Hipokamp stanowi kluczowy element mózgu człowieka oraz innych ssaków. Należy on do układu limbicznego i odgrywa istotną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu pamięci długotrwałej i przestrzennej. Osiąga on pełną dojrzałość około drugiego roku życia. Hipokamp jest strukturą występującą parzyście na zasadzie odbicia lustrzanego, po obydwu półkulach mózgowia. U ludzi i innych naczelnych obszar ten znajduje się w przyśrodkowej części płata skroniowego, pod powierzchnią korową. Ma on charakterystyczny zakrzywiony kształt podobny do konika morskiego, czyli gatunku ryby morskiej z rodzaju Hippocampus, czemu struktura ta zawdzięcza swoją nazwę.
1. Budowa anatomiczna
Z anatomicznego punktu widzenia hipokamp to rozwinięcie skrajnego obszaru kory mózgowej. Powstaje z wklęśnięcia warstwy korowej do światła komory bocznej w obszarze rogu skroniowego. Zbudowany jest on z tzw. kory starej (archicortex), która w miarę powstawania i rozrastania się kory nowej (neocortex) uległa zwinięciu i przesunięciu w głąb mózgu, gdzie utworzyła strukturę w charakterystycznym kształcie litery C. Cała formacja hipokampa (formatio hippocampi) obejmuje zakręt zębaty (gyrus dentatus), kompleks podkładki (suhiculum), korę śródwęchową (cortex entorhinalis) oraz hipokamp właściwy, zwany też rogiem Amona (CA, Cornu Ammonis).
1.1. Hipokamp właściwy
W hipokampie właściwym wyróżnia się dwie główne części wyznaczające septalnotemporalną oś hipokampa. Są one względem siebie podobne strukturalnie, lecz stanowią element różnych obwodów nerwowych. Część grzbietowa (septalna) znajduje się bliżej przegrody (septum), natomiast brzuszna (temporalna) leży w pobliżu części skroniowej.
Kora hipokampa właściwego składa się z warstwy drobinowej (lamina molecularis), warstwy komórek wielokształtnych (lamina multiformis) oraz najistotniejszej, dominującej warstwy piramidowej (lamina pyramidalis). Ostatnia z nich zawiera komórki piramidowe, skierowane wierzchołkiem (dendrytami szczytowymi) do wnętrza hipokampa, a ich wtórne rozgałęzienia zajmują obszar warstwy drobinowej.
W zależności od rozmieszczenia i struktury neuronów warstwy piramidowej wyszczególnia się cztery główne pola hipokampa CA (od CA1 do CA4). Pierwsze z nich jest znacznie rozwinięte w mózgu człowieka, graniczy z podkładką oraz znajduje się na bocznej i dolnej powierzchni hipokampa. Pole CA2 jest bardzo wąskie, posiada bardzo ciasno rozmieszczone neurony na małym obszarze i nie występuje u większości ssaków. Natomiast pola CA3 i CA4 charakteryzują się niższą gęstością neuronalną i różnią się między sobą jedynie topografią. Wszystkie pola różnicuje wrażliwość na czynniki chorobowe.
2. Połączenia
Organizacja połączeń nerwowych w obrębie samego hipokampa, a także pomiędzy nim a innymi strukturami mózgu, jest niezbędna do zrozumienia mechanizmów związanych z pamięcią. Formację CA charakteryzują trzy istotne systemy powiązań neuronalnych: przychodzące (z innych części kory mózgowej do hipokampa), wewnętrzne i wychodzące (z hipokampa do innych części mózgu).
Układ połączeń nerwowych hipokampa jest skomplikowany. Jego struktury łączą się z wieloma ośrodkami podkorowymi, takimi jak elementy międzymózgowia czy pień mózgu. Zwykle są to połączenia w obu kierunkach, które biegną wzdłuż sklepienia. W ten sposób dociera do hipokampa większość włókien cholinergicznych. W spoidle sklepienia występują włókna spoidłowe odpowiadające za połączenie pól hipokampa prawej i lewej półkuli mózgu. Ponadto w hipokampie występują także neurony wstawkowe należące do innych układów (zakrętu zębatego i kory śródwęchowej).
2.1. Kora śródwęchowa
Główną drogą przenoszącą informacje z kory mózgu do hipokampa jest kora śródwęchowa, leżąca w obrębie zakrętu przyhipokampowego i zbudowana z tzw. kory przejściowej (periarchicortex). Powierzchniowe warstwy kory śródwęchowej mają największy wkład w transport informacji do ciasno upakowanych warstw komórek hipokampa, który zachodzi głównie jednokierunkowo. Początkowo komórki tej warstwy emitują włókna tworzące drogę przeszywającą, których zakończenie znajduje się na dendrytach struktur ziarnistych zakrętu zębatego. Informacja następnie dociera do komórek piramidalnych pola CA3, które przesyła projekcje do regionu CA1, a następnie do neuronów podkładki (podpory) hipokampa. Te z kolei przesyłają część włókien ponownie do kory śródwęchowej. Ten główny obwód neuronalny tworzą jednostki będące częścią układu glutaminergicznego.
3. Rytm theta
Zdolność do generowania rytmu theta stanowi atrybut sieci neuronalnych hipokampa. Rytm ten jest najlepiej zsynchronizowanym wzorcem EEG (elektroencefalograficznym) w mózgowiu ssaków, który u ludzi występuje w postaci regularnych fal o częstotliwości od 4 do 7 Hz. Pełni on istotną rolę w pamięci operacyjnej, długotrwałym wzmocnieniu synaptycznym (LTP, ang. long-term potentiation), nawigacji przestrzennej, eksploracji otoczenia podczas aktywności lokomocyjnej, śnie REM oraz rozpoznawaniu znaczenia słów i integracji funkcji czuciowo – ruchowych. Procesy pamięciowe zachodzące w hipokampie są ściśle skorelowane z występowaniem epizodów rytmu theta, ponieważ warunkują one m.in. powstawanie i przebieg procesu LTP. Podczas zadań umysłowych czas trwania wyładowań w paśmie fal theta wydłuża się wraz ze wzrostem intensywności ćwiczenia pamięci.
Integracja licznych informacji docierających ze środowiska zewnętrznego do ośrodkowego układu nerwowego, które przetwarza i konsoliduje hipokamp, jest możliwa dzięki wstępującemu systemowi synchronizującemu. Tworzy go wiele struktur, takich jak pień mózgu, kresomózgowie czy podstawne części kresomózgowia, które warunkują generowanie rytmu theta oraz powstawanie synchronicznej aktywności w jego paśmie. Ponadto bardzo ważnym elementem systemu synchronizującego, który odpowiada za kontrolę rytmu theta w neuronach formacji hipokampa, kory śródwęchowej i kory zakrętu obręczy jest układ przegroda (MS, ang. medial septum) / pęczek przekątny Broca (DBB, ang. diagonal band of Broca).
4. Funkcje
Hipokamp odpowiada za prawidłowe funkcjonowanie pamięci, w tym konsolidację informacji z pamięci krótkotrwałej do długotrwałej, długotrwałe wzmocnienie synaptyczne, udział w pamięci przestrzennej i nawigacji. Ponadto hipokamp jest strukturą zdolną do tworzenia nowych neuronów.
4.1. Pamięć
Bieżące informacje, nieustannie odbierane przez człowieka ze środowiska zewnętrznego, trafiają do ośrodków przedczołowych kory mózgowej, skąd przesyłane są do hipokampa. W nim zachodzi konwersja danych zapisanych w pamięci krótkotrwałej do formy engramów białkowych, które ulegają zmagazynowaniu w odpowiednich ośrodkach korowych (płata czołowego i skroniowego), czyli utrwaleniu w pamięci długotrwałej. Hipokamp pozwala na powolne zakodowanie świeżych wspomnień, poprzez wiązanie ze sobą licznych danych wejściowych, w celu trwałego przechowywania skojarzeń w pamięci epizodycznej. Za jej pośrednictwem w mózgu powstają ślady pamięciowe dotyczące konkretnych zdarzeń zachodzących w określonym czasie i przestrzeni. Pamięć epizodyczna należy do długotrwałej pamięci deklaratywnej (świadomej), a przywołanie zapisanych w niej danych jest stosunkowo łatwe. Mechanizm ten zachodzi bez interferencji z poprzednimi wspomnieniami.
Hipokamp stanowi centralne miejsce w całym procesie zapamiętywania, toteż największe upośledzenie pamięci ma miejsce w wyniku urazu tego istotnego elementu układu limbicznego. Uszkodzenie hipokampa powoduje amnezję następczą, objawiającą się znacznymi trudnościami w tworzeniu nowych wspomnień oraz wpływa na częściowy zanik wspomnień zapisanych w pamięci przed urazem tej części mózgowia (amnezja wsteczna). Ponadto dowiedziono, że uraz hipokampa nie ma wpływu na uczenie się nowych umiejętności o podłożu motorycznym lub poznawczym (takich jak granie na instrumentach czy rozwiązywanie łamigłówek). Najbardziej znanym i przebadanym pacjentem żyjącym z uszkodzonym hipokampem był zmarły w 2008 r. epileptyk Henry Gustav Molaison, który po eksperymentalnej obustronnej lobektomii przyśrodkowej skroniowej, mającej na celu zredukowanie uciążliwych napadów padaczkowych, utracił zdolność do tworzenia nowych wspomnień.
4.1.1. Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne (LTP)
Procesy pamięciowe zachodzące w hipokampie są możliwe dzięki długotrwałemu wzmocnieniu synaptycznemu (LTP, ang. long-term potentiation). Jest to mechanizm uczenia się, który powoduje zwiększenie intensywności przewodzenia synaptycznego. LTP zachodzi w komórkach piramidowych pola CA1 hipokampa. Wielokrotne pobudzanie neuronów przez silne impulsy powoduje uwalnianie neuroprzekaźnika – glutaminianu. Oddziałuje on na receptory neuronu postsynaptycznego (AMPA i NMDA). Wzrost aktywności synaptycznej otwiera kanały jonowe receptorów AMPA, jednocześnie podnosząc potencjał komórki nerwowej. Następnie stymulacja glutaminergiczna włącza kanały receptorów NMDA, które otwierają się dla jonów wapnia. W wyniku szeregu tych reakcji impuls nerwowy jest przesyłany szybciej do kolejnych komórek. Silne pobudzenie jednej z synaps powoduje, że kolejne tworzą się wokół niej, przez co wzmocniony impuls nerwowy może być przesyłany dalej z większą prędkością. Powstały ślad pamięciowy staje się bardziej czytelny a przywołanie konkretnej informacji z pamięci jest łatwiejsze. Warto zaznaczyć, iż całe zjawisko długotrwałego wzmocnienia synaptycznego nie może zachodzić bez obecności modulatora – dopaminy.
4.1.2. Pamięć przestrzenna
Hipokamp to struktura, która warunkuje pamięć o przedmiotach lub zdarzeniach w kontekście przestrzenno-czasowym. Orientacja i pamięć przestrzenna jest zależna od systemu kodowania lokalizacji, który opiera się na zależnościach pomiędzy aktywnością pojedynczych neuronów w zakresie częstotliwości fal theta całej sieci neuronalnej. Mechanizm ten łączy w hipokampie wzbudzenie neuronalne tzw. komórek miejsca (czyli neuronów wybiórczo aktywnych w obszarze, w którym przebywa dany organizm) z (wykazującymi podobne działanie) komórkami siatki kory śródwęchowej. Procesy kodowania lokalizacji, orientacji w przestrzeni oraz tworzenia neuronalnej mapy są uwarunkowane precesją fazy theta.
Poza wyżej wymienionymi komórkami, istotną rolę w orientacji przestrzennej odgrywają także tzw. komórki czasu, czyli neurony hipokampa i kory śródwęchowej, które charakteryzują się znaczną intensyfikacją aktywności w konkretnym czasie, w momencie wykonywania określonej czynności. Pozwala to na lokalizację przebiegu zdarzeń w czasie i przestrzeni.
4.2. Neurogeneza
Hipokamp to jedyna struktura, w której powstają nowe komórki nerwowe. Posiada on zdolność do ograniczonego zwiększania swojej objętości. Proces neurogenezy w hipokampie zachodzi w czterech etapach. Początkowo nerwowe komórki macierzyste (NSCs, ang. neural stem cells) ulegają podziałowi i zróżnicowaniu do postaci neuronów, astrocytów oraz oligodendrocytów, a następnie zaczynają się przemieszczać. W hipokampie podział komórek ma miejsce w warstwie podziarnistej, a powstałe komórki migrują do warstwy ziarnistej. Do drugiego obszaru objętego neurogenezą, nowe komórki przechodzą z warstwy podkomorowej komory bocznej, w której NSCs podlegają podziałom. Dzięki temu dochodzi do wytworzenia nowych neuronów. Z racji, że hipokamp jest miejscem tworzenia map przestrzennych, które ulegają samoistnej aktualizacji pod wpływem cyklicznego powtarzania ścieżek pamięciowych, jego tylna część jest zwykle większa u osób pracujących z wykorzystaniem topografii, których przedstawicielami są taksówkarze.
5. Podsumowanie
