Brain Plasticity and Behavior

2 września, 2021admin

Bryan Kolb,1 Robbin Gibb, and Terry Robinson

Canadian Centre for Behavioural Neuroscience,University of Lethbridge, Lethbridge, Alberta, Canada (B.K, RG.), andDepartment of Psychology, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan (T.R.)

Abstrakt

Aczkolwiek mózg był kiedyś postrzegany jako raczej statyczny organ, obecnie jest jasne, że organizacja obwodów mózgowych ulega ciągłym zmianom w funkcji doświadczenia. Zmiany te określa się mianem plastyczności mózgu i są one związane ze zmianami funkcjonalnymi, które obejmują takie zjawiska, jak pamięć, uzależnienie i odzyskiwanie funkcji. Ostatnie badania wykazały, że plastyczność mózgu i zachowanie może być pod wpływem niezliczonych czynników, w tym zarówno pre- i postnatalnych doświadczeń, leków, hormonów, dojrzewania, starzenia się, diety, choroby i stresu. Zrozumienie, jak te czynniki wpływają na organizację i funkcjonowanie mózgu, jest ważne nie tylko dla zrozumienia normalnego i nieprawidłowego zachowania, ale także dla projektowania terapii zaburzeń behawioralnych i psychologicznych, od uzależnień po udary.

Słowa kluczowe

uzależnienie; powrót do zdrowia; doświadczenie;plastyczność mózgu

Jedno z najbardziej intrygujących pytań w behawioralnych neurobiologiach dotyczy sposobu, w jaki układ nerwowy może modyfikować swoją organizację i ostatecznie swoją funkcję w ciągu całego życia jednostki, właściwości, które często określa się mianem plastyczności. Zdolność do zmian jest podstawową cechą systemów nerwowych i można ją zaobserwować nawet w najprostszych organizmach, takich jak maleńki robak C. elegans, którego system nerwowy ma tylko 302 komórki. Gdy układ nerwowy zmienia się, tam jest często correlated zmiana wbehavior lub psychologicznej funkcji. Ta behawioralna zmiana jest znana pod nazwami takimi jak uczenie się, pamięć, uzależnienie, dojrzewanie i powrót do zdrowia. Tak, forexample, gdy ludzie uczą się nowych umiejętności motorycznych, takich jak w grze na instrumencie muzycznym, tam są plastyczne zmiany w strukturze komórek w nervoussystem, który leży u podstaw umiejętności motorycznych. Jeżeli plastyczne zmiany są jakośprevented od zdarzać się, motoryczny uczenie się no zdarza się. Chociaż psychologowie zakładali, że system nerwowy jest szczególnie wrażliwy na doświadczenia w trakcie rozwoju, dopiero niedawno zaczęli doceniać potencjał plastycznych zmian w dorosłym mózgu. Zrozumienie plastyczności mózgu jest oczywiście bardzo interesujące zarówno dlatego, że zapewnia okno do zrozumienia rozwoju mózgu i zachowania, jak i dlatego, że umożliwia wgląd w przyczyny normalnego i nienormalnego zachowania.

NATURA PLASTYCZNOŚCI MÓZGU

Podstawowym założeniem badań nad plastycznością mózgu i zachowania jest to, że jeśli zachowanie się zmienia, to musi nastąpić jakaś zmiana w organizacji lub właściwościach obwodów neuronalnych, które to zachowanie wytwarzają. Odwrotnie, jeśli sieci neuronowe są zmieniane przez doświadczenie, musi być jakaś odpowiadająca zmiana w funkcjach pośredniczonych przez te sieci. Dla badacza zainteresowanego zrozumieniem czynników, które mogą zmienić obwody mózgowe, a ostatecznie zachowanie, głównym wyzwaniem jest znalezienie i ilościowe określenie tych zmian. W zasadzie, plastyczne zmiany w obwodach neuronalnych mogą odzwierciedlać albo modyfikacje istniejących obwodów, albo tworzenie nowych obwodów. Ale jak badacze mogą zmierzyć zmiany w obwodach neuronalnych? Ponieważ sieci neuronalne składają się z pojedynczych neuronów, z których każdy łączy się z pewnym podzbiorem innych neuronów, tworząc wzajemnie połączone sieci, logicznym miejscem poszukiwania zmian plastycznych są połączenia między neuronami, czyli synapsy. Jednak ustalenie, czy synapsy zostały dodane lub utracone w danym regionie, jest trudnym zadaniem, biorąc pod uwagę, że ludzki mózg ma około 100 miliardów neuronów, a każdy neuron wykonuje średnio kilka tysięcy synaps. Skanowanie mózgu w poszukiwaniu zmienionych synaps jest oczywiście niepraktyczne, dlatego należy zidentyfikować niewielki podzbiór i poddać go szczegółowym badaniom. Ale które synapsy powinny być badane? Biorąc pod uwagę, że neuronaukowcy mają całkiem dobre pojęcie o tym, jakie regiony mózgu są zaangażowane w poszczególne zachowania, mogą zawęzić swoje poszukiwania do prawdopodobnych obszarów, ale nadal pozostają z niezwykle złożonym systemem do zbadania. Istnieje jednak pewna procedura, która ułatwia to zadanie.

Pod koniec XIX wieku Camillo Golgi wynalazł technikę barwienia przypadkowego podzbioru neuronów (1-5%), dzięki czemu można uwidocznić ciała komórek i drzewa dendrytyczne poszczególnych komórek (ryc. 1). Dendryty komórki funkcjonują jako rusztowanie dla synaps, podobnie jak gałęzie drzewa zapewniają miejsce wzrostu liści i wystawiają je na działanie promieni słonecznych. Użyteczność techniki Golgiego można zrozumieć, posługując się tą arborealną metaforą. Istnieje wiele sposobów na oszacowanie liczby liści na drzewie bez konieczności liczenia każdego z nich. Można więc zmierzyć całkowitą długość gałęzi drzewa, a także gęstość liści na reprezentatywnej gałęzi. Następnie, poprzez proste pomnożenie długości gałęzi przez gęstość liści, można oszacować całkowite ulistnienie. Podobna procedura jest używana do oszacowania liczby synaps. Około 95% synaps komórki znajduje się na jej dendrytach (gałęziach neuronu). Co więcej, istnieje mniej więcej liniowy związek między przestrzenią dostępną dla synaps (powierzchnia dendrytów) a liczbą synaps, więc badacze mogą przypuszczać, że wzrost lub spadek powierzchni dendrytów odzwierciedla zmiany w organizacji synaptycznej.

FAKTY WPŁYWAJĄCE NA PLASTYCZNOŚĆ MÓZGU

Przy użyciu procedur barwienia Golgiego, różni badacze wykazali, że trzymanie zwierząt w złożonych i prostych środowiskach powoduje rozległe różnice w liczbie synaps w określonych regionach mózgu. Ogólnie rzecz biorąc, takie eksperymenty pokazują, że poszczególne doświadczenia upiększają obwody, podczas gdy brak tych doświadczeń nie powoduje tego (np. Greenough & Chang, 1989). Do niedawna wpływ tych eksperymentów neuropsychologicznych był zaskakująco ograniczony, częściowo dlatego, że zabiegi środowiskowe były postrzegane jako ekstremalne, a więc nie charakterystyczne dla zdarzeń doświadczanych przez normalny mózg. Stało się jednak jasne, że nie tylko organizacja synaptyczna jest zmieniana przez doświadczenie, ale także, że zakres czynników, które mogą to robić, jest znacznie szerszy, niż ktokolwiek przypuszczał. Factors that are now known to affect neuronal structureand behavior include the following:

§ experience (both pre- andpostnatal)

§ psychoactive drugs (e.g.,amphetamine, morphine)

§ gonadal hormones (e.g.,estrogen, testosterone)

§ anti-inflammatory agents(e.g., COX-2 inhibitors)

§ growth factors (e.g., nervegrowth factor)

§ dietary factors (e.g.,vitamin and mineral supplements)

§ genetic factors (e.g., straindifferences, genetically modified mice)

§ disease (e.g., Parkinson’sdisease, schizophrenia, epilepsy, stroke)

stress
brain injury and disease

We discuss two examples toillustrate.

Wczesne doświadczenia

Powszechnie zakłada się, że doświadczenia we wczesnym okresie życia mają inny wpływ na zachowanie niż podobne doświadczenia w późniejszym okresie życia. Przyczyna tej różnicy jest jednak niezrozumiała. Aby zbadać tę kwestię, umieściliśmy zwierzęta w niekompletnych środowiskach, albo jako młode, w dorosłości, lub w okresie starości (Kolb, Gibb, & Gorny, 2003). Spodziewaliśmy się, że będą ilościowe różnice w efektach doświadczenia na organizację synaptyczną, ale ku naszemu zaskoczeniu, znaleźliśmy również różnice jakościowe. Tak więc, podobnie jak wielu badaczy przed nami, stwierdziliśmy, że długość dendrytów i gęstość synaps były zwiększone w neuronach w motorycznych i sensorycznych regionach kory u dorosłych i starszych zwierząt trzymanych w złożonym środowisku (w stosunku do standardowej klatki laboratoryjnej). W przeciwieństwie do tego, zwierzęta umieszczone w tym samym środowisku jako młode wykazywały wzrost długości dendrytów, ale spadek gęstości kolców. Innymi słowy, ta sama manipulacja środowiskowa miała jakościowo różny wpływ na organizację obwodów neuronalnych u osobników młodocianych niż u dorosłych.

Aby kontynuować to odkrycie, daliśmy później niemowlętom 45 min codziennej stymulacji dotykowej małym pędzelkiem (15 min trzy razy dziennie) przez pierwsze 3 tygodnie życia. Nasze badania behawioralne wykazały, że to pozornie łagodne wczesne doświadczenie wzmocniło umiejętności motoryczne i poznawcze w dorosłości. The anatomical studiesshowed, in addition, that in these animals there was a decrease in spinedensity but no change in dendritic length in cortical neurons; yet anotherpattern of experience-dependent neuronal change. (Równoległe badania wykazały również inne zmiany, w tym zmiany neurochemiczne, ale są one poza zakresem obecnej dyskusji). Uzbrojeni w te odkrycia, zapytaliśmy, czy doświadczenie prenatalne może również zmienić strukturę mózgu miesiące później w dorosłości. Rzeczywiście, tak jest. Na przykład, potomstwo szczura umieszczonego w środowisku acomplex podczas terminu jej ciąży mają zwiększoną przestrzeń synaptyczną na neuronach w korze mózgowej w dorosłości. Chociaż nie wiemy, jak prenatalne doświadczenia zmieniają mózg, wydaje się prawdopodobne, że niektóre chemiczne odpowiedzi przez matkę, czy to hormonalne lub w inny sposób, może przekroczyć barierę łożyskową i zmienić sygnały genetyczne w rozwijającym się mózgu.

Ourstudie pokazujące, że doświadczenie może w unikalny sposób wpływać na rozwijający się mózg doprowadziły usto do zastanowienia się, czy zraniony mózg niemowlęcia może być naprawiony przez environmentaltreatments. Nie byliśmy zaskoczeni odkryciem, że doświadczenia po urazie, takie jak czynne głaskanie, mogą modyfikować zarówno plastyczność mózgu, jak i zachowanie, ponieważ doszliśmy do przekonania, że takie doświadczenia były potężnymi modulatorami rozwoju mózgu (Kolb, Gibb, & Gorny, 2000). Co było zaskakujące, jednak, że doświadczenie prenatalne, takie jak obudowa ciężarnej matki w complexenvvironment, może mieć wpływ na to, jak mózg odpowiedział na uraz, że nie otrzyma aż po urodzeniu. Innymi słowy, prenatalne doświadczenie zmieniło thebrain’s odpowiedź na uraz później w życiu. Ten rodzaj badań ma głębokie implikacje dla prewencyjnego leczenia dzieci zagrożonych różnymi zaburzeniami neurologicznymi.

Narkotyki psychoaktywne

Ludzie, którzy biorą leki pobudzające, takie jak nikotyna, amfetamina lub kokaina, robią to dla ich silnych efektów psychoaktywnych. Długoterminowe konsekwencje behawioralne nadużywania takich środków psychoaktywnych są obecnie dobrze udokumentowane, ale znacznie mniej wiadomo o tym, jak powtarzająca się ekspozycja na te leki zmienia układ nerwowy. Jeden z eksperymentalnych dowodów na bardzo trwałą formę plastyczności zależnej od doświadczenia z narkotykami znany jest jako behawioralna sensytyzacja. Na przykład, jeśli szczurowi poda się małą dawkę amfetaminy, początkowo wykaże on niewielki wzrost aktywności ruchowej (np. lokomocja, ucieczka). Kiedy szczur jestgiven tej samej dawki w kolejnych okazjach, jednak wzrost aktywności ruchowej zwiększa, lub uwrażliwia, a zwierzę może pozostać uwrażliwiony na tygodnie, miesiące, a nawet lata, nawet jeśli leczenie narkotyków jest discontinued.

Zmiany w zachowaniu, które występują jako konsekwencja przeszłych doświadczeń, i może trwać formonths lub lat, jak wspomnienia, uważa się, że ze względu na zmiany we wzorcach organizacji synaptycznej. Podobieństwa między uwrażliwieniem wywołanym przez narkotyki a pamięcią doprowadziły nas do pytania, czy neurony zwierząt uwrażliwionych na narkotyki wykazują długotrwałe zmiany podobne do tych związanych z pamięcią (np. Robinson & Kolb, 1999). Porównanie wpływu leczenia amfetaminą i solą fizjologiczną na strukturę neuronów w regionie mózgu znanym jako jądro accumbens, które pośredniczy w psychomotorycznym aktywizującym działaniu amfetaminy, wykazało, że neurony w mózgach leczonych amfetaminą miały większy materiał dendrytyczny, jak również gęściej zorganizowane kolce. Te plastyczne zmiany nie zostały znalezione w całym mózgu, jednak, ale raczej były zlokalizowane do regionów, takich jak kora przedczołowa i jądra accumbens, z których oba są uważane za odgrywające rolę w nagradzających właściwości tych leków. Późniejsze badania wykazały, że te zmiany wywołane przez narkotyki występują nie tylko wtedy, gdy zwierzęta dostają zastrzyki od eksperymentatora, ale także wtedy, gdy zwierzęta są trenowane do samodzielnego podawania narkotyków, co prowadzi nas do spekulacji, że podobne zmiany w organizacji synaptycznej występują u ludzi uzależnionych od narkotyków.

Inne czynniki

Wszystkie czynniki wymienione w tabeli 1 mają efekty, które są koncepcyjnie podobne do dwóch przykładów, które właśnie omówiliśmy. Na przykład uraz mózgu zaburza organizację synaptyczną mózgu, a kiedy po urazie następuje poprawa funkcjonalna, następuje skorelowana z tym reorganizacja obwodów neuronalnych (np. Kolb, 1995). Ale nie wszystkie czynniki działają w ten sam sposób w całym mózgu. Na przykład, estrogen stymuluje tworzenie synaps w niektórych strukturach, ale zmniejsza liczbę synaps w innych strukturach (np. Kolb, Forgie, Gibb, Gorny, Rowntree, 1998), wzór zmian, które mogą być również postrzegane z niektórych leków psychoaktywnych, takich jak morfina. W sumie, teraz okazuje się, że praktycznie każda manipulacja, która powoduje trwałą zmianę w zachowaniu, pozostawia ślad anatomiczny w mózgu.

WNIOSKI I KWESTIE

Istnieje kilka wniosków do wyciągnięcia z naszych badań. Po pierwsze, doświadczenie zmienia mózg, i robi to w sposób związany z wiekiem. Po drugie, zarówno pre- i postnatalexperience mają takie skutki, a efekty te są długotrwałe i caninfluence nie tylko strukturę mózgu, ale także zachowanie dorosłych. Po trzecie, pozornie podobne doświadczenia mogą w różny sposób zmieniać obwody neuronalne, choć każda z tych zmian przejawia się w zmianie zachowania. Po czwarte, wiele różnych stanów behawioralnych, od uzależnień do zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych, jest skorelowanych z lokalizowanymi zmianami w obwodach neuronalnych. Wreszcie, terapie, które mają na celu zmianę zachowania, takie jak leczenie uzależnień, udaru mózgu lub schizofrenii, mogą być najbardziej skuteczne, jeśli są w stanie dalej reorganizować odpowiednie obwody mózgowe. Ponadto, badania struktury neuronów stanowią prostą metodę poszukiwania terapii, które mogą być skuteczne w leczeniu zaburzeń takich jak demencja. Rzeczywiście, nasze badania pokazują, że nowa generacja leków przeciwartretycznych (znanych jako inhibitory COX-2), które działają w celu zmniejszenia stanu zapalnego, może odwrócić związaną z wiekiem utratę synaptyczną, a zatem powinny być rozważane jako użyteczne metody leczenia związanej z wiekiem utraty zdolności poznawczych.

Chociaż wiele już wiadomo na temat plastyczności mózgu i zachowania, wiele kwestii teoretycznych pozostaje nierozwiązanych. Wiedząc, że szeroki wachlarz doświadczeń i czynników może zmienić organizację synaptyczną i zachowanie jest ważne, ale prowadzi do nowego pytania: Jak to się dzieje? Odpowiedź na to pytanie nie jest łatwa i jest pewne, że istnieje więcej niż jedna odpowiedź. Dla zilustrowania podajemy jeden przykład.

Faktory neurotroficzne to klasa substancji chemicznych, o których wiadomo, że wpływają na organizację synaptyczną. Przykładem jest czynnik wzrostu fibroblastów-2 (FGF-2). Produkcja FGF-2 jest zwiększona przez różne doświadczenia, takie jak złożone mieszkania i dotykowe głaskanie, a także przez leki, takie jak amfetamina. Tak więc, jest to możliwe, że doświadczenie stymuluje produkcję FGF-2, a to z kolei zwiększa produkcję synaps. Ale znowu pojawia się pytanie, w jaki sposób. Jedna z hipotez mówi, że FGF-2 w jakiś sposób zmienia sposób ekspresji różnych genów przez konkretne neurony, a to z kolei wpływa na sposób, w jaki synapsy są generowane lub tracone. Innymi słowy, czynniki, które zmieniają zachowanie, w tym doświadczenie, mogą to robić poprzez zmianę ekspresji genów, co sprawia, że tradycyjne dyskusje geny-versus-środowisko stają się bezsensowne.

Inne kwestie krążą wokół granic i trwałości zmian plastycznych. W końcu ludzie codziennie napotykają i uczą się nowych informacji. Czy istnieje jakaś granica tego, jak bardzo komórki mogą się zmienić? Wydaje się mało prawdopodobne, by komórki mogły powiększać i dodawać synapsy w nieskończoność, ale co to kontroluje? W naszych badaniach nad zmianami zależnymi od doświadczenia u niemowląt, młodzieży i dorosłych zauważyliśmy, że doświadczenie zarówno dodaje, jak i odcina synapsy, ale jakie są zasady rządzące tym, kiedy jedno lub drugie może się pojawić? To pytanie prowadzi do kolejnego, które dotyczy tego, czy zmiany plastyczne w odpowiedzi na różne doświadczenia mogą na siebie oddziaływać. Na przykład, czy ekspozycja na narkotyk, taki jak nikotyna, wpływa na to, jak mózg zmienia się podczas nauki umiejętności motorycznych, takich jak gra na pianinie? Rozważmy również kwestię trwałości zmian plastycznych. Jeśli dana osoba przestaje palić, jak długo utrzymują się zmiany plastyczne wywołane nikotyną i czy wpływają one na późniejsze zmiany?

Jedna dodatkowa kwestia dotyczy roli zmian plastycznych w zaburzeniach zachowania.Tak więc, chociaż większość badań nad plastycznością sugeruje, że przebudowa obwodów neuronalnych jest rzeczą dobrą, można się zastanawiać, czy zmiany plastyczne mogą być również podstawą patologicznego zachowania. Mniej wiadomo o tej możliwości, ale wydaje się ona prawdopodobna. Na przykład narkomani często wykazują deficyty poznawcze i rozsądne wydaje się twierdzenie, że przynajmniej niektóre z tych deficytów mogą wynikać z nieprawidłowego funkcjonowania obwodów, zwłaszcza w płatach czołowych.

Podsumowując, struktura mózgu nieustannie się zmienia w odpowiedzi na niespodziewanie szeroki zakres czynników doświadczalnych. Zrozumienie, jak zmienia się mózg i jakie zasady rządzą tymi zmianami, jest ważne nie tylko dla zrozumienia zarówno normalnego, jak i nienormalnego zachowania, ale także dla projektowania terapii zaburzeń behawioralnych i psychologicznych, od uzależnienia po udar mózgu.

Zalecana lektura

Kolb, B., & Whishaw, I.Q. (1998). Brain plasticity andbehavior (Plastyczność mózgu a zachowanie). Annual Review of Psychology, 49, 43-64.

Robinson, T.E., & Berridge, K.C. (in press). Addiction.Annual Review of Psychology.

Shaw, C.A., & McEachern, J.C.(2001). Toward a theory of neuroplasticity (W stronę teorii neuroplastyczności). New York: Taylor andFrancis.

Acknowledgments–This research was supported by a Natural Sciences and Engineering ResearchCouncil grant to B.K. and a National Institute on Drug Abuse grant to T.R..

Note

1. Address correspondence to BryanKolb, CCBN, University of Lethbridge, Lethbridge, Canada, T1K 3M4.

Greenough, W.T., & Chang, F.F. (1989). Plastyczność synapsestruktury i wzorca w korze mózgowej. In A. Peters & E.G. Jones(Eds.), Cerebral cortex: Vol. 7 (pp. 391-440). New York: Plenum Press.

Kolb, B. (1995). Brain plasticity and behavior.Mahwah, NJ: Erlbaum.

Kolb, B., Forgie, M., Gibb, R., Gorny, G., & Rowntree,S. (1998). Wiek, doświadczenie i zmieniający się mózg. Neuroscience andBiobehavioral Reviews, 22, 143-159.

Kolb, B., Gibb, R., & Gorny, G. (2000). Corticalplasticity and the development of behavior after early frontal cortical injury.Developmental Neuropsychology, 18, 423-444.

Kolb, B., Gibb, R., & Gorny, G. (2003).Experience-dependent changes in dendritic arbor and spine density in neocortexvary with age and sex. Neurobiology of Learning and Memory, X,XXX-XXX.

Robinson, T.E., & Kolb, B. (1999). Alterations in themorphology of dendrites and dendritic spines in the nucleus accumbens andprefrontal cortex following repeated treatment with amphetamine or cocaine. EuropeanJournal of Neuroscience, 11, 1598-1604.