Hippocampus

Umístění hipokampu v lidském mozku.

Hipokampus je součástí předního mozku, který se nachází ve středovém spánkovém laloku. Patří do limbického systému a hraje hlavní roli v dlouhodobé paměti a prostorové navigaci. Lidé a další savci mají dva hippokampy, jeden na každé straně mozku. U hlodavců, kde byl zkoumán nejrozsáhleji, má hippokampus tvar něco jako banán. U lidí má zakřivený a spletitý tvar, který raným anatomům připomínal mořského koníka. Název je vlastně odvozen od řeckého slova pro mořského koníka (řecky: hroch = kůň, campos = moře).

U Alzheimerovy choroby je hipokampus jednou z prvních oblastí mozku, která utrpěla poškození; mezi prvními příznaky se objevují problémy s pamětí a dezorientace. Poškození hipokampu může být také důsledkem hladovění po kyslíku (anoxie), encefalitidy nebo meziální epilepsie spánkového laloku. U lidí s rozsáhlým poškozením hipokampu může dojít k amnézii, tedy neschopnosti vytvářet nebo uchovávat nové vzpomínky.

Funkce hipokampu

Nejstarší myšlenka byla, že hipokampus se podílí na čichu: zdá se, že tomu nasvědčuje hlavně jeho umístění v mozku, vedle čichové kůry. Nadále existuje určitý zájem o čichové odezvy hipokampu, ale téměř nikdo dnes nevěří, že primární funkcí hipokampu je čich.

V průběhu let dominovaly literatuře tři hlavní myšlenky hipokampální funkce: inhibice, paměť a prostor. Teorie behaviorální inhibice (karikovaná O'Keefem a Nadelem jako „šlápni na brzdu!“) byla velmi populární až do 60. let 20. století. Velkou část své síly odvodila ze dvou pozorování: za prvé, zvířata s poškozením hipokampu bývají hyperaktivní; za druhé, zvířata s poškozením hipokampu mají často potíže naučit se inhibovat reakce, jak je to dříve učili. Jeffrey Gray rozvinul tento myšlenkový směr do plnohodnotné teorie role hipokampu v úzkosti. Teorie inhibice však není v současnosti příliš populární.

Druhý důležitý myšlenkový směr spojuje hipokampus s pamětí. I když měl prekurzory, tato myšlenka odvozovala svou hlavní sílu z velmi dobře známé zprávy Scovilla a Milnera o výsledcích chirurgického zničení hipokampu (ve snaze zmírnit epileptické záchvaty) u pacienta známého jako H.M. Nečekaným výsledkem byla těžká amnézie: H.M. si nebyl schopen vědomě pamatovat události, které se udály po jeho operaci nebo několik let před ní. Tento případ vyvolal tak obrovský zájem, že H.M. je dnes údajně nejintenzivněji studovaným lékařským případem v historii. V následujících letech byli studováni i další pacienti s podobnou úrovní poškození hipokampu a amnézie (způsobené nehodou nebo nemocí) a doslova tisíce experimentů studovaly fyziologii plasticity nervové tkáně v hipokampu. Dnes panuje téměř všeobecná shoda, že hipokampus hraje v paměti určitou důležitou roli; přesná povaha této role však zůstává široce diskutována.

Golgiho zbarvené neurony v hipokampu hlodavců.

Kresba nervových obvodů hlodavce hippocampus. S. Ramón y Cajal, 1911.

Psychologové a neurovědci se přou o přesnou roli hipokampu, ale obecně se shodují, že má zásadní roli při tvorbě nových vzpomínek na osobně prožité události (epizodická nebo autobiografická paměť). Někteří badatelé raději považují hipokampus za součást většího paměťového systému středního spánkového laloku zodpovědného za obecnou deklarativní paměť (vzpomínky, které mohou být explicitně verbalizovány – ty by zahrnovaly například paměť pro fakta kromě epizodické paměti).

Role v prostorové paměti a navigaci

Některé důkazy usvědčují hipokampus z ukládání a zpracování prostorových informací. Studie na potkanech prokázaly, že neurony v hipokampu mají prostorová palebná pole. Tyto buňky se nazývají místo buňky. Některé buňky střílejí, když se zvíře ocitne v určitém místě, bez ohledu na směr pohybu, zatímco většina je alespoň částečně citlivá na směr a směr pohybu hlavy.

Hippocampus a deprese

neurogeneze byla zjištěna u skupin depresivních osob ve srovnání s kontrolami.

Anatom Giulio Cesare Aranzi (kolem roku 1564) poprvé použil termín hipokampus pro popis mozkového orgánu kvůli jeho vizuální podobnosti s mořským koníkem. Tento orgán byl zpočátku spojen spíše se smyslem pro čich než se známou funkcí při získávání paměti. Rus Vladimir Bekhterev si všiml role hipokampu v paměti kolem roku 1900 na základě pozorování pacienta s hlubokými poruchami paměti. Nicméně po mnoho let byl konvenční pohled na hipokampus takový, že stejně jako zbytek limbického systému byl zodpovědný za emoce.

Na důležitost hipokampu v paměti upozornila výzkumníky pacientka HM. HM trpěl řadou anterográdních a časově odstupňovaných retrográdních poruch paměti (o takových poruchách pojednává film Memento) po oboustranném odstranění různých struktur mediálně-temporálního laloku (včetně oboustranné ablace jeho hipokampu) k úlevě od častých epileptických záchvatů. Zvláště důležité je, že HM byl stále schopen učit se procedurálním úkonům (které jsou spojeny se striatum) a měl nadprůměrné IQ. HM prokázal nápadnou jednorázovou disociaci mezi inteligencí a deklarativní pamětí. Relativní velikost hipokampální formace ve vztahu k celkovému objemu mozku je často uchovávána u většiny savčích druhů. Nicméně bylo zjištěno, že tyto oblasti jsou u kytovců poměrně hypotrofilní.

Anatomicky, hipokampus je zpracování okraje kortex. Lze ji rozlišit jako zónu, kde se mozková kůra zužuje do jedné vrstvy velmi hustě napěchované neurony, které se kroutí do těsného tvaru S. Struktury, které lemují okraj mozkové kůry, tvoří tzv. limbický systém (latinsky limbus = ohraničení): patří mezi ně hipokampus, cingulární kůra, čichové kortex a amygdala. Paul MacLean kdysi navrhl, jak část jeho triune mozku teorie, že limbické struktury tvoří neurální základ emocí. Většina neurovědců už nevěří že koncept jednotného „limbického systému“ je ale platný.

Hipokampus, jako celek, nakonec vypadá něco jako zakřivená trubice, která byla různě analogizována s mořským koníkem, nebo beraním rohem (Cornu Ammonis), nebo banánem. Toto obecné uspořádání platí pro celou škálu savčích druhů, od ježka po člověka, i když detaily se liší. U potkana vypadají dva hippocampi úžasně jako pár banánů, spojených na stopce. V lidských nebo opičích mozcích je část hippocampu dole na dně, poblíž základny spánkového laloku, mnohem širší než část nahoře. Jedním z důsledků tohoto složitého geometrického uspořádání je, že průřezy skrz hippocampus mohou vykazovat ohromující rozmanitost tvarů, v závislosti na úhlu a umístění řezu.

Nejsilnější spojení hipokampu jsou s entorhinální kůrou mozkovou (EC), která leží vedle ní ve spánkovém laloku. Povrchové vrstvy EC poskytují nejpočetnější vstupy do hipokampu a hluboké vrstvy EC přijímají nejpočetnější výstupy. EC je zase silně a recipročně propojeno s mnoha dalšími částmi mozkové kůry. Hipokampus také získává velmi důležitou projekci z oblasti mediálního septa. Destrukce oblasti septa ruší hipokampální theta rytmus a těžce narušuje některé typy paměti. (Má se za to, že tzv. „rande znásilňující“ drogy uplatňují své amnestické účinky alespoň částečně tím, že antagonizují cholinergní projekci z mediální septa do hipokampu.)

Příklady hipokampální EEG a CA1 nervové aktivity potkanů v režimech theta (bdění/chování) a LIA (pomalý spánek). Každý graf zobrazuje 20 sekund dat, s hipokampální EEG stopou nahoře, hrotovými rastry ze 40 současně zaznamenanými CA1 pyramidovými buňkami uprostřed (každá rastrová čára představuje jinou buňku) a grafem rychlosti běhu dole. Horní graf představuje časové období, během kterého potkan aktivně hledal roztroušené pelety s potravou. Pro spodní graf krysa spala.

Hipokampus vykazuje dva hlavní „módy“ aktivity, z nichž každý je spojen s výrazným vzorcem EEG vln a nervovou populační aktivitou. Tyto režimy jsou pojmenovány podle vzorů EEG, které jsou s nimi spojeny: theta a velká nepravidelná činnost (LIA). Zde jsou některé z jejich hlavní vlastnosti u potkana, zvířete, které bylo nejvíce rozsáhle studováno:

Režim theta se objevuje během stavů aktivního, bdělého chování (zejména pohybového), a také během REM (snivého) spánku. V režimu theta EEG dominují velké pravidelné vlny s frekvenčním rozsahem 6-9 Hz, a hlavní skupiny hipokampálních neuronů (pyramidové buňky a buňky granulí) vykazují řídkou populační aktivitu, což znamená, že v jakémkoli krátkém časovém intervalu velká většina buněk mlčí, zatímco malá zbývající frakce pálí při relativně vysokých rychlostech, až 50 bodů za jednu sekundu u těch nejaktivnějších z nich. Aktivní buňka obvykle zůstává aktivní od půl sekundy do několika sekund. Jak se krysa chová, aktivní buňky utichají a nové buňky se stávají aktivními, ale celkové procento aktivních buněk zůstává víceméně konstantní. V mnoha situacích je buněčná aktivita určována z velké části prostorovou polohou zvířete, ale jasně ji ovlivňují i další proměnné chování.

Režim LIA se objevuje během pomalého (nesnícího) spánku a také během stavů bdělé nehybnosti, jako je odpočinek nebo jezení. V režimu LIA dominují EEG ostré vlny, které jsou náhodně načasované velké výchylky EEG signálu trvající 200-300 ms. Tyto ostré vlny také určují populační nervovou aktivitu vzorců. Mezi nimi jsou pyramidové buňky a buňky granulí velmi tiché (ale ne tiché). Během ostré vlny může až 5-10% populace emitovat akční potenciály po dobu 50 ms; mnoho z těchto buněk emituje ne jeden, ale výboj hrotů.

Tyto dva režimy aktivity hippokapampal lze pozorovat i u primátů jako u potkanů, s tou důležitou výjimkou, že bylo obtížné vidět robustní theta rytmičnost v hippokampu primátů. Existují nicméně kvalitativně podobné ostré vlny a podobné stavově závislé změny v aktivitě neuronové populace.

Díky hustě napěchovaným nervovým vrstvám hipokampus generuje jedny z největších EEG signálů ze všech mozkových struktur. V některých situace, kdy EEG dominují pravidelné vlny, často pokračující po mnoho sekund. Tento EEG vzor je známý jako theta rytmus. Bylo jeden z prvních objevených jevů EEG: první popis pochází od Junga a Kornmullera, v roce 1938. Bylo to až 1954, nicméně, s publikací Green a Arduini na dlouhou a důkladné studium theta rytmu u králíků, koček a opic, že zájem opravdu vzlétl. Možná do značné míry proto, že související theta rytmus na vzrušení, který byl horkým tématem dne, jejich papír vyvolal záplavu následných studií, což vedlo k publikace doslova stovek studií fyziologie a farmakologie theta v 50. a 60. letech 20. století. Navzdory tomu dosti skličující práce, mnoho otázek zůstalo nezodpovězeno, zejména otázka funkce. I v současné době to nejvíce nejkritičtější otázka dosud přesvědčivě zodpovězena.

Rytmicita théta je velmi zřejmá u králíků a hlodavců a také se jasně vyskytuje u koček a psů. Zda je théta vidět u primátů, je nepříjemná otázka. Green a Arduini hlásili jen velmi krátké výbuchy spíše nepravidelné rytmicity u opic a většina pozdějších studií toho zaznamenala jen málo. Odchylky v metodice však ztěžují vyvození jednoznačných závěrů.

Theta se neomezuje jen na hipokampus. U potkanů může být pozorována v mnoha částech mozku, včetně téměř všech, které silně interagují s hipokampem. Má se za to, že kardiostimulátor pro rytmus leží v oblasti středního septa: tato oblast vyčnívá do všech oblastí, které vykazují rytmus theta, a destrukce eliminuje theta v celém mozku. (Může existovat jedna výjimka, malá oblast v hypotalamu zvaná supramamilární jádro, která se zdá být v některých situacích schopna udržet theta nezávisle na septu.)

Během spánku, nebo během bdění stavy, kdy zvíře odpočívá nebo jinak se nevěnuje svému okolí, ukazuje hipokampální EEG vzorec nepravidelných pomalých vln, poněkud větší v amplitudě než theta vlny. Tento vzor je občas přerušen velkými nápory tzv. ostré vlny. Tyto příhody jsou spojeny s návaly vrcholová aktivita, trvající 50-100 ms, v pyramidových buňkách CA3 a CA1. Jsou také spojeny s krátkou životností vysokofrekvenčního EEG oscilace nazývané „vlnky“. Vlnky, s frekvencemi v rozsahu 150-200 Hz u potkanů, lze obvykle detekovat pouze elektrodami umístěnými buď uvnitř, nebo velmi blízko k vrstvě těla buněk CA1. In kontrast, elektrody umístěné kdekoliv uvnitř hipokampu, nebo dokonce v sousedních mozkových strukturách, bude často vyzvednout ostré vlny jako velké pomalé průhyby EEG, trvající 200-400 msec.

U potkanů jsou ostré vlny nejrobustnější během spánku, kdy se vyskytují průměrnou rychlostí kolem 1 za sekundu, ale ve velmi nepravidelném časovém obrazci. Ostré vlny se vyskytují také během neaktivních stavů bdění, ale jsou méně časté a obvykle menší. Ostré vlny byly pozorovány také v lidském spánkovém laloku a opičím hipokampu. U opic jsou ostré vlny poměrně robustní, ale nevyskytují se zdaleka tak často jako u potkanů.

Jedním z nejzajímavějších aspektů ostrých vln je, že se objeví být spojeny s pamětí. Wilson a McNaughton 1994 a četné pozdější studie, uvedl, že když hippocampal místo buněk mají překrývající se prostorová palebná pole (a proto často střílí v téměř současně), mají tendenci vykazovat korelovanou aktivitu během spánku po behaviorálním sezení. Toto posílení korelace, běžně známá jako reaktivace, bylo zjištěno, že je omezená hlavně na ostré vlny. Bylo navrženo, že ostré vlny jsou, v skutečnost, reaktivace vzorců nervové aktivity, které byly zapamatovány během chování, řízené posilováním synaptických spojů v hipokampu. Tato myšlenka tvoří klíčovou složku Teorie „dvoufázové paměti“, prosazovaná Buzsakim a dalšími, která navrhuje, aby vzpomínky byly uloženy v hipokampu během chování, a pak později přeneseny do neokortexu během spánku: ostré vlny jsou navrhovány řídit Hebbian synaptické změny v neokortikálních cílech hipokampálních výstupních drah.

Hipokampus má celkově podobný vzhled v celé škále druhů savců, od bazálních, jako je ježek, až po ty „nejpokročilejší“, jako je člověk. Poměr velikosti hipokampu k velikosti těla se obecně zvyšuje, u primátů je asi dvakrát větší než u ježka. Nezvyšuje se však ani zdaleka rychlostí poměru velikosti neokortexu k velikosti těla. Hipokampus tak u hlodavců zabírá mnohem větší objem kortikálního pláště než u primátů.

U ptáků je korespondence dostatečně prokázána, takže většina anatomů označuje mediální paliální zónu jako „ptačí hipokampus“. Četné druhy ptáků mají silné prostorové schopnosti, zejména ty, které uchovávají potravu. Existují důkazy, že ptáci, kteří uchovávají potravu, mají větší hipokampus než jiné druhy ptáků a že poškození hipokampu způsobuje poruchy prostorové paměti.

Příběh pro ryby je složitější. U teleostových ryb (které tvoří velkou většinu existujících druhů) je přední mozek ve srovnání s jinými typy obratlovců podivně zdeformovaný. Většina neuroanatomů se domnívá, že teleostový přední mozek je v podstatě everovaný, jako ponožka obrácená naruby, takže struktury, které leží uvnitř, vedle komor, se u většiny obratlovců nacházejí na vnější straně u teleostových ryb a naopak naopak. Jedním z důsledků toho je, že se má za to, že mediální pallium („hipokampální“ zóna) typického obratlovce odpovídá laterálnímu palliu typické ryby. U několika typů ryb (zejména zlatých rybek) bylo experimentálně prokázáno, že mají silnou prostorovou paměť schopnosti, dokonce tvoří „kognitivní mapy“ oblastí, které obývají. Existují důkazy, že poškození laterálního pallia narušuje prostorovou paměť. (Dálková navigace, jako je například navádění lososů, se zřejmě spoléhá na jiné mechanismy.)

Zdá se tedy, že role hipokampální oblasti v navigaci začíná daleko vzadu v evoluci obratlovců, před rozštěpením, ke kterému došlo před stovkami milionů let. Zatím není známo, zda mediální pallium hraje podobnou roli u ještě primitivnějších obratlovců, jako jsou žraloci a rejnoci, nebo dokonce mihule a hagfish. Některé druhy hmyzu a měkkýšů, jako je chobotnice, mají také silné prostorové učení a navigační schopnosti, ale zdá se, že tyto fungují jinak než prostorový systém savců, takže zatím neexistuje žádný dobrý důvod domnívat se, že mají společný evoluční původ; ani neexistuje dostatečná podobnost ve struktuře mozku, která by umožnila u těchto druhů identifikovat cokoliv, co se podobá „hipokampu“.

Superior frontal gyrus (4l, 6l, 8l) · Middle frontal gyrus (9l, 10l, 46)

Dolní frontální gyrus: 11l · 47-Pars orbitalis · Broca's area (44-Pars opercularis, 45-Pars triangularis)

Superior frontal sulcus · Inferior frontal sulcus

Precentral gyrus · Precentral sulcus

Superior frontal gyrus (4m, 6m) · Medial frontal gyrus (8m, 9m)

Paraterminální gyrus/Paračichová oblast (12) · Rovný gyrus (11m) · Orbitální gyri/Orbitofrontální kůra (10m, 11m, 12) · Ventromediální prefrontální kůra (10m) · Subkallosální oblast (25)

Olfactory sulcus · Orbital sulci

Paracentral lobule (4) · Paracentral sulcus

Primární motorická kůra (4) · Předmotorická kůra (6) · Doplňková motorická oblast (6) · Pole čelního oka (8)

Superior parietal lobule (5l, 7l) · Inferior parietal lobule (40-Supramarginal gyrus, 39-Angular gyrus) · Parietal operculum (43)

Paracentrální lalok (1m, 2m, 3m, 5m) · Precuneus (7m)

Postcentral gyrus/primary somatosensory cortex (1 · 2 · 3) · Secondary somatosensory cortex (5) · Posterior parietal cortex (7)

Okcipitální pól mozku · Laterální okcipitální gyrus (18, 19) · Lunate sulcus · Transverse occipital sulcus

Primární zraková kůra (17) · Cuneus · Lingual gyrusCalcarine fissure

Příčný temporální gyrus/Primární sluchová kůra (41, 42) · Nadřízený temporální gyrus (38, 22/Wernickeho oblast) · Střední temporální gyrus (21) · Podřízený temporální gyrus (20)

Superior temporal sulcus · Inferior temporal sulcus

Fusiformní gyrus (37) Mediální spánkový lalok (27 · 28 · 34 · 35 · 36)

Centrální (frontální+parietální) · Laterální (frontální+parietální+temporální) · Parieto-okcipitální · Preokcipitální zářez

Medial longitudinal · Cingulate (frontal+cingulate) · Collateral (temporal+occipital) · Callosal sulcus

přední (Entorhinal cortex, Perirhinal cortex) · Posterior parahippocampal gyrus · Prepyriform area

Podgenní plocha (25) · Anterior cingulate (24, 32, 33) · Posterior cingulate (23, 31)

Isthmus cingulate gyrus: Retrospleniální kůra (26, 29, 30)

Hippocampal sulcus · Fimbria hippocampus · Dentate gyrus · Rhinal sulcus

Suprakallozální gyrus · Uncus

Dlouhý gyrus inzulínu · Krátký gyri inzulínu · Kruhový sulcus inzulínu

Operculum · póly mozkových hemisfér

anat (n/s/m/p/4/e/b/d/c/a/f/l/g)/phys/devp

noco (m/d/e/h/v/s)/cong/tumr, sysi/epon, injr

proc, lék (N1A/2AB/C/3/4/7A/B/C/D)