Введение
Нейропластичность, также известная как нейронная пластичность или пластичность мозга, – это способность нейронных сетей мозга изменяться посредством роста и реорганизации. Это способность мозга перестраиваться и функционировать иначе, чем прежде. Эти изменения варьируются от формирования новых связей отдельными нейронами до систематических изменений, таких как кортикальная перестройка или нейронные осцилляции. К другим формам нейропластичности относятся адаптация гомологичных областей, кросс-модальное перераспределение, расширение карт и компенсаторный маскинг. Примерами нейропластичности являются изменения в схемах и сетях, возникающие при обучении новым навыкам, получении информации или изменении калорийности питания, однако исследования, проведенные во второй половине XX века, показали, что многие аспекты мозга могут изменяться (или являются "пластичными") даже во взрослом возрасте. Пластичность, зависящая от активности, имеет важное значение для нормального развития, обучения, памяти и восстановления после повреждений мозга.
Neuroplasticity, also known as neural plasticity or brain plasticity, is the ability of neural networks in the brain to change through growth and reorganization. It is when the brain is rewired to function in some way that differs from how it previously functioned. These changes range from individual neuron pathways making new connections, to systematic adjustments like cortical remapping or neural oscillation. Other forms of neuroplasticity include homologous area adaptation, cross modal reassignment, map expansion, and compensatory masquerade. Examples of neuroplasticity include circuit and network changes that result from learning a new ability, information acquisition, caloric intake, but research in the latter half of the 20th century showed that many aspects of the brain can be altered (or are "plastic") even through adulthood. Activity dependent plasticity can have significant implications for healthy development, learning, memory, and recovery from brain damage.
Нейробиология
Существуют различные идеи и теории относительно биологических процессов, обеспечивающих нейропластичность. В основе этого феномена лежат синапсы и изменения связей между ними, зависящие от функционирования нейронов. Общепризнано, что нейропластичность проявляется во множестве форм, поскольку является результатом разнообразных путей. Эти пути, главным образом сигнальные каскады, позволяют изменять экспрессию генов, что приводит к изменениям нейронов и, таким образом, к нейропластичности. Существует ряд других факторов, которые, как считается, играют роль в биологических процессах, лежащих в основе изменения нейронных сетей мозга. К ним относятся регуляция синапсов посредством фосфорилирования, роль воспаления и воспалительных цитокинов, белки, такие как белки Bcl-2 и нейротрофины, а также выработка энергии митохондриями. JT Wall и J Xu исследовали механизмы, лежащие в основе нейропластичности. Реорганизация не возникает исключительно в коре головного мозга, а происходит на каждом уровне иерархии обработки информации, что и обуславливает наблюдаемые изменения карт в коре головного мозга. Соответственно, часто рассматриваются два типа нейропластичности: структурная и функциональная.
Структурная нейропластичность
Структурная пластичность часто понимается как способность мозга изменять свои нейронные связи. Новые нейроны постоянно производятся и интегрируются в центральную нервную систему на протяжении всей жизни благодаря этому типу нейропластичности. В настоящее время исследователи используют различные методы визуализации, основанные на поперечных срезах (например, магнитно-резонансную томографию (МРТ), компьютерную томографию (КТ)), для изучения структурных изменений в мозге человека. Этот тип нейропластичности часто исследует влияние различных внутренних или внешних стимулов на анатомическую реорганизацию мозга. Изменения пропорции серого вещества или силы синаптических связей в мозге рассматриваются как примеры структурной нейропластичности. В настоящее время структурная нейропластичность активно изучается в области нейронауки в современных академических кругах. Переназначение кросс-модели включает в себя получение новых входных сигналов в область мозга, лишенную ее исходного ввода. Функциональная пластичность посредством компенсаторного маскирования реализуется за счет использования различных когнитивных процессов для уже установленной когнитивной задачи. Изменения могут происходить в ответ на предыдущую активность (пластичность, зависящая от активности), для приобретения памяти, или в ответ на дисфункцию или повреждение нейронов (неадаптивная пластичность) для компенсации патологического события. В последнем случае функции из одной части мозга переносятся в другую часть мозга в соответствии с потребностью в восстановлении поведенческих или физиологических процессов. Что касается физиологических форм пластичности, зависящей от активности, то те, которые включают синапсы, называются синаптической пластичностью. Усиление или ослабление синапсов, приводящее к увеличению или уменьшению частоты возбуждения нейронов, называется долговременной потенциацией (LTP) и долговременной депрессией (LTD) соответственно, и они рассматриваются как примеры синаптической пластичности, связанной с памятью. Мозжечок является типичной структурой, сочетающей в себе LTP/LTD и избыточность в схемах, что обеспечивает пластичность в нескольких местах. Недавно стало ясно, что синаптическую пластичность может дополнять другая форма пластичности, зависящая от активности, включающая внутреннюю возбудимость нейронов, которая называется внутренней пластичностью. В отличие от гомеостатической пластичности, она не обязательно поддерживает общую активность нейрона в сети, но способствует кодированию памяти. Кроме того, многие исследования показали функциональную нейропластичность на уровне сетей мозга, где тренировка изменяет силу функциональных связей. Однако недавнее исследование предполагает, что эти наблюдаемые изменения не следует напрямую связывать с нейропластичностью, поскольку они могут быть обусловлены систематической потребностью мозговой сети в реорганизации.
Применение и примеры
Взрослый мозг не полностью "запрограммирован" фиксированными нейронными цепями. Существует множество примеров кортикальной и подкорковой перестройки нейронных цепей в ответ на обучение, а также на повреждения. Имеются убедительные доказательства активной реорганизации синаптических сетей мозга, зависящей от опыта, с участием множества взаимосвязанных структур, включая кору головного мозга. Конкретные детали того, как этот процесс происходит на молекулярном и ультраструктурном уровнях, являются предметом активных исследований в нейронауке. 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 центральна для теорий памяти и обучения, связанных с изменением синаптической структуры и функции под воздействием опыта, что подтверждается исследованиями классического обусловливания на моделях беспозвоночных животных, таких как Aplysia. Существуют данные о том, что нейрогенез (образование новых клеток мозга) происходит в мозге взрослых грызунов, и эти изменения могут сохраняться даже в пожилом возрасте. Доказательства нейрогенеза в основном ограничены гиппокампом и обонятельной луковицей, однако исследования показали, что в этот процесс могут быть вовлечены и другие части мозга, включая мозжечок.
Лечение повреждения мозга
Удивительным следствием нейропластичности является то, что мозговая активность, связанная с определенной функцией, может быть перенесена в другую область мозга; это может происходить как в результате обычного опыта, так и в процессе восстановления после повреждения мозга. Нейропластичность – это основополагающий механизм, который служит научной базой для лечения приобретенных повреждений мозга с использованием целенаправленных, основанных на опыте терапевтических программ в рамках реабилитационных подходов к функциональным последствиям повреждения. Нейропластичность все чаще рассматривается как теория, которая, по крайней мере частично, объясняет улучшение функциональных результатов при физиотерапии после инсульта. Методы реабилитации, эффективность которых подтверждена данными, указывающими на кортикальную реорганизацию как на механизм изменений, включают терапию с ограничением движения, функциональную электростимуляцию, тренировки на беговой дорожке с частичной разгрузкой веса и виртуальную реальность. Роботизированная терапия – это развивающаяся методика, которая также, как предполагается, действует посредством нейропластичности, хотя в настоящее время недостаточно доказательств для определения точных механизмов изменений при ее использовании. Одна группа исследователей разработала метод лечения, включающий повышение уровня инъекций прогестерона у пациентов с повреждением мозга. "Введение прогестерона после травматического повреждения головного мозга (ТПМГ) и инсульта снижает отек, воспаление и гибель нейронов, а также улучшает пространственную память и сенсомоторное восстановление". В клиническом исследовании у группы пациентов с тяжелыми травмами наблюдалось снижение смертности на 60% после трех дней инъекций прогестерона.
Бинокулярное зрение
В течение десятилетий исследователи полагали, что бинокулярное зрение, и особенно стереопсис, необходимо приобретать в раннем детстве, иначе оно никогда не разовьется. Однако в последние годы успешные улучшения у людей с амблиопией, конвергенционной недостаточностью или другими нарушениями стереозрения стали яркими примерами нейропластичности; улучшение бинокулярного зрения и восстановление стереопсиса сейчас активно изучаются в научных и клинических исследованиях.
Фантомные конечности
В феномене ощущения фантомной конечности человек продолжает испытывать боль или ощущение в части тела, которая была ампутирована. Это довольно распространенное явление, встречающееся у 60–80% ампутированных. Объяснение этого феномена основано на концепции нейропластичности, поскольку считается, что кортикальные карты удаленных конечностей вступили во взаимодействие с окружающей их областью в постцентральной извилине. Это приводит к тому, что активность в прилегающих областях коры мозга неверно интерпретируется областью коры, ранее ответственной за ампутированную конечность. Взаимосвязь между ощущением фантомной конечности и нейропластичностью является сложной. В начале 1990-х годов В. С. Рамачандран предположил, что фантомные конечности являются результатом кортикальной перестройки. Однако в 1995 году Герта Флор и ее коллеги показали, что кортикальная перестройка происходит только у пациентов, страдающих фантомной болью. Ее исследования продемонстрировали, что фантомная боль (а не иррадиирующие ощущения) является перцептивным коррелятом кортикальной реорганизации. Это явление иногда называют неадаптивной пластичностью. В 2009 году Лоример Мозли и Питер Брюггер провели эксперимент, в котором попросили пациентов с ампутированными руками использовать визуальные образы, чтобы деформировать свои фантомные конечности в невозможные конфигурации. Четырем из семи испытуемых удалось выполнить невозможные движения фантомной конечностью. Этот эксперимент позволяет предположить, что испытуемые изменили нейронное представление своих фантомных конечностей и сгенерировали двигательные команды, необходимые для выполнения невозможных движений без обратной связи от тела. Авторы заключили: «Фактически, это открытие расширяет наше понимание пластичности мозга, поскольку свидетельствует о том, что глубокие изменения в ментальном представлении тела могут быть вызваны исключительно внутренними мозговыми механизмами – мозг действительно способен к самоизменению».
Хроническая боль
У людей с хронической болью наблюдается продолжительная боль в областях, которые могли быть травмированы в прошлом, но в настоящее время в остальном здоровы. Это явление связано с нейропластичностью, вызванной неадаптивной реорганизацией нервной системы как на периферическом, так и на центральном уровнях. В период повреждения тканей ноцицептивные стимулы и воспаление приводят к усилению ноцицептивного потока от периферии к центральной нервной системе. Длительная ноцицепция из периферии вызывает нейропластический ответ на уровне коры головного мозга, изменяющий ее соматотопическую организацию в отношении болезненной области и индуцирующий центральную сенсибилизацию. Например, у пациентов с комплексным региональным болевым синдромом отмечается уменьшение коркового соматотопического представления руки в контралатеральной области, а также снижение расстояния между представлениями руки и рта. Кроме того, хроническая боль значительно уменьшает объем серого вещества в мозге в целом, и особенно в префронтальной коре и правом таламусе. Однако после лечения эти аномалии в корковой реорганизации и объеме серого вещества, а также соответствующие симптомы, устраняются. Схожие результаты получены при фантомных болевых ощущениях в конечностях, хронической боли в пояснице и синдроме запястного канала.
Медитация
Ряд исследований связал практику медитации с различиями в толщине коры головного мозга или плотности серого вещества. Одно из наиболее известных исследований, продемонстрировавших это, было проведено Сарой Лазар из Гарвардского университета в 2000 году. Ричард Дэвидсон, нейробиолог из Университета Висконсина, руководил экспериментами в сотрудничестве с Далай-ламой, посвященными влиянию медитации на мозг. Его результаты указывают на то, что медитация может приводить к изменениям в физической структуре областей мозга, связанных с вниманием, тревогой, депрессией, страхом, гневом и состраданием, а также с способностью организма к самовосстановлению.
Художественное участие и арт-терапия
Существует значительное количество доказательств того, что вовлечение в искусство в терапевтической среде может вызывать изменения в нейронных связях, а также повышать когнитивную гибкость. В одном исследовании 2013 года ученые обнаружили, что длительное, регулярное художественное обучение (например, игра на музыкальных инструментах, осознанная живопись и т.п.) способно "макроскопически закрепить в нейронной сети систему спонтанной активности, в которой связанные области мозга становятся функционально и топологически модулированными как в универсальном, так и в специфическом контекстах". Проще говоря, мозг, подвергающийся длительному и систематическому художественному обучению, развивает адаптации, облегчающие и повышающие вероятность спонтанного возникновения подобной активности. Некоторые исследователи и ученые предполагают, что вовлечение в искусство существенно изменило человеческий мозг на протяжении всей нашей эволюционной истории. Д.В. Зайдель, адъюнкт-профессор поведенческой нейробиологии и автор VAGA, пишет, что "эволюционная теория связывает символический характер искусства с ключевыми изменениями в мозге Homo sapiens, способствующими развитию языка и иерархической социальной организации".
Фитнес и физические упражнения
Аэробные упражнения увеличивают выработку нейротрофных факторов (соединений, способствующих росту или выживанию нейронов), таких как нейротрофный фактор мозга (BDNF), инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF 1) и сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF). Регулярные аэробные упражнения в течение нескольких месяцев приводят к заметным клинически значимым улучшениям в исполнительных функциях (то есть в "когнитивном контроле" поведения) и увеличению объема серого вещества в различных областях мозга, особенно в тех, которые отвечают за когнитивный контроль. Наибольшее увеличение объема серого вещества в ответ на аэробные упражнения наблюдается в префронтальной коре и гиппокампе. Слуховая кора, обычно предназначенная для обработки слуховой информации у слышащих людей, перенаправляется для выполнения других функций, в частности, зрения и соматосенсорной обработки. Глухие люди демонстрируют повышенное периферическое внимание, улучшенную чувствительность к изменению движения, но не к изменению цвета в зрительных задачах, более эффективный визуальный поиск и более быстрое время реакции на визуальные стимулы по сравнению со слышащими. Изменения в визуальной обработке у глухих часто связаны с перераспределением функций других областей мозга, включая первичную слуховую кору, заднюю теменную ассоциативную кору (PPAC) и переднюю поясную кору (ACC). Обзор Bavelier et al. (2006) суммирует многие аспекты сравнения зрительных способностей глухих и слышащих людей. У врожденно глухих людей области мозга, отвечающие за слуховую обработку, перепрофилируются для обработки соматосенсорной информации. Они обладают более высокой чувствительностью к изменению частоты вибрации выше порога и более выраженной и распространенной активацией слуховой коры при соматосенсорной стимуляции. В связи с наличием чувствительного периода пластичности, существует также чувствительный период для подобной интервенции в течение первых 2–4 лет жизни. Следовательно, у детей с предлингуальной глухотой ранняя кохлеарная имплантация, как правило, позволяет им изучать родной язык и осваивать акустическую коммуникацию.
Слепота
Из-за потери зрения зрительная кора у слепых людей может претерпеть кросс-модальную пластичность, в результате чего другие органы чувств могут приобрести повышенные способности. Либо может произойти обратное: недостаток зрительной стимуляции ослабит развитие других сенсорных систем. Одно исследование показало, что правая задняя часть средней височной извилины и верхняя затылочная извилина демонстрируют большую активацию у слепых людей по сравнению со зрячими во время задачи обнаружения движущегося звука. Ряд исследований подтверждают вторую точку зрения и выявили ослабление способности к оценке звукового расстояния, проприоцептивному воспроизведению, порога визуальной бисекции и определению минимального угла слышимости.
Эхолокация человека
Эхолокация человека — это приобретённая способность людей воспринимать окружающую среду по эху. Некоторые незрячие люди используют эту способность для навигации и детального восприятия окружающего пространства. Исследования, проведённые в 2010 и 2011 годах, выявили активность в вентролатеральной префронтальной коре (VLPFC) и верхней височной извилине.
В раннем детском развитии
Нейропластичность наиболее активна в детстве как часть нормального человеческого развития, и также может рассматриваться как особенно важный механизм для детей в контексте риска и устойчивости. Травма считается серьезным фактором риска, поскольку она негативно влияет на многие области мозга и создает перенапряжение симпатической нервной системы из-за постоянной активации. Таким образом, травма изменяет связи в мозге, в результате чего дети, пережившие травму, могут быть чрезмерно настороженными или чрезмерно возбужденными. Однако детский мозг способен справляться с этими неблагоприятными последствиями благодаря нейропластичности. Нейропластичность проявляется в четырех различных категориях у детей, охватывая широкий спектр нейронных функций. Эти четыре типа включают в себя нарушенную, избыточную, адаптивную и собственно пластичность. Существует множество примеров нейропластичности в процессе человеческого развития. Например, Джастин Кер и Стивен Нельсон исследовали влияние музыкального обучения на нейропластичность и обнаружили, что музыкальное обучение может способствовать структурной пластичности, зависящей от опыта. Это означает, что изменения в мозге происходят на основе уникального для каждого человека опыта. Примерами этого могут служить изучение нескольких языков, занятия спортом, участие в театральных постановках и т.д. Исследование, проведенное Хайдом в 2009 году, показало, что изменения в мозге детей могут наблюдаться уже через 15 месяцев музыкального обучения. Кер и Нельсон предполагают, что такая степень пластичности в мозге детей может "помочь обеспечить форму вмешательства для детей с нарушениями развития и неврологическими заболеваниями".
У животных
За одну жизнь особи животного вида могут испытывать различные изменения в морфологии мозга. Многие из этих различий обусловлены высвобождением гормонов в мозге, другие – результатом эволюционных факторов или стадий развития. Эти морфологические изменения в гиппокампе, связанные с пространственной памятью, наблюдаются не только у птиц, но и у грызунов и земноводных. У европейских скворцов, подвергающихся более длительному воздействию дневного света, снижается иммунореактивность гормона, высвобождающего гонадотропин (GnRH), или его восприятие.
Исследования травматических повреждений головного мозга
Группа Рэнди Нудо обнаружила, что если небольшой инсульт (инфаркт) вызывается блокировкой кровотока в части моторной коры обезьяны, то часть тела, отвечающая за движение, приходит в движение при стимуляции областей, соседних с поврежденной областью мозга. В одном исследовании методы картирования интракортикальной микростимуляции (ICMS) были использованы на девяти здоровых обезьянах. Часть из них перенесла процедуру ишемического инфаркта, а остальные – процедуры ICMS. Обезьяны с ишемическим инфарктом сохраняли больший объем сгибания пальцев при добывании пищи, и через несколько месяцев этот дефицит вернулся к уровню, предшествовавшему операции. Это разработка Дэвида Райта. Это первое лечение за 40 лет, которое демонстрирует значительные результаты в лечении травматических повреждений мозга, не вызывая известных побочных эффектов и будучи недорогим в применении.
Старение
Транскрипционный профиль лобной коры людей в возрасте от 26 до 106 лет выявил группу генов со сниженной экспрессией после 40 лет, и особенно после 70 лет. Однако возрастное повышение уровня реактивных форм кислорода также может приводить к ухудшению этих функций.
Многоязычие
Благотворное влияние многоязычия на поведение и когнитивные способности человека хорошо известно в наши дни. Многочисленные исследования показали, что люди, изучающие более одного языка, демонстрируют лучшие когнитивные функции и большую гибкость мышления, чем люди, владеющие только одним языком. У билингвов отмечаются более длительные периоды концентрации внимания, более развитые навыки организации и анализа, а также лучшее понимание чужих мыслей и намерений (теория разума), чем у монолингвов. Исследователи установили, что положительное влияние многоязычия на когнитивные способности связано с нейропластичностью. В одном из известных исследований нейролингвисты использовали метод морфометрии на основе вокселей (VBM) для визуализации структурной пластичности мозга у здоровых одноязычных и двуязычных людей. Сначала они изучили различия в плотности серого и белого вещества между двумя группами и выявили взаимосвязь между структурой мозга и возрастом, в котором человек начал изучать язык. Результаты показали, что плотность серого вещества в нижней теменной доле у многоязычных людей значительно выше, чем у одноязычных. Исследователи также обнаружили, что у людей, начавших изучать второй язык в раннем возрасте, плотность серого вещества в этой области была выше, чем у тех, кто начал изучать его позже. Нижняя теменная доля – область мозга, тесно связанная с изучением языка, что подтверждается результатами исследования VBM. Недавние исследования также показали, что изучение нескольких языков не только реструктурирует мозг, но и повышает его способность к пластичности. Одно из последних исследований показало, что многоязычие влияет не только на серое, но и на белое вещество мозга. Белое вещество состоит из миелинизированных аксонов, играющих важную роль в обучении и коммуникации. Нейролингвисты использовали метод диффузионно-тензорной визуализации (DTI) для определения интенсивности белого вещества у одноязычных и двуязычных людей. У билингвов, активно использующих оба языка в повседневной жизни, была обнаружена повышенная миелинизация в трактах белого вещества. Необходимость обработки нескольких языков требует более эффективной связи между различными областями мозга, что приводит к увеличению плотности белого вещества у многоязычных людей. Хотя вопрос о том, являются ли эти изменения в мозге результатом генетической предрасположенности или воздействия окружающей среды, остается предметом дискуссий, многочисленные данные свидетельствуют о том, что опыт раннего многоязычия, особенно социальный, оказывает влияние на структурную и функциональную реорганизацию мозга.
Новые методы лечения депрессии
Исторически гипотеза моноаминового дисбаланса при депрессии играла доминирующую роль в психиатрии и разработке лекарственных препаратов. Однако, несмотря на то, что традиционные антидепрессанты быстро повышают уровень норадреналина, серотонина или дофамина, их клинический эффект проявляется с существенной задержкой и часто сопровождается недостаточной эффективностью лечения. По мере развития нейронаучных исследований, клинические и доклинические данные, полученные с использованием различных методов, стали указывать на пути, связанные с нейропластичностью. Была выявлена сильная обратная зависимость между количеством синапсов и тяжестью симптомов депрессии, а также установлено, что традиционные антидепрессанты, помимо своего нейротрансмиттерного эффекта, улучшают нейропластичность, но этот процесс занимает значительно больше времени – недели или месяцы. Поиск антидепрессантов с более быстрым действием привел к успеху в изучении кетамина, известного анестетика, который продемонстрировал выраженный антидепрессантный эффект после однократного введения благодаря своей способности быстро увеличивать количество дендритных шипов и восстанавливать аспекты функциональной связности. Были идентифицированы и другие соединения, стимулирующие нейропластичность и обладающие быстрым и продолжительным терапевтическим эффектом, относящиеся к классам серотонинергических психоделиков, холинергического скополамина и другим новым соединениям. Для разграничения традиционных антидепрессантов, ориентированных на модуляцию моноаминов, и новой категории быстродействующих антидепрессантов, достигающих терапевтического эффекта посредством нейропластичности, был введен термин «психопластоген».