Mechanizmy plastyczności
Plastyczność (Jerzy Komorski 1948) plastyczność i zmiany nią wywołane.
Plastyczność zdolnośc neuronów do ulegania trwałym zmianom w procesie uczenia się
Obecnie:
Plastyczność to trwałe przekształcenia w wyniku działania określonych bodźców lub ich kombinacji
(pobudliwośc zapewnia zmiany krótkotrwałe a plastyczność- długotrwałe)
Podłoże plastyczności:
(Ramona Y Cajal, Jerzy konarski)
Morfologiczne zmiany synaptyczne (doskonalenie już istniejących połączeń międzyneuronalnych niż tworzenie się ich od nowa)
Powstawanie i lokalizacja zmian plastyczności:
Współdziałanie
Zjawiska, które nie są wynikiem powstawania zmian plastyczności w obrębie OUN
Zwiększona pobudliwość neuronalna (istniejąca w stanie ogólnego wzbudzenia organizmu np. w wyniku podania leku, kiedy to zwiększa się odpowiedź odruchowa.
Pamięć krótkotrwała, operacyjna np. pamiętanie wyników cząstkowych działań arytmetycznych; brak syntezy nowych białek (w odróżnieniu od pamięci długotrwałej np. pamiętanie tabliczki mnożenia).
Plastyczność (jako trwałe przekształcenie funkcjonalne w wyniku działania określonych bodźców lub ich kombinacji) odpowiedzialna jest za :
Efekty globalnego wpływu środowiska sensorycznego (ze środowiska zewnętrznego odbieraja receptory) na rozwój mózgu (plastycznośc rozwojowa)
Efekty uczenia się, czyli pamięć (plastyczność pamięciowa)
Ośrodkowe efekty kompensacyjne(naprawcze) występujące po uszkodzeniach (plastycznośc kompensacyjna)
PLASTYCZNOŚĆ ROZWOJOWA
zjawiska wzrostu i regresu
Czynniki troficzne
Plastycznośc dorosłej kory mózgowej
Rola neurotransmitterów w plastyczności neuronalnej
Plastycznośc rozwojowa
Wczesny okres życia
Etapy różnicowania komórek nerwowych w czasie rozwoju embrionalnego
- proliferacja (w strefach zarodkowych) i generacja (ostatni podział mitotyczny) specyficznych typów neuronów
- migracja komórek na specyficzne miejsca (wzdłuż rusztowań komórek gleju promienistego)
- dojrzewanie i tworzenie specyficznych połączeń (plastyczności rozwojowej)
Okresy krytyczne
Dla określonych okresów stymulacji sensorycznej występują przedziały czasu, w którym działanie pewnego rodzaju bodźców może wywołać zmiany plastyczne
Metody badania efektów plastyczności:
technika deprywacji sensorycznej
pozbawienie zwierzęcia we wczesnym okresie życia normalnego dopływu bodźców czuciowych określonej modalności, a następnie badanie odchyleń od normy w układzie czuciowym
(np. zaszycie powieki u zwierzęcia i jak zmienia się kora mózgu pod wpływem braku tych bodźców lub wycinanie błony membralnej (słuchowej)
Wynik deprywacji sensorycznej:
- zmniejszenie ilości połączeń synaptycznych na wyższych piętrach deprywowanego układu czuciowego, a istniejące połączenia są mniej specyficzne niż u normalnego zwierzęcia
- zaburzenia procesów uczenia się
Np. pacjent pozbawiony stymulacji wzrokowej obuocznej katarakty, któremu nastepnie usunięto w wieku dojrzałym- ma problemy uczenia się rozpoznawania twarzy członków własnej rodziny
technika stosowana we wczesnym okresie życia wyłącznie bodźców określonego rodzaju
np. hodowanie zwierząt w pomieszczeniach pomalowanych w pionowe paski
(wyniki- większa niż normalnie liczba neuronów w korze mózgu tego zwierzęcia reaguje wybiórczo na takie paski przy czym nie ma reakcji na paski poziome)
Zjawiska wzrostu i regresu
Zjawiska obserwowane podczas rozwoju układu nerwowego, zaliczane do kategorii plastyczności rozwojowej
Tworzenie (modyfikacja połączeń pomiędzy strukturami układu nerwowego)
apoptoza
nadprodukcja i eliminacja
tworzenie drzewek aksonalnych
uzależnienie budowy mózgu od receptorów obwodowych
Plastyczność połączeń wewnatrzkorowych (kolumny orientacji)
Ad.1. Specyficzne połączenia jakie tworzy neutron z innymi neuronami
Tworzenie odpowiednich połączeń
Wysyłanie swych aksonów we właściwym kierunku
(zaprogramowane genetycznie lub przyciąganie rosnących aksonów przez substancje hemitropowe
Tworzenie połączeń pomiędzy strukturami układu nerwowego, doświadczenia nad połączeniami regenerującymi (Roger Sperry)
Zjawiska regeneracji w ukł. Nerwowym wzrokowym kręgowców niższych
Wyniki badań Sperry'ego
- nerw wzrokowy po przecięciu reaguje w pełni (złota rybka, traszka, jaszczurka)
- każde z przeciętych włókien nerwowych wzrastało z powrotem w miejsce w mózgu, w którym miało swoje zakończenia poprzednio.
!!! Występuje i jest zachowana specyficzność pozycji neuronów w siatkówce i tantum (?) , główny mózgowy ośrodek wzrokowy u kręgowców nższych.
Ad. 2. APOPTOZA
- Zaprogramowana (genetycznie) śmierć komórek
- występuje szybko, w określonym przedziale czasu
- układ nn. - nadprodukcja komórek nerwowych
!!! - okres embrionalny i okołonarodzeniowy - masowe obumieranie komórek nn. (40- 80% wytworzonych, nowopowstałych neuronów)
- obumieranie neuronów- śmierć samobójcza
- uruchomienie programu samozabijania wymaga:
- ekspresji genów i syntezy mRNA
- sygnałów z otoczenia (stąd apoptoza mechanizmem plastycznym)
Badania V Hamburgera, R. Levi- Montalaini, M Cowana- układ wzrokowy kkurczat
rola struktury docelowej w mechanizmach apoptozy- usunięcie struktury docelowej (oka) powoduje obumarcie wszytkich neuronów jądra w okresie 4 dni - wszczepienie dodatkowego oka (lub kończyny) chroniło przed apoptozą neurony jądra (lub część motoneuronów unerwiających mięśnie nogi kurczaka)
PRZYPUSZCZENIA:
- neurony obumieraja kiedy nie mogą ,,znaleźć struktury docelowej lub otrzymać” od niej wystarczającej ilości czynnika utrzymującego je przy życiu
- w normalnym rozwoju struktury docelowe produkuja czynnik troficzny wystarczający tylko dla określonej liczby włókien lub tylko określonej jego ilości.
Brak możliwości utworzenia połączeń (za mała ilośc czynnika troficznego)
Uruchamianie
Programu
Zabijania
Czynniki troficzne niezbędne do przeżycia neuronu podczas rozwoju układu nerwowego kręgowców:
- czynniki wzrostu nerwu NGF (nerve growth factor)
- czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego BDNF (brain- derived- neurotrophic- factor)
- prawdopodobnie nieznany jeszcze czynnik wzrostu motoneuronów
Czynniki mające wpływ na apoptozę:
- neuronalne czynniki wzrostowe (troficzne)
- aktywność oferentów oddziałujących ze strukturą docelową
- czynniki troficzne wydzielane przez glej
- białka substancji międzykomórkowej
- lokalne interakcje międzyneuronalne
- wpływ czynników genetycznych na apoptozę (modyfikacja przez wpływy zewnętrzne)
Rola apoptozy:
- regulacja ilości neuronów w okresie neuronalnym i okołonarodzeniowym
- udział w prawidłowym kształtowaniu połączeń nerwowych
* eliminacja niewłaściwie powstałych połączeń
* regulacja i ukierunkowanie prawidłowej projekcji o urodzeniu
- początkowa nadprodukcja neuronów słuzy temu, aby struktury docelowe otrzymały odpowiednio dużo połączeń, a następująca śmierć neuronów służy ilościowemu dopasowaniu do siebie struktur oraz eliminacji pewnych błędów rozwojowych
Ad. 3. Nadprodukcja i eliminacja - zjawiska okołoporodowe
Nadprodukcja poszczególnych elementów i ich późniejsza eliminacja
- synapsy
- neuroreceptory i neurotransmittery
- kolaterale aksonalne
SYNAPSY
- Nadprodukcja synaps w wielu strukturach mózgu (kora wzrokowa u kotów i małp)
- redukcja liczby synaps na motoneuron
* młodociany organizm (we wczesnym okresie synaptogenezy)- nadmierne unerwienie włókien mm. (od więcej niż 1 zakończenia aksonu)
* w ciągu pierwszych tygodni życia- większość synaps zanika
* organizm dorosły- unerwienie włókien mięśniowych z zakończenia jednego aksonu
NADPRODUKCJA RECEPTORÓW I NEUROOPRZEKAŹNIKA
- neuroreceptory dla większości znanych neuroprzekaźników i neuromodulatorów szczególnie w polach czuciowych kory mózgu :
* kora wzrokowa małpy- synchroniczny wzrost liczby receptorów (i synaps) różnych neuroprzekaźników do 100 dnia życia, a następnie ich spadek 50%
- okołonarodzeniowy przerost unerwienia pochodzącego z …………………………………………………………………………………………………
- nadmiar unerwienia noradrenergicznego i serotonergicznego (przeżedza się znacznie w 2
tygodniu zycia; gryzonie)
- wysoka aktywność esterazy acetylocholinowej, która znacznie obniża się w 3- 4 tyg. Zycia
KOLATERALE AKSONALNE
- okołonarodzeniowy przerost aksonów pochodzących ze specyficznych dróg czuciowych i ruchowych
W procesie przechodzenia do dorosłej formy nie wymierają , ale wycofują swoje kolaterale:
Wycofanie klakson występuje w wielu systemach połączeń m. In. Korowo- korowych, wzgórkowo- korowych, korowo- mostowych, międzypółkulowych
- kształt połączeń w procesie przechodzenia od młodocianej do dorosłej formy jest zależny od doświadczenia zmysłowego, obuoczna deprywacja wzrokowa (zszycie powieki) = śmierć 50% neuronów spoidłowych
Sztucznie wywołany zez = utrzymywanie się młodocianej, szerokorozprzestrzenionej formy neuronów spoidłowych u osobników dorosłych (brak wycofania aksonów wystęującego w czasie rozwoju)
Ad. 4. Tworzenie drzewek aksonalnych:
OKRES OKOŁOPORODOWY
- przerosty aksonów (neurytów) neuronów pochodzących zarówno ze specyficznych dróg czuciowych i ruchowych, jak i niespecyficznych układów aktywujących mózg, które następnie ulegają redukcji.
- rosnący neuryt szuka ,,odpowiedniego dla siebie adresu” by utworzyć synapsę (innych włókien charakteryzujących się podobnymi wzorcami wyładowań).
SKORELOWANA AKTYWNOŚĆ SPONTANICZNA:
(aktywność podprogowa nie wywołana potencjałem czynnikowym jak kilka to sumuja się i następuje przekroczenie progu potencjału czynnikowego).
- dwóch komórek zwiększa depolaryzację i poprzez to trwałość aktywnego połączenia synaptycznego amen
Ad. 5. Uzależnienie budowy mózgu od receptorów obwodowych:
WYKŁAD NR 2
Wpływ receptorów obwodowych na budowę mózgu
- pole baryłkowe
Część kory somatosensorycznej mógu gryzoni zawierająca reprezentację mechanoreceptorów związanych z wibryssami (wąsy) rosnącymi na pyszczku
- ułożenie baryłek w korze przypomina ułożenie wibryss na płaszczyźnie
MODYFIKACJA POLA BARYŁKOWEGO:
- myszy nowonarodzone - brak wibryss
- pojawienie się ……………………………………….
- myszy nowonarodzone z usuniętymi rzędami wibryss (receptorem obwodowym)= skurczenie się odpowiedniego rzędu baryłek, a rozrost sąsiednich na to miejsce
- funkcję jaka można wywołać w pierwszych dniach życia (okres krytyczny)
* prawidłowe powstanie pola baryłkowego- gdy brak uszkodzeń zakończeń nerwu czuciowego (procesy degeneracyjne drogi czuciowej unerwiającej normalny rozwój cytokinetyczny)
Ad. 6 PLASTYCZNOŚĆ POŁĄCZEŃ WEWNĄTRZKOROWYCH (KOLUMNY ORIENTACJI)
szczególny przypadek plastyczności rozwojowej
badanie- pobudzenie układu wzrokowego pewna wybraną klasą bodźców wzrokowych, przy eliminacji innych rodzajów tych bodźców
KOLUMNY ORIENTACJI:
Neurony kory wzrokowej
- wybiórczo reaguja na pewne nachylenie bodźca wzrokowego
- są ustawione jeden pod drugim na małym obszarze
Najsilniejsza odpowiedź na bodziec:
- wydłużony (w kształcie pałeczki)
- poruszający się w polu widzenia (z którego rejestruje informacje dany neuron)
- mający odpowiednią orientację (położenie w przestrzeni: pionowo, poziomo, pod kątem)
Np. normalne hodowane koty
Kolumny orientacji poziomej i pionowej są takiej samej wielkości
Koty po urodzeniu nie widziały nic poza:
PASKAMI PIONOWYMI PASKAMI POZIOMYMI
Wiek kilku miesięcy i Wiek kilku miesięcy, dawka radio-
Pokazywano paski pionowe aktywna i pokazywano paski poziome
Aktywowane były szerokie kolumny orientacji (zajmujące większość obszaru kory)
Gdy w czasie inkorporacji izotopu
- koty widziały bodźce inne niż w czasie hodowli, to aktywacja kory była niewielka
Tzn. pokazywano paski inne niż koty były w nich hodowane
Brak normalnego bodźca wzrokowego- zachowana niedojrzała forma połączeń
(przerosty rozgałęzień i poziome pęczki aksonów łączące kolumny odmiennej orientacji)
** dorosła kora wzrokowa- pomiędzy kolumnami orientacji przebiegają poziomo aksony kolumny o tej samej orientacji)
OKRES KRYTYCZNY
- wywołanie trwałych modyfikacji kolumn orientacji- możliwe tylko w czasie 1- wszego miesiąca życia
- brak normalnego bodźca wzrokowego w tym okresie powoduje słaby rozwój kolumn orientacji
- zahamowanie procesów powstawania selektywnych połączeń pomiędzy kolumnami o tej samej orientacji
OKRES KRYTYCZNY
Mechanizm, dzięki któremu układ nerwowy stwarza ,,okienka czasowe” kiedy oczekuje na to, by wpływy otoczenia dały bodźce do zajścia ważnych dla organizmu procesów lub zmian strukturalnych.
PLASTYCZNOŚĆ ROZWOJOWA :
I zjawisko wzrostu i regresu
II czynniki troficzne
III plastyczność kory dorosłej
Czynniki neurotroficzne to:
- substancje troficzne umożliwiające neuronom przeżycie
- brak neurotrofin- uruchamiany mechanizm apoptozy
MECHANIZM APOPTOZY
FUNKCJE, ROLE:
- reguluje mechanizmami plastyczności rozwojowej m.in. liczba neuronów wysyłających połączenia do właściwych im miejsc recepcyjnych
- syntetyzowanie są one przez komórki nerwowe i przez glej
- produkowane są w miejscach docelowych projekcji neuronów (polach, z którymi się łączą)
DZIAŁANIE:
Troficzne lub wspomagające proliferacje komórek w różnym …… ludzi
Substancje białkowe: działanie związane jest z osłoną i wspomaganiem funkcji komórek układu nerwowego
Czynnik wzrostu nerwu (NGF)\
czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego (BDNF)
neurotrofina 3 (NT3)
nabłonkowy czynnik wzrostu (EGF)
Zasadowy czynnik wzrostu fibroblastów (bFGF)
insulinopochodny czynnik wzrostu-1 (IGF-1)
czynnik neurotroficzny zwojów rzęskowych (CNTF)
Pierwsze trzy czynniki mają podobną sekwencję aminokwasów.
NGF, BDNF, NT3
- identyczne pewne sekwencje aminokwasów
- sekwencja aminokwasów w NGF i BDNF jest identyczna u różnych gatunków zwierząt oraz u człowieka
- sekwencje niehomologiczne w strukturze tych białek- podstawa pewnych różnic funkcjonalnych cechujących te związki
- działają przez interakcję ze specyficznymi receptorami w błonie komórkowej
- dokładny mechanizm działania nie jest znany
Efekty działania:
NGF
- zwiększa poziom enzymów związanych z syntezą neurotransmitterów
NGF (rola w obwodowym)
- rola dla przeżywalności neuronów w zwojach czuciowych i współczulnych
- zależnośc neuronów od NGF maleje wraz z dojrzewaniem ukł. Nerwowego
- dorosłe życie osobnicze- funkcjonowanie neuronów w mniejszym stopniu lub większym związane jest z dostępnością NGF
NGF rola w ośrodkowym układzie nerwowym
- szczególnie wrażliwe na NGF neurony cholinergiczne okolicy podstawy mózgu
- w mózgu najwyższy poziom NGF- kora, hipokamp oraz okolica podstawna przodomózgowia
- synteza- w miejscach docelowych projekcji cholinergicznej
(po ………………….. z receptorem wstecznie transportowanym do ciała neuronów cholinergicznych w okolicy podstawnej mózgu
NGF- na wyżej wymienionych oraz na zakończeniach ich aksonów
Troficzny wpływ NGF na neurony cholinergiczne
- obecność NGF- niezbędna do prawidłowego rozwoju cholinergicznego w ośrodkowym układzie
- w czasie dorosłego życia- NGF potrzebny do funkcjonowania OUN:
NGF- może zapobiegać lub kompensować pogorszenie funkcji układu cholinergicznego związane z procesami starzenia się (bo reguluje syntezy białek od których zależy starzenie się komórek)
Degeneracyjne zmiany układu cholinergicznego charakteryzujące się obniżeniem syntezy i poziomu Acht w korze) i okolicy , podstawą są zaburzenia pamięci powodujące choroby:
- Alzheimer
- niektóre demencje
- starcze
- formy choroby Parkinsona
Degeneracja neuronów cholinerg. Okolicy podstawnej u szczurów- podobne do zmian w chorobie Alzheimera
U koni powoduje atrofię neuronów cholinergicznych (ma wpływ na pogorszenie zdolności poznawczych)
EGZOGENA infuzja NGF a poziom aktywności ACHT (Williams)
- NGF stymuluje aktywnośc AchT:
Podanie NGF szczurom - niwelacja 20% różnicy pomiędzy starymi i młodymi szczurami w aktywności AchT; dodatkowo stare szczury odpowiadały silniej na podanie egzogennego NGF.
Długoterminowe podawanie NGF powodowało:
- zwiększenie rozmiarów AchT - pozytywnym
- powstrzymanie atrofii neuronów cholinergicznych
- korzystny wpływ chronicznej infuzji NGF na przechowywanie w pamięci i przypominanie
Brak wpływu- na nabywanie informacji
BDNF obwodowy układ nerwowy
- działanie osłaniające na neurony parasympatyczne, motoneurony rdzenia kręgowego oraz na niektóre neurony czuciowe
- występowanie BDNF- w dużym stopniu pokrywa się z lokalizacją NGF
- w dużych ilościach : okolica podstawna mózgu (kora, hipokamp i ciało migdałowate, struktury węchowe)
- w mniejszych ilościach: śródmózgowie, mózg, rdzeń przedłużony
Działanie troficzne: głównie na neurony cholinergiczne podobnie jak NGF
NT3 (obwodowy układ nerwowy)
- podobne działanie troficzne NT3, BDNF, NGF, ale na komórkach zwojów obwodowego układu komplementarnie)
NT3 (ośrodkowy układ nerwowy)
- wystepowanie
*znacznie mniej powszechne niż NGF i BDNF
*NT3 zakręt, hipokamp, siatkówka,i móżdżek- dużo
*niewysoki poziom: kora gruszkowata (część starej kory)
*brak w korze mózgu
Rola NT3 w OUN
- nie jest czynnikiem troficznym istnym dla przeżywalności neuronów cholinergicznych
- większe znaczenie dla rozwijającego się OUN niż dla dojrzałego
Różny czasowo- przestrzenny wzór ekspresji NGF, BDNF, NT3
Jeden z mechanizmów zapewniających właściwy rozwój OUN oraz jego prawidłowe funkcjonowanie w dorosłości
CNTF czynnik neurotroficzny zwojów rzęskowych
- nie zaliczmy do klasycznych czynników wzrostu (chociaż ma podobne działanie)
- białko cytoplazmatyczne (a nie sekrecyjne)
- nie pełni roli czynników regulujących przeżywalność i różnicowanie tych neuronów w czasie rozwoju
CNTF
Działanie troficze:
- zwiększane ze stanami patofizjologicznymi (chociaż nie wyłącznie)
Rola CNTF w obwodowym układzie nerwowym:
- zwiększenie przeżywalności neuronów:
a) współczulnych
b) przywspółczulnych
c) czuciowych
Rola CNTF w obwodowym układzie nerwowym:
- zwiększa przeżywalność neuronów GABAergicznych i cholinergicznych
- hamuje ich śmierć
- przyspiesza ich różnicowanie
- efekt troficzny CNTF- działa osłaniająco na kom. Hipokampa w określonym przedziale czasu (okres krytyczny: 3 dni od rozpoczęcia hodowli- komórki tracą całkowicie wrażliwość na CNTF)
CNTF rola
- ma znaczenie w różnicowaniu komórek w dojrzewającym układzie nerwowym
(od CNTF zalezy różnicowanie neuronów współczulnych)
- łagodzi skutki uszkodzeń układu nerwowego:
A spowalnia degeneracje motoneuronów po uszkodzeniu nerwów
B egzogenne podawanie NTF (w pobliżu miejsca uszkodzenia) zapobiega degeneracji neuronów ruchowych
GANGLIOZYDY jako czynnik troficzny
- mają działanie troficzne ale nie są białkami glikosofinglipidami
- występują: w błonie komórkowej neuronów
- ich zawartość w tkance nerwowej - zależnie od stadium procesu dojrzewania OUN
Gangliozydy (?) rola w dojrzewaniu i naprawcza
- zaburzony metabolizm gangliozydów (objawy patologiczne w )
- zaburzony …………. Różnicowanie kom. Tk. Nerwowej
- upośledzenie synaps
To było w obwodowym
Ośrodkowy układ nerwowy:
- działanie osłaniające na układ cholinergiczny po uszkodzeniach:
GM1- …………………………………………………
Zespół objawow w uszkodzeniu kory mózgu:
- zaburzenie świadomości, drgawki, objawy wieloogniskowe, rozlane zmiany widoczne w EEG
Przyczyny:
- zapalenie mózgu, zatrucia zewnętrzne i wewnętrzne, urazy mechaniczne, anoksja, zaburzenia metabolizmu
Zespół przewlekłego, rozlanego uszkodzenia mózgu (encefalopatie)
- cechy otępienia, zaburzenia charakterologiczne, wieloogniskowe objawy w różnych kombinacjach
- afazja
- apraksja
- padaczka
- ruchy mimowolne
- uszkodzenie nerwów czaszkowych
- niedowłady
Nasilenie objawów zmiennne
Przyczyny : choroba Alzheimera, zapalenie opon, anoksja, zatrucia, miażdżyca, kiła, choroby metaboliczne
Zespół Gerstmana
- Agnozja palców:
- afazja amnestyczna
- agrafia
- ataksja
- akalkulia
- apraksja
Przyczyny: uszkodzenie zakrętu nadbrzeżnego i kątowego (płat ciemieniowy) po stronie dominującej
Zespół rynienki węchowej:
Jednostronne zniesienie węchu, zanik nerwu wzrokowego (upośledzenie wzroku po stronie uszkodzenia) zaburzenia psychiczne
Przyczyny:
Najczęściej guz u podstawy płata czołowego
Ośrodki korowe układu piramidowego- uszkodzone w zespole naprzemiennym wzrokowo- piramidowym
Zespół tętnicy szyjnej wewnętrznej:
- zespoł Hornera (opadanie powieki, zwężenie średnicy, zapadnięcie gałki ocznej)
- zmiany skojarzonego spojrzenia w bok po stronie uszkodzenia
- afazja globalna- półkula dominująca
- zespół naprzemienny wzrokowo- piramidowy
Abalia- zaburzenie woli.