PLASTYCZNOŚĆ MÓZGU
Plastyczność mózgu to termin wprowadzony przez Jerzego Konorskiego. Określa on zdolność neuronów do ulegania trwałym zmianom w trakcie procesów uczenia się. Termin plastyczność pochodzi od greckiego słowa plaistikos oznaczającego tworzenie. Oznacza to, że w trakcie uczenia się dochodzi do reorganizacji połączeń synaptycznych między neuronami. Obecnie uważa się, że plastyczność neuronalna jest pojęciem szerszym, obejmującym zarówno zmiany zachodzące w procesach uczenia się i pamięci, jak również zmiany rozwojowe i kompensacyjne (naprawcze). Miejscem kluczowym, w którym powstaje i zanika plastyczność mózgu, jest synapsa. To ona ciągle modyfikuje swoje właściwości, zmieniając wydajność przewodzenia impulsów nerwowych. Ta niezwykła zdolność określana jest plastycznością synaptyczną i jest uważana za komórkowe podłoże uczenia się i pamięci. Wyróżnia się różne rodzaje plastyczności mózgu, miedzy innymi: plastyczność rozwojową, pamięciową i kompensacyjną.
Plastyczność rozwojowa jest odpowiedzialna za tworzenie się oraz reorganizację połączeń synaptycznych we wczesnym okresie rozwoju ośrodkowego układu nerwowego. W okresie tym ogromną rolę odgrywają zarówno czynniki genetyczne, jak i środowiskowe. Oznacza to, że do wykształcenia nowych i utrwalenia już istniejących połączeń między neuronami może dojść pod warunkiem ekspresji odpowiednich genów (tj. uruchomienia informacji zawartej w materiale genetycznym) oraz odpowiedniego poziomu pobudzenia przez bodźce zewnętrzne samych neuronów. Trzeba jednak dodać, że im organizm starszy, tym wpływ czynników genetycznych staje się mniej konieczny. Dużą rolę w plastyczności rozwojowej odrywa również proces tzw. apoptozy, tj. zaprogramowanej genetycznie śmierci komórki. Tak więc tworzenie się nowych połączeń synaptycznych, jak również ich obumieranie leży u podstaw zmian morfologicznych i funkcjonalnych zachodzących w trakcie rozwoju OUN. Podczas 40 tygodni ciąży mózg rozwija się intensywnie. Po narodzinach liczba neuronów w mózgu nie wzrasta, ale intensywnie rozwijają się połączenia między neuronami. W chwili narodzin każdy neuron znajdujący się w korze mózgu noworodka posiada 2500synaps. W wieku 2-3 lat każdy neuron znajdujący się w korze dziecka mózgu posiada już 15000 synaps. U dorosłego człowieka liczba synaps przypadająca na pojedynczy neuron wynosi około 7500. We wczesnej fazie rozwoju układu nerwowego występuje nadmiar neuronów, aksonów i synaps, niewykorzystywane lub słabiej wykorzystywane elementy zanikają
Plastyczność pamięciowa odgrywa rolę w procesach uczenia się i zabiegach usprawniających. Dochodzi do wzmocnienia i reorganizacji połączeń między neuronami, w odpowiedzi na specyficzne bodźce. Konsekwencją tego jest powstanie tzw. engramu, to jest pamięciowej zmiany plastycznej.
Istnieje kilka sposobów za pomocą których może dochodzić do owych zmian. Najważniejsze z nich to:
wydłużenie zgrubienia postsynaptycznego
zwiększenie liczby pęcherzyków z neurotransmiterem w obrębie kolbki synaptycznej
wzrost liczby rozgałęzień dendrytów
wzrost liczby kolców dendrytycznych
wzrost liczby synaps
W procesy powstawania śladów pamięciowych (zmian plastycznych) zaangażowany jest również mechanizm genetyczny, który umożliwia zachodzenie tych zmian.
Plastyczność kompensacyjna - w procesach plastyczności kompensacyjnej dochodzi do wytworzenia połączeń między nietypowymi partnerami. Umożliwia to w przypadku uszkodzenia mózgu przywrócenie częściowo lub w pełni utraconych funkcji. Podłożem tego procesu jest obumieranie uszkodzonych neuronów, co umożliwia stosunkowo łatwe wytworzenie nowych połączeń przez inne neurony w pustych miejscach. Lepsze poznanie tych mechanizmów pozwoli, być może, na skuteczniejsze leczenie usprawniające. Należy zwrócić uwagę na to, iż mózg jest strukturą dynamiczną zarówno pod względem morfologicznym, jak i funkcjonalnym, a podstawą tych zmian są właśnie zmiany plastyczne komórek nerwowych.
MECHANIZMY PLASTYCZNOŚCI KOMPENSACYJNEJ
uruchomienie słabych połączeń
sprouting (wyrastanie obocznic) aksonów
zmiany w ośrodkach podkorowych
Sprouting obserwowany jest w sytuacji, gdy akson jest nienaruszony, ale sąsiaduje z uszkodzonym neuronem. Wtedy aktywne neurony wypuszczają odgałęzienia aksonów w stronę mniej pobudzonych obszarów.
MECHANIZMY ZMIAN PLASTYCZNYCH
Hebb: do zmiany połączenia między neuronami konieczne jest skuteczne pobudzenie neuronu postsynaptycznego przez presynaptyczny,
zasada BCM: każda synapsa ma swój próg skutecznego pobudzenia, który jest ruchomy i zależy od aktulanego stanu neuronów i historii danej synapsy,
jeśli pobudzenie przekroczy wartość progową synapsa zostanie wzmocniona.
W ośrodkowym układzie nerwowym człowieka panuje swoista równowaga pomiędzy procesami destrukcyjnymi a naprawczymi (plastycznymi). Badania eksperymentalne i kliniczne ostatnich lat wykazały istotne znaczenie jonów wapniowych w patogenezie chorób układu nerwowego. Nadmiar wapnia jest szczególnie szkodliwy, ponieważ stymuluje kaskadę kwasu arachidonowego, ułatwia uwalnianie neuroprzekaźników pobudzających oraz nasila procesy lipidowej peroksydacji. Zwiększona ilość wolnych rodników w komórce nerwowej pogłębia destrukcję komórki. Końcowym efektem tych zaburzeń jest śmierć neuronu. Z drugiej zaś strony przebiegają procesy odwrotne do destrukcji, czyli procesy naprawcze określane jako plastyczność neuronalna. Miejscem kluczowym, w którym powstaje i zanika plastyczność mózgu, jest synapsa. To ona ciągle modyfikuje swoje właściwości, zmieniając wydajność przewodzenia impulsów nerwowych. Ta niezwykła zdolność określana jest plastycznością synaptyczną i jest uważana za komórkowe podłoże uczenia się i pamięci. Wyróżnia się różne rodzaje plastyczności mózgu, miedzy innymi: plastyczność rozwojową, pamięciową i kompensacyjną. Mechanizmy plastyczności obejmują: zmiany pobudliwości neuronów, długotrwałą potencjalizację (LTP), anatomiczne zmiany i tworzenie nowych zakończeń w synapsach. Jony wapniowe, kanały wapniowe, receptory NMDA, wolne rodniki i nadtlenki lipidów biorą istotny udział w plastyczności mózgu.
Plastyczność mózgu dzielimy na plastyczność rozwojową, pamięciową i kompensacyjną.
Plastyczność rozwojowa dotyczy ogromnych zmian , które zachodzą w mózgu dorastającego dziecka. W okresie tym możliwości samonaprawy mózgu oraz nauki są wyjątkowo duże. Wiąże się to ze zdolnością do wzrostu aksonów i dendrytów, co sprzyja powstawaniu nowych połączeń. Rosnące neurony znajdują odpowiednią drogę dzięki temu, że neurony docelowe są znaczone chemicznie.
Plastyczność pamięciowa związana jest z uczeniem i zapamiętywaniem na drodze powtarzanych bodźców zewnętrznych, które stwarzają warunki do powstawania nowych dróg nerwowych w mózgu.
Z punktu widzenia fizjoterapii, najważniejszym zjawiskiem jest plastyczność kompensacyjna. Zdolność biologiczna mózgu do samonaprawy po uszkodzeniu.
Plastyczność mózgu (neuroplastyczność) oznacza jego zdolność do ulegania trwałym zmianom w procesie rozwoju, kompensacji oraz uczenia się. Odbywa się to poprzez reorganizację (tworzenie i obumieranie) połączeń synaptycznych między neuronami.
Pojęcie to zostało wprowadzone przez polskiego uczonego Jerzego Konorskiego. Plastyczność leży u podstaw zdolności mózgu do adaptacji, samonaprawiania, uczenia się oraz procesów pamięciowych.
Plastyczność mózgu nie jest cechą jedynie organizmów dojrzewających - zachodzi w każdym wieku, niemniej jednak inne mechanizmy mogą być tu dominujące.
Może objawiać się jako: *plastyczność rozwojowa - związana z dojrzewaniem organizmu, *plastyczność kompensacyjna - związana z uszkodzeniami obwodowymi i centralnymi, *plastyczność związana z okresowym lub stałym nasileniem określonych bodźców czy też z procesem uczenia się i pamiętania.
Zrozumienie mechanizmów plastyczności mózgu ma ogromne znaczenie dla rozwoju skutecznych technik rehabilitacji oraz wyodrębnienia i usunięcia przyczyn niekorzystnych, patologicznych zmian. Plastyczność kory mózgu jest wynikiem jej organizacji w postaci rozproszonej sieci. Sieci te zdolne są do ciągłej reorganizacji.
Dodatkowymi czynnikami sprzyjającymi plastyczności kory mózgu są: *nakładanie się funkcji między poszczególnymi obszarami kory mózgu, *gęste wzajemne połączenia między nimi, *istnienie wielodrożności - równoległych dróg obejścia. Nieuszkodzone obszary sieci są zdolne do przejęcia funkcji realizowanych przez uszkodzone lub niedostępne w inny sposób obszary.
Reorganizacja kory mózgu może zachodzić jednocześnie na różnych poziomach: *lokalnie - w rejonach sąsiadujących z uszkodzeniem, *w nieuszkodzonych obszarach tej samej półkuli mózgu, *w obszarach nietkniętej półkuli mózgu.
Te lokalne zmiany mogą być przyspieszone, a ich zakres rozszerzony przez odpowiedni dobór strategii rehabilitacyjnej. Pomimo wspólnych mechanizmów procesy te mogą być zindywidualizowane przez stan danego organizmu, warunki środowiskowe czy intensywność interakcji.
Omawiany proces reorganizacji kory mózgu zachodzi w sposób naturalny podczas uczenia się nowych umiejętności. Wykorzystuje go również rehabilitacja jako proces ukierunkowanego uczenia.
W mózgu istnieje szereg potencjalnych (rezerwowych) połączeń, które w normalnej sytuacji nie odgrywają żadnej roli - są nadmiarowe. Mózg jest gotowy wykorzystać je lub stworzyć nowe, gdy tylko zajdzie nietypowa sytuacja: nauka nowej umiejętności lub uszkodzenie dotychczas poprawnie działających elementów.
Warunkiem do wytworzenia takich połączeń jest odpowiednia stymulacja pobudzająca ich aktywność. Stymulację tą zapewnia właściwy rodzaj bodźców wchodzących. Działa to również w drugą stronę - połączenia nieużywane z czasem mogą stać się nieaktywne, a mózg zaczyna je traktować jako rezerwowe.
Badania za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) pokazały powiązanie między poprawą funkcji motorycznej a zwiększoną aktywnością w odpowiadającym tej funkcji obszarze kory motorycznej. Dodatkowym potwierdzeniem były badania z czasowym wyłączeniem części kory motorycznej za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS).
Dotychczas zidentyfikowano wiele mechanizmów składających się na neuroplastyczność. Poznanie mechanizmów plastyczności mózgu oprócz diagnostyki obrazowej umożliwiają zaawansowane modele informatyczne oparte na sztucznych sieciach neuronowych.
Plastyczność jest jedną z najważniejszych cech układu nerwowego. Jest ona podstawą nowoczesnej neurorehabilitacji. Powrót do zdrowia na skutek neurorehabilitacji jest związany z zachodzeniem zmian w organizacji mózgu.