Na rozdiel od bežných predstáv, ktoré sú vyjadrené v tejto schéme, mozgové funkcie nie sú obmedzené na určité pevné miesta.
Neuroplasticita (z neural – týkajúci sa nervov a/alebo mozgu a plastic – formovateľný alebo premenlivý v štruktúre), známa aj ako plasticita mozgu, sa vzťahuje na zmeny v nervových dráhach a synapsách, ktoré sú spôsobené zmenami v správaní, prostredí a nervových procesoch, ako aj zmenami vyplývajúcimi z telesného poškodenia. Neuroplasticita nahradila predtým zaužívaný postoj, že mozog je fyziologicky statický orgán, a skúma, ako – a akým spôsobom – sa mozog počas života mení.
K neuroplasticite dochádza na rôznych úrovniach, od bunkových zmien spôsobených učením až po rozsiahle zmeny, ktoré sa podieľajú na remapovaní kôry v reakcii na zranenie. Úloha neuroplasticity je všeobecne známa pri zdravom vývoji, učení, pamäti a zotavovaní po poškodení mozgu. Počas väčšiny 20. storočia panoval medzi neurológmi všeobecný konsenzus, že štruktúra mozgu je po kritickom období v ranom detstve relatívne nemenná. Toto presvedčenie spochybnili zistenia, ktoré odhalili, že mnohé aspekty mozgu zostávajú plastické aj v dospelosti.
Hubel a Wiesel dokázali, že stĺpce očnej dominancie v najnižšej neokortikálnej zrakovej oblasti V1 sú po kritickom období vývoja do značnej miery nemenné. Kritické obdobia sa skúmali aj v súvislosti s jazykom; výsledné údaje naznačovali, že zmyslové dráhy sú po kritickom období fixované. Štúdie však ukázali, že zmeny prostredia môžu zmeniť správanie a poznávanie prostredníctvom modifikácie spojení medzi existujúcimi neurónmi a prostredníctvom neurogenézy v hipokampe a iných častiach mozgu vrátane mozočku.
Desaťročia výskumu v súčasnosti ukázali, že v najnižších neokortikálnych oblastiach spracovania dochádza k podstatným zmenám a že tieto zmeny môžu zásadne zmeniť vzorec aktivácie neurónov v reakcii na skúsenosť. Neurovedecký výskum naznačuje, že skúsenosť môže skutočne zmeniť fyzickú štruktúru (anatómiu) aj funkčnú organizáciu (fyziológiu) mozgu. Neurovedci sa v súčasnosti zaoberajú zosúladením štúdií z kritického obdobia, ktoré dokazujú nemennosť mozgu po jeho vývoji, s novšími výskumami, ktoré ukazujú, ako sa mozog môže meniť a mení.
Jeden zo základných princípov fungovania neuroplasticity je spojený s koncepciou synaptického prerezávania, teda s myšlienkou, že jednotlivé spojenia v mozgu sa neustále odstraňujú alebo obnovujú, a to najmä v závislosti od toho, ako sa používajú. Táto koncepcia je zachytená v aforizme „neuróny, ktoré horia spolu, sa spájajú“/“neuróny, ktoré horia oddelene, sa spájajú“. Ak sú v blízkosti dva neuróny, ktoré často produkujú impulz súčasne, ich kortikálne mapy sa môžu spojiť. Táto myšlienka funguje aj opačne, t. j. že neuróny, ktoré pravidelne nevytvárajú impulzy súčasne, budú tvoriť rôzne mapy.
Kortikálna organizácia, najmä zmyslových systémov, sa často opisuje pomocou máp. Napríklad senzorické informácie z chodidla sa premietajú do jedného kortikálneho miesta a projekcie z ruky sa zameriavajú na iné miesto. V dôsledku tejto somatotopickej organizácie senzorických vstupov do kôry sa kortikálna reprezentácia tela podobá mape (alebo homunkulu).
Koncom 70. a začiatkom 80. rokov 20. storočia začalo niekoľko skupín skúmať vplyv odstránenia častí zmyslových vstupov. Michael Merzenich, Jon Kaas a Doug Rasmusson použili ako závislú premennú kortikálnu mapu. Zistili – a odvtedy to potvrdilo široké spektrum laboratórií -, že ak sa kortikálna mapa zbaví svojho vstupu, aktivuje sa neskôr v reakcii na iné, zvyčajne susedné vstupy. Merzenichova štúdia (1984) sa týkala mapovania rúk sovích opíc pred amputáciou tretej prsty a po nej. Pred amputáciou existovalo päť odlišných oblastí, jedna zodpovedala každej číslici experimentálnej ruky. Šesťdesiatdva dní po amputácii tretej číslice bola oblasť v kortikálnej mape, ktorú predtým zaberala táto číslica, obsadená zónami, ktoré predtým susedili s druhou a štvrtou číslicou. Oblasti reprezentujúce prvú a piatu číslicu sa nenachádzajú priamo vedľa oblasti reprezentujúcej tretiu číslicu, takže tieto oblasti zostali po amputácii z väčšej časti nezmenené. Táto štúdia dokazuje, že len tie oblasti, ktoré susedia s určitou oblasťou, ju napadnú a zmenia tak kortikálnu mapu. V somatickom senzorickom systéme, v ktorom sa tento jav skúmal najdôkladnejšie, JT Wall a J Xu sledovali mechanizmy, ktoré sú základom tejto plasticity. Reorganizácia nie je kortikálne emergentná, ale prebieha na každej úrovni hierarchie spracovania; to spôsobuje zmeny mapy pozorované v mozgovej kôre.
Merzenich a William Jenkins (1990) iniciovali štúdie týkajúce sa zmyslovej skúsenosti bez patologického narušenia s kortikálne pozorovanou plasticitou v somatosenzorickom systéme primátov, pričom zistili, že zmyslové miesta aktivované v prítomnom operatívnom správaní zvyšujú svoju kortikálnu reprezentáciu. Krátko na to Ford Ebner a jeho kolegovia (1994) vykonali podobné úsilie v kôre hlavohrude hlodavcov (tiež somatický senzorický systém). Tieto dve skupiny sa v priebehu rokov do značnej miery rozišli. Snahy v oblasti whisker barrel hlodavcov sa stali stredobodom záujmu Ebnera, Matthewa Diamonda, Michaela Armstronga-Jamesa, Roberta Sachdeva a Kevina Foxa a dosiahli veľký pokrok v identifikácii miesta zmeny, ktoré sa nachádza v kortikálnych synapsách exprimujúcich NMDA receptory, a v zapojení cholinergných vstupov ako nevyhnutných pre normálny prejav. Štúdie na hlodavcoch však boli slabo zamerané na behaviorálny koniec a Ron Frostig a Daniel Polley (1999, 2004) identifikovali behaviorálne manipulácie ako spôsobujúce podstatný vplyv na kortikálnu plasticitu v tomto systéme.
Merzenich a DT Blake (2002, 2005, 2006) ďalej použili kortikálne implantáty na štúdium vývoja plasticity v somatosenzorickom aj sluchovom systéme. Oba systémy vykazujú podobné zmeny vzhľadom na správanie. Keď je podnet kognitívne spojený s posilnením, jeho kortikálna reprezentácia sa posilňuje a zväčšuje. V niektorých prípadoch sa kortikálne reprezentácie môžu zväčšiť dvoj- až trojnásobne v priebehu 1 – 2 dní v čase, keď sa prvýkrát získava nové senzorické motorické správanie, a zmeny sú do značnej miery ukončené najneskôr do niekoľkých týždňov. Kontrolné štúdie ukazujú, že tieto zmeny nie sú spôsobené len zmyslovou skúsenosťou: vyžadujú si učenie sa o zmyslovej skúsenosti a sú najsilnejšie pri podnetoch, ktoré sú spojené s odmenou, a vyskytujú sa rovnako ľahko pri operantnom a klasickom podmieňovaní správania.
Zaujímavým javom, ktorý sa týka kortikálnych máp, je výskyt fantómových končatín. Fantómové končatiny zažívajú ľudia, ktorí podstúpili amputáciu rúk, rúk a nôh, ale neobmedzuje sa len na končatiny. Hoci neurologický základ fantómových končatín ešte stále nie je úplne objasnený, predpokladá sa, že dôležitú úlohu zohráva kortikálna reorganizácia.
Norman Doidge po vzore Michaela Merzenicha rozdeľuje prejavy neuroplasticity na adaptácie, ktoré majú pozitívne alebo negatívne dôsledky na správanie. Ak sa napríklad organizmus dokáže po mozgovej príhode zotaviť na normálnu úroveň výkonnosti, táto adaptabilita by sa mohla považovať za príklad „pozitívnej plasticity“. Zmeny, ako je nadmerná úroveň rastu neurónov vedúca ku spasticite alebo tonickej paralýze, alebo nadmerné uvoľňovanie neurotransmiterov v reakcii na zranenie, ktoré by mohlo zabiť nervové bunky, by sa museli považovať za „negatívnu“ plasticitu. Okrem toho Dr. Doidge považuje za príklady „negatívnej plasticity“ aj drogovú závislosť a obsedantno-kompulzívnu poruchu, keďže synaptické prepájanie, ktoré vedie k tomuto správaniu, je tiež veľmi maladaptívne.
Štúdia z roku 2005 zistila, že účinky neuroplasticity sa prejavujú ešte rýchlejšie, ako sa pôvodne očakávalo. Mozgy študentov medicíny boli snímané počas obdobia, keď sa pripravovali na skúšky. V priebehu niekoľkých mesiacov sa sivá hmota študentov výrazne zväčšila v zadnej a laterálnej parietálnej kôre.
Prekvapivým dôsledkom neuroplasticity je, že mozgová aktivita spojená s určitou funkciou sa môže presunúť na iné miesto; môže to byť dôsledok bežných skúseností a vyskytuje sa to aj v procese zotavovania po poškodení mozgu. Neuroplasticita je základnou otázkou, ktorá podporuje vedecký základ liečby získaného poškodenia mozgu pomocou cieľovo orientovaných zážitkových terapeutických programov v kontexte rehabilitačných prístupov k funkčným dôsledkom poškodenia.
Mozog dospelého človeka nie je „pevne zadrôtovaný“ s pevnými neuronálnymi obvodmi. Existuje mnoho prípadov kortikálneho a subkortikálneho prepájania neuronálnych obvodov v reakcii na tréning, ako aj v reakcii na zranenie. Existujú spoľahlivé dôkazy, že v dospelom mozgu cicavcov dochádza k neurogenéze (zrodu mozgových buniek) – a takéto zmeny môžu pretrvávať až do vysokého veku. Dôkazy o neurogenéze sa obmedzujú najmä na hipokampus a čuchovú cibuľku, ale súčasný výskum odhalil, že sa môže týkať aj iných častí mozgu vrátane mozočku.
V ostatných častiach mozgu môžu neuróny odumierať, ale nemôžu sa vytvárať. V súčasnosti však existuje dostatok dôkazov o aktívnej reorganizácii synaptických sietí mozgu v závislosti od skúseností, ktorá zahŕňa viaceré vzájomne prepojené štruktúry vrátane mozgovej kôry. Konkrétne podrobnosti o tom, ako tento proces prebieha na molekulárnej a ultraštrukturálnej úrovni, sú predmetom aktívneho neurovedeckého výskumu. Spôsob, akým môže skúsenosť ovplyvniť synaptickú organizáciu mozgu, je tiež základom viacerých teórií fungovania mozgu vrátane všeobecnej teórie mysle a epistemológie označovanej ako neurálny darvinizmus, ktorú vypracoval imunológ a nositeľ Nobelovej ceny Gerald Edelman. Koncepcia neuroplasticity je tiež ústredným prvkom teórií pamäti a učenia, ktoré súvisia so skúsenosťami podmienenými zmenami synaptickej štruktúry a funkcie v štúdiách klasického podmieňovania u modelov bezstavovcov, ako je Aplysia. Tento posledný program výskumu v oblasti neurovedy vychádza z prelomovej práce ďalšieho nositeľa Nobelovej ceny Erica Kandela a jeho kolegov z College of Physicians and Surgeons na Kolumbijskej univerzite.
Paul Bach-y-Rita, ktorý zomrel v roku 2006, bol „otcom senzorickej substitúcie a plasticity mozgu“. Pri práci s pacientkou, ktorej vestibulárny systém bol poškodený, vyvinul BrainPort, prístroj, ktorý „nahradí jej vestibulárny aparát a [bude] posielať signály rovnováhy do mozgu z jazyka“. Po tom, čo tento prístroj istý čas používala, už nebol potrebný, pretože sa jej vrátila schopnosť normálne fungovať. Dni jej balansovania sa skončili.
Hlavným vysvetlením tohto javu je plasticita. Keďže jej vestibulárny systém bol „dezorganizovaný“ a vysielal skôr náhodné než koherentné signály, prístroj našiel nové cesty okolo poškodených alebo zablokovaných nervových dráh, čím pomohol posilniť signály, ktoré vysielali zostávajúce zdravé tkanivá. Bach-y-Rita vysvetlila plasticitu slovami: „Ak idete odtiaľto do Milwaukee a vypadne hlavný most, najprv ste paralyzovaní. Potom idete po starých vedľajších cestách cez poľnohospodársku pôdu. Potom tieto cesty používate viac; nájdete kratšie cesty, ktorými sa dostanete tam, kam chcete, a začnete sa tam dostávať rýchlejšie. Tieto „sekundárne“ nervové cesty sa pri používaní „odmaskujú“ alebo odhaľujú a posilňujú. Proces „odmaskovania“ sa všeobecne považuje za jeden z hlavných spôsobov, ako sa plastický mozog reorganizuje.“
Skupina Randyho Nuda zistila, že ak sa malá mozgová príhoda (infarkt) vyvolá zablokovaním prietoku krvi v časti motorickej kôry opice, časť tela, ktorá reaguje pohybom, sa pohne, keď sa stimulujú oblasti susediace s poškodenou oblasťou mozgu. V jednej štúdii boli použité techniky intrakortikálnej mikrostimulácie (ICMS) mapovania na deviatich normálnych opiciach. Niektoré z nich podstúpili procedúry ischemického infarktu a ostatné procedúry ICMS. Opice s ischemickými infarktmi si zachovali väčšiu flexiu prstov počas získavania potravy a po niekoľkých mesiacoch sa tento deficit vrátil na predoperačnú úroveň. Pokiaľ ide o reprezentáciu distálnej prednej končatiny, „poinfarktové mapovacie postupy odhalili, že pohybové reprezentácie prešli reorganizáciou v celej priľahlej, nepoškodenej kôre“. Pochopenie interakcie medzi poškodenými a nepoškodenými oblasťami poskytuje základ pre lepšie liečebné plány u pacientov po cievnej mozgovej príhode. Súčasný výskum zahŕňa sledovanie zmien, ku ktorým dochádza v motorických oblastiach mozgovej kôry v dôsledku cievnej mozgovej príhody. Takto možno zistiť udalosti, ktoré sa vyskytujú v procese reorganizácie mozgu. Nudo sa tiež podieľa na štúdiu liečebných plánov, ktoré môžu zlepšiť zotavenie po mŕtvici, ako je fyzioterapia, farmakoterapia a elektrostimulačná terapia.
Neuroplasticita získava na popularite ako teória, ktorá aspoň čiastočne vysvetľuje zlepšenie funkčných výsledkov pri fyzikálnej terapii po cievnej mozgovej príhode. Rehabilitačné techniky, ktoré majú dôkazy naznačujúce kortikálnu reorganizáciu ako mechanizmus zmeny, zahŕňajú pohybovú terapiu vyvolanú obmedzením, funkčnú elektrickú stimuláciu, tréning na bežiacom páse s podporou telesnej hmotnosti a terapiu virtuálnou realitou. Robotom asistovaná terapia je novou technikou, o ktorej sa tiež predpokladá, že funguje prostredníctvom neuroplasticity, hoci v súčasnosti nie je dostatok dôkazov na určenie presných mechanizmov zmeny pri použití tejto metódy.
Jonovi Kaasovi, profesorovi na Vanderbiltovej univerzite, sa podarilo ukázať, „ako sú somatosenzorická oblasť 3b a ventroposteriórne (VP) jadro talamu ovplyvnené dlhodobými jednostrannými léziami dorzálneho stĺpca na krčnej úrovni u opíc makak“. Mozog dospelých má schopnosť meniť sa v dôsledku poranenia, ale rozsah reorganizácie závisí od rozsahu poranenia. Jeho najnovší výskum sa zameriava na somatosenzorický systém, ktorý zahŕňa vnímanie tela a jeho pohybov pomocou mnohých zmyslov. Keď si ľudia poškodia somatosenzorickú kôru, zvyčajne dochádza k zhoršeniu vnímania tela. Snaží sa zistiť, ako sú tieto systémy (somatosenzorický, kognitívny a motorický systém) v dôsledku zranenia plastické.
Jednou z najnovších aplikácií neuroplasticity je práca tímu lekárov a výskumníkov z Emory University, konkrétne Dr. Donalda Steina (ktorý sa tejto oblasti venuje už viac ako tri desaťročia) a Dr. Davida Wrighta. Ide o prvú liečbu za posledných 40 rokov, ktorá má významné výsledky pri liečbe traumatických poranení mozgu, pričom nemá žiadne známe vedľajšie účinky a jej podávanie je lacné. Dr. Stein si všimol, že myšie samičky sa zrejme zotavujú z poranení mozgu lepšie ako myšie samčeky. Aj u samíc si všimol, že v určitých fázach ruje sa samice zotavujú ešte lepšie. Po mnohých výskumoch tento rozdiel pripísal hladine progesterónu. Najvyššia prítomná hladina progesterónu viedla u týchto myší k najrýchlejšiemu zotaveniu z poškodenia mozgu.
Vyvinuli liečbu, ktorá zahŕňa zvýšené množstvo progesterónových injekcií, ktoré sa podávajú pacientom s poškodením mozgu. „Podávanie progesterónu po traumatickom poškodení mozgu (TBI) a mozgovej príhode znižuje edém, zápal a odumieranie neurónových buniek a zlepšuje priestorovú referenčnú pamäť a obnovu senzorickej motoriky.“ Vo svojich klinických štúdiách mali skupinu ťažko zranených pacientov, u ktorých sa po troch dňoch podávania progesterónových injekcií znížila úmrtnosť o 60 %. Sam* mal hrozivú autonehodu, po ktorej mal mozgovú aktivitu na hranici únosnosti; podľa lekárov bol jeden bod od mozgovej smrti. Jeho rodičia sa rozhodli, že sa zúčastní na klinickej štúdii Dr. Steina a dostal trojdňovú liečbu progesterónom. Tri roky po nehode dosiahol inšpirujúce uzdravenie bez mozgových komplikácií a schopnosť žiť zdravý, normálny život.
Stein vykonal niekoľko štúdií, v ktorých sa zistilo, že priaznivé účinky sú u starších potkanov podobné účinkom pozorovaným u mladých potkanov. Keďže v oboch vekových skupinách existujú fyziologické rozdiely, model bol upravený pre staršie zvieratá znížením ich úrovne stresu zvýšeným fyzickým kontaktom. Počas operácie sa anestézia udržiavala na vyššej úrovni kyslíka s nižším celkovým percentom izofluránu a „starým zvieratám sa po operácii podával podkožný roztok laktátu Ringers, aby sa nahradili tekutiny stratené zvýšeným krvácaním“. Sľubné výsledky liečby progesterónom „by mohli mať významný vplyv na klinický manažment TBI“. Ukázalo sa, že tieto liečby fungujú na ľudských pacientoch, ktorí dostávajú liečbu krátko po TBI. Dr. Stein však teraz zameriava svoj výskum na osoby, ktoré majú dlhodobé traumatické poškodenie mozgu, aby zistil, či liečba progesterónom pomôže pri obnove stratených funkcií aj im.
Liečba ťažkostí s učením
Michael Merzenich vyvinul sériu „počítačových programov založených na plasticite, známych ako Fast ForWord“. FastForWord ponúka sedem mozgových cvičení, ktoré pomáhajú pri jazykových a učebných nedostatkoch dyslexie. V nedávnej štúdii sa uskutočnil experimentálny tréning u dospelých, aby sa zistilo, či pomôže pôsobiť proti negatívnej plasticite, ktorá je dôsledkom poklesu kognitívnych funkcií súvisiacich s vekom (ARCD). Projekt ET zahŕňal šesť cvičení navrhnutých tak, aby zvrátili dysfunkcie spôsobené ARCD v oblasti poznávania, pamäti, motorickej kontroly atď . Po používaní programu ET počas 8 – 10 týždňov došlo k „významnému zvýšeniu výkonu špecifického pre danú úlohu“. Údaje získané zo štúdie naznačili, že program založený na neuroplasticite by mohol výrazne zlepšiť kognitívne funkcie a pamäť u dospelých s ARCD.
Neuroplasticita počas prevádzky rozhraní mozog-stroj
Rozhranie mozog-stroj (BMI) je rýchlo sa rozvíjajúca oblasť neurovedy. Podľa výsledkov, ktoré dosiahli Mikhail Lebedev, Miguel Nicolelis a ich kolegovia, prevádzka BMI vedie k začleneniu umelých aktuátorov do reprezentácií mozgu. Vedci preukázali, že počas ovládania BMI opicou dochádzalo vo viacerých kortikálnych oblastiach k modifikáciám v neuronálnej reprezentácii ruky opice a aktuátora, ktorý bol ovládaný mozgom opice. V týchto jednodňových experimentoch opice spočiatku pohybovali aktuátorom stláčaním joysticku. Po zmapovaní súborov motorických neurónov sa ovládanie aktuátora preplo na model súborov, takže mozgová aktivita, a nie ruka, priamo ovládala aktuátor. Aktivita jednotlivých neurónov a populácií neurónov sa stala menej reprezentatívnou pre pohyby ruky zvieraťa, pričom reprezentovala pohyby aktuátora. Pravdepodobne v dôsledku tejto adaptácie mohli zvieratá nakoniec prestať hýbať rukami, ale naďalej ovládať aktuátor. Počas ovládania BMI sa teda kortikálne súbory v priebehu desiatok minút plasticky adaptujú tak, aby reprezentovali behaviorálne významné motorické parametre, aj keď nie sú spojené s pohybmi vlastnej končatiny zvieraťa.
Medzi aktívne laboratórne skupiny patria John Donoghue z Brownu, Richard Andersen z Caltechu, Krishna Shenoy zo Stanfordu, Nicholas Hatsopoulos z Chicagskej univerzity, Andy Schwartz z Pittsburskej univerzity, Sandro Mussa-Ivaldi z Northwesternu a Miguel Nicolelis z Duke. Donoghueova a Nicolelisova skupina nezávisle od seba dokázali, že zvieratá dokážu ovládať vonkajšie rozhrania pri úlohách vyžadujúcich spätnú väzbu, pričom modely sú založené na aktivite kortikálnych neurónov, a že zvieratá dokážu adaptívne meniť svoje myslenie, aby modely fungovali lepšie. Donoghueova skupina prevzala implantáty z laboratória Richarda Normanna v Utahu („utahské“ pole), vylepšila ich zmenou izolácie z polyimidu na parylén-c a komercializovala ich prostredníctvom spoločnosti Cyberkinetics. Tieto snahy sú hlavným kandidátom na prvé rozsiahle skúšky motorických kortikálnych implantátov na ľuďoch, ktoré pomáhajú kvadruplegickým alebo zablokovaným pacientom komunikovať s vonkajším svetom.
Neuroplasticita sa podieľa na rozvoji zmyslových funkcií. Mozog sa rodí nezrelý a po narodení sa prispôsobuje zmyslovým vstupom. V prípade sluchového systému sa preukázalo, že vrodená porucha sluchu, pomerne časté vrodené ochorenie postihujúce 1 z 1 000 novorodencov, ovplyvňuje vývoj sluchu a implantácia senzorickej protézy aktivujúcej sluchový systém zabránila vzniku deficitov a navodila funkčné dozrievanie sluchového systému Vzhľadom na citlivé obdobie plasticity existuje aj citlivé obdobie pre takýto zásah v prvých 2 – 4 rokoch života. V dôsledku toho u prelingválne nepočujúcich detí skorá kochleárna implantácia spravidla umožňuje naučiť sa materinský jazyk a osvojiť si akustickú komunikáciu.
Schematické vysvetlenie zrkadlového boxu. Pacient umiestni dobrú končatinu na jednu stranu škatule (v tomto prípade pravú ruku) a amputovanú končatinu na druhú stranu. Vďaka zrkadlu pacient vidí odraz dobrej ruky v mieste, kde by sa nachádzala chýbajúca končatina (vyznačené nižším kontrastom). Pacient tak dostáva umelú vizuálnu spätnú väzbu, že „vzkriesená“ končatina sa teraz pohybuje, keď hýbe dobrou rukou.
Fantómové končatiny sú fenoménom, pri ktorom človek naďalej pociťuje bolesť alebo vnemy v časti tela, ktorá mu bola amputovaná. Tento jav je mimoriadne častý a vyskytuje sa u 60 – 80 % pacientov po amputácii. Vysvetlenie tohto javu sa vzťahuje na koncept neuroplasticity, keďže sa predpokladá, že kortikálne mapy odstránených končatín sa zapojili do oblasti okolo nich v postcentrálnom gyri. To má za následok, že aktivita v okolitej oblasti kôry je nesprávne interpretovaná oblasťou kôry, ktorá bola predtým zodpovedná za amputovanú končatinu.
Vzťah medzi fantómovými končatinami a neuroplasticitou je zložitý. Začiatkom 90. rokov 20. storočia V. S. Ramachandran vyslovil teóriu, že fantómové končatiny sú výsledkom kortikálneho remapingu. V roku 1995 však Herta Flor a jej kolegovia dokázali, že ku kortikálnej remappingu dochádza len u pacientov, ktorí majú fantómovú bolesť. Jej výskum ukázal, že fantómová bolesť končatín (a nie prenesené pocity) je percepčným korelátom kortikálnej reorganizácie. Tento jav sa niekedy označuje ako maladaptívna plasticita.
V roku 2009 Lorimer Moseley a Peter Brugger uskutočnili pozoruhodný experiment, v ktorom nabádali osoby s amputovanou rukou, aby pomocou vizuálnych obrazov skreslili svoje fantómové končatiny do nemožných konfigurácií. Štyrom zo siedmich pokusných osôb sa podarilo vykonať nemožné pohyby fantómovej končatiny. Tento experiment naznačuje, že subjekty modifikovali nervovú reprezentáciu svojich fantómových končatín a vytvorili motorické príkazy potrebné na vykonanie nemožných pohybov pri absencii spätnej väzby z tela. Autori uviedli, že: „Toto zistenie v skutočnosti rozširuje naše chápanie plasticity mozgu, pretože je dôkazom, že hlboké zmeny v mentálnej reprezentácii tela môžu byť vyvolané čisto vnútornými mechanizmami mozgu – mozog sa skutočne mení.“
Osoby, ktoré trpia chronickou bolesťou, pociťujú dlhodobú bolesť v miestach, ktoré mohli byť predtým poškodené, ale v súčasnosti sú zdravé. Tento jav súvisí s neuroplasticitou v dôsledku maladaptívnej reorganizácie nervového systému, a to tak periférne, ako aj centrálne. Počas obdobia poškodenia tkaniva spôsobujú škodlivé podnety a zápal zvýšený nociceptívny vstup z periférie do centrálneho nervového systému. Dlhodobá nocicepcia z periférie potom vyvolá neuroplastickú odpoveď na kortikálnej úrovni, ktorá zmení jej somatotopickú organizáciu pre bolestivé miesto, čím vyvolá centrálnu senzibilizáciu. Napríklad jedinci, ktorí prežívajú komplexný regionálny bolestivý syndróm, vykazujú zníženú kortikálnu somatotopickú reprezentáciu ruky kontralaterálne, ako aj znížený odstup medzi rukou a ústami. Okrem toho sa uvádza, že chronická bolesť výrazne znižuje objem sivej hmoty v mozgu globálne a konkrétnejšie v prefrontálnej kôre a pravom talame. Po liečbe sa však tieto abnormality v reorganizácii kôry a objeme sivej hmoty vyriešia, rovnako ako ich príznaky. Podobné výsledky boli zaznamenané pri fantómovej bolesti končatín, chronickej bolesti chrbta a syndróme karpálneho tunela.
Viaceré štúdie spájajú meditačnú prax s rozdielmi v kortikálnej hrúbke alebo hustote šedej hmoty. Jednu z najznámejších štúdií, ktorá to preukázala, viedla Sara Lazar z Harvardovej univerzity v roku 2000. Richard Davidson, neurológ z Wisconsinskej univerzity, viedol v spolupráci s dalajlámom experimenty o účinkoch meditácie na mozog. Jeho výsledky naznačujú, že dlhodobé alebo krátkodobé praktizovanie meditácie vedie k rôznym úrovniam aktivity v oblastiach mozgu spojených s takými vlastnosťami, ako je pozornosť, úzkosť, depresia, strach, hnev, schopnosť tela liečiť sa a podobne. Tieto funkčné zmeny môžu byť spôsobené zmenami fyzickej štruktúry mozgu.
V štúdii z roku 2009 nechali vedci dve skupiny myší plávať vo vodnom bludisku a potom ich v samostatnom pokuse vystavili nepríjemnému podnetu, aby zistili, ako rýchlo sa naučia od neho vzdialiť. Potom počas nasledujúcich štyroch týždňov nechali jednu skupinu myší behať vo vnútri ich hlodavčích koliesok, čo je činnosť, ktorú má väčšina myší rada, zatiaľ čo druhú skupinu prinútili intenzívnejšie pracovať na minitreadmills pri rýchlosti a trvaní, ktoré kontrolovali vedci. Potom obe skupiny opäť testovali, aby sledovali ich schopnosti učiť sa a pamäť. Obe skupiny myší zlepšili svoje výkony vo vodnom bludisku oproti predchádzajúcemu pokusu. Ale len mimoriadne trénovaní bežci na bežiacom páse boli lepší v úlohe vyhýbania sa, čo je podľa neurológov zručnosť, ktorá si vyžaduje zložitejšiu kognitívnu reakciu.
U myší, ktoré boli nútené behať na bežiacom páse, sa pri pohľade pod mikroskopom objavili molekulárne zmeny vo viacerých častiach mozgu, zatiaľ čo u dobrovoľných bežcov na kolieskach sa zmeny prejavili len v jednej oblasti. „Naše výsledky podporujú názor, že rôzne formy cvičenia vyvolávajú neuroplastické zmeny v rôznych oblastiach mozgu,“ povedal Chauying J. Jen, profesor fyziológie a autor štúdie.
Ľudská echolokácia je naučená schopnosť ľudí vnímať svoje okolie na základe ozveny. Túto schopnosť využívajú niektorí nevidiaci ľudia na orientáciu v prostredí a detailné vnímanie okolia. Štúdie z rokov 2010 a 2011 s použitím techník funkčnej magnetickej rezonancie ukázali, že časti mozgu súvisiace so spracovaním zraku sú prispôsobené novej schopnosti echolokácie.
Plastickosť prvýkrát aplikoval na správanie v roku 1890 William James v knihe The Principles of Psychology, hoci táto myšlienka bola nasledujúcich päťdesiat rokov značne zanedbávaná[cit ]. Zdá sa, že prvou osobou, ktorá použila termín nervová plasticita, bol poľský neurovedec Jerzy Konorski.
Vzhľadom na ústredný význam neuroplasticity by sa dalo odpustiť, keby človek zvonka predpokladal, že je dobre definovaná a že základný a univerzálny rámec slúži na usmernenie súčasných a budúcich hypotéz a experimentov. Žiaľ, nie je to tak. Hoci mnohí neurovedci používajú slovo neuroplasticita ako zastrešujúci termín, pre rôznych výskumníkov v rôznych podoblastiach znamená rôzne veci … Stručne povedané, zdá sa, že vzájomne dohodnutý rámec neexistuje.
Približne do 70. rokov 20. storočia sa v neurovede akceptovala predstava, že nervový systém je v podstate fixný počas celého dospelého veku, a to tak z hľadiska funkcií mozgu, ako aj z hľadiska toho, že po narodení nie je možné, aby sa vyvíjali nové neuróny.
V roku 1793 taliansky anatóm Michele Vicenzo Malacarne opísal pokusy, pri ktorých spájal zvieratá, jedno z nich roky intenzívne cvičil a potom obe pitval. Zistil, že mozočky trénovaných zvierat boli podstatne väčšie. Na tieto zistenia sa však nakoniec zabudlo. Myšlienku, že mozog a jeho funkcie nie sú v dospelosti nemenné, navrhol v roku 1890 William James v knihe Princípy psychológie, hoci táto myšlienka bola zväčša zanedbaná.
V roku 1923 Karl Lashley uskutočnil experimenty na opiciach druhu rhesus, ktoré preukázali zmeny v neurónových dráhach, čo považoval za dôkaz plasticity, hoci napriek tomu, ako aj ďalším príkladom výskumu, ktoré to naznačovali, myšlienka neuroplasticity nebola neurológmi všeobecne prijímaná. V 60. rokoch 20. storočia a neskôr sa však začali získavať významnejšie dôkazy, najmä od vedcov, medzi ktorých patrili Paul Bach-y-Rita, Michael Merzenich spolu s Jonom Kaasom, ako aj od niekoľkých ďalších.
V 60. rokoch 20. storočia vynašiel Paul Bach-y-Rita zariadenie, ktoré nevidiacim umožňovalo čítať, vnímať tiene a rozlišovať blízke a vzdialené predmety. Tento „prístroj bol jednou z prvých a najodvážnejších aplikácií neuroplasticity“. Pacient sedel na elektricky stimulovanom kresle, ktoré malo za sebou veľkú kameru, ktorá snímala oblasť a vysielala elektrické signály obrazu do štyroch stoviek vibračných stimulátorov na kresle proti pokožke pacienta. Šesť účastníkov experimentu bolo nakoniec schopných rozpoznať obrázok supermodelky Twiggy.
Treba zdôrazniť, že títo ľudia boli vrodene slepí a predtým nevideli. Bach-y-Rita veril v zmyslovú náhradu; ak je jeden zmysel poškodený, ostatné zmysly ho niekedy môžu nahradiť. Domnieval sa, že koža a jej hmatové receptory môžu fungovať ako sietnica (používanie jedného zmyslu za druhý). Aby mozog dokázal interpretovať hmatové informácie a premeniť ich na vizuálne informácie, musí sa naučiť niečo nové a prispôsobiť sa novým signálom. Schopnosť mozgu prispôsobiť sa znamenala, že má plasticitu. Myslel si: „Vidíme mozgom, nie očami.“
Tragická mozgová príhoda, po ktorej ochrnul jeho otec, inšpirovala Bach-y-Rita k štúdiu rehabilitácie mozgu. Jeho brat, lekár, neúnavne pracoval na vývoji terapeutických opatrení, ktoré boli také úspešné, že otec sa vo veku 68 rokov úplne vrátil k svojej funkcii a bol schopný žiť normálnym, aktívnym životom, ktorý zahŕňal aj horolezectvo. „Príbeh jeho otca bol priamym dôkazom toho, že k „neskorému zotaveniu“ môže dôjsť aj pri rozsiahlej lézii u staršieho človeka.“ Ďalšie dôkazy o tejto možnej reorganizácii mozgu našiel v práci Shepherda Ivoryho Franza. Jedna štúdia sa týkala pacientov po mozgovej príhode, ktorí sa dokázali zotaviť pomocou cvičení stimulujúcich mozog po tom, čo boli roky ochrnutí. „Franz chápal význam zaujímavej, motivujúcej rehabilitácie: „V podmienkach záujmu, ako je napríklad súťaženie, môže byť výsledný pohyb vykonávaný oveľa efektívnejšie ako pri nudnom, rutinnom tréningu v laboratóriu.“ (Franz, 1921, s. 93)“ Táto predstava viedla k motivačným rehabilitačným programom, ktoré sa používajú dodnes.
Michael Merzenich je neurológ, ktorý je už viac ako tri desaťročia jedným z priekopníkov neuroplasticity. Vyslovil niektoré z „najambicióznejších tvrdení v tejto oblasti – že mozgové cvičenia môžu byť rovnako užitočné ako lieky na liečbu takých závažných ochorení, ako je schizofrénia, že plasticita existuje od kolísky až po hrob a že radikálne zlepšenie kognitívnych funkcií – toho, ako sa učíme, myslíme, vnímame a pamätáme si, je možné aj u starších ľudí“. Merzenichovu prácu ovplyvnil zásadný objav, ktorý urobili David Hubel a Torsten Wiesel pri svojej práci s mačiatkami. Experiment spočíval v zašití jedného oka a zaznamenávaní kortikálnych mozgových máp. Hubel a Wiesel si všimli, že časť mozgu mačiatka spojená so zatvoreným okom nebola nečinná, ako sa očakávalo. Namiesto toho spracovávala vizuálne informácie z otvoreného oka. Bolo to“… akoby mozog nechcel plytvať žiadnym „kortikálnym nehnuteľným majetkom“ a našiel spôsob, ako sa prepájať“.
To naznačuje neuroplasticitu počas kritického obdobia. Merzenich však tvrdil, že neuroplasticita sa môže vyskytovať aj mimo kritického obdobia. Prvýkrát sa s plasticitou dospelých stretol, keď bol zapojený do postdoktorandskej štúdie s Clintonom Woosleym. Experiment bol založený na pozorovaní toho, čo sa dialo v mozgu, keď bol jeden periférny nerv prerezaný a následne regenerovaný. Obaja vedci mikromapovali ručné mapy opičích mozgov pred a po prerezaní periférneho nervu a zošití jeho koncov. Potom bola mapa ruky v mozgu, ktorá mala byť podľa očakávania pomiešaná, takmer normálna. Išlo o zásadný prielom. Merzenich tvrdil, že „ak mapa mozgu dokáže normalizovať svoju štruktúru v reakcii na abnormálny vstup, prevládajúci názor, že sa rodíme s pevne zadrôtovaným systémom, musí byť nesprávny. Mozog musel byť plastický.“
ODKAZUJE NA ČASŤ O APLIKÁCIÁCH NEUROPLASTICITY
1. Cekic, Milos, Sarah M. Cutler, Donald G. Stein a Bushra Wali. „Progesterón zlepšuje akútnu regeneráciu po traumatickom poranení Briana u starších potkanov“. Journal of Neurotrauma 24 (2007): 1475-486.
2. Colotla, Victor A. a Paul Bach-y-Rita. „Shepherd Ivory Franz: Jeho prínos pre neuropsychológiu a rehabilitáciu“. Kognitívna, afektívna a behaviorálna neuroveda 2 (2002): 141-48.
4. Cutler, Sarah M., Stuart W. Hoffman, Edward H. Pettus a Donald G. Stein. „Tapered Progesterone Withdrawal Enhances Behavioral and Molecular Recovery After Traumatic Brain Injury“ (Zúžené vysadenie progesterónu zlepšuje behaviorálnu a molekulárnu regeneráciu po traumatickom poškodení mozgu). Experimentálna neurológia 195 (2005): 423-29.
5. Doidge, Norman. The Brain That Changes Itself : Stories of Personal Triumph from the Frontiers of Brain Science (Mozog, ktorý sa mení sám : príbehy osobného triumfu z hraníc vedy o mozgu). New York: Penguin Group (USA) Incorporated, 2007.
6. Frost, SB, S. Barbay, K.M Friel, E.J Plautz a R.J Nudo. „Reorganizácia vzdialených kortikálnych oblastí po ischemickom poškodení mozgu: potenciálny substrát pre zotavenie po mozgovej príhode“. Journal of Neurophysiology 89 (2003): 3205-214.
7. Giszter, Simon F. „Poranenie miechy: Súčasné a budúce terapeutické zariadenia a protézy.“ Neuroterapia: Journal of the American Society for Experimental NeuroTherapeutics 5 (2008): 147-62.
8. Jain, Neeraj, Hui-Xin Qi, Christine D. Collins a Jon H. Kaas. „Reorganizácia veľkého rozsahu v somatosenzorickej kôre a talame po strate zmyslov u opíc makakov“. The Journal of Neuroscience 28 (2008): 11042-1060.
9. Mahncke, Henry W. a Michael M. Merzenich. „Zlepšenie pamäti u zdravých starších ľudí pomocou tréningového programu založeného na plasticite mozgu: A Randomized, Controlled Study.“ Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103 (2006): 12523-2528.
10. Nudo, Randolph J. a Garrett W. Milliken. „Reorganizácia pohybových reprezentácií v primárnej motorickej kôre po fokálnom ischemickom infarkte u dospelých opíc veveričiek“. Journal of Neurophysiology 75 (1996): 2144-149.
11. Ramachandran, VS a W. Hirstein. „Vnímanie fantómových končatín: Hebb.“ Brain 121 (1998): 1603-630.
13. Stein, Donald G. a Stuart W. Hoffman. „Koncepcie plasticity CNS v kontexte poškodenia a opravy mozgu“. J Head Trauma Rehabilitation 18 (2003): 317-41.
14. Stein, Donald. „Plasticita.“ Osobný rozhovor. Alyssa Walz. 19. novembra 2008.
15. Wieloch, Tadeusz a Karoly Nikolich. „Mechanizmy nervovej plasticity po poranení mozgu.“ Rev. Aktuálne názory v neurobiológii. 2006: 258-64. 18. mája 2006. Science Direct. Georgia Institute of Technology, Atlanta. 24 Oct. 2008 .
^Syndróm končatín (prednáška Ramachandrana o vedomí, zrkadlových neurónoch a syndróme fantómových končatín)
^^Traumatické poranenie mozgu (príbeh o TBI a výsledky ProTECT s použitím progesterónovej liečby) Emory University News Archives
Ďalšie zaujímavé čítanie
Micheal Chorost Ako som sa stal súčasťou počítača a stal sa ľudskejším
Norman Doidge Mozog, ktorý sa sám mení
Donald Stein Poranenie mozgu a zotavenie