HUMAN HIPPOCAMPUS Μπότσιου Μυρτώ –Φιλιππόπουλος Ανδρέας

ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ Cortex neocortex (έξι κυτταρικές στιβάδες) allocortex (λιγότερες από έξι, πιο «πρωτόγονος») Hippocampal formation (hippocampus proper, dentate gyrus, subiculum, presubiculum, parasubiculum, entorhinal cortex) Συχνά εξετάζεται ως μονάδα (λειτουργική ενιαιότητα και ενδογενή κυκλώματα) Ανήκει στο μεταιχμιακό σύστημα Τοποθεσία: μέσος κροταφικός λοβός (Medial Temporal Lobe) Gray matter on the floor of the temporal horn (lateral ventricles) Μεταξύ θαλάμου και εγκεφαλικού φλοιού (neocortex) Εκτείνεται προς το οπίσθιο τμήμα του προσθεγκεφάλου

Corpus callosum Fimbria - Fornix Hip. commisure Lateral ventricle Dorsolateral view of the human hippocampus after removing the overlying structures. The lateral ventricle has been opened, exposing the shape of the hippocampus. Per Andersen, Richard Morris, David Amaral, Tim Bliss, John OKeefe The Hippocampus Book Oxford Neuroscience Series (p.41) Temp. lobe hippocampus Amygdala

ΝΕΥΡΟΑΝΑΤΟΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 3.300 mm3 νευρώνων στον ιπποκάμπειο σχηματισμό. Σχετικά απλή οργάνωση των βασικών κυτταρικών του στιβάδων. Εσωτερικό νευρωνικό κύκλωμα κατά βάση με μονόδρομη ροή πληροφοριών (largely unidirectional) Οι νευρώνες των διάφορων περιοχών του λαμβάνουν συγκλίνουσες πληροφορίες (από πολλούς νευρώνες) ενώ στέλνουν πληροφορίες σε πολλούς νευρώνες. Απαρτίωση πληροφοριών από όλες τις αισθητηριακές δομές του φλοιού. Έντονη συναπτική πλαστικότητα (κλειδί για μνήμη)

Dentate gyrus (Οδοντωτή έλικα) Βασικές περιοχές Hippocampus proper Dentate gyrus (Οδοντωτή έλικα) 3 βασικές υποπεριοχές (CA1 – CA3) (Lorente de Nó, 1934) Πυραμιδοειδείς νευρώνες CA2-CA3:Large pyramidic cells CA3: Schaffer axons CA1: Smaller pyramidic cells Place cells 3 κυττ. Στιβάδες- χαρακτηριστικό V σχήμα Κοκκιώδη κύτταρα (Granule Cells)

INPUT - OUTPUT Κωδικοποίηση πληροφορίας; a) Διαφοροποίηση στο firing rate των νευρώνων β) Συγχρονισμός firing rate μεταξύ μεγαλύτερων μονάδων Ο ιππόκαμπος επικοινωνεί 1)Με το νεοφλοιό 2)Με υποφλοιικές περιοχές (θάλαμος,υποθάλαμος, αμυγδαλή) 3)Με τον ετερόπλευρο ιππόκαμπο Subiculum βασική πηγή υποφλοιικών προβολών Entorhinal cortex βασική πηγή προβολών σε νεοφλοιό

Neocortical information: κυρίως μέσω του Entorhinal cortex Fimbria- Fornix Pathway: Βασικός «αγωγός» απαγωγών αλλά και προσαγωγών νευρικών ινών από υποφλοιώδεις περιοχές. Fimbria Fornix septal nuclei, nucleus accubens mammillary bodies (υποθάλαμος) θάλαμος Papez circuit : Entorhinal cortex hippocampus hypothalamus thalamus cingulate gyrus Commissural fibers: έντονη σύνδεση και επικοινωνία μεταξύ περιοχών του δεξιού και αριστερού ιππόκαμπου CA3 : Commissural Fibers project to the contralateral hippocampus through the corpus callosum CA1 Subiculum

Intrinsic Circuit –Perforant Path Συνήθως: αμφίδρομη σύνδεση μεταξύ περιοχών του φλοιού (η Α περιοχή προβάλλει στη Β και η Β προβάλλει πίσω στην Α) Όμως: Στον ιπποκάμπειο σχηματισμό μονόδρομη σύνδεση Entorhinal cortex (λαμβάνει το input) Projects to dentate gyrus D.G. (granule cells –mossy fibers) Dendrites of pyramidic cells CA3 CA3 (Schaffer axons) CA1 entorhinal cortex subiculum (deep layers)

Ramon y Cajal “Human hippocampus” (modified)

ΝΕΥΡΟΓΕΝΕΣΗ Ρυθμίζεται από τη δραστηριότητα της περιοχής. Λέγεται «hippocampal neurogenesis» όμως συμβαίνει στο Dentate Gyrus. Δημιουργία νέων διεγερτικών granule cells. 4 στάδια: Πρόδρομη φάση (χαρακτηριστικά κυττάρων της γλοίας) Early survival phase (μεγάλος αριθμός κυττάρων χάνεται) Postmitotic maturation (δημιουργία λειτουργικών συνδέσεων) Later survival phase (περίοδος συντονισμού) Διάρκεια περίπου 7 εβδομάδων. Συμμετοχή παραγόντων (factors) σε διαφορετικά στάδια (Sox2, NeuroD1, AscI1) Άξονες, δενδρίτες και συναπτογένεση κατά το postmitotic maturation. Μίτωση: η διχοτόμηση του πυρήνα στα ευκαρυωτικά κύτταρα

Νευροδιαβιβαστές και συνάψεις Κυρίως πεπτίδια δύο εκ των οποίων οπιοειδή δυνορφίνη Παρατηρούνται στο εσωτερικό κύκλωμα εγκεφαλίνη GABAεργικοί ενδιάμεσοι νευρώνες Πρωτεΐνες δεσμευτικές ασβεστίου - Στεροειδή (σχετίζονται με το στρες) Διεγερτικές συνάψεις μεταξύ ιπποκάμπου και ολιγοδενδροκυττάρων Δομική πλαστικότητα

Δομική πλαστικότητα Ιππόκαμπος : Δυναμική περιοχή Συνάψεις- Δενδρίτες συνεχώς αναδιατάσσονται Παράγοντες που επηρεάζουν την πλαστικότητα Ορμόνες: ovarian steroids μείωση δενδριτικών ακανθών adrenal steroids μείωση πολυπλοκότητας, μεγέθους δενδριτών CA3 Εμπειρία: Στρες μείωση μεγέθους δενδριτών CA3 Περιβαλλοντική πολυπλοκότητα και Μάθηση αύξηση «δενδριτικού δέντρου», αριθμού ακανθών και συνάψεων

Long-Term Potentiation (LTP)/ L.T. Depression (LTD) Συναπτική πλαστικότητα - Use it or lose it rule δημιουργία συνάψεων/ ενίσχυση συνάψεων συνάψεις αποδυναμώνονται/εξαφανίζονται Hebbian theory - Cells that fire together wire together «When an axon of cell A is near enough to excite a cell B and repeatedly or persistently takes part in firing it, some growth process or metabolic change takes place in one or both cells such that A's efficiency, as one of the cells firing B, is increased.» D. Hebb (1949) Νέες αναμνήσεις Σπάνια ανακαλούμενη ανάμνηση

LTP Long term potentiation Αναφέρεται στην μακροπρόθεσμη αύξηση της συναπτικής ισχύος μεταξύ 2 νευρώνων που προκύπτει λόγω μοτίβων δραστηριότητας. Συναπτική ισχύς: μετράται από το επίπεδο διέγερσης ενός μετασυναπτικού νευρώνα κατόπιν ερεθίσματος από προσυναπτικό Σήματα υψηλής συχνότητας (πχ έντονη εμπειρία) ενισχύουν τη συναπτική δύναμη Επαναλαμβανόμενα σήματα (LTP) (πχ μελέτη, επανάληψη) LTP Κυτταρική βάση της διαδικασίας σχηματισμού αναμνήσεων Πού; Entorhinal cortex- dentate gyrus, Schaffer CA3- CA1

Hippocampal Functions - Memory H.M. (1953) πριν την επέμβαση The case of Henry Molaison Μερική λοβοτομή Stop κρίσεις επιληψίας Amnesia Αδυναμία σχηματισμού νέων αναμνήσεων και απώλεια κάποιων αναμνήσεων Brenda Miller Long term VS Short term Memory Knowing THAT VS Knowing HOW Declarative Memory : damaged ενώ Procedural Memory : functional

Distinctions of memory

Declarative Memory theory-Cohen & Squire (1980) Ο ιππόκαμπος πρωτίστως εμπλέκεται στην μνήμη Declarative Memory: αναπαράσταση των FACTS και EVENTS, HC mediates declarative memory Ξεχωριστά (λειτουργικά και δομικά) εγκεφαλικά συστήματα για την μνήμη Ο ιππόκαμπος είναι το βασικό στοιχείο της επεξεργασίας της declarative memory. Μνημονική Παγίωση (Memory consolidation) Βασική ιδέα: Ο σχηματισμός του ιππόκαμπου έχει time limited role στη μνήμη Μέσω μιας χρονικά εξαρτώμενης διαδικασίας παγίωσης, ιππόκαμπος και νεοφλοιός αλληλεπιδρούν. Αποτέλεσμα: αρχικά ασταθή ίχνη (traces) μνημών στο φλοιό,σταθεροποιούνται

Traces Τροποποιήσεις Στη μεμβρανική ερεθιστικότητα (membrane excitability) Στην συναπτική ισχύ Σε άλλες activity- dependent ιδιότητες της κυτταρικής φυσιολογίας Αναμνήσεις με ισχυρά ίχνη Ανακαλούνται εύκολα Αναμνήσεις με ασθενή ίχνη Όχι

Spatial recognition: Cognitive maps theory Τι είναι; Είδος νοητικής αναπαράστασης που σχετίζεται με την ικανότητα συλλογής, κωδικοποίησης, αποθήκευσης και ανάκλησης πληροφοριών που σχετίζονται με το (κυριολεκτικό ή μεταφορικό) περιβάλλον. Τρεις αρχές βάσης: Dimensionality Spatial frameworks Orientation and self-motion

Spatial recognition Η νευρολογική βάση των θεωριών Head direction cells (θάλαμος, entorhinal cortex, postsubiculum) Πυροδοτούνται βάσει προτιμητέας θέσης (περίπου 45 μοίρες) Σχετίζονται με την κατεύθυνση της κεφαλής Place cells (βρίσκονται στον ιππόκαμπο) Πυροδοτούνται όταν λαμβάνουν νέες χωρικές πληροφορίες Συγκεκριμένα τοπικά πεδία που προκαλούν την πυροδότηση Μοτίβο πυροδότησης Έντονη αλληλεπίδραση με τα head direction cells. Grid cells (κύτταρα πλέγματος) Διάσπαρτα, αλλά εμφανίζουν εξαγωνικά μοτίβα Πυροδοτούνται κατά την κίνηση στο χώρο Κατανόηση υποκειμένου στο χώρο

Spatial recognition Γιατί στον ιππόκαμπο Πυραμιδικά κύτταρα (place cells, boundary cells και grid cells) του ιπποκάμπου. Parahippocampus: συμμετέχει στην επεξεργασία χωρικών δεδομένων Δεξιός ιππόκαμπος: σχετίζεται με τη μνήμη τοποθεσιών εντός ενός περιβάλλοντος Αριστερός ιππόκαμπος: «αυτοβιογραφική» μνήμη Λαμβάνει δύο είδη πληροφοριών: χρονικές (προσθεγκέφαλος) τοπικές (κροταφικός λοβός)

Spatial recognition Episodic memory Ο ιππόκαμπος ενσωματώνει χρονικές πληροφορίες κι έτσι σηματοδοτεί χρονικά τοπικές πληροφορίες. Αυτό αποτελεί τη βάση για ένα χωροχρονικό πλαίσιο μνήμης (episodic memory) sequences. Διαδικασία που αναβαθμίζει συνεχώς την εσωτερική αναπαράσταση και, κατ’ επέκταση, τη συνέπεια της κίνησης εντός του χώρου. Topographical and episodic memory: Αποτελεί συνδυασμό/εξέλιξη θεωριών. Αφορά στην ικανότητα ανάκλησης προσωπικά βιωμένων γεγονότων (χρονικά και τοπικά εντοπισμένα γεγονότα)

Mis –match detection fMRI (incidental target detection task) Ιππόκαμπος: όργανο σύγκρισης μεταξύ προηγούμενης και τωρινής εμπειρίας ικανότητα εκτίμησης («πρόβλεψης») μελλοντικών γεγονότων βάσει προηγούμενων εμπειριών –αντίδραση όταν η εκτίμηση δεν εκπληρώνεται. Memory sequences –Αμφίδρομη σχέση CA3-Dentate Gyrus

Εκφυλισμός ιππόκαμπου -Ασθένειες Alzheimer’s disease (απώλεια εγκεφαλικού ιστού) Κάποια είδη άνοιας (απώλεια εγκεφαλικού ιστού –ατροφία ιππόκαμπου) Anterograde amnesia (αδυναμία σχηματισμού και συγκράτησης νέων μνημών) Επιληψία