Sponsorzy
Generic selectors
Exact matches only
Search in title
Search in content
Search in posts
Search in pages
Filter by Categories
Aktualności
Artykuły
Czasopismo Neuropedia
Kontakt
Ludzie i instytucje
Neuro-rynek
Neurofeedback
Neuroplastyczność
Ośrodki neuronaukowe w Polsce
Przepisy prawne dotyczące badań naukowych
Słownik
Układy zmysłowe
Wielcy polscy neurofizjolodzy
Zegar biologiczny
Zwierzęce modele w neuronauce

Plastyczność mózgu


prof. dr hab. Małgorzata Kossut, Instytut Biologii Doświadczalnej PAN


Print Friendly, PDF & Email

 Neuroplastyczność to podstawowa własność układu nerwowego, dzięki której możliwa jest nie tylko odbudowa funkcji, ale i naprawa zaburzeń rozwojowych, a przede wszystkim uczenie się i pamięć. Definiuje się ją jako trwałą zmianę własności neuronów zachodzącą pod wpływem doświadczenia. Wybitny neurofizjolog, Jerzy Konorski podał definicję , w której odróżnia zmiany reaktywności neuronów od zmian plastycznych. Pisał „Pierwszą własnością, dzięki której komórki nerwowe reagują na nadchodzące impulsy określonym cyklem zmian, nazywamy pobudliwością. Drugą własność, dzięki której w określonych układach neuronów powstają trwałe przekształcenia funkcjonalne w wyniku określonych bodźców lub ich kombinacji, będziemy nazywać plastycznością, a odpowiadające im zmiany, zmianami plastycznymi.” [1].

 Ta szeroka definicja pozwala na objęcie terminem „plastyczności” wielu zjawisk, których mechanizmy wykazują znaczne podobieństwa.

 Badania nad plastycznością mózgu na długo wyhamowało zdanie Santiago Ramon y Cajala, wielkiego neuroanatoma i wizjonera, twórcy synaptycznej koncepcji układu nerwowego. Na początku XX wieku Cajal napisał „ W dorosłych ośrodkach nerwowych szlaki nerwowe są ustalone, zakończone, nie do zmienienia. Wszystko może umrzeć, nic nie zregeneruje.”[2].

To mocne sformułowanie stało się dogmatem obowiązującym prawie do końca XX wieku. Aż do lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku dominowało przekonanie o stałości połączeń w układzie nerwowym ssaków, w końcu stopniowo, pod naporem nowych danych doświadczalnych, uznano obecność zmian plastycznych, a w roku 1998 udowodniono, że w dorosłym ludzkim mózgu powstają nowe neurony [3]. Dziś przyjmuje się powszechnie, że podstawowy wzorzec połączeń pomiędzy ośrodkami w układzie nerwowym kształtuje się w okresie rozwoju w oparciu o program genetyczny, jednakże obwody neuronalne są plastyczne i modyfikowalne przez całe życie, chociaż nie z taką samą intensywnością.

Współczesne teorie dotyczące mechanizmu powstawania plastyczności biorą swój początek z koncepcji Hebba[4], który postulował, że do zmiany siły połączenia pomiędzy neuronami konieczne jest skuteczne i powtarzalne pobudzenie neuronu postsynaptycznego przez presynaptyczny. To miałoby powodować zmiany biochemiczne i anatomiczne wzmacniające połączenie pomiędzy dwoma neuronami, hasłowo mówiąc „skuteczne pobudzenie to mocniejsze połączenie”. Późniejsze opracowania wprowadziły do tej zasady pewne uzupełnienie, uwzględniające także możliwość osłabienia połączenia, w którym, pomimo prób, nie dochodzi do skutecznego pobudzenia neuronu postsynaptycznego. Jeżeli pobudzenie przekroczy wartość progową, synapsa zostanie wzmocniona i połączenie pomiędzy neuronami będzie bardziej trwałe. Jeżeli pobudzenie będzie podprogowe, synapsa zostanie osłabiona [5]. Ten próg plastyczności nie jest wartością stałą, lecz ruchomą i może być zmieniany na skutek wcześniejszego doświadczenia neuronu. Taka „plastyczność plastyczności” nazywa się metaplastycznością [6].

U podstaw zmian plastycznych leżą zmiany własności (w tym siły) synaps, zmiany własności błony neuronu, zmiany liczby synaps, powstawanie nowych kolców dendrytycznych i zmiany ich morfologii, powstawanie nowych połączeń pomiędzy neuronami, rozrost aksonów i zmiany ich mielinizacji.

 Plastyczność mózgu przejawia się na wiele specyficznych sposobów. Można wyróżnić (bez uwzględniania procesów patologicznych) plastyczność rozwojową, uczenie się i pamięć, oraz plastyczność kompensacyjną i naprawczą dorosłego mózgu.

 Można też spojrzeć na neuroplastyczność od innej strony i wyróżnić krótkotrwałą plastyczność, synaptyczną oraz długotrwałą plastyczność synaptyczną (LTP, LTD, plastyczność homeostatyczną)[7,8,9].

Plastyczność rozwojowa

 Rozwijający się mózg posiada ogromną zdolność do plastycznej reorganizacji połączeń. Wtedy uczy się najszybciej, przyswaja największą ilość informacji i opanowuje rozległy repertuar sterowania ruchami. W tym okresie nawet duże uszkodzenie mózgu może ulec kompensacji. Zarówno wyspecjalizowane obszary kory mózgowej jak i ośrodki podkorowe mogą zmienić swoją normalną specyfikę. Na przykład usunięcie mózgowych struktur wzrokowych powoduje, że włókna nerwu wzrokowego kierują się do jąder wzgórza normalnie przetwarzających informację słuchową, a kora słuchowa zaczyna reagować na bodźce wzrokowe [10]. Ludzie niewidomi od urodzenia używają swej kory wzrokowej do zupełnie innych niż normalnie celów, znajdują się w niej ośrodki związane z pamięcią werbalną [11 ]. Jest też im ona potrzebna do zrozumienia znaków alfabetu Braille’a [12]. Istnieją pośrednie dowody na to, że u ludzi niewidomych od urodzenia, wykształcają się silniejsze połączenia pomiędzy korą somatosensoryczną a wzrokową. Nawet efekty hemisferektomii wykonanej przed upływem pierwszych kilku lat życia ulegają znacznej kompensacji. Tak duże „przemeblowanie” mózgu nie występuje u dorosłych ssaków. Zmiany w obwodowym układzie nerwowym (np. uszkodzenie nerwów czuciowych) wywołane w okresie okołonarodzeniowym, również szybko odbijają się na strukturze i funkcji centralnych ośrodków mózgu [13].

Dlaczego młodociany mózg ma tak dużą zdolność naprawy, kompensacji, zmiany normalnego schematu połączeń? Prawdopodobnie wielka labilność cytoszkieletu neuronów, jaka występuje w tym okresie, połączona z większą zdolnością do wzrostu aksonów, dendrytów i filopodiów, stwarza warunki sprzyjające powstawaniu nowych połączeń. W późniejszym okresie życia spada ekspresja genów sterujących procesami wzrostowymi, a rośnie poziom białek substancji pozakomórkowej utrudniającej kontakt pomiędzy neuronami i białek hamujących wzrost neurytów.

Uczenie się

  Inny przejaw plastyczności mózgu to uczenie się. Istotą uczenia się jest stworzenie nowego obwodu neuronalnego zawierającego informacje o współwystępujących bodźcach, które spowodowały uczenie. Tu zmiana plastyczna (nabieranie nowych, trwałych własności) powoduje, że neuron reaguje na bodźce, na które nie reagował wcześniej, lub że jego reakcja na nie została spotęgowana. W kilku zwierzęcych modelach uczenia zidentyfikowano podłoże neuronalne tego rodzaju zmiany plastycznej. Za podstawę zmian plastycznych zachodzących przy uczeniu przyjmuje się długotrwałe wzmocnienie synaptyczne (LTP), na ogół oparte o mechanizm otwarcia kanału receptora dla glutaminianu typu NMDA i następującą po nim eksternalizację receptorów dla glutaminianu typu AMPA. Towarzyszą temu zmiany morfologii kolców synaptycznych i powstawanie nowych synaps, którym sprzyja rozluźnienie sieci białek substancji międzykomórkowej przez enzymy proteolityczne. W ten sposób powstaje ślad pamięciowy.

Naprawa

 Ważna część zjawisk neuroplastycznych to plastyczność naprawcza i kompensacyjna. Najbardziej znany, klasyczny przykład plastyczności kompensacyjnej to zmiany tzw. map korowych – somatotopowych reprezentacji receptorów czuciowych w korze mózgowej. Mapy te, topograficznie, choć z pewnym zniekształceniem, odwzorowują położenie receptorów czuciowych na powierzchni ciała. Np. w reprezentacji dłoni w korze mózgowej można wyodrębnić reprezentacje poszczególnych palców. Jeśli jeden palec zostanie amputowany, jego korowa reprezentacja zostanie szybko zajęta przez informacje dochodzące z sąsiednich palców [13]. Dwa procesy leżą u podstaw tych zmian. Jeden to zwiększenie roli istniejących, ale słabych połączeń. Drugim procesem ważnym przy plastyczności kompensacyjnej jest rozgałęzianie się (bocznicowanie, inaczej sprouting) aksonów aktywowanych przez ocalałe palce na obszar reprezentacji palca amputowanego. O ile pierwszy proces jest szybki a jego wyniki widoczne natychmiast, drugi wymaga więcej czasu, wzrostu aksonów i synaptogenezy.

 Kiedy mamy do czynienia nie z uszkodzeniem nerwów obwodowych ale z uszkodzeniem samego mózgu, plastyczność napotyka na dużo większe trudności. Plastyczność naprawcza uszkodzonego mózgu działa w zupełnie innym otoczeniu, w interakcjach z procesami zapalnymi, obrzękiem, zachwianiem funkcji metabolicznych, procesami śmierci neuronów i degeneracją włókien. Uszkodzona np. przez udar tkanka nerwowa wytwarza substancje hamujące wzrost neurytów i wytwarza bliznę glejową. Pomimo tego można zaobserwować zarówno spontaniczne jak i dodatkowo pobudzane rehabilitacją zmiany plastyczne. Badania elektrofizjologiczne i neuroobrazowanie udowodniły, że przemapowania mózgu po udarze mają bardzo szeroki zakres. Pokazano aktywację istniejących, ale słabych połączeń pomiędzy ośrodkami mózgu; hamowanie lub odhamowywanie ośrodków nieuszkodzonej półkuli mózgu i móżdżku; szereg danych wskazuje także na wzrost nowych połączeń w uszkodzonym mózgu [14,15]. Możliwe warianty strategii naprawczej to przejęcie przez nieuszkodzone ośrodki sterowania zaburzoną funkcją mózgu lub wytworzenie nowego ośrodka sterowania tą funkcją w oparciu o pozostałe fragmenty starego.

 Uszkodzony mózg trudno jest naprawić, ale w wielu przypadkach można pomóc. Żeby pomagać skutecznie, terapeuci opierają się na wiedzy o mechanizmach plastyczności mózgu. Neurorehabilitacja, czyli rehabilitacja neurologiczna i neuropsychologiczna obejmuje chorych z uszkodzeniami ośrodkowego układu nerwowego. Powstają one z różnych powodów – urazu, udaru, usunięciu guza w chorobie nowotworowej, chorób neurodegeneracyjnych.

 

 Literatura

1. Jerzy Konorski (1948) Conditioned reflexes and neuron organization, Cambridge University Press.

2. Ramon y Cajal (1928) Degeneration and Regeneration of the Nervous System” London, Oxford University Press.

3. Eriksson PS, Perfilieva E, Bjork-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, and Gage FH (1998) Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nature Medicine; 4(11): 1313-1317.

4. Hebb D (1949) The organization of behaviour: a neuropsychological theory. New York, Wiley

5. Bienenstock E L.; Cooper L, Munro P. (1982). „Theory for the development of neuron selectivity: orientation specificity and binocular interaction in visual cortex”. The Journal of Neuroscience2 (1): 32–48.

6. Abraham WC, Bear MF ( 1996). Metaplasticity: the plasticity of synaptic plasticity.Trends Neurosci.19 (4): 126–30.

7. Bliss T, Lømo T (1973). „Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path”. J Physiol. 232 (2): 331–56.

8. Masao Ito (1989) Long-Term Depression. Annual Review of Neuroscience Vol. 12: 85-102.

9. Turrigiano G, Nelson S.(2004) Homeostatic plasticity in the developing nervous system, Nature Reviews Neuroscience 5:97-107.

10. Frost DO (1982) Anomalous visual connections to somatosensory and auditory systems following brain lesions in early life. Developmental Brain Research, 3:632-655.

11. Amedi A, Raz N, Pianka P, Malach R, Zohary (2003) Early ‚visual’ cortex activation correlates with superior verbal memory performance in the blind. Nat Neurosci. 6(7):758-66

12. Sadato N, Pascual-Leone A, Grafman J, Ibañez V, Deiber MP, Dold G, Hallett M.(1996) Activation of the primary visual cortex by Braille reading in blind subjects. Nature.380(6574):526-8.

13. Merzenich M et al. (1983) Topographic reorganization of somatosensory cortical areas 3b and 1 in adult monkeys following restricted deafferentation. Neuroscience 8:33-55.

14.Jablonka JA, Burnat K, Witte OW, Kossut M. (2010). Remapping of the somatosensory cortex after a photothrombotic stroke: dynamics of the compensatory reorganization. Neuroscience