Нейропластичность головного мозга. 10 принципов формирования нейропластичности

Что такое нейропластичность мозга?

Понятие нейропластичности мозга трактуется как способность изменения структуры и функции мозга в ответ на входящую информацию. При этом имеется два важных аспекта этого определения. Во-первых, мозг действительно может поддаваться изменениям по отношению к его структуре и функции, в отличие от практически любого другого органа тела, такого как сердце или печень. В частности, могут формироваться новые структурно-функциональные единицы нервной системы или создаваться новые пути при наличии различных травм или других экзогенных изменений. Во-вторых, фраза «в ответ на входящую информацию» прямо говорит о том, что мозг действительно не меняется, если вы не изменяете его. Любая знакомая, автоматическая или легкая задача не бросает вызов вашему мозгу, но действия, которые сложны для вашего мозга, вызывают изменения в нейронной сети.

Пластичность мозга

Д-р Дональд Хебб, знаменитый канадский нейропсихолог, заявил: «Нейроны, которые возбуждаются вместе, также объединяются вместе». Это означает, что нейроны, которые общаются друг с другом, входят в одну и ту же нейронную сеть, также хотят продолжать общаться друг с другом и в будущем. Повторная активация может иметь важное значение для воздействия на этот процесс.
Следует отметить, что нейропластичность или просто «пластичность» не являются случайным состоянием в нервной системе, это нормально продолжающееся состояние, которое связано с тем, что мозг изменяется в ответ на изменения в окружающей среде, а не только путем восстановления после травмы. Как отметил невролог д-р Дэвид Перлмуттер, «нейропластичность формирует наш мозг, который может адаптироваться не только к изменениям, нанесенным травмами, но и адаптироваться к любым переживаниям и изменениям, с которыми мы можем столкнуться». Эти изменения структуры мозга происходят как через вход в нейронную систему, так и через её выход. В лечебной практике этот «вход» происходит посредством афферентных связей (от периферии к центральной нервной системе), например, через реабилитационные мероприятия и изучение новых навыков. В свою очередь, «выход» — это результат реакции по пути эфферентных мишеней (от мозга к периферии). «Выходные» или исходящие показатели, помогают клиницистам измерять прогресс, например, насколько быстро и точно пациент способен выполнить ту или иную новую задачу.

Нейрональная активность

Строение нейронаПроцесс нормальной нейронной активности представляет собой связь между нейронами посредством электрических импульсов и нейротрансмиттеров. Чтобы лучше понимать этот процесс, следует разобраться непосредственно, что из себя представляют сами нейроны и из каких структурных единиц они состоят. Нейрон можно разделить на сому, дендриты и аксоны. Сому можно рассматривать как процессор мозговой клетки, поскольку она обрабатывает входящую информацию от других нейронов и определяет, достаточно ли она важная, чтобы передать её в другую ячейку. Дендриты представляют собой древовидные структуры, которые принимают и собирают информацию от других нейронов для доставки в сому, где информация обрабатывается, и, где как уже упоминалось, делается заключение, о важности передачи её дальше. Такая информация передается от нейрона к нейрону через аксоны, которые работают как электропроводка в вашем доме. Кроме того, аксоны изолированы, подобно электрическим проводам, жирной субстанцией, называемой миелиновой оболочкой, которая поддерживает силу электрического импульса, направление его потока и предотвращает его рассеивание.

Аномальное возбуждение нейронов может произойти, когда сигналы между нейронами каким-то образом нарушаются. Такая проблема обычно возникает при наличии «аксональных разрывов» в результате сильной травмы или других факторов, поскольку структура и связь аксона с клеточным телом разрушаются. Это создает повреждение аксонов, поэтому они больше не могут взаимодействовать с нейронами, и соединение теряется, что приводит к тому, что информация «застревает» и она не может быть эффективно передана. Из-за этого, нейрон, который больше не может получать входные данные от потерянных соединений, скорее всего, погибнет, если только он не сможет установить новое соединение с другим нейроном. Клинически симптомы диффузного аксонального повреждения (ДАП) у пациента могут проявляться в виде медленной скорости обработки или, например, требуя увеличения времени, чтобы услышать, что говорится, например, вопрос, обрабатывать этот вопрос, формулировать ответ, а затем озвучивать этот ответ.

Как формируется нейропластичность?

АнгиогенезНейропластичность можно рассматривать как процесс восстановления мостиков связи между отключенными нейронами и реабилитацией, в качестве движущей силы в этом процессе, для обеспечения правильного проводимости в нужное время с нужным количеством интенсивности и созданием этих новых соединений. Внутри мозга это может произойти с помощью четырех основных процессов: ангиогенеза, синаптогенеза, дендритного спраунинга и нейрогенеза. Ангиогенез – это создание новых кровеносных сосудов в структурах мозга. После черепно-мозговой травмы может быть уменьшен приток крови к этим структурам, когда они могут значительно нуждаться в большем количестве кислорода и глюкозы для восстановления. С точки зрения реабилитации было установлено, что один из лучших способов вызвать ангиогенез – это физические упражнения, особенно аэробные упражнения. Синаптогенез – это создание новых синапсов в структурах мозга и, подобно эффекту физических упражнений на ангиогенез, когнитивные упражнения – это то, что необходимо для стимуляции синаптического роста. Когнитивные упражнения также служат движущим фактором и для стимулирования дендритного спраунинга (разветвления), который, как следует из названия, представляет собой рост дендритных отростков, подобных ветвям дерева. Они служат для сбора информации от других нейронов, из которых дополнительные дендриты могут расти с целью сбора еще большего количества информации. Наконец, хотя есть некоторые споры в научных кругах относительно этого — нейрогенез. Предполагается, что существуют области мозга, которые могут продуцировать новые клетки. В общем, более вероятно, что большинство нейропластических процессов восстановления происходит исключительно за счет роста новых связей. Однако недостатком роста новых связей является создание плохо приспособленных связей в мозге, которые наносят ущерб восстановлению, например, в случае эпилептических припадков.Долговременная потенциация
Пластичность мозга может проходить через процессы, которые требуют времени, известные как медленные изменения, или посредством более быстрых, известных как быстрые изменения. Медленные изменения – это анатомические изменения нейронов, включая рост аксонов, дендритный спраунинг и нейрогенез – рост совершенно новых структур, в то время как быстрые изменения – активность, которая происходит на синаптическом уровне. Эти виды быстрых изменений известны как синаптическая модуляция, что на самом деле означает непрерывный процесс укрепления или ослабления существующих синапсов. Этот процесс можно рассматривать так же, как и работу вашего автомобиля, с педалью газа, представляющей возбуждение синапсов и тормозом, представляющим собой торможение синаптических реакций. Таким образом, имеются два способа сделать мозг быстрее: усиление синаптических связей посредством возбуждения (газа) и ингибирование других синаптических соединений (тормоза). Стойкое усиление синаптических связей посредством возбуждения (надавливание на газ) развивает долгосрочную потенциацию ( англ. Long-term potentiation, сокр. LTP) или увеличивает вероятность возникновения такого эффекта, в то время как постоянное ослабление других связей (нажатие тормоза) вызывает долговременную депрессию (англ. Long-term depression, сокр. LTD).

Синаптогенез

СинаптогенезВо время развития человека синапсы постоянно формируются, либо разрушаются в зависимости от того, используются ли специфические нейронные связи. В ранние годы развития у нас действительно больше связей, чем нам нужно, поэтому в зрелом возрасте в нашем мозге со временем происходит процесс «обрезки» или устранения связей, которые не используются. У женщин этот процесс обычно начинается в период полового созревания, тогда как у мужчин это время настает ближе к 20 годам. Однако на протяжении всей нашей жизни после этого периода сокращения нейронных сетей мы продолжаем поддерживать формирование доступных синапсов посредством аксонов и дендритов. Эти процессы требуют больших временных рамок. Кроме того, более длинные связи, вероятно, так и не смогут повторно прорасти в старые нейронные системы, однако это возможно сделать в более юных мозгах с избыточными связями, в которых процесс «обрезки» ещё не наступил.
Реактивный синаптогенез – это процесс, который происходит быстро – в течение 10-15 минут и происходит только во время учебной задачи и не может заложить длительную связь, тогда как, как отмечалось ранее, нейрогенез является очень медленным процессом и требует взращивания совершенно нового нейрона. Но как это можно сделать?

Роль стволовых клеток в формировании нейропластичности

Большинство людей слышали о стволовых клетках и их возможном использовании для взращивания новых частей, структур и тканей в организме, включая рост новых нейронов. Гораздо менее известная информация состоит в том, что в действительности существует два типа стволовых клеток. Плюрипотентные стволовые клетки – это то, с чем большинство людей знакомо. Это типы клеток, которые могут применяться для превращения в практически любой тип клеток в организме. Другие типы стволовых клеток известны как мультипотентные клетки. Стволовые клеткиЭто стволовые клетки, которые могут стать только определенным типом клеток специфической направленности, например, могут стать различными типами клеток крови, такими как моноциты, лимфоциты или нейтрофилы. Но они не могут стать чем-то другим, кроме как одним из типов кровяной клетки. Одна из самых больших проблем, стоящих перед исследователями стволовых клеток, связана с возможностью идентификации и активации правильного типа мультипотентных стволовых клеток для их конкретного использования, включая клетки, которые могут стать конкретными типами клеток головного мозга. Важная вещь, которую мы знаем о стволовых клетках в мозге – это место, где они созданы и дислоцируются. Одна из этих областей известна как субвентрикулярная зона, прилегающая к желудочкам. Другая область производства стволовых клеток находится в обонятельной луковице. Поскольку эта область контролирует обоняние, считается, что в этой области сосредоточено большое количество стволовых клеток, потому что клетки в этой области умирают с более высокой скоростью, чем другие клетки мозга. Это также связано с тем, почему мы теряем остроту запаха по мере взросления, когда эти клетки не воспроизводятся с частотой и объемом как в нашей молодости. Еще одна область производства стволовых клеток находится в субгранулярной зоне / зубчатой извилине гиппокампа. Эта область в значительной степени связана с функциями памяти и, как вы могли предположить, требует частого воспроизводства, поскольку это позволяет запоминать новую информацию.
Поскольку все мы способны создавать собственные стволовые клетки, в будущем мы сможем сами использовать наши собственные стволовые клетки, что фактически исключает текущие политические и религиозные противостояния относительно приобретения и использования стволовых клеток других людей.

Модуляция синаптической нейротрансмиссии

Как обсуждалось ранее, модуляция синаптической активности происходит в виде потенцирования (увеличения синаптической чувствительности) одной клетки, сообщающейся с другой, или ингибирования, снижение синаптической активности между одной клеткой и другой. В спектре потенцирования посттетаническое потенцирование (posttetanic potentiation или PTP) является самым короткоживущим, которое длится всего лишь минуту или две. Краткосрочное потенцирование (Short-term potentiation, STP) длится несколько дольше, чем PTP. В конечном итоге долгосрочное потенцирование (LTP) длится довольно долго и может фактически изменить физическую структуру синаптического соединения.
По другую сторону этих процессов находится долгосрочная депрессия (LTD), являющаяся ингибирующим аналогом долгосрочного потенцирования. Этот процесс также важен, поскольку считается, что в то время как LTP является механизмом, посредством которого создаются воспоминания, LTD предусмотрен, чтобы помочь нам забыть некоторые вещи, которые нам действительно не нужны, чтобы мозг не перегрузился, пытаясь «запомнить все».
Все, что необходимо для создания и хранения краткосрочных воспоминаний, уже находится в синаптическом изобилии: белки, рецепторы, ионные каналы, ферменты и транспортеры, но только на короткое время. Долгосрочные воспоминания зависят от создания и синтеза новых белков или увеличения синтеза уже существующих белков нервной ткани.

Транскраниальная магнитная стимуляция

транскраниальная магнитная стимуляцияСуществуют методы, позволяющие воздействовать на возбудимость или торможение через внешние источники. Одним из таких методов является транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), которая использует магнитное поле для увеличения возбудимости или ингибирования определенного участка в головном мозге. Идея этого заключается в том, что реализуется искусственный способ заставить конкретные нейроны проявлять активность так, как этого хочет терапевт, чтобы в дальнейшем сформировать, таким образом, устойчивые связи и побудить их работать в таком же режиме, но уже самостоятельно.

Виды нейрональной пластичности

Существуют две наиболее характерные формы пластичности, которые наблюдаются в мозге при наличии травмы. Во-первых, это расширение специализированной области, как, например, у человека, перенесшего левый гемипарез после инсульта. Такие пациенты могут вообще игнорировать левую сторону и начать использовать свою правую сторону повсеместно. Это приводит к кортикальной дистрофии области контролирующей левую сторону, расширяя тем самым область для контроля над правой стороной.
Другой процесс пластичности нейронов включает в себя вербовку отдаленной области коры головного мозга в результате травмы или нового обучения. Например, это может произойти в случае лиц, у которых результат травмы привел к слепоте. В этой ситуации затылочная доля, область, которая обрабатывает зрение, больше не получает вход через визуальные пути и фактически, больше не нуждается для этой цели. Но поскольку на первый план выходят другие чувства человека, такие как повышенное осязание, эта деятельность, в определенной степени может быть перенесена в затылочную долю.

Нейрональная реконструкция

С точки зрения лечения, методы увеличения нейропластичности могут включать физические упражнения, которые, как было установлено, увеличивают нейротрофические факторы, что также стимулирует процессы ангиогенеза. Когнитивные упражнения также увеличивают определенный тип роста, называемый нейротрофическим фактором мозга (BDNF), который усиливает синаптогенез. Тогда возникает вопрос: «Что получится, если объединить эти методы?». Например, что, если бы у вас был кто-то, идущий по беговой дорожке при выполнении какой-либо когнитивной активности, чтобы стимулировать нейротрофические факторы на двух фронтах? В одном из исследований действительно было обнаружено, что такая комбинация действий может экспоненциально увеличивать производство нейротрофических факторов.

Депрессия и гиппокампальная пластичность

Известно, что в ответ на стрессовые ситуации, организм человека вырабатывает глюкокортикоиды, которые известны как «гормоны стресса». Эти гормоны могут отрицательно влиять на наши навыки памяти, поскольку они вызывают снижение BDNF, особенно в области гиппокампа — области памяти. Вы когда-нибудь переживали период, когда вы чувствуете себя очень напряженным и просто не можете вспомнить даже некоторые простые вещи, например, где оставили ключи или другие вещи? Возможно, причина всего этого и является в повышении уровня глюкокортикоидов в экстренных ситуациях. Продолжительное высвобождение этих гормонов в течение определенного периода времени может уменьшить синаптическую связь, а в случае людей, страдающих хроническим стрессом, например, люди с посттравматическим стрессовым расстройством (ПТСР), могут возникнуть проблемы с фактическим закладыванием новых воспоминаний. В подобных ситуациях может быть эффективным использование антидепрессантов.
Имеются клинические доказательства о том, что мозг воспроизводит значительное количество трофических факторов, особенно BDNF, сразу же после черепно-мозговой травмы. Однако после определенного периода времени происходит обратный процесс. Поэтому в процессах восстановления очень важный фактор — время. Необходимо как можно раньше вовлечь пациента в физические и когнитивные упражнения, чтобы помочь стимулировать эти трофические факторы для оптимизации восстановления.

Оценка пластичности

Основной вопрос терапевтов и клиницистов связан с пониманием того, как пластичность действительно выглядит на практике. Примеры пластичности могут включать потерю ранее приобретенных поведений, таких как снижение неадаптивного поведения или уменьшение судорог. Другой пример — случай, когда пациент с инсультом увеличивает использование своей пораженной стороны или, как в ситуации, о которой говорилось ранее, человек с потерей зрения. В этом случае вы можете увидеть неполное поглощение сенсорной функции полуадаптированной соседней системой. Наконец, эти изменения могут также проявляться в присутствии новых адаптивных или неадаптивных поведений.

10 принципов формирования нейропластичности мозга

  1. «Используйте или потеряете». Нейроны, не активно участвующие в выполнении какой-то задачи в течение длительного периода времени, со временем начинают деградировать. Пример этого можно увидеть при лечении пациента, которому требуется подача г-образной трубки из-за невозможности кормить перорально. Со временем цепи, ответственные за механизм глотания, могут фактически начать разрушаться из-за отсутствия использования. Впоследствии, когда этот пациент может снова начать глотать, ему может потребоваться дополнительное время и усилия, чтобы восстановить эту функцию.
  2. «Используйте и улучшайте». Обучение, которое управляет определенной функцией мозга, может привести к усилению этой функции. Пример этого можно выделить из предыдущего обсуждения пациента с инсультом, который, возможно, потерял возможность использовать определенную сторону своего тела и может пренебрегать этой стороной и не использовать ее, потому что это просто слишком сложно. В режиме лечения можно использовать метод, известный как принудительная двигательная терапия (ПДТ), при которой подвижную руку фиксируют, чтобы пациент был вынужден максимально использовать пораженную конечность и улучшить её функциональность.
  3. «Значимость специфики». Характер обучения диктует природу пластичности. С точки зрения лечения, специфика подчеркивает важность адаптативной деятельности или упражнений для получения конкретных результатов. Например, как обсуждалось ранее, физические упражнения могут быть использованы для стимулирования роста сосудов, если это ваша цель. Точно так же упражнения и модальности, направленные на тренировку функции глотания, также могут быть связаны с цепями, участвующими в произнесении речи, но не обязательно воспроизводит эту речь.
  4. «Значимость постоянных повторений». Индукция пластичности требует достаточного количества повторений. Одна из проблем для терапевтов в реабилитационной среде часто может быть связана с тем, что специалисты не могут количественно определить, сколько времени или сколько сеансов конкретной терапии требуется пациенту для восстановления определенных навыков. Но они точно знают из практики, что для генерации этих изменений необходимы тысячи и десятки тысяч повторений определенных видов деятельности. Из-за этого может потребоваться использование таких методов, как сочетание терапии, чтобы предоставить пациентам возможности для достаточного повторения навыков. Например, чтобы получить эти «тысячи шагов», которые пациенту может потребоваться, чтобы научиться ходить снова, физиотерапевт может заставить пациента ходить и между другими методами терапии в течение дня.
  5. «Значимость интенсивности». Индукция пластичности требует достаточной интенсивности. Вопрос о правильной интенсивности терапии следует от концепции повторений. Исследования показывают, что чем интенсивнее программа терапии, тем больше вероятность того, что человек достигнет результатов, и, более вероятно, что эти изменения будут сохранены с течением времени.
  6. «Значимость времени». Различные формы пластичности происходят в разные временные промежутки. Этот принцип основан на идее, что после травмы мозг действительно хочет выздороветь, поэтому имеет смысл, что чем раньше вы предоставите ему возможность для восстановления через эти нейропластические изменения, тем лучше. Этот подход особенно важен для поддержки начального лечения, прежде чем разовьется неадаптивное поведение.
  7. «Значимость внедрение пациента в процесс». Обучение должно быть понятным не только для терапевта, но и для пациента. Если терапевт может сделать тренировку или информацию заметной и важной для пациента, они могут более легко запоминать навыки или части информации, которые важны для них обоих.
  8. «Значимость возраста». Как обсуждалось ранее, более молодые мозги более пластичны и адаптированы к изменениям, чем старые мозги, что важно иметь в виду при работе с взрослыми и молодыми пациентами.
  9. «Проецирование в бытовую сферу». В процессе обучения терапевт должен иметь представление о том, как конкретное умение или деятельность можно спроецировать и перенести на конкретные бытовые задачи, позволяющие увеличить независимость пациента в домашней среде.
  10. «Интерференция». Пластичность, сформированная в ответ на один опыт обучения, может препятствовать приобретению других полезных навыков. Пациенты часто приходят к специалисту уже с компенсаторными навыками, выучив другой способ адаптации. Это может не лучшим образом сказаться на приобретении правильного навыка. Таким образом, для приобретения правильного навыка, может потребоваться отказ от некоторых других, ранее приобретенных навыков.
Размещено в Блог, Физиология и биохимия мозга.