Нейропластичность

Нейропластичность, также известная как пластичность мозга, нейроэластичность или нейронная пластичность, - это способность мозга непрерывно изменяться в течение всей жизни человека, например, активность мозга, связанная с данной функцией, может быть перенесена в другое место, пропорция серого вещества может измениться, а синапсы могут усиливаться или ослабевать с течением времени. Целью нейропластичности является оптимизация нейронных сетей во время филогенеза, онтогенеза и физиологического обучения, а также после травмы головного мозга.

Исследования во второй половине 20-го века показали, что многие аспекты мозга могут быть изменены (являются «пластичными») даже в зрелом возрасте. Однако, развивающийся мозг проявляет более высокую степень пластичности, чем мозг взрослого. ¹⁾ Нейропластичность может наблюдаться в разных масштабах, от микроскопических изменений в отдельных нейронах до более масштабных изменений, таких как корковая реорганизация, в ответ на повреждение. Поведение, окружающие стимулы, мысли и эмоции могут также вызывать нейропластические изменения через пластичность, зависящую от активности, которая имеет важные последствия для здорового развития, обучения, памяти и восстановления после повреждения головного мозга. ²⁾ На уровне отдельных клеток, синаптическая пластичность относится к изменениям в связях между нейронами, в то время как несинаптическая пластичность относится к изменениям их возбудимости.

JT Wall и J Xu проследили механизмы, лежащие в основе нейропластичности. Реорганизация не возникает в коре, а происходит на каждом уровне в иерархии обработки; она производит изменения в коре головного мозга. ³⁾

Мозг взрослого человека не является неизменной структурой с фиксированными нейронными цепями. Существует масса способов кортикальной и подкорковой перестройки нейронных цепей в ответ на тренировки и на травмы. Существуют убедительные доказательства того, что нейрогенез (рождение клеток головного мозга) происходит во взрослом мозге млекопитающих, и такие изменения могут сохраняться в пожилом возрасте. Доказательства нейрогенеза в основном ограничены гиппокампом и обонятельной луковицей, но современные исследования показали, что другие части мозга, включая мозжечок, также могут быть вовлечены в этот процесс. Тем не менее, степень переподключения, вызванного интеграцией новых нейронов в установленные цепи, неизвестна, и такая перестановка вполне может быть функционально избыточной. ⁴⁾ В настоящее время имеется достаточное количество доказательств активной, зависимой от опыта реорганизации синаптических сетей головного мозга, включающей множество взаимосвязанных структур, в том числе кору головного мозга. Конкретные детали того, как этот процесс происходит на молекулярном и ультраструктурном уровнях, являются темами активных нейробиологических исследований. То, как опыт может влиять на синаптическую организацию мозга, также лежит в основе ряда теорий функционирования мозга, включая общую теорию разума и нейронный дарвинизм. Концепция нейропластичности также является центральной в теориях памяти и обучения, которые связаны с основанными на опыте изменениями синаптической структуры и функции, в исследованиях классической обусловленности на моделях беспозвоночных животных, таких как аплизия.

Неожиданным последствием нейропластичности является то, что активность мозга, связанная с одной функцией, может быть перенесена в другое место; это может быть результатом нормального опыта, а также происходит в процессе восстановления после травмы головного мозга. Нейропластичность является фундаментальной проблемой, которая поддерживает научную основу для лечения приобретенной черепно-мозговой травмы с помощью целенаправленных экспериментальных терапевтических программ в контексте реабилитационных подходов к функциональным последствиям травмы. Нейропластичность приобретает все большую популярность как теория, которая, по крайней мере, частично, объясняет улучшение функциональных результатов с помощью физиотерапии после инсульта. Методы реабилитации, подкрепленные фактическими данными, которые предполагают реорганизацию коры как механизм изменений, включают двигательную терапию, вызванную ограничениями, функциональную электростимуляцию, тренировку на беговой дорожке с поддержкой веса тела и терапию в виртуальной реальности. Роботизированная терапия является новой техникой, которая также предполагает гипотетическую работу нейропластики, хотя в настоящее время нет достаточных данных для определения точных механизмов изменения при использовании этого метода. Одна группа ученых разработала метод лечения, включающий повышенные уровни инъекций прогестерона у пациентов с повреждениями головного мозга. «Введение прогестерона после черепно-мозговой травмы ⁵⁾ (ЧМТ) и инсульта уменьшает отек, воспаление и гибель нервных клеток, а также улучшает пространственную эталонную память и восстановление сенсорной моторики». В клиническом исследовании, в группе тяжело раненых пациентов наблюдалось снижение смертности на 60% после трех дней инъекций прогестерона. Тем не менее, исследование, опубликованное в «Медицинском журнале Новой Англии» в 2014 году, подробно описывает результаты работы многоцентрового центра фазы III клинического исследования 882 пациентов, показавшего, что лечение острой черепно-мозговой травмы с помощью гормона прогестерона не дает существенной пользы пациентам по сравнению с плацебо. ⁶⁾

В течение десятилетий исследователи предполагали, что людям нужно приобретать бинокулярное зрение, в частности стереопсис, в раннем детстве, иначе они никогда не получат его. Однако, в последние годы успешные улучшения у людей с амблиопией, недостаточностью конвергенции или другими аномалиями стереозрения стали яркими примерами нейропластичности; улучшение бинокулярного зрения и восстановление стереопсиса в настоящее время являются активными областями научных и клинических исследований. ⁷⁾

Несколько компаний предложили так называемые программы когнитивного обучения для различных целей, которые, якобы, работают через нейропластичность; Одним из примеров является Fast ForWord для помощи детям с нарушениями когнитивных функций. Систематический мета-аналитический обзор показал, что «в результате проведенного анализа не было обнаружено никаких доказательств того, что Fast ForWord эффективен для лечения языковых проблем у детей или затруднений при чтении». В обзоре 2016 года было обнаружено очень мало доказательств, подтверждающих какие-либо утверждения касаемо Fast ForWord и других коммерческих продуктов, поскольку их влияние на конкретные задачи не распространяется на другие задачи.

Нейропластичность участвует в развитии сенсорной функции. Мозг рождается незрелым, и адаптируется к сенсорным воздействиям после рождения. В слуховой системе было показано, что врожденное нарушение слуха, довольно частое врожденное состояние, поражающее 1 из 1000 новорожденных, влияет на развитие слуха, а имплантация сенсорных протезов, активирующих слуховую систему, предотвращает дефициты и вызывает функциональное созревание слуховой системы. Из-за чувствительного периода пластичности, имеет место также чувствительный период для такого вмешательства в течение первых 2–4 лет жизни. Следовательно, у детей с глухотой, ранняя кохлеарная имплантация, как правило, позволяет изучать родной язык и приобретать акустическую коммуникацию. ⁸⁾

Феномен фантомных конечностей – это когда человек продолжает чувствовать боль или другие ощущения в ампутированной части своего тела. Это явление встречается необычайно часто у 60–80% пациентов с ампутированными конечностями. ⁹⁾ Объяснение этого явления основано на концепции нейропластичности, поскольку считается, что кортикальные карты удаленных конечностей связаны с областью вокруг них в постцентральной извилине. Это приводит к тому, что активность в окружающей области коры неверно истолковывается областью коры, ранее ответственной за ампутированную конечность. Отношения между ощущением фантомной конечности и нейропластичностью являются сложными. В начале 1990-х годов В.С. Рамачандран предположил, что фантомные конечности являются результатом кортикального перераспределения. Однако, в 1995 году Герта Флор и ее коллеги продемонстрировали, что перераспределение коры происходит только у пациентов с фантомными болями. Ее исследование показало, что боль в фантомных конечностях (а не другие ощущения) была перцептивным коррелятом корковой реорганизации. Это явление иногда называют неадаптивной пластичностью. В 2009 году Лоример Мозли и Питер Бруггер провели замечательный эксперимент, в котором они поощряли пациентов с ампутированными конечностями использовать визуальные образы для преобразования их фантомных конечностей в невозможные конфигурации. Четыре из семи испытуемых преуспели в выполнении невозможных движений фантомной конечности. Этот эксперимент предполагает, что субъекты модифицировали нейронное представление своих фантомных конечностей и генерировали моторные команды, необходимые для выполнения невозможных движений в отсутствие обратной связи от тела. Авторы заявили, что: «На самом деле, это открытие расширяет наше понимание пластичности мозга, потому что это доказательство того, что глубокие изменения в умственном представлении тела могут быть вызваны исключительно внутренними механизмами мозга - мозг действительно сам себя изменяет».

Люди, которые страдают от хронической боли, испытывают длительную боль в местах, которые могли быть ранены ранее, но в остальном в настоящее время здоровы. Это явление связано с нейропластичностью вследствие дезадаптивной перестройки нервной системы как периферически, так и центрально. В период повреждения тканей, вредные раздражители и воспаление вызывают повышение ноцицептивного вклада от периферии к центральной нервной системе. Длительная ноцицепция с периферии затем вызывает нейропластический ответ на кортикальном уровне, изменяя соматотопическую организацию болезненного участка, вызывая центральную сенсибилизацию. ¹⁰⁾ Например, люди, испытывающие сложный регионарный болевой синдром, демонстрируют уменьшенное кортикальное соматотопическое представление руки в противоположном направлении, а также уменьшенное расстояние между рукой и ртом. Кроме того, хроническая боль, как сообщается, значительно уменьшает объем серого вещества в мозге вообще, и более конкретно в префронтальной коре и правом таламусе. Однако, после лечения эти нарушения в корковой реорганизации и объеме серого вещества устраняются, а вместе с ними и симптомы. Аналогичные результаты были получены для фантомной боли в конечностях, хронической боли в пояснице и при синдроме запястного канала.

Ряд исследований связал медитацию с различиями в толщине коры или плотности серого вещества. ¹¹⁾ Одно из наиболее известных исследований, демонстрирующих это, было проведено Сарой Лазар из Гарвардского университета в 2000 году. Ричард Дэвидсон, невролог из Университета Висконсина, в сотрудничестве с Далай-ламой провел эксперименты по влиянию медитации на мозг. Его результаты показывают, что длительная или кратковременная практика медитации приводит к различным уровням активности в областях мозга, связанных с такими качествами, как внимание, беспокойство, депрессия, страх, гнев и способность организма к самовосстановлению. Эти функциональные изменения могут быть вызваны изменениями в физической структуре мозга.

Аэробные упражнения способствуют нейрогенезу у взрослых, увеличивая выработку нейротрофических факторов (соединений, которые способствуют росту или выживанию нейронов), таких как нейротрофический фактор мозга (BDNF), инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF-1) и фактор роста эндотелия сосудов. (VEGF). Вызванный физическими упражнениями нейрогенез в гиппокампе связан с измеримыми улучшениями пространственной памяти. ¹²⁾ Последовательные аэробные упражнения в течение нескольких месяцев вызывают заметные клинически значимые улучшения исполнительной функции (то есть «когнитивного контроля» поведения) и увеличение объема серого вещества в нескольких областях мозга, особенно в тех, связаны с когнитивным контролем. Структуры мозга, которые показывают наибольшие улучшения в объеме серого вещества в ответ на аэробные упражнения, представляют собой префронтальную кору и гиппокамп; наблюдаются умеренные улучшения в передней части поясной извилины, теменной коре, мозжечке, хвостатом ядре и прилежащем ядре. ¹³⁾ Более высокие показатели физической подготовленности (измеренные по VO2 max) связаны с лучшей исполнительной функцией, более быстрой скоростью обработки и большим объемом гиппокампа, хвостатого ядра и прилежащего ядра.

Эхолокация человека - это наученная способность человека ощущать свое окружение от эхо. Эта способность используется некоторыми слепыми людьми, чтобы ориентироваться в окружающей среде и детально ощущать окружающую среду. Исследования, проведенные в 2010 году и 2011 году с использованием методов функциональной магнитно-резонансной томографии, показали, что части мозга, связанные с визуальной обработкой, адаптированы к новому навыку эхолокации. Например, исследования со слепыми пациентами показывают, что клик-эхо, слышимое этими пациентами, обрабатывалось областями мозга, предназначенными для зрения, а не для прослушивания.

Обзоры исследований МРТ на людях с СДВГ показывают, что длительное лечение синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) с помощью стимуляторов, таких как амфетамин или метилфенидат, уменьшает нарушения структуры и функции мозга, обнаруживаемые у субъектов с СДВГ, и улучшает функцию нескольких частей мозга, таких как правое хвостатое ядро базальных ганглиев. ¹⁴⁾

Нейропластичность наиболее активна в детстве как часть нормального развития человека, и ее также можно рассматривать как особенно важный механизм для детей с точки зрения риска и жизнеспособности. Травма считается большим риском, так как она негативно влияет на многие области мозга и вызывает постоянную активацию симпатической нервной системы. Таким образом, травма изменяет связи мозга, так что дети, перенесшие травму, могут быть чрезмерно нервными или чрезмерно возбужденными. Однако, мозг ребенка может справиться с этими побочными эффектами посредством нейропластичности. Есть много примеров нейропластичности в развитии человека. В статье, написанной Джастин Кер и Стивеном Нельсоном, рассматривается влияние музыкальных уроков на нейропластичность. Музыкальная подготовка является формой пластичности, зависящей от опыта. Изменения в мозге происходят на основе опыта, который является уникальным для человека. Примерами этого являются изучение нескольких языков, занятия спортом, театр и т. д. Исследование, проведенное Хайдом в 2009 году, показало, что изменения в мозге детей можно увидеть всего за 15 месяцев музыкальной практики. ¹⁵⁾ Кер и Нельсон предполагают, что эта степень пластичности мозга у детей может «помочь обеспечить форму лечения для детей… с нарушениями развития и неврологическими заболеваниями».

В течение жизни, особи видов животных могут сталкиваться с различными изменениями в морфологии мозга. Многие из этих различий вызваны выбросом гормонов в мозг; другие являются продуктом эволюционных факторов или стадий развития. ¹⁶⁾ Некоторые изменения происходят в зависимости от сезона, усиливая или формируя ответное поведение.

Изменение поведения и морфологии мозга в соответствии с другими сезонными формами поведения у животных относительно широко распространены. Эти изменения могут улучшить шансы спаривания в течение сезона размножения. Примеры сезонных изменений морфологии мозга можно найти во многих классах и видах животных. У птиц, сикапы черношапочная гаичка испытывает увеличение объема гиппокампа и силы нервных связей с гиппокампом в течение осенних месяцев. ¹⁷⁾ Эти морфологические изменения в гиппокампе, связанные с пространственной памятью, не ограничиваются птицами, так как они также могут наблюдаться у грызунов и земноводных. У певчих птиц во время брачного сезона увеличивается количество ядер, контролирующих пение, в мозге. У птиц часто встречаются изменения в морфологии мозга, влияющие на паттерны, частоту и громкость песни. Иммунореактивность гонадотропин-рилизинг-гормона (ГнРГ), или рецепция гормона, снижается у европейских скворцов, подвергающихся воздействию более длинных периодов света в течение дня. Aplysia californica, брюхоногий моллюск, более успешно ингибирует гормоны яйцеклетки вне брачного периода из-за повышенной эффективности ингибиторов в мозге. Изменения в ингибирующей природе областей мозга также могут быть обнаружены у людей и других млекопитающих. У земноводного Bufo japonicus часть миндалины больше до размножения и в период зимней спячки, чем после размножения. ¹⁸⁾ Сезонные вариации мозга встречаются у многих млекопитающих. Часть гипоталамуса обыкновенной овцы более восприимчива к ГнРГ в период размножения, чем в другое время года. Люди испытывают изменение «размера супрахиазматического ядра гипоталамуса и вазопрессин-иммунореактивных нейронов в нем» осенью, когда эти части больше. Весной эти элементы уменьшаются в размерах.

Группа Рэнди Нудо обнаружила, что, если небольшой инсульт (инфаркт) вызван затруднением кровотока в части моторной коры обезьяны, то часть тела, которая реагирует на движение, приходит в движение, когда стимулируются области, прилегающие к поврежденной области мозга. В одном исследовании, методы картирования интракортикальной микростимуляции (ICMS) были использованы у девяти нормальных обезьян. Некоторые перенесли процедуры ишемического инфаркта, а другие - процедуры ICMS. У обезьян с ишемическим инфарктом сохранялось большее сгибание пальцев во время извлечения пищи, и через несколько месяцев этот дефицит вернулся к предоперационному уровню. Что касается дистального представления передних конечностей, «процедуры постинфарктного картирования показали, что репрезентации движений претерпели реорганизацию по всей соседней неповрежденной коре». Понимание взаимодействия между поврежденными и неповрежденными областями обеспечивает основу для более эффективных планов лечения у пациентов с инсультом. Текущее исследование включает в себя отслеживание изменений, которые происходят в моторных областях коры головного мозга в результате инсульта. Таким образом, события, которые происходят в процессе реорганизации мозга, могут быть установлены. Нудо также участвует в изучении планов лечения, которые могут улучшить восстановление после инсультов, таких как физиотерапия, фармакотерапия и электростимуляционная терапия. Джон Каас, профессор Университета Вандербильта, смог показать, «как соматосенсорная область 3b и вентропораздельное (ВП) ядро таламуса подвержены давним односторонним поражениям дорсальной колонки на уровне шейки матки у макак». Мозг взрослого может изменяться в результате травмы, но степень реорганизации зависит от степени травмы. Его недавние исследования сосредоточены на соматосенсорной системе, которая включает в себя ощущение тела и его движений с использованием многих чувств. Обычно повреждение соматосенсорной коры приводит к ухудшению восприятия тела. Исследовательский проект Kaas сфокусирован на том, как эти системы (соматосенсорные, когнитивные, двигательные системы) реагируют пластическими изменениями в результате травмы. ¹⁹⁾ Одно недавнее исследование нейропластичности включает работу, проделанную группой врачей и исследователей из Университета Эмори, в частности, доктора Дональда Стейна и доктора Дэвида Райта. Это первое за 40 лет лечение, которое дает значительные результаты в лечении черепно-мозговых травм, но при этом не вызывает никаких известных побочных эффектов и является дешевым в применении. Доктор Стейн заметил, что мыши-самки, по-видимому, оправляются от травм головного мозга лучше, чем мыши-самцы, и что в определенные моменты цикла эструса самки выздоравливают еще лучше. Это различие может объясняться различными уровнями прогестерона, причем более высокие уровни прогестерона приводят к более быстрому восстановлению после травмы головного мозга у мышей. Тем не менее, клинические испытания показали, что прогестерон не дает существенной пользы для пациентов с черепно-мозговой травмой.

Транскрипционное профилирование лобной коры людей в возрасте от 26 до 106 лет определило набор генов с пониженной экспрессией после 40 лет и особенно после 70 лет. Гены, которые играют центральную роль в синаптической пластичности, были наиболее значительно затронуты возрастом, как правило, демонстрируя снижение экспрессии с течением времени. Также наблюдалось заметное увеличение повреждения корковой ДНК, вероятно, окислительного повреждения ДНК, в промоторах генов при старении. ²⁰⁾ По-видимому, активные формы кислорода играют важную роль в регуляции синаптической пластичности и когнитивной функции. Однако, возрастное увеличение количества активных форм кислорода может также привести к нарушению этих функций

Термин «пластичность» впервые был применен к поведению в 1890 году Уильямом Джеймсом в «Принципах психологии». Первым, кто использовал термин «нейронная пластичность», был польский нейробиолог Ежи Конорский. В 1793 году итальянский анатом Микеле Виченцо Малакарне описал эксперименты, в которых он спаривал животных, много лет тренировал одного из пары, а затем анализировал обоих. Он обнаружил, что мозжечок у дрессированных животных был значительно больше. Но эти результаты были, в конечном итоге, забыты. Идея о том, что мозг и его функции не фиксированы на протяжении всей взрослой жизни, была предложена в 1890 году Уильямом Джеймсом в «Принципах психологии», хотя этой идеей в значительной степени пренебрегали. Примерно до 1970-х годов нейробиологи считали, что структура и функции мозга были практически неизменными на протяжении всей взрослой жизни. ²¹⁾

В 1923 году Карл Лешли провел эксперименты на макаках-резусах, которые продемонстрировали изменения в нейрональных путях, которые, как он заключил, свидетельствуют о пластичности. Несмотря на это и другие исследования, которые предполагали, что пластичность имела место, нейробиологи не приняли широко распространенную идею нейропластичности. В 1945 году Хусто Гонсало из своего исследования динамики мозга пришел к выводу, что, вопреки активности областей проекции, «центральная» масса коры (более или менее равноудаленная от областей визуальной, тактильной и слуховой проекции) будет «маневрирующей массой», довольно неспецифической или мультисенсорной, обладающей способностью повышать нервную возбудимость и реорганизовывать активность посредством свойств пластичности. В качестве первого примера он приводит адаптацию, позволяющей видеть в вертикальном положении в очках в эксперименте Страттона и, в частности, несколько случаев травм головного мозга, в которых он наблюдал динамические и адаптивные свойства, в частности, в расстройстве перевернутого восприятия. Он заявил, что сенсорный сигнал в области проекции будет представлять собой только перевернутый и сжатый контур, который будет увеличен из-за увеличения рекрутированной мозговой массы и перевернут из-за некоторого эффекта пластичности мозга, в более центральных областях, после спирального роста. ²²⁾ Мариан Даймонд из Калифорнийского университета, Беркли, выпустила первое научное доказательство анатомической пластичности мозга, опубликовав свое исследование в 1964 году. Другие существенные доказательства были получены в 1960-х годах и позже, в частности, от ученых, включая Пола Бахи-Риту, Михаила Мерзенича вместе с Джоном Каасом, а также несколькими другими. В 1960-х годах Пол Бахи-Рита изобрел устройство, которое было протестировано на небольшом количестве людей, и включало человека, сидящего в кресле, в которое были встроены выступы, которые вибрировали, «транслируя» изображения в камере, позволяя формировать видение посредством сенсорной замены. ²³⁾ Исследования на людях, выздоравливающих после инсульта, также подтверждали нейропластичность, поскольку области мозга, оставшиеся здоровыми, иногда могли, по крайней мере, частично, выполнять функции, которые были разрушены; Shepherd Ivory Franz работал в этой области. Элеонора Магуайр задокументировала изменения в структуре гиппокампа, связанные с приобретением знаний о планировке Лондона у местных водителей такси. Перераспределение серого вещества наблюдалось у лондонских водителей такси по сравнению с контрольной группой. Эта работа по пластичности гиппокампа заинтересовала не только ученых, но и общественность и средства массовой информации по всему миру. Михаил Мерзенич - невролог, который был одним из пионеров в области нейропластичности в течение более трех десятилетий. Он сделал некоторые из «самых амбициозных заявлений в этой области - что упражнения для мозга могут быть столь же полезны, как лекарства для лечения таких тяжелых заболеваний, как шизофрения, - что пластичность существует от колыбели до могилы, и что учиться, думать, воспринимать и помнить можно даже в пожилом возрасте». На работу Мерзенича повлияло важное открытие, сделанное Дэвидом Хьюбелом и Торстеном Визелем в их работе с котятами. Эксперимент включал зашивание одного глаза и запись карт коры головного мозга. Хьюбел и Визель увидели, что часть мозга котенка, связанная с закрытым глазом, не была бездействующей, как ожидалось. Вместо этого, она обрабатывала визуальную информацию от открытого глаза. «… Как будто мозг не хотел тратить впустую любую «корковую неподвижность» и нашел способ перестроить себя». ²⁴⁾ Это говорит о нейропластичности в критический период. Тем не менее, Мерзенич утверждал, что нейропластичность может возникнуть после критического периода. Его первое знакомство с пластичностью у взрослых произошло, когда он занимался постдокторским исследованием с Клинтоном Вусли. Эксперимент был основан на наблюдении за тем, что происходило в мозге, когда один периферический нерв был разрезан и впоследствии восстановлен. Ученые создали карты мозга обезьян до и после перерезания периферического нерва и сшивания концов вместе. После этого карта оказалась почти нормальной. Это был существенный прорыв. Мерзенич утверждал, что «если карта мозга могла нормализовать свою структуру в ответ на аномалию, распространенное мнение о том, что мы рождаемся с законченной системой, должно быть ошибочным. Мозг является пластичным». Мерзенич получил Приз Кавли в области неврологии в 2016 году «за открытие механизмов, позволяющих опыту и нервной деятельности переделывать функции мозга».

:Tags