή του εγκεφάλου και παρουσιάζει σχετικά μεγάλη ευαισθησία σε πειραματικά μοντέλα επιληψίας in vivo. Ακόμη και απομονωμένα των συνδέσεων τους τα τοπικά κυκλώματα του ιπποκάμπου που περιέχονται σε λεπτές τομές διαποτιζόμενες in vitro παρουσιάζουν σχετικά εύκολα επιληπτοειδείς εκφορτίσεις σε καταστάσεις υποξείας, αυξημένου [Κ+] κτλ. Κατά την μακρά πορεία πολλών μορφών κροταφικής επιληψίας στον άνθρωπο επέρχεται συχνά εκσεσημασμένη εκφύλιση του ιπποκάμπου (temporal lobe screlosis) αποδιδόμενη σε χρόνια διεγερτοτοξικότητα [Blumcke et al. 1999; Meldrum 1993] Περιγραφή των περιοχών του ιπποκάμπου - προσαγωγές και απαγωγές συνδέσεις Η περιγραφή που ακολουθεί είναι από τα συγγράμματα [Amaral & Witter 1995], [Witter & Amaral 2004] και [Καραμανλίδης 1997]. Ο ιπποκάμπειος σχηματισμός αποτελεί το αρχιχιτώνιο του εγκεφαλικού ημισφαιρίου. Σε όλη του την έκταση εμφανίζει ένα σχετικώς απλό τρίστοιβο σελ. 4

12 Κεφάλαιο 1 αλλόφλοιο. Διαφοροποιείται σε τρεις δομές με επιμήκη διάταξη: την οδοντωτή έλικα, το Αμμώνιο κέρας και το υπόθεμα. Οδοντωτή έλικα Η οδοντωτή έλικα, αποτελείται από τρεις στιβάδες τη μοριώδη (σχετικά ακυτταρική), την κοκκώδη και την πολυμορφική. Η κοκκώδης στιβάδα περιβάλλεται από τις άλλες δύο και σχηματίζει μια δομή σε σχήμα V ή U ανάλογα με το επίπεδο του ραχιαιο-κοιλιακού άξονα. Το κύριο κύτταρο της οδοντωτής έλικας είναι το κοκκώδες με δεντρίτες στη μοριώδη στιβάδα και άξονες (βρυώδεις άξονες mossy fibers) που διαπερνούν την πολυμορφική στιβάδα όπου συνάπτινται με ταβρυώδη κύτταρα πριν εισέλθουν στην CA3 περιοχή. Κατά μήκος της κοκκώδους στιβάδας βρίσκονται τα καλαθοειδή κύτταρα (basket) -που ονομάζονται έτσι διότι ο άξονάς τους διαμορφώνει ένα δίκτυο γύρω από τα σώματα των κοκκωδών κυττάρων- και άλλα κύτταρα που έχουν λειτουργία ανασταλτικών διάμεσων νευρώνων (GABAεργικοί). Η μοριώδης στιβάδα αποτελείται από τους δενδρίτες των κοκκωδών, των καλαθοειδών και διαφόρων πολυμορφικών κυττάρων καθώς και αξονικά δένδρα από διάφορες πηγές. Δύο τουλάχιστον τύποι κυττάρων υπάρχουν στη στιβάδα αυτή: κύτταρα με πολυπολικό ή τριγωνικό σχήμα σώματος με άξονα που φαίνεται να συνεισφέρει στο καλαθοειδές δίκτυο γύρω από το κοκκώδες κύτταρο και ένας δεύτερος τύπος κυττάρων που μοιάζει με τα αξο-αξονικά κύτταρα δηλαδή κύτταρα που ο άξονάς τους διασχίζει τη μοριώδη στιβάδα, εισέρχεται στην κοκκώδη στιβάδα και απολήγει στον εκφυτικό κώνο των κοκκωδών κυττάρων. Η πολυμορφική στιβάδα όπως προδίδει το όνομά της, περιλαμβάνει μια ποικιλία νευρικών κυττάρων, με πιο κοινά τα βρυώδη (mossy) κύτταρα. Τα βρυώδη κύτταρα έχουν μεγάλα σώματα και παχείς δενδρίτες που εκτείνονται σε μεγάλες αποστάσεις στην πολυμορφική στιβάδα. Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η κάλυψη των δενδριτών τους με πολύ μεγάλες άκανθες που ονομάζονται σελ. 5

13 εισαγωγή ακανθωτές εκφύσεις (thorny excrescences) και αποτελούν τις περιοχές απόληξης των βρυωδών ινών δηλ. των αξόνων των κοκοειδών κυττάρων. Επιπλέον υπάρχει κι ένας αριθμός κυττάρων με τοπικά διακλαδιζόμενους άξονες Όπως είδαμε, από τα κοκκώδη κύτταρα, ξεκινούν αμμύελοι άξονες, οι βρυώδεις ίνες που διακλαδίζονται σε λεπτότερους κλάδους στην πολυμορφική στιβάδα πριν εισέλθουν στην CA3 περιοχή. Οι κλάδοι που παραμένουν στην πολυμορφική στιβάδα συνάπτονται κυρίως με τους εγγείς δενδρίτες των βρυωδών κυττάρων και τους βασικούς δενδρίτες των καλαθοειδών κυττάρων. Τα κοκκώδη κύτταρα δέχονται έναν αριθμό ανασταλτικών συνάψεων από τοπικούς διάμεσους νευρώνες όπως τα καλαθοειδή, τα αξο-αξονικά κύτταρα και από GABA-εργικούς νευρώνες που της πολυμορφικής στιβάδας. Το εσωτερικό 1/3 της μοριώδους στιβάδας της οδοντωτής έλικας δέχεται μια προβολή αποκλειστικά από κύτταρα της πολυμορφικής στιβάδας. Επειδή οι ίνες αυτής της προβολής προέρχονται τόσο ομόπλευρα όσο και ετερόπλευρα, ονομάστηκε συνδετική/συνδεσμική προβολή. Κύρια κύτταρα που συμβάλλουν σε αυτήν την προβολή είναι τα μεγάλα βρυώδη κύτταρα της πολυμορφικής στιβάδας που σχηματίζουν διεγερτικές συνάψεις στους δεντρίτες των κοκκωδών κυττάρων αλλά και των ανασταλτικών καλαθοειδών και αξο-αξονικών κυττάρων. Η προβολή αυτή έχει χαρακτηριστική οργάνωση κατά τον επιμήκη άξονα και είναι περισσότερο ισχυρή σε απομακρυσμένα σημεία της οδοντωτής έλικας σε σχέση με την περιοχή εκκίνησης. Έτσι η συνδετική/συνδεσμική προβολή μπορεί να λειτουργεί ως διεγερτική και ταυτόχρονα ως δισυναπτικώς ανασταλτική. Η οδοντωτή έλικα προβάλλει αποκλειστικά στην CA3 περιοχή του ιππόκαμπου μέσω των βρυωδών ινών. Αυτή η προβολή αποτελεί και τη μόνη έξοδό της. Οι βρυώδεις ίνες είναι γλουταμινεργικές, κάποιες όμως περιέχουν και οπιοειδή πεπτίδια όπως δυνορφίνη. Η κύρια είσοδος προέρχεται από τον ενδορινικό φλοιό, ενώ καμία φλοιική περιοχή δεν προβάλλει απευθείας στην σελ. 6

14 Κεφάλαιο 1 οδοντωτή έλικα. Αντίθετα υπάρχουν είσοδοι από υποφλοιικές περιοχές όπως ο έσω διαφραγματικός πυρήνας, η υπερθηλώδης περιοχή του οπίσθιου υποθαλάμου και κάποιοι μονοαμινεργικοί πυρήνες του εγκεφαλικού στελέχους, κυρίως ο πυρήνας της ραφής και ο υπομέλανας τόπος. CA3 περιοχή Ο κύριος νευρώνας είναι ο πυραμιδικός που βρίσκεται στην πυραμιδική στιβάδα (pyramidal layer). Βαθύτερα υπάρχει η πολυμορφική στιβάδα (oriens) και βαθύτερα αυτής η σκάφη του ιπποκάμπου (alveus) στην οποία συγκεντρώνονται οι άξονες των πυραμιδικών κυττάρων. Ακριβώς επάνω από την πυραμιδική στιβάδα βρίσκεται μια στενή ακυτταρική στοιβάδα η οποία περιέχει τους βρυώδεις άξονες από την οδοντωτή έλικα και ονομάζεται διαυγής (lucidum). Επιφανειακά αυτής βρίσκεται η ακτινωτή στιβάδα (radiatum), που περιέχει τους εγγύς δεντρίτες των πυραμιδικών και τελευταία η μοριακή στιβάδα (lacunosum - moleculare) στην οποία υπάρχουν οι απομακρυσμένοι δεντρίτες των πυραμιδικών και οι απολήξεις της διατητραίνουσας οδού από τον ενδορινικό φλοιό. Οι ίδιες στιβάδες -εκτός της διαυγούς- υπάρχουν και στην CA1 περιοχή [εικ. 2]. Στις διάφορες στιβάδες της CA3 και CA1 περιοχής υπάρχουν τουλάχιστον 16 είδη διαφορετικών διάμεσων νευρώνων που δημιουργούν συνάψεις σε διαφορετικά τμήματα των πυραμιδικών και με άλλους διάμεσους νευρώνες και θεωρείται ότι ρυθμίζουν την απόκριση των πυραμιδικών [Klausberger & Somogyi 2005]. Κύριοι ανασταλτικοί διάμεσοι νευρώνες που ασκούν περισωματική αναστολή είναι τα καλαθοειδή και τα αξο-αξονικά κύτταρα της πολυμορφικής στοιβάδας. Οι άξονες των πυραμιδικών κυττάρων της CA3 περιοχής προβάλλουν στην ίδια την CA3, στην CA2 στην CA1 του ίδιου και του ετερόπλευρου σελ. 7

15 εισαγωγή ιπποκάμπου και στον πλευρικό πυρήνα του διαφράγματος. Δεν παρατηρούνται προβολές προς το υπόθεμα, παραϋπόθεμα, προϋπόθεμα και τον ενδορινικό φλοιό. Κάποια κύτταρα της CA3 προσφέρουν μια μικρή παράπλευρη προβολή στην πολυμορφική στιβάδα της οδοντωτής έλικας. Οι προβολές της CA3 περιοχής στην CA1 ονομάζονται παράπλευρες ίνες του Schaffer. Οι προβολές της CA3 περιοχής στη CA1 περιοχή είναι τοπογραφικά οργανωμένες. Συγκεκριμένα κύτταρα της CA3 που βρίσκονται πιο κοντά στην οδοντωτή έλικα, προβάλλουν σε περισσότερο ραχιαία επίπεδα της CA1 ενώ αυτά που βρίσκονται κοντά στην CA1 προβάλλουν σε πιο κοιλιακά επίπεδα. Τα πυραμιδικά κύτταρα της CA3 περιοχής που βρίσκονται πιο κοντά στην οδοντωτή έλικα τείνουν να προβάλλουν πιο ισχυρά στα πιο μακρινά σημεία της CA1, στα όρια με το υπόθεμα, ενώ αυτά που βρίσκονται πιο κοντά στη CA1 προβάλλουν στα πυραμιδικά της CA1 που βρίσκονται στο όριο με αυτά της CA2. Η CA3 περιοχή νευρώνει έντονα τόσο την ακτινωτή όσο και την πολυμορφική στιβάδα της CA1. Η CA3 περιοχή δέχεται κύρια υποφλοιική είσοδο από τον έσω διαφραγματικό πυρήνα και την διαγώνια ταινία του Broca η οποία καταλήγει κυρίως στην πολυμορφική στιβάδα της CA3 και σε μικρότερο βαθμό στην ακτινωτή στιβάδα. Η σύνδεση αυτή είναι η μοναδική αμφοτερόπλευρη σύνδεση του ιπποκάμπου. Επίσης, η CA3 περιοχή δέχεται νοραδρενεργική είσοδο από τον υπομέλανα τόπο που κατανέμεται πυκνότερα στη διαυγή και στο πιο επιφανειακό τμήμα της μοριακής στιβάδας. Δέχεται επίσης διάχυτη και αραιή σεροτονεργική νεύρωση που απολήγει επιλεκτικά στους διάμεσους νευρώνες που απολήγουν στους απομακρυσμένους δεντρίτες των πυραμιδικών, ενώ υπάρχουν και λίγες ντοπανινεργικές ίνες. σελ. 8

16 Κεφάλαιο 1 CA1 περιοχή Το συνδετικό δίκτυο της CA1 περιοχής είναι ιδιαίτερα φτωχό σε σχέση με το αντίστοιχο της CA3. Ένας μικρός αριθμός νευρώνων προβάλλει στην ετερόπλευρη CA1 περιοχή. Η CA1 περιοχή δέχεται απευθείας είσοδο από την στοιβάδα ΙΙΙ του ενδορινικού φλοιού (EC) η οποία είναι κυρίως διεγερτική αλλά περιέχει και ίνες από ανασταλτικούς διάμεσους νευρώνες. Η προβολή από τον EC είναι τοπογραφικά οργανωμένη κατά τον επιμήκη άξονα του ιπποκάμπου. Έτσι ίνες από τον έσω EC προβάλλουν σε περισσότερο κοιλιακά επίπεδα της CA1 ενώ ίνες από πιο πλευρικές περιοχές του EC απολήγουν σε περισσότερο ραχιαία επίπεδα. Επίσης η προβολή από τον EC οργανώνεται και κατά τον εγκάρσιο άξονα: ίνες από τον πλευρικό EC προβάλλουν σε τμήματα εγγύτερα στο παραϋπόθεμα, ενώ ίνες από τον έσω EC προβάλλουν σε τμήματα εγγύτερα στην CA3. Η CA1 δέχεται ασθενέστερη προβολή από τον έσω πυρήνα του διαφράγματος σε σχέση με την CA3, αλλά όπως και στην CA3 οι προσαγωγές ίνες κατανέμονται κυρίως στην πολυμορφική στιβάδα. Όπως και η CA3 περιοχή έτσι και η CA1 δέχεται ασθενή νοραδρενεργική και σεροτονεργική νεύρωση. Το ακραίο κοιλιακό τμήμα της CA1 δέχεται προβολή από την αμυγδαλή, η οποία καταλήγει στην μοριακή στοιβάδα και περιορίζεται στο κοιλιακό 1/3 τμήμα της CA1. Στη μοριακή στιβάδα καταλήγει και η προβολή από τον ενωτικό πυρήνα του θαλάμου. Η CA1 Εικόνα 2. Σχεδιάγραμμα πυραμιδικού νευρώνα και των ιστολογικών στιβάδων της περιοχής CA1. [από Richardson T. et al. 1987]. σελ. 9

17 εισαγωγή περιοχή παρουσιάζει μεγαλύτερο αριθμό εξωτερικών συνδέσεων σε σχέση με τη CA3, διότι εκτός από υποφλοιικές περιοχές, όπως τον πλευρικό διαφραγματικό πυρήνα, νευρώνει και αρκετές φλοιικές. Η νεύρωση αυτή είναι τοπογραφικά οργανωμένη κατά τον ραχιαίο-κοιλιακό άξονα. Συγκεκριμένα, ίνες που ξεκινούν από περισσότερο ραχιαίες περιοχές CA1 καταλήγουν στον περιρινικό φλοιό, τον οπισθιοσπληνικό φλοιό, στον πλευρικό πυρήνα του διαφράγματος και στον πυρήνα της διαγώνιας ταινίας του Broca. Αυτές οι προβολές είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου μονόδρομες. Οι ενδιάμεσες περιοχές CA1 δεν προβάλλουν στον οπισθιοσπληνικό φλοιό, αλλά συνεισφέρουν ίνες εμπρόσθια και κοιλιακά στην καλυπτρική ταινία για να καταλήξουν στην κοιλιακή μοίρα της υπερακτινωτής περιοχής του κεντρικού πρόσθιου φλοιού (προμεταιχμιακό σύστημα). Τέλος από τα κοιλιακά επίπεδα της CA1 περιοχής προβάλλουν ίνες στην καλυπτρική ταινία, στην υπερακτινωτή περιοχή καθώς και στον πρόσθιο οσφρητικό πυρήνα, τον οσφρητικό βολβό, τον επικλινή πυρήνα, τον βασικό πυρήνα της αμυγδαλής και τις πρόσθιες και ραχιαιοκεντρικές υποθαλάμιες περιοχές. Η CA1 περιοχή παρέχει δύο ενδοϊπποκάμπιες προβολές, μία προς το υπόθεμα του ιππόκαμπου και μία προς τη στοιβάδα V του ενδορινικού φλοιού. Οι άξονες των πυραμιδικών κυττάρων της CA1 περιοχής διαπερνούν την πολυμορφική στοιβάδα και μέσω της σκάφης καταλήγουν στο υπόθεμα. Η προβολή αυτή καταλήγει στο υπόθεμα τοπογραφικά οργανωμένη σε στήλες. Τα πυραμιδικά κύτταρα της CA1 περιοχής που βρίσκονται πιο κοντά στη CA2 περιοχή, στέλνουν άξονες στο ακραίο 1/3 του υποθέματος, ενώ αυτά που βρίσκονται ακραία προβάλλουν στην περιοχή του υποθέματος που βρίσκεται στο όριο με τη CA1. Η κεντρική μοίρα της CA1 περιοχής προβάλλει στην κεντρική μοίρα του υποθέματος. Η προβολή της CA1 περιοχής στο υπόθεμα χαρακτηρίζεται αποκλίνουσα, διότι κάθε επίπεδο της CA1 φαίνεται να προβάλλει στο 1/3 περίπου της ραχιαίο-κοιλιακής έκτασης του υποθέματος. Η περιοχή CA1 σελ. 10

18 Κεφάλαιο 1 είναι το πρώτο πεδίο του ιπποκάμπου που επιστρέφει ίνες στον ενδορινικό φλοιό. Οι ίνες αυτές εκπορεύονται από όλο το μήκος της δομής και φαίνεται ότι απολήγουν ισχυρότερα στον έσω παρά στον πλευρικό ενδορινικό φλοιό Διαφοροποίηση κατά τον επιμήκη άξονα του ιπποκάμπου Διαφοροποίηση των απαγωγών και προσαγωγών συνδέσεων Η χαρακτηριστική οργάνωση μιας εγκάρσιας τομής του ιπποκάμπειου σχηματισμού επαναλαμβάνεται σε όλο το μήκος του ώστε να θεωρείται ως μία ομοιογενής δομή που δημιουργείται από την επανάληψη της βασικής εγκάρσιας οργάνωσης. Όμως νεότερες μελέτες συγκλίνουν στην άποψη ότι ο ιππόκαμπος δεν είναι μια ομοιογενής δομή ούτε ανατομικά, ούτε λειτουργικά, διότι παρ ότι η εγκάρσια οργάνωσή του διατηρείται σε όλο το μήκος του, οι συνδέσεις του με τις άλλες δομές του εγκεφάλου διαφοροποιούνται πολύ [Amaral και Witter 1995, Johnston και Amaral 1998]. Έτσι, ο ενδορινικός φλοιός που αποτελεί την κύρια είσοδο του ιππόκαμπου διαιρείται σε τρεις ζώνες, την οπίσθιο-πλευρική, την ενδιάμεση και την πρόσθιοκεντρική οι οποίες διασυνδέονται ελάχιστα μεταξύ τους υποδεικνύοντας ότι πρόκειται για λειτουργικά διακριτές περιοχές. Από τον αισθητικό φλοιό η πληροφορία προβάλλει στην οπίσθιο-πλευρική και την ενδιάμεση περιοχή του ενδορινικού φλοιού ενώ η οσφρητική πληροφορία και στις τρεις περιοχές του ενδορινικού φλοιού. Οι απαγωγές ίνες του προς τον ιππόκαμπο παρουσιάζουν τοπογραφική οργάνωση σύμφωνα με την οποία ο άξονας από έσω προς τα έξω της ενδορινικής περιοχής (medial-lateral) αντιστοιχεί στο ραχιαίο-κοιλιακό άξονα του ιπποκάμπου. Αυτό σημαίνει ότι οι πιο πλευρικές μοίρες της ενδορινικής περιοχής χορηγούν ίνες σε περιοχές του ιπποκάμπου που βρίσκονται πιο ραχιαία, ενώ προοδευτικά εσώτερες μοίρες προβάλλουν σε περιοχές του ιπποκάμπου εγγύτερα στον κροταφικό λοβό [εικ. 3a]. Η έσω και έξω μοίρα της σελ. 11

19 εισαγωγή ενδορινικής περιοχής διαφέρουν ως προς τις προσαγωγές ίνες τους: η έξω μοίρα δέχεται κυρίως φλοιϊκές ίνες που μεταβιβάζουν πολυαισθητικές πληροφορίες, ενώ η έσω μοίρα επηρεάζεται περισσότερο από υποφλοιϊακά κέντρα όπως το διάφραγμα, οι πυρήνες της μέσης γραμμής του θαλάμου και η αμυγδαλή. Αυτή η τοπογραφική οργάνωση των ινών της διατιτραίνουσας δεσμίδας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι εξωδεκτικές αισθητικές πληροφορίες συγκλίνουν σε περισσότερο ραχιαίες περιοχές του ιπποκάμπου ενώ οι πληροφορίες από υποφλοιακά κέντρα σχετικά με το στεφανιαίο σύστημα που αντανακλούν πιθανώς την εσωτερική κατάσταση του οργανισμού, μεταβιβάζονται ειδικώς στις κροταφικές μοίρες του ιπποκάμπειου σχηματισμού. Την τοπογραφική αυτή διάταξη την διατηρούν και οι απαγωγές ίνες του ιπποκάμπου προς τον ενδορινικό φλοιό. Ο κοιλιακός ιππόκαμπος δέχεται μεγάλο αριθμό προσαγωγών ινών από την αμυγδαλή. Επίσης από τον έσω πυρήνα του διαφράγματος και τον πυρήνα της διαγώνιας ταινίας ξεκινούν ίνες που καταλήγουν κυρίως στην οδοντωτή ταινία και σε όλες τις περιοχές (CA1-CA3) του ιπποκάμπου άμεσα, ή έμμεσα, μέσω του ενδορινικού φλοιού. Οι ίνες αυτές ακολουθούν τρεις διαδρομές: το σύστημα της ψαλίδας-παρυφής ιπποκάμπου, το προσαγώγιο, ή μια κοιλιακή πορεία μέσω του συμπλέγματος του αμυγδαλοειδούς πυρήνα. Οι ίνες από το διάφραγμα προς Εικόνα 3a. Η σύνδεση του ενδορινικού φλοιού με την οδοντωτή έλικα (DG), διαφοροποιείται κατά τον επιμήκη άξονα του ιπποκάπειου σχηματισμού. Η οπισθοπλευρική ζώνη προβάλλει στο διαφραγματικό (ραχιαίο) μισό της οδοντωτής έλικας, η ενδιάμεση στο επόμενο τεταρτημόριο, και η προσθια και μέση ζώνη στο κροταφικό (κοιλιακό) τεταρτημόριο (rs: ρινική αύλακα) [Από Μoser και Moser, 1998a]. σελ. 12

20 Κεφάλαιο 1 τον ιππόκαμπο έχουν κι αυτές τοπογραφική οργάνωση: ίνες από τις πιο πλευρικές περιοχές προβάλλουν σε πιο κοιλιακές περιοχές του ιπποκάμπου ενώ ίνες από τις πιο μεσαίες περιοχές του έσω διαφράγματος προβάλλουν προς περισσότερο ραχιαίες περιοχές. Γενικά ίνες προς τον κοιλιακό ιππόκαμπο προέρχονται κυρίως από τον έσω πυρήνα του διαφράγματος ενώ ίνες προς τον ραχιαίο ιππόκαμπο προέρχονται κυρίως από την διαγώνια ταινία. Η κοιλιακή οδός από το διάφραγμα προς τον ιππόκαμπο προέρχεται κυρίως από τη διαγώνια ταινία. Το 30-50% των ινών από τον έσω πυρήνα του διαφράγματος και το 50-75% των ινών από την διαγώνια ταινία είναι χολινεργικές και προβάλλουν και σε πυραμιδικούς και σε διάμεσους ανασταλτικούς νευρώνες, ενώ το υπόλοιπο ποσοστό είναι GABAεργικές ίνες που καταλήγουν κυρίως στους διάμεσους ανασταλτικούς νευρώνες του ιπποκάμπου. Οι προβολές από τα πεδία του ιπποκάμπου προς το διάφραγμα απολήγουν με παρόμοια τοπογραφική οργάνωση (όπως και οι προσαγωγές ίνες), στον πλευρικό πυρήνα του διαφράγματος. Αλλά και οι ενδοιπποκάμπειες συνδέσεις των περιοχών του ιπποκάμπειου σχηματισμού φαίνεται ότι Εικόνα 3b. Κατανομή των συνδέσεων από την οδοντωτή έλικα κατά μήκος του επιμήκη άξονα του ιππόκαμπου, όπως προέκυψε από αυτοραδιογραφικές μελέτες. Οι λευκές ζώνες δείχνουν την θέση της ένεσης προλίνης 3 H και οι μαύρες την κατά μήκος εξάπλωση του σήματος. Παρόμοια κατανομή βρέθηκε και στις συνδέσεις της περιοχής CA3 (από Fricke και Cowan 1978). σελ. 13

21 εισαγωγή διαφοροποιούνται κατά τον επιμήκη άξονά του. Από τις δύο γνωστές ομάδες ενδο-ιπποκάμπειων προβολών η μία συνδέει κατά μήκος τις περιοχές CA3 και η δεύτερη συνδέει κατά μήκος την Οδοντωτή Έλικα. Οι συνδέσεις αυτές από αυτοραδιογραφικές μελέτες φαίνεται ότι περιορίζονται στην περιοχή της προέλευσης τους, δηλαδή οι ίνες που προέρχονται από την ραχιαία και μέση περιοχή δεν συνεχίζουν προς το κοιλιακό τμήμα, και αντίστροφα, ίνες από νευρώνες της κοιλιακής περιοχής εκτείνονται μόνο μέσα στα όρια της περιοχής τους. [εικ 3b]. Επομένως η ομόπλευρη αυτή επιμήκης διασύνδεση όχι μόνο δεν βοηθά στην εξομάλυνση της διαφοροποίησης μεταξύ ραχιαίας και κοιλιακής περιοχής όπως είδαμε προηγουμένως, αλλά αντίθετα φαίνεται ότι οι πληροφορίες από το φλοιό παραμένουν συγκεντρωμένες στις ίδιες περιοχές του ιπποκάμπειου σχηματισμού στις οποίες προβάλλονται. Η διαφοροποίηση και η τοπογραφική οργάνωση των συνδέσεών του κατά τον επιμήκη άξονα που είδαμε στις συνδέσεις του με το φλοιό, διατηρούνται και στις συνδέσεις του ιπποκάμπειου σχηματισμού με υποφλοιϊκές δομές. Για παράδειγμα η προβολή της Αμυγδαλής στην περιοχή CA1 περιορίζεται στο κοιλιακό μέρος του ιππόκαμπου. Η προβολή από το υπόθεμα προς τα μαστία πηγάζει κυρίως από τα ραχιαία 2/3. Επίσης, η κοιλιακή, ενδιάμεση και ραχιαία περιοχή του ιππόκαμπου προβάλλει σε διαφορετικά τμήματα του έξω πυρήνα του διαφράγματος. Όλα τα ανατομικά δεδομένα επομένως δείχνουν πως η κοιλιακή και η ραχιαία περιοχή του ιπποκάμπειου σχηματισμού διαφέρουν στις προσαγωγές και απαγωγές συνδέσεις τους και η διαφοροποίησή τους αυτή θα πρέπει να επηρεάζει και την λειτουργία τους. Βλάβες στο ραχιαίο ιππόκαμπο απαλείφουν την ικανότητα απομνημόνευσης (εμπειρίες χωροταξικής φύσης) σε αρουραίους κατά τη διάρκεια πειραμάτων συμπεριφοράς σε «water maze», ενώ αντίστοιχες σελ. 14

22 Κεφάλαιο 1 βλάβες στις κοιλιακές περιοχές δεν προκαλούν ανάλογο πρόβλημα [Moser και Moser, 1998b]. Η διαφοροποίηση στον επιμήκη άξονα επεκτείνεται και στην σύσταση των νευρωνικών πληθυσμών, αφού φαίνεται ότι στην ραχιαία περιοχή ιππόκαμπου αρουραίου, υπάρχει μεγαλύτερη πυκνότητα «place cells» δηλ. νευρώνων που η διέγερσή τους σχετίζεται με το σημείο του χώρου που εξερευνά το ζώο, και μάλιστα τα πεδία αυτών των νευρώνων («place fields»), έχουν μεγαλύτερη επιλεκτικότητα και μικρότερο μέγεθος απ ότι τα αντίστοιχα της κοιλιακής περιοχής [Jung et al, 1994]. Διαφοροποίηση στην ηλεκτροφυσιολογική δραστηριότητα και σε παράγοντες που την επηρεάζουν Κατά τον επιμήκη άξονα του ιπποκάμπου παρατηρούνται διαφοροποιήσεις στην συγκέντρωση όλων σχεδόν των νευροδιαβιβαστών καθώς και στην κατανομή και στους υποτύπους των υποδοχέων τους. Έτσι, μελέτη των [Hortnagl et al.1991] έδειξε πως η πυκνότητα της νοραδρενεργικής νεύρωσης είναι 20% υψηλότερη στο κοιλιακό σε σχέση με το ραχιαίο άκρο. Η συγκέντρωση της νοραδρεναλίνης και της σεροτονίνης αυξάνεται από το ραχιαίο προς τον κοιλιακό ιππόκαμπο στην CA1 και CA3 περιοχή, ενώ δεν παρατηρείται αλλαγή στην οδοντωτή έλικα. Ο κοιλιακός ιππόκαμπος δέχεται ισχυρότερη χολινεργική νεύρωση από τον έσω πυρήνα του διαφράγματος και τη διαγώνια ταινία και τα επίπεδα των ενζύμων ακετυλοχολινεστεράση και χολινο-ακετυλ-τρανσφεράση είναι υψηλότερα κοιλιακά. Επιπλέον τα επίπεδα του GABA και του ενζύμου σύνθεσής του, της αποκαρβοξυλάσης του γλουταμινικού (GAD) βρέθηκαν υψηλότερα στον κοιλιακό σε σύγκριση με το ραχιαίο ιππόκαμπο τόσο στη CA1 όσο και στη CA3 περιοχή ενώ στην οδοντωτή έλικα δεν παρουσιάζουν διαφοροποίηση. Οι ιονοτροπικοί υποδοχείς GABA παρουσιάζουν σελ. 15

23 εισαγωγή διαφοροποίηση: στο κοιλιακό άκρο και ιδιαίτερα στην CA1 περιοχή έχουν μικρότερη συγγένεια για τον αγωνιστή τους (GABA) και διαφορετική σύσταση υπομονάδων, που υποδηλώνει ότι ασκούν ασθενέστερη ανασταλτική δράση [Sotiriou et al. 2005]. Τέλος, το γλουταμινικό οξύ παρουσιάζει μια μικρή αύξηση στον κοιλιακό σε σχέση με το ραχιαίο άκρο του ιππόκαμπου. Οι υποδοχείς γλουταμινικού οξέος τύπου AMPA και NMDA υποδοχείς παρουσιάζουν μικρότερη πυκνότητα κοιλιακά. Επίσης συγκριτικά με το ραχιαίο άκρο, ο λόγος ΑΜΡΑ/NMDA είναι μεγαλύτερος κοιλιακά, γεγονός που υποδηλώνει διαφορετική διεγερτική διαβίβαση μεταξύ των δύο άκρων. Οι ΝMDA υποδοχείς έχουν κοιλιακά διαφορετική σύσταση στις υπομονάδες τους, γεγονός που τους προσδίδει διαφορετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά όπως μεγαλύτερη διάρκεια του διεγερτικού μετασυνατπικού δυναμικού τους και μικρότερο αποκλεισμό από το μαγνήσιο [Pandis et al. 2006]. Οι ενδονευρώνες του ιππόκαμπου παρουσιάζουν διαφοροποίηση ως προς την κατανομή τους μεταξύ των δύο πόλων του. Συγκεκριμένα, οι ενδονευρώνες που περιέχουν καλρετινίνη (CR), συνθετάση του οξειδίου του αζώτου (NOS) και σωματοστατίνη (SS) εντοπίζονται πιο πυκνά στον κοιλιακό ιππόκαμπο. Αντίθετα, οι ενδονευρώνες που φέρουν παρβαλβουμίνη (PV) ή χολεκυστοκινίνη (CCK) δεν παρουσιάζουν ποσοτικές διαφορές μεταξύ των δύο πόλων του ιππόκαμπου (Nomura et al.1997). Διαφοροποίηση υπάρχει και στην ηλεκτροφυσιολογική συμπεριφορά των τομών από το ραχιαίο και το κοιλιακό άκρο. Οι κοιλιακές τομές παρουσιάζουν συγκριτικά μικρότερη συναπτική αναστολή στη CA1 περιοχή και εμφανίζουν μικρότερα σε πλάτος και διάρκεια ανασταλτικά μετασυναπτικά ρεύματα (IPSPs) [Papatheodoropoulos et al. 2002; Petrides et al. 2006]. Επίσης παρουσιάζονται διαφορές και ως προς την μακροχρόνια και βραχυχρόνια πλαστικότητα των συνάψεων. Οι τομές από τον κοιλιακό ιππόκαμπο εμφανίζουν μικρότερη σελ. 16

24 Κεφάλαιο 1 βραχυχρόνια συναπτική πλαστικότητα όπως προκύπτει από την διαφοροποίηση στην ενίσχυση με σύζευξη παλμών μεταξύ ραχιαίων και κοιλιακών τομών [Papatheodoropoulos & Kostopoulos 2000a], και μικρότερη ικανότητα παραγωγής μακροχρόνιας ενδυνάμωσης (LTP) [Papatheodoropoulos & Kostopoulos 2000b]. Επίσης οι κοιλιακές τομές φαίνεται να έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα απελευθέρωσης νευροδιαβιβαστή πιθανώς λόγω αυξημένου ενδοκυττάριου Ca ++ [Papatheodoropoulos & Kostopoulos 2000a]. Επίσης ραχιαίο-κοιλιακά διαφοροποιούνται οι επιπτώσεις της ισχαιμίας καθώς και ο ουδός για την πρόκληση επιληπτικής δραστηριότητας, καθώς και η συχνότητα και η έντασή τους [Moser & Moser, 1998a, Μόσχοβος 2008]. Τα δεδομένα αυτά οδηγούν στο συμπέρασμα ότι ο ιπποκάμπειος σχηματισμός δεν είναι μια ομοιογενής δομή, αλλά παρουσιάζει σαφή διαφοροποίηση της ραχιαίας από την κοιλιακή περιοχή του. Οι μελέτες σε ζώα δείχνουν ότι ο ιππόκαμπος πιθανώς να κατασκευάζει και να διατηρεί ένα γνωστικό χάρτη του εξωτερικού κόσμου. Γενικεύοντας αυτή την ιδέα μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι νευρώνες του ιπποκάμπειου σχηματισμού λειτουργώντας σαν ένα σύνολο από ομάδες που ενεργοποιούνται με διαφορετικό τρόπο, μπορούν να διαμορφώσουν μια αναπαράσταση της τρέχουσας εμπειρίας του οργανισμού. Πιθανώς λοιπόν, στην διαμόρφωση αυτής της αναπαράστασης να διαφοροποιούνται οι ρόλοι της ραχιαίας και κοιλιακής περιοχής του ιπποκάμπειου σχηματισμού, με την ραχιαία περιοχή να εμπλέκεται περισσότερο στις εξωτερικές πλευρές αυτής της αναπαράστασης (δηλ. την πληροφορία που προέρχεται από το εξωτερικό περιβάλλον του ζώου, την μνήμη και την μάθηση σχετικά με αυτό), και την κοιλιακή περιοχή να είναι περισσότερο υπεύθυνη για την αναπαράσταση της εσωτερικής εμπειρίας δηλ. της εσωτερικής κατάστασης του ζώου, και την προσαρμογή των οδών ενεργοποίησης του υποθαλάμου/υπόφυσης ανάλογα με τις πληροφορίες του περιβάλλοντος. σελ. 17

25 εισαγωγή 1.4. Χολινεργική νεύρωση ιπποκάμπου. Δράση Ακετυλοχολίνης -Υποδοχείς Οι υποδοχείς Ακετυλοχολίνης είναι ιονοτροπικοί (νικοτινικοί) και μεταβολοτροπικοί (μουσκαρινικοί, machrs). Οι μουσκαρινικοί υποδοχείς γενικά παίζουν σημαντικό ρόλο στην ρύθμιση της νευρωνικής διεγερσιμότητας, της συναπτικής πλαστικότητας και στην απελευθέρωσης της ACh. Μέχρι σήμερα έχουν μελετηθεί πέντε τύποι μεταβολοτροπικών υποδοχέων M1 έως M5. Αυτοραδιογραφικές μελέτες δείχνουν ότι οι υπότυποι που κυριαρχούν στον εγκέφαλο των τρωκτικών είναι οι Μ1, Μ2 και Μ4 καλύπτοντας το 93% του συνόλου [Levey et al. 1991]. Στον ιππόκαμπο ο υποδοχέας Μ1 εκφράζεται στο 36% του συνόλου των μουσκαρινικών υποδοχέων, ο Μ2 στο 33% και ο Μ4 στο 27% [Levey et al. 1991]. Οι Μ1 και Μ3 εκφράζονται στα σώματα των πυραμιδικών νευρώνων καθώς και στους βασικούς και απομακρυσμένους δεντρίτες τους αλλά όχι στους διάμεσους νευρώνες στους οποίους εκφράζονται οι Μ2 και Μ4. Οι Μ2 εκφράζονται στα σώματα και τις απολήξεις ορισμένων τύπων διάμεσων νευρώνων,και σε χολινεργικές απολήξεις από το διάφραγμα [Hajos et al 1998]. Ι. Χολινεργική ρύθμιση των νευρώνων του ιπποκάμπου Μέσω των μουσκαρινικών υποδοχέων ενεργοποιούνται συστήματα δεύτερου αγγελιοφόρου. Έτσι μέσω των Μ1, Μ3 και Μ5 υποδοχέων ενεργοποιείται το σύστημα της φωσφοϊνοσιτόλης ενώ μέσω των Μ2 και Μ4 αναστέλλεται η σύνθεση κυκλικού AMP. Επιπλέον οι μουσκαρινικοί υποδοχείς επηρεάζουν ένα μεγάλο αριθμό ιοντικών ρευμάτων. Συγκεκριμένα, ενεργοποίηση των machrs καταστέλλει τις αγωγιμότητες τριών ρευμάτων Κ + : το σελ. 18

26 Κεφάλαιο 1 τασεοελεγχόμενο και χρονοεξαρτώμενο ρεύμα I Μ, το αργό ασβεστιοεξαρτώμενο ρεύμα μεθυπερπόλωσης I AHP και το ρεύμα διαρροής που είναι ανοιχτό σε συνθήκες ηρεμίας Ι leak Κ + ) και αυξάνει την αγωγιμότητα δύο καναλιών μικτών ιόντων, των I h (ρεύμα κατιόντων που ενεργοποιείται στην υπερπόλωση) και I cat (ασβεστιοεξαρτώμενο ρεύμα μεικτών ιόντων) [Fisahn et al. 2002]. Η επίδραση της ΑCh στους πυραμιδικούς νευρώνες μέσω της ενεργοποίησης των μουσκαρινικών υποδοχέων μπορεί να συνοψισθεί στην αύξηση του δυναμικού και της αντίστασης της μεμβράνης τους [Pitler & Alger, 1990]. Ενώ η επίδραση της ACh στους πυραμιδικούς νευρώνες μέσω των machrs είναι ορισμένη, στους διάμεσους νευρώνες υπάρχει μια ποικιλία αποκρίσεων: εκπολώνει την πλειοψηφία των ενδονευρώνων αλλά, άλλους τους υπερπολώνει, σε άλλους έχει διφασική δράση (υπερπόλωση που ακολουθείται από εκπόλωση), σε άλλους προκαλεί μια αργή ρυθμική ταλάντωση του δυναμικού της μεμβράνης τους, και σε άλλους δεν έχει καμία επίδραση. Γενικά, δεν έχει διαπιστωθεί ισχυρή συσχέτιση της επίδρασης της ACh και κάποιας συγκεκριμένης ομάδας διάμεσων νευρώνων [McQuiston & Madison, 1999]. Η φαρμακολογική ή συναπτική ενεργοποίηση των νικοτινικών υποδοχέων στους πυραμιδικούς είτε δεν έχει αποτέλεσμα είτε το αποτέλεσμα είναι μόλις ανιχνεύσιμο ενώ προκαλεί γενικά μια σύντομη εκπόλωση των διάμεσων νευρώνων [Cobb & Davies 2005] αλλά δεν επηρεάζει τους διάμεσους νευρώνες που ασκούν περισωματική αναστολή [McQuiston & Madison 1999]. ΙΙ. Χολινεργική ρύθμιση της συναπτικής διαβίβασης Η ACh έχει ισχυρή προσυναπτική δράση ρυθμίζοντας την μετάδοση στις γλουταματεργικές και GABAεργικές συνάψεις μέσω μουσκαρινικών υποδοχέων κυρίως αφού την ανταγωνίζεται η Ατροπίνη αλλά όχι ο ειδικός ανταγωνιστής νικοτινικών υποδοχέων MLA (methyllycacontitine) [De Sevilla & Buno 2003]. Στη σελ. 19

27 εισαγωγή CA3-CA1 σύναψη η ACh μειώνει τις προκλητές διεγερτικές και ανασταλτικές απαντήσεις [Scanzianni et al. 1995, Psarropoulou & Dallaire 1998, Sheridan & Sutor, 1990, Behrends & Bruggengate 1993]. Η προσυναπτική ρύθμιση της απελευθέρωσης γλουταμινικού και gaba μεσολαβείται μέσω των Μ1 και Μ2 υποδοχέων [Shinoe et al. 2005, Kremin et al. 2006]. Επιπλέον οι Μ2 λειτουργούν και ως αυτοϋποδοχείς ρυθμίζοντας την απελευθέρωση ACh στις απολήξεις της εισόδου από το διάφραγμα [Bymaster et al. 2003]. Ως προσυναπτικοί υποδοχείς που ρυθμίζουν την απελευθέρωση ACh, λειτουργούν και οι υποδοχείς A1 Αδενοσίνης, GABAΒ [Morton & Davies 1997, Morton et al. 2001] και Γαλανίνης [Palazzi et al. 1991]. Οι M1 είναι οι κύριοι μετασυναπτικοί υποδοχείς στον ιππόκαμπο και έχουν σημαντικό ρόλο στη συναπτική πλαστικότητα. Συνεντοπίζονται με τους NMDA υποδοχείς στα σώματα και τους δεντρίτες των πυραμιδικών νευρώνων [Volpicelli & Levey 2004]. Ενεργοποίηση των μουσκαρινικών υποδοχέων με καρβαχόλη ενισχύει (διπλασιάζει) το ρεύμα μέσω των υποδοχέων NMDA στην CA1 και η ενίσχυση μεσολαβείται από τους Μ1 διότι ανταγωνισμός των Μ1 με Μ1-τοξίνη καταστέλλει την ενίσχυση [Volpicelli & Levey 2004]. Επιπλέον η καρβαχόλη μέσω της ενεργοποίησης των Μ1 υποδοχέων ενεργοποιεί την κινάση MAPK στους πυραμιδικούς νευρώνες [Bymaster et al. 2003]. Οι μουσκαρινικοί υποδοχείς απευαισθητοποιούνται μετά την ενεργοποίησή τους από αγωνιστές ενώ παρατεταμένη ενεργοποίησή τους οδηγεί στην αποσύνθεσή τους [Volpicelli & Levey 2004]. ΙΙΙ. Χολινεργική ρύθμιση σε επίπεδο κυκλώματος. In vivo η ACh εμπλέκεται στην παραγωγή θ ρυθμού στον ιππόκαμπο [Leung 1998]. Ιn vitro η ενεργοποίηση υποδοχέων ACh προκαλεί μια σειρά συγχρονισμένων ρυθμικών ταλαντώσεων όπως επεισόδια θ [Konopacki 1998] σελ. 20

28 Κεφάλαιο 1 δραστηριότητα σε β [Shimono et al 2000] και γ συχνότητες [Fisahn et al 1998]. Στον μεταλλαγμένο μυ με γονιδιακή απαλοιφή των Μ1 υποδοχέων η χορήγηση αγωνιστών machrs δεν προκαλεί την εμφάνιση ρυθμικής δραστηριότητας γ [Fisahn et al 2002]. Επίσης οι Μ1 και Μ3 υποδοχείς εμπλέκονται στην παραγωγή θ-δραστηριότητας [Williams & Kauer, 1997]. Γενικά η ρυθμογενητική ικανότητα της ACh φαίνεται ότι ασκείται αποκλειστικά μέσω μουσκαρινικών υποδοχέων, ενώ οι νικοτινικοί υποδοχείς ασκούν ρυθμιστικό ρόλο μόνο σε προϋπάρχουσες ρυθμικές δραστηριότητες [Williams & Kauer, 1997, Cobb et al 1999]. IV. Διαφοροποίηση της χολινεργικής νεύρωσης κατά τον ραχιαίοκοιλιακό άξονα. Ο ιππόκαμπος δέχεται χολινεργική νεύρωση από τον πυρήνα του έσω διαφράγματος και την διαγώνια δέσμη του Broca [Amaral & Witter 1995]. Οι προσαγωγές ίνες του διαφράγματος αποτελούνται και από GABAεργικές ίνες οι οποίες καταλήγουν αποκλειστικά στους διάμεσους νευρώνες της περιοχής. Η χολινεργική νεύρωση του ιπποκάμπου φαίνεται ότι δεν οργανώνεται στη βάση των επιμέρους περιοχών που διαφοροποιούνται στον εγκάρσιο άξονά του, αλλά μάλλον κατά τον επιμήκη άξονά του. Έτσι, ιστολογικές και βιοχημικές μελέτες χολινεργικών δεικτών όπως το ένζυμο ακετυλχολινεστεράση (AChE) στο λαγό και τον αρουραίο, δείχνουν πως η παρουσία του ενζύμου είναι μεγαλύτερη στις πλευρικές (lateral) περιοχές του ιπποκάμπου παρά στις εσωτερικές (medial) και αυξάνει, καθώς προχωράμε από το ραχιαίο προς το κοιλιακό άκρο του, γεγονός που μαρτυρά ισχυρότερη χολινεργική νεύρωση κοιλιακά [Malo et al. 1977, Hörtnagl et al. 1991]. Η καρβαχόλη ενεργοποιεί τη σύνθεση της τριφωσφορικής ινοσιτόλης πολύ ισχυρότερα στον κοιλιακό ιππόκαμπο. Ωστόσο, η πυκνότητα, η κατανομή και η συγγένεια των διαφόρων υποτύπων μουσκαρινικών υποδοχέων βρέθηκε να είναι σελ. 21

29 εισαγωγή παρόμοια μεταξύ των δύο άκρων του ιπποκάμπου για τους υποδοχείς Μ1-Μ4. Οι διαφορές αποδίδονται στην διαφορετική σύζευξη των υποδοχέων με τις g- πρωτεϊνες [Ruiz et al. 1993] Ρυθμική δραστηριότητα - μια εισαγωγή (Η εισαγωγή που ακολουθεί καθώς και η γενική περιγραφή των θ και γ ρυθμών και των οξέων κυμάτων είναι βασισμένη στο βιβλίο Rhythms of the Brain, Buzsáki 2006, κεφ 3, 9, ενώ επιπλέον πληροφορίες σημειώνονται με ξεχωριστές αναφορές). Οι ρυθμοί είναι κύριο χαρακτηριστικό γνώρισμα της νευρωνικής δραστηριότητας σε όλα τα είδη ζώων και εξελικτικά συντηρημένος μηχανισμός από τα μαλάκια μέχρι τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Με τη ρυθμική δραστηριότητα συσχετίζεται η συμπεριφορά στον άνθρωπο και στα ζώα και οι ρυθμοί θεωρείται ότι παίζουν πρωτεύοντα ρόλο σε μια σειρά από πολύ σημαντικές λειτουργίες του εγκεφάλου όπως η κωδικοποίηση και μετάδοση της πληροφορίας, η ρύθμιση της ροής της στα νευρωνικά κυκλώματα και τέλος η αποθήκευση και ανάκτησή της. [Sejnowski & Paulsen, 2006]. Η ρυθμική ταλάντωση θεωρείται η φυσική κατάσταση των νευρώνων. Η περίοδος κάθε ρυθμικής δραστηριότητας είναι ένα χρονικό παράθυρο επεξεργασίας που μπορεί να επηρεάσει το χρόνο πυροδότησης των νευρώνων, τον συγχρονισμό και τη συσχέτισή τους καθώς και την πλαστικότητα των συνάψεών τους. Οι λειτουργίες αυτές μπορούν να επιτευχθούν μέσω της ρυθμικής δραστηριότητας με ενεργειακά οικονομικότερο τρόπο απ ότι η έκλυση δυναμικού ενέργειας (ΔΕ). Η ρυθμική ταλάντωση της μεμβράνης σε σχέση με την πυροδότηση είναι ενεργειακά πιο συμφέρουσα αφού όταν το δυναμικό της σελ. 22

30 Κεφάλαιο 1 μεμβράνης είναι μακριά από τον ουδό για έκλυση ΔΕ χρειάζεται έντονη διέγερση (ενεργοβόρα) ενώ όταν είναι κοντά στον ουδό εύκολα εκφορτίζονται έχοντας μικρή ανοχή στο θόρυβο. Γι αυτό και οι ρυθμοί θεωρούνται ο κύριος μηχανισμός κωδικοποίησης και επεξεργασίας της πληροφορίας που διαθέτει ο εγκέφαλος. Τις ρυθμικές δραστηριότητες τις διακρίνουμε ανάλογα με το κύριο γνώρισμά τους δηλ. τη συχνότητα (π.χ στον αρουραίο ο θήτα ρυθμός καταγράφεται στις συχνότητες 4-10Hz, ο γάμα ρυθμός στα 30-80Hz, ο βήτα στα 12-30Hz κοκ). Κάθε διαφορετικός ρυθμός θεωρείται ότι εξυπηρετεί διαφορετική λειτουργία και εμπλέκει διαφορετικό πλήθος νευρώνων. Οι πιο αργοί ρυθμοί θεωρείται ότι εμπλέκουν πολλούς νευρώνες ενώ οι πιο γρήγοροι ρυθμοί αντιστοιχούν σε τοπικά νευρωνικά κυκλώματα. Πολλοί ρυθμοί παρατηρούνται ταυτόχρονα, γι αυτό θεωρείται ότι ο εγκέφαλος λειτουργεί σε πολλαπλές χρονικές κλίμακες. Δύο ρυθμοί που έχουν πολύ ισχυρή συσχέτιση με τη συμπεριφορά είναι ο θ (4-8Hz) και ο γ (30-80Hz) Γάμα -ρυθμός Ο γ ρυθμός αποτελεί το πιο χαρακτηριστικό ρυθμικό σχήμα του νεοφλοιού σε εγρήγορση. Παρατηρείται στο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) των ζώων στον οπτικό φλοιό σε πειράματα οπτικής αναγνώρισης αντικειμένων, στους αισθητικούς φλοιούς, σε κινητικές περιοχές κατά την διάρκεια και κυρίως πριν από εκούσια κίνηση και σε κινητικο-αισθητικές δοκιμασίες, σε δοκιμασίες συσχέτισης οπτικών με απτικά ερεθίσματα. Σε ανθρώπους εμφανίζεται κατά τη REM φάση του ύπνου, και στην εγρήγορση σε δοκιμασίες νοητικής επεξεργασίας οπτικών και ακουστικών ερεθισμάτων και δοκιμασίες διάκρισης οπτικών ερεθισμάτων (visual discrimination tasks) που απαιτούν και μηχανισμούς βραχύβιας μνήμης π.χ. διάκριση μεταξύ λέξεων και ψευδολέξεων. Επίσης εμφανίζεται σε πειράματα απομνημόνευσης-ανάκλησης σε επιληπτικούς ασθενείς σελ. 23

31 εισαγωγή και μάλιστα, η ισχύς του αυξάνει γραμμικά με την αύξηση του μνημονικού φορτίου που πρέπει να απομνημονευθεί, διατηρείται σε όλη τη διάρκεια της απομνημόνευσης και συγκράτησης των στοιχείων στη μνήμη και χάνεται όταν αυτή δεν απαιτείται πια. Το κοινό γνώρισμα όλων των πειραμάτων των σχετικών με τη μελέτη του γ-ρυθμού, είναι ότι η επαγωγή του ρυθμού γίνεται μεταξύ msec μετά την παρουσία του ερεθίσματος, δηλαδή περίπου τότε, όταν τα ερεθίσματα αποκτούν νόημα. Ο γ ρυθμός φαίνεται να είναι «πανταχού παρών» σε όλες τις περιοχές του εγκεφάλου, αλλά στην πραγματικότητα εμφανίζεται τοπικά σε περιοχές που εμπλέκονται σε μια ορισμένη λειτουργία γι αυτό και θεωρείται ότι αποτελεί το μηχανισμό μέσω του οποίου ο εγκέφαλος πραγματοποιεί τη σύνθεση των νοητικών αναπαραστάσεων των αντικειμένων από τα μεμονωμένα τους γνωρίσματα (binding-by-gamma-oscillation) είτε πιθανώς εξυπηρετεί μια πιο γενική λειτουργία που είναι η διάκριση των διαφορετικών αντικειμένων μέσω της χρονικής κατάτμησης των αναπαραστάσεών τους. Ανεξάρτητα από την σχέση του γ ρυθμού με το πρόβλημα της διασύνδεσης (binding) και την πιθανή εμπλοκή του στις μνημονικές λειτουργίες, ο γ ρυθμός παραμένει ένας κεντρικός μηχανισμός, ουσιώδης στη συναπτική πλαστικότητα, αφού το κρίσιμο χρονικό παράθυρο της πλαστικότητας αντιστοιχεί στην περίοδο του γ-ρυθμού (15-30msec, spike timing dependent plasticity). Στον ιππόκαμπο ο γ ρυθμός είναι ιδιαίτερα ισχυρός και συχνά παρατηρείται ταυτόχρονα με το θ ρυθμό [Leung 1998, Csicsvardi et al. 2003]. Θεωρείται δε ότι από κοινού οι δύο ρυθμοί στον ιππόκαμπο εμπλέκονται στον σχηματισμό και στην ανάκληση μνημονικών στοιχείων και μάλιστα ότι οι δύο ρυθμοί μαζί αποτελούν ένα ευρύτερο ενιαίο νευρωνικό κώδικα όπου οι διαφορετικές μονάδες πληροφορίας κωδικοποιούνται από αλληλεπικαλυπτόμενα υποσύνολα νευρώνων που πυροδοτούν σε διαφορετικό γ-κύμα ενός θ-κύματος (γ κύματα σελ. 24

32 Κεφάλαιο 1 πάνω σε θ κύμα) με τέτοιο τρόπο ώστε να συντηρείται η χρονική τους σειρά (θ κύμα). Το θ-κύμα χρειάζεται για να τακτοποιεί χρονικά τα διαφορετικά στοιχεία που αναπαρίστανται με γ-κύματα. Η διατήρηση των στοιχείων στη μνήμη θεωρείται ότι επιτυγχάνεται με επανάληψη των θ-κυμάτων ταυτόχρονα με το γφορτίο τους [Lisman & Buzsáki 2008, Lisman 2005]. Σύγκριση in vitro με in vivo γ-ρυθμό. Η χολινεργική επαγωγή γρήγορων ταλαντώσεων in vitro διατηρεί πολλά από τα χαρακτηριστικά του ιπποκάμπειου γ-ρυθμού in vivo όπως [Hajos et al. 2004, Mann et al. 2005]: α) τα πυραμιδικά πυροδοτούν σε χαμηλές συχνότητες (ως 5Hz) και είναι σε φάση με τον ρυθμό β) υπάρχουν ζεύγη καταβοθρών ρεύματος (είσοδος θετικού φορτίου) στα σώματα και τους βασικούς δεντρίτες των πυραμιδικών από τη μια και πηγών (έξοδος θετικού φορτίου) στους απομακρυσμένους δεντρίτες από την άλλη και τέλος γ) η δραστηριότητα παράγεται στην CA3 και μεταφέρεται στην CA1 περιοχή. Μηχανισμοί παραγωγής in vitro γ-ρυθμού στον ιππόκαμπο. Υπάρχουν δύο κύριοι μηχανισμοί υποψήφιοι για την παραγωγή και διατήρηση γ-ρυθμού στον ιππόκαμπο [Mann et al. 2005]: α) επιστράτευση των πυραμιδικών στη ρυθμική δραστηριότητα από ένα ανεξάρτητο δίκτυο διάμεσων νευρώνων, το οποίο συγχρονίζεται με κάποιο τρόπο ανεξάρτητο των πυραμιδικών π.χ. από αμοιβαίες ανασταλτικές συνδέσεις και /η χασματοσυνάψεις. σελ. 25

33 εισαγωγή β) συγχρονισμός των ανασταλτικών διάμεσων νευρώνων από τους πυραμιδικούς μέσω της μεταξύ τους παλίνδρομης συναπτικής ανασταλτικής ανατροφοδότησης. Έχει υποτεθεί ότι η γ-δραστηριότητα που επάγεται in vitro με καρβαχόλη (CCH-γ) παράγεται από το κύκλωμα των πυραμιδικών νευρώνων της CA3 περιοχής οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με αμοιβαίες διεγερτικές συνδέσεις. Το κύκλωμα των πυραμιδικών συγχρονίζει το κύκλωμα των ανασταλτικών διάμεσων νευρώνων, οι οποίοι με τη σειρά τους αναστέλλουν το κύκλωμα των πυραμιδικών μέσω της ταχείας GABAa παλίνδρομης αναστολής, δημιουργώντας ένα κύκλωμα ρυθμικής διέγερσης και αναστολής. Κατ αυτόν τον τρόπο η πυροδότηση μερικών πυραμιδικών νευρώνων της CA3 περιοχής μέσω των αμοιβαία διεγερτικών συνδέσεών τους παράγει μονοσυναπτικό διεγερτικό μετασυναπτικό δυναμικό (ΔΜΔ) σε γειτονικούς πυραμιδικούς νευρώνες. Αυτά τα ΔΜΔ παραμένουν υποκατώφλια στους περισσότερους νευρώνες εξαιτίας της δισυναπτικής, ταχείας GABAa παλίνδρομης αναστολής τους από τους διάμεσους νευρώνες [Fisahn et al 1998], [εικόνα 4]. Η διαφυγή των πυραμιδικών από την αναστολή γίνεται μέσω του ενεργοποιούμενου στην υπερπόλωση καναλιού Ih και του ασβεστιοεξαρτώμενου καναλιού μεικτών ιόντων Icat των οποίων οι αγωγιμότητες αυξάνουν με κάποιο μηχανισμό που εξαρτάται από την ενεργοποίηση των Μ1 υποδοχέων [Fisahn et al 2002]. Η διαφορά των δύο προτεινόμενων μηχανισμών είναι πως στον πρώτο (α) τα πυραμιδικά πυροδοτούν σε πολύ στενά χρονικά παράθυρα και η δραστηριότητά τους δεν συνεισφέρει στον συγχρονισμό. Στον (β) η δραστηριότητα των πυραμιδικών αυξάνει σταδιακά μέχρι να πυροδοτηθεί η παλίνδρομη αναστολή κι έτσι αυτό το μοντέλο μπορεί να μπει σε μια ακολουθιακή ενεργοποίηση και αναστολή των νευρωνικών ομάδων. σελ. 26