Войти
Зависимая от активности пластичность- это форма функциональной и структурной нейропластичности, которая возникает из использование когнитивных функций и личного опыта; следовательно, это биологическая основа для обучения и формирования новых воспоминаний. Зависимая от активности пластичность - это форма нейропластичности, которая возникает из внутренней или эндогенной активности, в отличие от форм нейропластичности, которые возникают из-за внешних или экзогенных факторов, таких как как электрическая стимуляция мозга или нейропластичность, вызванная лекарственными средствами. Способность мозга к самовосстановлению формирует основу способности мозга сохранять воспоминания, улучшать двигательные функции и, среди прочего, улучшать понимание и речь. Именно эта черта сохранения и формирования воспоминаний связана с нейронной пластичностью и, следовательно, со многими функциями, которые люди выполняют ежедневно. Эта пластичность возникает в результате изменений в экспрессии гена, которые запускаются сигнальными каскадами, которые активируются различными сигнальными молекулами (например, кальций, дофамин и глутамат среди многих других) во время повышенной активности нейронов.
Способность мозга адаптироваться к активным функциям позволяет людям специализироваться на определенных процессах на основе относительного использования и активности. Например, правша может плохо выполнять любое движение левой рукой, но постоянная практика с менее доминирующей рукой может привести к тому, что он станет амбидекстром. Другой пример: если кто-то родился с неврологическим расстройством, таким как аутизм, или имел инсульт, который привел к расстройству, тогда он способен восстановить большую часть утраченная ими функция в процессе практики, которая, в свою очередь, «перестраивает» мозг для смягчения неврологической дисфункции.
Идея нейронной пластичности была впервые предложена в 1890 году Уильямом Джеймсом в Принципах психологии. В первой половине 1900-х годов слово «пластичность» прямо и косвенно отвергалось всей наукой. Многим ученым было трудно получить финансирование, потому что почти все единодушно поддержали тот факт, что мозг был полностью развит в зрелом возрасте и определенные области не могли изменять функции после критического периода. Считалось, что каждая область мозга выполняет набор и конкретную функцию. Несмотря на это, несколько пионеров продвигали идею пластичности посредством различных экспериментов и исследований. Есть и другие, которые помогли нынешнему прогрессу пластичности, зависящей от активности, но следующие уже дали очень эффективные результаты и идеи на раннем этапе.
История зависимой от активности пластичности начинается с Пола Баха и Риты. В соответствии с общепринятой идеологией, согласно которой развитие мозга завершается в зрелом возрасте, Бах-и-Рита в конце 1960-х и 1970-х годах разработали несколько экспериментов, которые доказали, что мозг способен меняться. Они включали в себя основной метод визуальной замены для слепых людей, представленный проекцией тактильного изображения в 1969 году. В основе этого эксперимента было взять одно чувство и использовать его для обнаружения другого: в этом случае используйте осязание на языке, чтобы визуализировать окружающее.. Этот эксперимент на годы опередил свое время и привел к множеству вопросов и применений. Об аналогичном эксперименте снова сообщил Бах-и-Рита в 1986 году, когда вибротактильная стимуляция была доставлена на кончики указательных пальцев наивных субъектов с завязанными глазами. Несмотря на то, что эксперимент не дал больших результатов, он поддержал исследование и предложил дальнейшие исследования. В 1998 году его конструкция была усовершенствована и снова протестирована с помощью 49-точечного набора электротактильных стимулов на языке. Он обнаружил, что пять зрячих взрослых субъектов распознавали формы всех размеров в 79,8% случаев, это замечательное открытие, которое привело к включению электротактильного стимула языка в косметически приемлемые и практичные конструкции для слепых людей. В последующие годы он опубликовал ряд других статей, в том числе «Видение мозгом» в 2003 году, в котором Бах и Рита рассматривает пластичность мозга по сравнению с визуальным обучением. Здесь изображения улучшаются и воспринимаются другими пластическими механизмами в сфере передачи информации в мозг.
Еще одним пионером в области пластичности, зависящей от активности, является Майкл Мерзенич, в настоящее время профессор нейробиологии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Один из его вкладов включает картирование и документирование реорганизации корковых областей после изменений из-за пластичности. Оценивая зарегистрированные изменения в первичной соматосенсорной коре взрослых обезьян, он изучил несколько характеристик данных, включая изменение графиков активности от переназначения кожи до кортикального моделирования и других факторов, влияющих на репрезентативное ремоделирование мозг. Его выводы в рамках этих исследований с тех пор были применены к развитию молодежи и детям с языковыми нарушениями обучения. Благодаря многочисленным исследованиям, включающим адаптивные тренировочные упражнения на компьютере, он успешно разработал методы для улучшения их навыков временной обработки. Эти адаптивные меры включают игры с текстовым редактором и тесты на понимание, в которых задействованы несколько областей мозга для получения ответа. Результаты позже были преобразованы в его разработку программы Fast ForWord в 1996 году, которая направлена на улучшение когнитивных навыков детей между детским садом и двенадцатым классом путем сосредоточения внимания на развитии «фонологической осведомленности». Он оказался очень успешным в помощи детям с различными когнитивными осложнениями. Кроме того, это привело к углубленным исследованиям конкретных осложнений, таких как аутизм и умственная отсталость, а также их причин. Вместе с группой ученых Мерцених помог предоставить доказательства того, что аутизм исследует одноканальное восприятие, где более сильное представление, управляемое стимулами, доминирует над поведением, а более слабые стимулы практически игнорируются при сравнении.
Нейроны являются основной функциональной единицей мозга, обрабатывающей и передающей информацию посредством сигналов. Многие различные типы нейронов могут быть идентифицированы на основе их функции, например сенсорные нейроны или двигательные нейроны. Каждый реагирует на определенные стимулы и посылает соответствующие химические сигналы другим нейронам. Основная структура нейрона показана здесь справа и состоит из ядра, которое содержит генетическую информацию; тело клетки, или сома, которое снабжено дендритными ветвями, которые в основном принимают входящие сигналы от других нейронов; длинный и тонкий аксон, который несет окончания аксона, которые переносят выходную информацию к другим нейронам. Дендриты и аксоны связаны через небольшое соединение, называемое синапсом. Этот компонент нейрона содержит множество химических мессенджеров и белков, которые позволяют передавать информацию. Именно разнообразие белков и влияние сигнала в основном приводят к признаку пластичности.
Зависящая от активности пластичность той или иной формы наблюдалась в большинстве областей мозга. В частности, считается, что реорганизация сенсорных и моторных карт затрагивает множество путей и клеточных структур, связанных с относительной активностью.
Многие молекулы вовлечены в синаптическую пластичность. Примечательно, что рецепторы AMPA и NMDA являются ключевыми молекулами в механизмах долгосрочной и краткосрочной потенциации между нейронами. Рецепторы NMDA могут обнаруживать локальную активность из-за активации и, следовательно, изменять передачу сигналов в постсинаптической клетке. Повышенная активность и координация между пре- и постсинаптическими рецепторами приводит к более постоянным изменениям и, следовательно, к пластичности. Постулат Хебба обращается к этому факту, утверждая, что синаптические терминалы укрепляются коррелированной активностью и, следовательно, дают ростки новых ответвлений. Однако терминалы, которые испытывают ослабленную и минимальную активность, в конечном итоге теряют свою синаптическую связь и ухудшаются.
Основной мишенью всей молекулярной передачи сигналов являются ингибирующие связи, создаваемые ГАМКергическими нейронами. Эти рецепторы существуют в постсинаптических сайтах и, как было обнаружено, наряду с регуляцией локальных тормозных синапсов очень чувствительны к изменениям критического периода. Любое изменение рецепторов приводит к изменению концентрации кальция в пораженных клетках и в конечном итоге может влиять на ветвление дендритов и аксонов. Это изменение концентрации является результатом активации многих киназ, побочный продукт которой может усиливать экспрессию определенного гена.
Иллюстрация элементов, включенных в синаптическую передачу. Генерируется потенциал действия, который перемещается вниз по аксону к концу аксона, где он высвобождается и провоцирует выброс нейромедиатора, который действует на постсинаптическом конце.Кроме того, было установлено, что постсинаптический путь wg, который отвечает за кодирование и производство многих молекул для событий развития, может стимулироваться двунаправленно и отвечает за последующие изменения постсинаптического нейрона. Однако, когда пресинаптический путь wg активируется, он изменяет структуру цитоскелета посредством транскрипции и трансляции.
Молекулы клеточной адгезии (CAM) также важны для пластичности, поскольку они помогают координировать передачу сигналов через синапс. Более конкретно, интегрины, которые являются рецепторами белков внеклеточного матрикса и участвуют в CAMs, явно включены в созревание синапсов и формирование памяти. Они играют решающую роль в регулировании обратной связи возбуждающей синаптической силы или долгосрочной потенциации (LTP) и помогают контролировать синаптическую силу, регулируя AMPA рецепторы, что приводит к быстрой , короткие синаптические токи. Но было обнаружено, что именно метаботропный рецептор глутамата 1 (mGlu1) необходим для зависимой от активности синаптической пластичности в ассоциативном обучении.
Зависимая от активности пластичность наблюдается в первичной зрительной коре, область мозга, которая обрабатывает визуальные стимулы и способна изменять воспринимаемые стимулы на основе активных ощущений и состояний возбуждения. Известно, что синаптическая коммуникация имеет тенденцию между возбужденным и депрессивным состояниями относительно цикла свет / темнота. Экспериментируя на крысах, было обнаружено, что визуальный опыт во время бдительных состояний приводит к повышенной отзывчивости и пластическим изменениям зрительной коры. Более того, было обнаружено, что депрессивные состояния негативно изменяют раздражитель, поэтому реакция не была такой энергичной. Этот эксперимент доказывает, что даже зрительная кора головного мозга способна достичь пластичности, зависящей от активности, поскольку она зависит как от визуального исследования, так и от состояния возбуждения животного.
Зависимая от активности пластичность играет очень важную роль в обучении и в способности понимать новое. Он отвечает за помощь в адаптации мозга человека в соответствии с относительной интенсивностью использования и функционирования. По сути, это способность мозга сохранять и развивать воспоминания, основанные на изменениях синаптической силы, обусловленных активностью, которые позволяют лучше усваивать информацию. Считается, что это растущее и адаптирующееся качество дендритных шипов, которые обеспечивают основу синаптической пластичности, связанной с обучением и памятью. Дендритные шипы достигают этого, преобразуя синаптический вход в выходной сигнал нейрона, а также помогая определить отношения между синапсами.
В недавних исследованиях был идентифицирован конкретный ген, играющий важную роль в росте синапсов и зависимой от активности пластичности: ген микроРНК 132 (miR132). Этот ген регулируется белковым путем связывания элемента ответа цАМФ (CREB) и при активации способен усиливать рост дендритов. Ген miR132 - еще один компонент, который отвечает за пластичность мозга и помогает устанавливать более прочные связи между нейронами.
Другой ген, связанный с пластичностью, участвующий в обучении и памяти, - это Arc / Arg3.1. Активность гена Arc регулируется, и транскрибируемая мРНК локализована в активированных синаптических сайтах, где транслируемый белок играет роль в транспортировке рецептора AMPA. Arc является членом класса белков, называемых немедленными ранними генами (IEG), которые быстро транскрибируются в ответ на синаптический ввод. Из 30-40 генов, составляющих общий ответ нейронального ИЭГ, все являются прототипными генами, зависящими от активности, и некоторые участвуют в обучении и памяти. Например, zif268, Arc, бета-активин, tPA, Homer и COX-2 все участвовали в долгосрочное потенцирование (ДП), клеточный коррелят обучения и памяти.
Есть множество механизмов, участвующих в зависимой от активности пластичности. К ним относятся LTP, долгосрочная депрессия (LTD), синаптическая элиминация, нейрогенез и синаптогенез. Механизмы зависимой от активности пластичности приводят к деполяризации мембраны и притоку кальция, что, в свою очередь, запускает клеточные изменения, влияющие на синаптические связи и транскрипцию гена . По сути, нейронная активность регулирует экспрессию гена, связанную с ветвлением дендритов и развитием синапсов. Мутации в зависимых от активности генах, связанных с транскрипцией, могут приводить к неврологическим расстройствам. Результаты каждого исследования направлены на то, чтобы помочь правильному развитию мозга, улучшая при этом широкий спектр задач, таких как речь, движение, понимание и память. Более того, результаты лучше объясняют развитие, вызванное пластичностью.
Известно, что в послеродовой период критическим этапом развития нервной системы является устранение синапсов. Изменения в синаптических связях и силе являются результатом LTP и LTD и сильно регулируются высвобождением нейротрофического фактора мозга (BDNF), зависимого от активности белка развития синапсов. Помимо BDNF, рецепторы Nogo-66, а точнее NgR1, также участвуют в развитии и регуляции структуры нейронов. Повреждение этого рецептора приводит к бессмысленному LTP и ослаблению LTD. Обе ситуации подразумевают, что NgR1 является регулятором синаптической пластичности. В ходе экспериментов было обнаружено, что стимуляция, вызывающая LTD, приводит к снижению синаптической силы и потере связей, но в сочетании с низкочастотной стимуляцией помогает перестройке синаптических контактов. Последствия этого открытия включают помощь людям с повреждением рецепторов и понимание механизма, лежащего в основе LTP.
Другая модель исследования пластичности, зависящей от активности, включает возбуждающий кортикостриатальный путь, который участвует в обработке информации, связанной с адаптивным двигательным поведением, и отображает длительные синаптические изменения. Изменение синаптической силы отвечает за моторное обучение и зависит от одновременной активации глутаматергических кортикостриатных и дофаминергических нигростриатных путей. Это те же самые пути, которые затрагиваются при болезни Паркинсона, и дегенерация синапсов при этом расстройстве может быть причиной потери некоторых когнитивных способностей.
Поскольку пластичность является фундаментальным свойством функции мозга из-за ее участия в развитии мозга, восстановлении мозга и когнитивных процессах, ее правильное регулирование необходимо для нормальной физиологии. Было обнаружено, что мутации в любом из генов, связанных с зависимой от активности пластичностью, положительно коррелируют с различными степенями умственной отсталости. Два типа умственной отсталости, связанные с пластичностью, зависят от дисфункционального нейронального развития или изменений молекулярных механизмов, участвующих в синаптической организации. Осложнения любого из этих типов могут значительно снизить способность мозга и понимание.
С другой стороны, люди с такими состояниями могут восстановить некоторую степень утраченных способностей через постоянные трудности. и использовать. Пример этого можно увидеть в произведении Нормана Дойджа «Мозг, который меняется сам». Отец Баха-и-Риты перенес инвалидизирующий инсульт, в результате которого 65-летний мужчина был наполовину парализован и не мог говорить. После года ползания и необычных терапевтических тактик, включая простые детские игры и мытье кастрюль, реабилитация его отца была почти завершена, и он вернулся к своей роли профессора в Городском колледже в Нью-Йорке. Это замечательное восстановление после инсульта доказывает, что даже человек с ненормальным поведением и серьезными медицинскими осложнениями может восстановить почти все нормальные функции благодаря большой практике и настойчивости.
Недавние исследования показали, что конкретный ген, FMR1, в значительной степени участвует в зависимой от активности пластичности, а синдром ломкой Х-хромосомы (FraX) является результатом потери функции этого гена. FMR1 продуцирует FMRP, который обеспечивает зависимый от активности контроль синаптической структуры. Утрата или отсутствие этого гена почти наверняка приводит как к аутизму, так и к умственной отсталости. Доктор Гатто обнаружил, что раннее внедрение продукта FMRP приводит к почти полной реструктуризации синапсов. Однако этот метод не так эффективен при введении взрослому пациенту и лишь частично компенсирует потери FMR1. Открытие этого гена обеспечивает возможное место для вмешательства для маленьких детей с этими аномалиями, поскольку этот ген и его продукт действуют рано, чтобы построить синаптическую архитектуру.
Распространенной проблемой среди большинства людей в Соединенных Штатах является высокий уровень стресса, а также расстройства, связанные с постоянным стрессом. Многие области мозга очень чувствительны к стрессу и могут быть повреждены при длительном воздействии. Что еще более важно, многие механизмы, участвующие в увеличении сохранения памяти, понимания и адаптации, как полагают, включают LTP и LTD, два зависимых от активности механизма пластичности, которые стресс может напрямую подавлять. Было проведено несколько экспериментов для выявления конкретных механизмов этого подавления, а также возможных методов вмешательства. Доктор Ли и несколько других фактически определили канал TRPV1 как цель для облегчения LTP и подавления LTD, таким образом помогая защитить свойство синаптической пластичности и сохранения памяти от воздействия стресса.
Будущие исследования и вопросы по пластичности, зависящей от активности, почти бесконечны, потому что выводы, сделанные на основе результатов, позволят использовать многие виды лечения. Несмотря на многие достижения в этой области, существует широкий спектр расстройств, которые поможет вылечить и, возможно, излечить более глубокое понимание зависимых от активности механизмов пластичности. К ним относятся аутизм, умственная отсталость различной степени тяжести, шизофрения, болезнь Паркинсона, стресс и инсульт. В дополнение к лучшему пониманию различных заболеваний неврологи должны и будут изучать пластичность, присущую иммунной системе, поскольку это позволит лучше понять болезни, а также заложит основу для новых иммуноцентрированных терапевтических средств.. Лучшее понимание клеточных механизмов, регулирующих морфологию нейронов, - это следующий шаг к открытию новых методов лечения патологических состояний обучения и памяти.
