Нейропластичность клеток мозга: типы, адаптация

Нейропластичность — способность нейронов и нейронных связей в мозге изменять своё поведение в ответ на новую информацию, сенсорную стимуляцию, развитие, повреждение или дисфункцию.

Хотя нейронные связи также демонстрируют модульность и выполняют определенные функции, они сохраняют способность отклоняться от своих обычных функций и реорганизовывать себя. Фактически, в течение многих лет считалось догмой в нейронауке, что определенные функции жестко закреплены в локализованных областях мозга и что любые случаи изменения или восстановления мозга были просто исключениями из этого правила.

Однако с 1970-х и 80-х годов нейропластичность получила широкое признание в научном сообществе как сложное, многогранное, фундаментальное свойство мозга. (Подробнее об анатомии и функциях мозга и нервной системы читайте в статье о нервной системе человека.)

Когда возникает нейропластичность?

Быстрые изменения или реорганизация клеточных или нейронных связей мозга могут происходить во многих различных формах и при многих различных обстоятельствах. Пластичность нейронов возникает, когда нейроны в молодом мозге быстро прорастают и образуют синапсы. Затем, когда мозг начинает обрабатывать сенсорную информацию, некоторые из этих синапсов усиливаются, а другие ослабевают.

В конце концов, некоторые неиспользованные синапсы полностью удаляются, процесс, известный как синаптическая обрезка, который оставляет эффективные сети нейронных связей. Другие формы нейропластичности действуют по тому же механизму, но при других обстоятельствах, а иногда и в ограниченной степени. Эти обстоятельства включают изменения в организме, такие как потеря конечности или органа чувств, которые впоследствии изменяют баланс сенсорной активности получаемой мозгом.

Кроме того, нейропластичность используется мозгом во время усиления сенсорной информации посредством опыта, такого как обучение и память, и после фактического физического повреждения мозга (например, вызванного ударом), когда мозг пытается компенсировать потерянную активность.

Во всех этих ситуациях действуют одни и те же механизмы мозга — изменения в силе или количестве синапсов между нейронами. Иногда это происходит естественным образом, что может привести к положительной или отрицательной реорганизации, но в других случаях поведенческие методы могут использоваться для использования силы нейропластичности в терапевтических целях.

Типы кортикальной нейропластичности

Пластичность нейронов наиболее сильно проявляется в первые несколько лет жизни, поскольку нейроны очень быстро растут и отсылают множество ветвей, в конечном итоге образуя слишком много связей. Фактически, при рождении каждый нейрон в коре имеет около 2500 синапсов. К тому времени, когда ребенку исполняется два или три года, количество синапсов составляет приблизительно 15 000 на нейрон. Эта сумма примерно вдвое больше, чем у взрослого мозга.

Изображение синапсСвязи, которые не подкрепляются сенсорной стимуляцией ослабевают, а усиленные связи становятся сильнее. На протяжении всей жизни человека или другого млекопитающего эти нервные связи настраиваются посредством взаимодействия организма с окружающей средой.

В раннем детстве, которое известно как критический период развития, нервная система должна получать определенные сенсорные сигналы для правильного развития. Как только такой критический период заканчивается, происходит резкое падение числа поддерживаемых связей, и те, которые остаются, являются теми, которые были усилены соответствующими сенсорными переживаниями. Эта массивная «обрезка» избыточных синапсов часто происходит в подростковом возрасте.

Американский нейробиолог Джордан Графман выявил четыре других типа нейропластичности, известных как адаптация гомологичной области, компенсаторный маскарад, кросс-модальное переназначение и расширение карты.

Адаптация гомологичной области

Адаптация гомологичной области происходит в ранний критический период развития. Если определенная часть мозга повреждается в раннем возрасте, её функции способны перейти в другую часть мозга.

Функция часто смещается в часть совпадающей или гомологичной области противоположного полушария мозга. Недостатком этой формы нейропластичности является то, что она может дорого обойтись функциям, которые обычно хранятся в части, но теперь должны освободить место для новых функций.

Примером этого является случай, когда правая теменная доля (теменная доля образует среднюю область полушарий головного мозга) повреждается в раннем возрасте, а левая теменная доля принимает на себя зрительно-пространственные функции за счет нарушения арифметических функций, которыми обладает левая теменная доля.

Время также является фактором в этом процессе, так как ребенок учится ориентироваться в физическом пространстве, прежде чем он или она изучает арифметику.

Компенсационный маскарад

Второй тип нейропластичности, компенсаторный маскарад, может быть просто описан как мозг, разрабатывающий альтернативную стратегию для выполнения задачи, когда первоначальная стратегия не может быть выполнена из-за нарушения. Один пример — когда человек пытается перейти из одного места в другое.

Большинство людей в большей или меньшей степени имеют интуитивное чувство направления и расстояния, которое они используют для навигации. Тем не менее, человек, который страдает от какой-либо формы травмы головного мозга и нарушения пространственного чувства, прибегнет к другой стратегии пространственной навигации, такой как запоминание ориентиров. Единственное изменение, которое происходит в мозге — это реорганизация уже существующих нейронных сетей.

Кросс-модальная переназначение

Третья форма нейропластичности, кросс-модальное переназначение, влечет за собой введение новых входов в область мозга, лишенную его основных входов. Классическим примером этого является способность взрослого, слепого с рождения, иметь сенсорный или соматосенсорный ввод, перенаправленный на зрительную кору в затылочной доле (область головного мозга, расположенная в задней части головы) головного мозга.

Зрячие люди, однако, не показывают никакой активности, когда представлены с подобными сенсорными экспериментами. Это происходит потому, что нейроны общаются друг с другом на одном и том же абстрактном «языке» электрохимических импульсов независимо от сенсорной модальности.

Более того, все сенсорные коры головного мозга — зрительные, слуховые, обонятельные (обоняние), вкусовые (вкус) и соматосенсорные — имеют сходную шестислойную процессинговую структуру. Из-за этого слепые люди все еще могут выполнять когнитивные функции создания представлений о физическом мире, но основывать эти представления на вводе из другого смысла, а именно, касания. Это не просто случай одной области мозга, компенсирующей недостаток зрения. Это изменение фактического функционального назначения локальной области мозга.

Расширение карты

Расширение карты, четвертый тип нейропластичности, влечет за собой гибкость локальных областей мозга, которые предназначены для выполнения одного типа функции или хранения определенной формы информации.

Изображение Расширение картыРасположение этих локальных областей в коре головного мозга называется «картой». Когда одна функция выполняется достаточно часто посредством повторяющегося поведения или стимула, область карты коры головного мозга, предназначенная для этой функции, растет и сжимается как индивидуум. Это явление обычно имеет место во время обучения и практического применения навыка, такого как игра на музыкальном инструменте.

В частности, область растет по мере того, как человек приобретает неявное знание навыка, а затем сжимается до базового уровня, когда обучение становится явным. (Неявное обучение — это пассивное приобретение знаний посредством воздействия на информацию, в то время как явное обучение — это активное приобретение знаний, полученных путем сознательного поиска информации.) Но поскольку человек продолжает развивать навык поверх повторяющейся практики, область сохраняет первоначальное расширение.

Нейропластичность расширения карты также наблюдалась в связи с болью в феномене синдрома фантомных конечностей. Связь между корковой реорганизацией и фантомной болью в конечностях была обнаружена в 1990-х годах у пациентов с ампутированными конечностями. Более поздние исследования показали, что у людей с ампутированными конечностями, которые испытывают фантомную боль, карта мозга рта смещается, чтобы охватить смежную область карт руки и мозга. У некоторых пациентов изменения коры могут быть обращены с помощью периферической анестезии.

Интерфейс мозг-компьютер

Некоторые из самых ранних прикладных исследований в области нейропластичности были проведены в 1960-х годах, когда ученые попытались разработать машины, которые взаимодействуют с мозгом, чтобы помочь слепым людям.

В 1969 году американский нейробиолог Пол Бахи-Рита и несколько его коллег опубликовали небольшую статью под названием «Замена зрения с помощью тактильной проекции изображения», в которой подробно описывается работа такой машины.

Изображение Интерфейс мозг-компьютерМашина состояла из металлической пластины с 400 вибростимуляторами. Пластина была прикреплена к спинке стула, чтобы датчики могли касаться кожи спины пациента. Камера была помещена перед пациентом и подключена к вибраторам. Камера получала изображения комнаты и переводила их в шаблоны вибрации, которые представляли физическое пространство комнаты и предметы внутри нее.

После того, как пациенты немного познакомились с устройством, их мозг смог построить ментальные представления о физических пространствах и физических объектах. Таким образом, вместо видимого света, стимулирующего их сетчатки и создающего мысленное представление о мире, вибрирующие стимуляторы стимулируют кожу на спине, создавая представление в их зрительных кортикальных слоях.

Подобное устройство существует сегодня, только камера помещается в очки, а сенсорная поверхность — на язык. Мозг может сделать это, потому что он «говорит» на одном и том же нейронном «языке» электрохимических сигналов независимо от того, какие виды внешних раздражителей взаимодействуют с органами чувств организма.

Замена органов чувств

Сегодня нейробиологи разрабатывают машины, которые обходят внешние органы чувств и фактически взаимодействуют непосредственно с мозгом.

Например, исследователи имплантировали устройство, которое контролировало активность нейронов в головном мозге самки макаки. Обезьяна использовала джойстик для перемещения курсора по экрану, и компьютер контролировал и сравнивал движение курсора с активностью в мозге обезьяны. Как только компьютер эффективно сопоставил сигналы мозга обезьяны по скорости и направлению с фактическим движением курсора, компьютер смог преобразовать эти сигналы движения из мозга обезьяны в движение руки робота в другой комнате.

Таким образом, обезьяна стала способной двигать рукой робота своими мыслями. Однако основной вывод этого эксперимента состоял в том, что, когда обезьяна научилась перемещать курсор своими мыслями, сигналы в моторной коре обезьяны (область коры головного мозга, участвующая в управлении мышечными движениями) стали менее репрезентативными для движений. фактических конечностей обезьяны и более репрезентативных движений курсора.

Это означает, что моторная кора не контролирует детали движения конечности напрямую, а контролирует абстрактные параметры движения, независимо от подключенного аппарата, который фактически движется. Это также наблюдалось у людей, чьими моторными кортикальными слоями можно легко манипулировать для включения инструмента или протеза в изображение тела мозга с помощью как соматосенсорных, так и зрительных стимулов.

Переучить свой мозг

Для людей, однако, менее инвазивные формы интерфейсов мозг-компьютер более благоприятны для клинического применения. Например, исследователи продемонстрировали, что визуальная обратная связь в режиме реального времени от функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) может позволить пациентам переучить свой мозг и следовательно, улучшить функционирование мозга.

Изображение головной мозгПациентов с эмоциональными расстройствами обучали саморегуляции области мозга, известной как миндалина (расположенной глубоко в полушариях головного мозга и, как полагают, влияющей на мотивационное поведение), путем мониторинга активности миндалины.

Жертвы инсульта смогли восстановить утраченные функции с помощью самоиндуцированной умственной практики и мысленных образов. Этот вид терапии использует преимущества нейропластичности для того, чтобы реактивировать поврежденные участки мозга или деактивировать сверхактивные.

Сегодня исследователи изучают эффективность этих форм терапии для людей, которые страдают не только от инсульта и эмоциональных расстройств, но также от хронической боли, психопатии и социальной фобии.

Жмите кнопку «Поделиться» в соцсетях, чтобы не потерять информацию

Комментарии
Загрузка...

Здравствуйте! Мы используем куки для наилучшего представления нашего сайта. Вы видите это сообщение во исполнение нами Федерального закона от 27.07.2006 N 152-ФЗ "О персональных данных". Закрыть Читать далее