Oproti běžným představám vyjádřeným v tomto diagramu nejsou mozkové funkce omezeny na určitá pevná místa.
Neuroplasticita (z neurální – týkající se nervů a/nebo mozku a plastické – tvarovatelné nebo měnitelné struktury), také známá jako plasticita mozku, odkazuje na změny v nervových drahách a synapsích, které jsou způsobeny změnami v chování, prostředí a nervových procesech, stejně jako změny vyplývající z tělesného zranění. Neuroplasticita nahradila dříve zastávanou pozici, že mozek je fyziologicky statický orgán, a zkoumá, jak – a jakými způsoby – se mozek v průběhu života mění.
Neuroplasticita se vyskytuje na různých úrovních, od buněčných změn způsobených učením až po rozsáhlé změny spojené s přetvářením kůry v reakci na zranění. Úloha neuroplasticity je široce uznávána ve zdravém vývoji, učení, paměti a zotavení z poškození mozku. Během většiny 20. století panovala mezi neurovědci všeobecná shoda, že struktura mozku je po kritickém období v raném dětství relativně neměnná. Toto přesvědčení bylo zpochybněno zjištěními, která odhalila, že mnoho aspektů mozku zůstává plastických i v dospělosti.
Hubel a Wiesel prokázali, že sloupce oční dominance v nejnižší neokortikální zrakové oblasti, V1, byly po kritickém období vývoje do značné míry neměnné. Kritická období byla studována také s ohledem na jazyk; výsledné údaje naznačovaly, že smyslové dráhy byly po kritickém období zafixovány. Studie však zjistily, že změny prostředí by mohly změnit chování a poznávání modifikací spojení mezi existujícími neurony a prostřednictvím neurogeneze v hipokampu a dalších částech mozku, včetně mozečku.
Desítky let výzkumu nyní ukázaly, že k podstatným změnám dochází v nejnižších oblastech neokortikálního zpracování a že tyto změny mohou zásadně změnit schéma neuronální aktivace v reakci na prožitek. Neurovědecký výzkum ukazuje, že prožitek může skutečně změnit jak fyzickou strukturu mozku (anatomii), tak funkční organizaci (fyziologii). Neurovědci se v současnosti zabývají porovnáním studií z kritického období, které demonstrují neměnnost mozku po vývoji s novějším výzkumem, který ukazuje, jak se mozek může a mění.
Jeden ze základních principů fungování neuroplasticity je spojen s konceptem synaptického prořezávání, tedy s myšlenkou, že jednotlivá spojení v mozku jsou neustále odstraňována nebo znovu vytvářena, do značné míry závislá na tom, jak jsou používána. Tento koncept je zachycen v aforismu, „neurony, které spolu hoří, propojují se“ / „neurony, které hoří od sebe, propojují se“. Pokud jsou poblíž dva neurony, které často produkují impuls současně, jejich kortikální mapy se mohou stát jedním. Tato myšlenka funguje i opačným způsobem, tj. že neurony, které pravidelně neprodukují simultánní impulsy, vytvoří různé mapy.
Kortikální organizace, zejména pro smyslové systémy, je často popisována pomocí map. Například smyslové informace z chodidla se promítají do jednoho kortikálního místa a výstupky z ručního terče do jiného místa. Výsledkem této somatotopické organizace smyslových vstupů do kortexu je, že kortikální reprezentace těla připomíná mapu (nebo homunkulus).
Koncem sedmdesátých a začátkem osmdesátých let začalo několik skupin zkoumat dopady odstraňování částí smyslových vstupů. Michael Merzenich, Jon Kaas a Doug Rasmusson používali kortikální mapu jako svou závislou proměnnou. Zjistili – a od té doby to potvrdila široká škála laboratoří – že pokud kortikální mapa přijde o svůj vstup, aktivuje se později v reakci na jiné, obvykle přilehlé vstupy. Merzenichova (1984) studie zahrnovala mapování rukou sovy opičí před a po amputaci třetí číslice. Před amputací bylo pět odlišných oblastí, jedna odpovídala každé číslici experimentální ruky. Šedesát dva dní po amputaci třetí číslice byla oblast v kortikální mapě dříve obsazená touto číslicí napadena dříve přilehlými zónami druhé a čtvrté číslice. Oblasti představující číslici jedna a pět se nenacházejí přímo vedle oblasti představující číslici tři, takže tyto oblasti zůstaly po amputaci z větší části nezměněny. Tato studie ukazuje, že pouze ty oblasti, které hraničí s určitou oblastí, ji napadnou, aby změnily kortikální mapu. V somatickém smyslovém systému, v němž byl tento jev nejdůkladněji zkoumán, JT Wall a J Xu vystopovali mechanismy, které jsou základem této plasticity. Reorganizace není kortikálně emergentní, ale dochází k ní na všech úrovních hierarchie zpracování; tím vznikají mapové změny pozorované v mozkové kůře.
Merzenich a William Jenkins (1990) iniciovali studie týkající se smyslové zkušenosti, bez patologického perturbace, s kortikálně pozorovanou plasticitou v somatosenzorickém systému primátů, se zjištěním, že smyslová místa aktivovaná při navštěvovaném operantním chování zvyšují své kortikální zastoupení. Krátce poté Ford Ebner a jeho kolegové (1994) vyvinuli podobné úsilí v kortexu whiskeru hlodavců (také somatický smyslový systém). Tyto dvě skupiny se v průběhu let značně rozcházely. Úsilí v oblasti whiskeru hlodavců se stalo středem zájmu pro Ebnera, Matthewa Diamonda, Michaela Armstronga-Jamese, Roberta Sachdeva, Kevina Foxe a velké průniky byly provedeny při identifikaci lokusu změny jako místa na kortikálních synapsích exprimujících NMDA receptory a při implikaci cholinergních vstupů jako nezbytných pro normální expresi. Nicméně studie hlodavců byly špatně zaměřeny na behaviorální stránku a Ron Frostig a Daniel Polley (1999, 2004) identifikovali behaviorální manipulace jako příčinu podstatného vlivu na kortikální plasticitu v tomto systému.
Merzenich a DT Blakeovi (2002, 2005, 2006) pokračovali v používání kortikálních implantátů ke studiu vývoje plasticity v somatosenzorickém i sluchovém systému. Oba systémy vykazují podobné změny, pokud jde o chování. Když je podnět kognitivně spojen se zesílením, jeho kortikální zastoupení je posíleno a zvětšeno. V některých případech se kortikální zastoupení může zvýšit dvakrát až třikrát za 1-2 dny v době, kdy je poprvé získáno nové senzorické motorické chování, a změny jsou z velké části dokončeny nejdéle během několika týdnů. Kontrolní studie ukazují, že tyto změny nejsou způsobeny pouze smyslovým prožitkem: vyžadují učení se o smyslovém prožitku a jsou nejsilnější u podnětů, které jsou spojeny s odměnou, a vyskytují se se stejnou lehkostí v operantním i klasickém podmiňovacím chování.
Zajímavým fenoménem zahrnujícím kortikální mapy je výskyt fantomových končetin. Fantomové končetiny zažívají lidé, kteří podstoupili amputace rukou, paží a nohou, ale neomezuje se to jen na končetiny. Ačkoli neurologický základ fantomových končetin stále není zcela pochopen, předpokládá se, že důležitou roli hraje kortikální reorganizace.
Norman Doidge, po vzoru Michaela Merzenicha, odděluje projevy neuroplasticity do adaptací, které mají pozitivní nebo negativní důsledky pro chování. Pokud se například organismus dokáže po mrtvici zotavit na normální úroveň výkonu, tato adaptabilita by mohla být považována za příklad „pozitivní plasticity“. Změny jako nadměrná úroveň neuronálního růstu vedoucí ke spasticitě nebo tonické paralýze nebo nadměrné uvolňování neurotransmiterů v reakci na poranění, které by mohlo zabít nervové buňky, by musely být považovány za „negativní“ plasticitu. Kromě toho jsou drogová závislost a obsedantně kompulzivní porucha považovány doktorem Doidgem za příklady „negativní plasticity“, protože synaptické dráždění vedoucí k tomuto chování je také vysoce nepřizpůsobivé.
Studie z roku 2005 zjistila, že účinky neuroplasticity se objevují ještě rychleji, než se dříve očekávalo. Mozky studentů medicíny byly snímány v období, kdy studovali na zkoušky. Během několika měsíců se výrazně zvýšila šedá hmota studentů v zadní a laterální kůře parietální.
Překvapivým důsledkem neuroplasticity je to, že mozková aktivita spojená s danou funkcí se může přesunout do jiného místa; to může vyplývat z běžné zkušenosti a dochází k tomu i v procesu zotavování z poranění mozku. Neuroplasticita je základním problémem, který podporuje vědecký základ pro léčbu získaného poranění mozku cílenými experimentálními terapeutickými programy v kontextu rehabilitačních přístupů k funkčním důsledkům poranění.
Mozek dospělých není „pevně napojen“ na pevné neuronální obvody. Existuje mnoho případů kortikálního a subkortikálního přepínání neuronálních obvodů v reakci na trénink i v reakci na zranění. Existují solidní důkazy, že neurogeneze (zrození mozkových buněk) se vyskytuje v mozku dospělých savců – a takové změny mohou přetrvávat až do vysokého věku. Důkazy o neurogenezi jsou omezeny především na hipokampus a čichovou bulbu, ale současný výzkum odhalil, že mohou být zapojeny i další části mozku, včetně mozečku.
Ve zbytku mozku mohou neurony zemřít, ale nemohou být vytvořeny. Nicméně nyní existuje dostatek důkazů pro aktivní, na zkušenostech závislou reorganizaci synaptických sítí mozku zahrnující více vzájemně propojených struktur včetně mozkové kůry. Konkrétní podrobnosti o tom, jak tento proces probíhá na molekulární a ultrastrukturální úrovni, jsou tématy aktivního výzkumu neurovědy. Způsob, jakým může zkušenost ovlivnit synaptickou organizaci mozku, je také základem pro řadu teorií mozkových funkcí včetně obecné teorie mysli a epistemologie označované jako neurální darwinismus a vyvinuté imunologem nositelem Nobelovy ceny Geraldem Edelmanem. Koncept neuroplasticity je také ústředním tématem teorií paměti a učení, které jsou spojeny se zkušenostmi řízenou změnou synaptické struktury a funkce ve studiích klasické klimatizace u modelů bezobratlých živočichů, jako je Aplysia. Tento druhý program neurovědeckého výzkumu vychází z průlomové práce dalšího nositele Nobelovy ceny Erica Kandela a jeho kolegů z Columbia University College of Physicians and Surgeons.
Paul Bach-y-Rita, zesnulý v roce 2006, byl „otcem smyslové substituce a plasticity mozku“. Při práci s pacientkou, jejíž vestibulární systém byl poškozen, vyvinul BrainPort, přístroj, který „nahrazuje její vestibulární aparát a [bude] vysílat do jejího mozku signály rovnováhy z jejího jazyka“. Poté, co tento přístroj nějakou dobu používala, už nebyl nutný, protože znovu získala schopnost normálně fungovat. Její dny balancování skončily.
Hlavním vysvětlením tohoto jevu je plasticita. Protože její vestibulární systém byl „neuspořádaný“ a vysílal spíše náhodné než koherentní signály, aparát našel kolem poškozených nebo zablokovaných nervových drah nové dráhy, které pomáhaly posílit signály, které vysílaly zbývající zdravé tkáně. Bach-y-Rita plasticitu vysvětlovala slovy: „Pokud jedete odsud do Milwaukee a hlavní most zhasne, nejprve jste ochrnutí. Pak jedete starými vedlejšími cestami přes zemědělskou půdu. Pak tyto cesty více používáte; najdete kratší cesty, které využijete, abyste se dostali tam, kam chcete, a začnete se tam dostávat rychleji. Tyto „sekundární“ nervové dráhy jsou „odhaleny“ nebo odhaleny a posíleny, jak jsou používány. Proces „odhalení“ je obecně považován za jeden z hlavních způsobů, kterým se plastický mozek sám reorganizuje.“
Skupina Randyho Nuda zjistila, že pokud je malá cévní mozková příhoda (infarkt) vyvolána obstrukcí průtoku krve do části opičí motorické kůry, část těla, která reaguje pohybem, se při stimulaci oblastí přiléhajících k poškozené oblasti mozku pohne. V jedné studii byly u devíti normálních opic použity techniky mapování intrakortikální mikrostimulace (ICMS). Některé podstoupily procedury ischemického infarktu a jiné procedury ICMS. Opice s ischemickým infarktem si při odběru potravy uchovaly větší ohebnost prstů a po několika měsících se tento deficit vrátil na předoperační úroveň. Co se týče zastoupení distální části přední končetiny, „postupy mapování po infarktu odhalily, že reprezentace pohybu prošly reorganizací v celé přilehlé, nepoškozené kůře mozkové.“ Pochopení interakce mezi poškozenou a nepoškozenou oblastí poskytuje základ pro lepší léčebné plány u pacientů s cévní mozkovou příhodou. Současný výzkum zahrnuje sledování změn, které se vyskytují v motorických oblastech mozkové kůry v důsledku cévní mozkové příhody. Tak lze zjistit události, které se vyskytují v reorganizačním procesu mozku. Nudo se také podílí na studiu léčebných plánů, které mohou zlepšit zotavení po cévní mozkové příhodě, jako je fyzioterapie, farmakoterapie a terapie elektrickou stimulací.
Neuroplasticita získává na popularitě jako teorie, která alespoň částečně vysvětluje zlepšení funkčních výsledků fyzikální terapií po mozkové mrtvici. Rehabilitační techniky, které mají důkazy naznačující kortikální reorganizaci jako mechanismus změny, zahrnují pohybovou terapii indukovanou omezením, funkční elektrickou stimulaci, trénink běhacího pásu s podporou tělesné hmotnosti a terapii virtuální realitou. Robotická asistovaná terapie je nově vznikající technika, u které se také předpokládá, že bude fungovat prostřednictvím neuroplasticity, ačkoli v současné době není dostatek důkazů pro určení přesných mechanismů změny při použití této metody.
Jon Kaas, profesor na Vanderbiltově univerzitě, byl schopen ukázat, „jak somatosenzorická oblast 3b a ventroposterior (VP) jádro thalamu jsou ovlivněny dlouhotrvajícími jednostrannými lézemi hřbetní páteře na úrovni děložního čípku u makaků.“ Mozky dospělých mají schopnost se v důsledku poranění měnit, ale rozsah reorganizace závisí na rozsahu poranění. Jeho nedávný výzkum se zaměřuje na somatosenzorický systém, který zahrnuje vnímání těla a jeho pohybů pomocí mnoha smyslů. Obvykle, když lidé poškodí somatosenzorickou kůru, dochází k narušení tělesného vnímání. Snaží se zjistit, jak jsou tyto systémy (somatosenzorické, kognitivní, motorické systémy) v důsledku poranění plastické.
Jedna z posledních aplikací neuroplasticity zahrnuje práci týmu lékařů a výzkumníků na Emoryho univerzitě, konkrétně Dr. Donalda Steina (který se v oboru pohybuje přes tři desetiletí) a Dr. Davida Wrighta. Jedná se o první léčbu po 40 letech, která má významné výsledky v léčbě traumatických poranění mozku a zároveň nevyvolává žádné známé vedlejší účinky a je levná na podávání. Dr. Stein si všiml, že myší samice se zřejmě zotavují z poranění mozku lépe než myší samci. Také u samic si všiml, že v určitých bodech estrálního cyklu se samice zotavují ještě více. Po mnoha výzkumech připsali tento rozdíl kvůli hladinám progesteronu. Nejvyšší přítomná hladina progesteronu vedla k nejrychlejšímu zotavení poranění mozku u těchto myší.
Vyvinuli léčbu, která zahrnuje zvýšenou hladinu injekcí progesteronu, které se podávají pacientům s poraněným mozkem. „Podání progesteronu po traumatickém poranění mozku (TBI) a mozkové mrtvici snižuje edém, zánět a odumření neuronových buněk a zlepšuje prostorovou referenční paměť a smyslovou motorickou obnovu.“ Ve svých klinických studiích měli skupinu těžce zraněných pacientů, u kterých po třech dnech injekcí progesteronu došlo k 60% snížení úmrtnosti. Sam* měl příšernou autonehodu, při které měl okrajovou mozkovou aktivitu; podle lékařů byl jeden bod od mozkové smrti. Rodiče se rozhodli, že se zúčastní klinické studie doktora Steina a dostal třídenní léčbu progesteronem. Tři roky po nehodě dosáhl inspirujícího uzdravení bez mozkových komplikací a schopnosti žít zdravý, normální život.
Stein provedl několik studií, v nichž bylo zjištěno, že příznivé účinky jsou u starších potkanů podobné účinkům pozorovaným u mladších potkanů. Vzhledem k tomu, že existují fyziologické rozdíly v obou věkových skupinách, byl model upraven pro starší zvířata snížením jejich hladiny stresu při zvýšeném fyzickém kontaktu. Během operace byla anestezie udržována na vyšší hladině kyslíku s nižším celkovým procentem isofluranu a „starším zvířatům byl po operaci podán podkožně laktátový ringerův roztok, který nahradil tekutiny ztracené v důsledku zvýšeného krvácení“. Slibné výsledky léčby progesteronem „by mohly mít významný vliv na klinickou léčbu TBI“. Bylo prokázáno, že tato léčba působí na lidské pacienty, kteří dostávají léčbu brzy po TBI. Dr. Stein však nyní zaměřuje svůj výzkum na osoby, které mají dlouholeté traumatické poranění mozku, aby zjistil, zda jim progesteronová léčba pomůže také při obnově ztracených funkcí.
Léčba poruch učení
Michael Merzenich vyvinul sérii „počítačových programů založených na plasticitě, známých jako Fast ForWord“. FastForWord nabízí sedm mozkových cvičení, která pomáhají s jazykovými a studijními deficity dyslexie. V nedávné studii byl proveden experimentální trénink u dospělých, aby se zjistilo, zda pomůže čelit negativní plasticitě, která vyplývá z kognitivního poklesu souvisejícího s věkem (ARCD). Design ET zahrnoval šest cvičení, která byla navržena tak, aby zvrátila dysfunkce způsobené ARCD v oblasti kognice, paměti, motorického ovládání a tak dále . Po použití ET programu po dobu 8-10 týdnů došlo k „významnému zvýšení výkonnosti specifické pro konkrétní úkol“. Údaje shromážděné ze studie naznačily, že program založený na neuroplasticitě by mohl výrazně zlepšit kognitivní funkce a paměť u dospělých s ARCD.
Neuroplasticita při obsluze rozhraní mozek-stroj
Rozhraní mozek-stroj (BMI) je rychle se rozvíjející obor neurovědy. Podle výsledků získaných Michailem Lebeděvem, Miguelem Nicolelisem a jejich kolegy vede provoz BMI k zabudování umělých pohonů do mozkových reprezentací. Vědci prokázali, že modifikace v neuronální reprezentaci opičí ruky a pohonu, který byl řízen opičím mozkem, se vyskytovaly v několika kortikálních oblastech, zatímco opice provozovala BMI. V těchto jednodenních experimentech opice zpočátku pohybovaly pohonem stiskem joysticku. Po zmapování motorických neuronových kompletů bylo ovládání pohonu přepnuto na model kompletů tak, aby činnost mozku, a nikoli ruky, ovládala přímo pohon. Aktivita jednotlivých neuronů a neuronálních populací se stala méně reprezentativní pro pohyby rukou zvířete, zatímco představovala pohyby pohonu. Předpokládá se, že v důsledku této adaptace mohla zvířata nakonec přestat pohybovat rukama a přesto dále ovládat aktuátor. Během kontroly BMI se tedy kortikální soubory během desítek minut plasticky adaptují tak, aby představovaly behaviorálně významné motorické parametry, i když nejsou spojeny s pohyby vlastní končetiny zvířete.
Aktivní laboratorní skupiny zahrnují skupiny Johna Donoghuea na Brownově univerzitě, Richarda Andersena na Caltechu, Krishny Shenoye na Stanfordově univerzitě, Nicholase Hatsopoulose z Chicagské univerzity, Andyho Schwartze na Pittsburghské univerzitě, Sandra Mussy-Ivaldiho na Northwesternu a Miguela Nicolelise na Dukeově univerzitě. Donoghueovy a Nicolelisovy skupiny nezávisle prokázaly, že zvířata mohou ovládat vnější rozhraní při úkolech vyžadujících zpětnou vazbu pomocí modelů založených na aktivitě kortikálních neuronů a že zvířata mohou adaptivně měnit své myšlení, aby modely fungovaly lépe. Donoghueova skupina převzala implantáty z laboratoře Richarda Normanna v Utahu (tzv. „Utažské“ pole) a vylepšila je změnou izolace z polyimidu na parylen-c a komercializovala je prostřednictvím společnosti Cyberkinetics. Tyto snahy jsou hlavním kandidátem na první pokusy na lidech v širokém měřítku s motorickými kortikálními implantáty, které pomohou kvadruplegikům nebo uzamčeným pacientům komunikovat s vnějším světem.
Neuroplasticita se podílí na rozvoji smyslových funkcí. Mozek se rodí nezralý a po narození se přizpůsobuje smyslovým vstupům. Ve sluchovém systému bylo prokázáno, že vrozená porucha sluchu, poměrně častý vrozený stav postihující 1 z 1000 novorozenců, ovlivňuje sluchový vývoj a implantace smyslových protéz aktivující sluchový systém zabránila deficitům a vyvolala funkční zrání sluchového systému Vzhledem k citlivému období plasticity existuje také citlivé období pro takový zásah v prvních 2-4 letech života. U prelingvně neslyšících dětí tak časná kochleární implantace zpravidla umožňuje naučit se mateřský jazyk a osvojit si akustickou komunikaci.
Diagramatické vysvětlení zrcátkové skříňky. Pacient vloží zdravou končetinu do jedné strany skříňky (v tomto případě do pravé ruky) a amputovanou končetinu do druhé strany. Díky zrcátku vidí pacient odraz zdravé ruky v místě, kde by chybějící končetina byla (vyznačeno nižším kontrastem). Pacient tak dostává umělou vizuální zpětnou vazbu, že se „vzkříšená“ končetina při pohybu zdravou rukou nyní pohybuje.
Zkušenost s fantomovými končetinami je jev, při kterém člověk stále cítí bolest nebo pocit v části svého těla, která byla amputována. To je podivně časté, vyskytuje se to u 60-80% amputovaných. Vysvětlení pro to odkazuje na pojem neuroplasticity, protože kortikální mapy odstraněných končetin jsou považovány za zabývající se oblastí kolem nich v postcentrálním gyru. To má za následek, že činnost v okolní oblasti mozkové kůry je nesprávně interpretována oblastí mozkové kůry, která byla dříve zodpovědná za amputovanou končetinu.
Vztah mezi fantomovými končetinami a neuroplasticitou je složitý. Na počátku 90. let V.S. Ramachandranová teoretizovala, že fantomové končetiny jsou výsledkem kortikální reorganizace. Nicméně v roce 1995 Herta Florová a její kolegové demonstrovali, že kortikální remapping se vyskytuje pouze u pacientů, kteří mají fantomovou bolest. Její výzkum ukázal, že fantomová bolest končetin (spíše než odkazované pocity) byla percepčním korelátem kortikální reorganizace. Tento jev je někdy označován jako maladaptivní plasticita.
V roce 2009 provedli Lorimer Moseley a Peter Brugger pozoruhodný experiment, ve kterém vybídli subjekty s amputovanými pažemi, aby používaly vizuální obrazy k tomu, aby zkroutily své fantomové končetiny do nemožných konfigurací. Čtyřem ze sedmi subjektů se podařilo provést nemožné pohyby fantomové končetiny. Tento experiment naznačuje, že subjekty upravily neurální reprezentaci svých fantomových končetin a generovaly motorické příkazy potřebné k provedení nemožných pohybů bez zpětné vazby od těla. Autoři uvedli, že:“Ve skutečnosti toto zjištění rozšiřuje naše chápání plasticity mozku, protože je důkazem, že hluboké změny v mentální reprezentaci těla mohou být vyvolány čistě vnitřními mozkovými mechanismy – mozek skutečně mění sám sebe.“
Jedinci, kteří trpí chronickou bolestí, zažívají dlouhotrvající bolest v místech, která mohla být dříve poraněna, ale jinak jsou v současné době zdraví. Tento jev souvisí s neuroplasticitou v důsledku maladaptivní reorganizace nervového systému, a to jak periferně, tak centrálně. V období poškození tkáně způsobují škodlivé podněty a zánět zvýšení nociceptivního vstupu z periferie do centrálního nervového systému. Prodloužená nocicepce z periferie pak vyvolá neuroplastickou reakci na kortikální úrovni, která změní její somatotopickou organizaci pro bolestivé místo a vyvolá centrální senzibilizaci. Například u jedinců se syndromem komplexní regionální bolesti se projevuje snížené kortikální somatotopické zastoupení ruky kontralaterálně, stejně jako snížené rozestupy mezi rukou a ústy. Navíc bylo hlášeno, že chronická bolest významně snižuje objem šedé hmoty v mozku celkově, a konkrétněji v prefrontální kůře a pravém thalamu. Nicméně po léčbě jsou tyto abnormality kortikální reorganizace a objem šedé hmoty vyřešeny, stejně jako jejich příznaky. Podobné výsledky byly hlášeny u fantomové bolesti končetin, chronické bolesti dolní části zad a syndromu karpálního tunelu.
Řada studií spojuje meditační praxi s rozdíly v tloušťce kortikální kůry nebo hustotě šedé hmoty. Jednu z nejznámějších studií, která to dokazuje, vedla Sara Lazarová z Harvardovy univerzity v roce 2000. Richard Davidson, neurovědec z University of Wisconsin, vedl ve spolupráci s dalajlamou experimenty o účincích meditace na mozek. Jeho výsledky naznačují, že dlouhodobé nebo krátkodobé provádění meditace vede k různým úrovním aktivity v mozkových oblastech spojených s takovými vlastnostmi, jako je pozornost, úzkost, deprese, strach, hněv, schopnost těla se samo uzdravit a tak dále. Tyto funkční změny mohou být způsobeny změnami ve fyzické struktuře mozku.
Ve studii z roku 2009 vědci nechali dvě skupiny myší plavat ve vodním bludišti a pak je v samostatném pokusu podrobili nepříjemnému podnětu, aby zjistili, jak rychle se od něj naučí vzdalovat. Pak během následujících čtyř týdnů nechali jednu skupinu myší běhat uvnitř svých kol hlodavců, což je činnost, kterou si většina myší užívá, zatímco druhou skupinu nutili pracovat tvrději na miniběžeckých pásech rychlostí a délkou trvání, kterou vědci kontrolovali. Poté obě skupiny znovu testovali, aby sledovali jejich schopnosti učení a paměť. Obě skupiny myší si oproti předešlému pokusu vylepšily své výkony ve vodním bludišti. Ale jen extra pracovití běžci na běžeckých pásech byli lepší v vyhýbání se úkolu, což je dovednost, která podle neurovědců vyžaduje složitější kognitivní odezvu.
Myši, které byly nuceny běhat na běžeckých pásech, vykazovaly při pohledu pod mikroskopem známky molekulárních změn v několika částech mozku, zatímco dobrovolní běžci na kolech vykazovali změny pouze v jedné oblasti. „Naše výsledky podporují představu, že různé formy cvičení vyvolávají neuroplasticitní změny v různých oblastech mozku,“ řekl Chauying J. Jen, profesor fyziologie a autor studie.
Lidská echolokace je naučená schopnost člověka vnímat své okolí z ozvěn. Tuto schopnost používají někteří slepí lidé k orientaci ve svém okolí a k detailnímu vnímání svého okolí. Studie z let 2010 a 2011 využívající techniky funkční magnetické rezonance ukázaly, že části mozku spojené s vizuálním zpracováním jsou přizpůsobeny nové dovednosti echolokace.
Plasticita byla poprvé aplikována na chování v roce 1890 Williamem Jamesem v knize Principy psychologie, i když tato myšlenka byla v následujících padesáti letech značně zanedbávána[potřebná citace]. Zdá se, že první osobou, která použila termín neurální plasticita, byl polský neurovědec Jerzy Konorski.
Vzhledem k zásadnímu významu neuroplasticity by bylo člověku zvenčí odpuštěno, kdyby předpokládal, že je dobře definována a že základní a univerzální rámec slouží k nasměrování současných a budoucích hypotéz a experimentů. Bohužel tomu tak ale není. Zatímco mnoho neurovědců používá slovo neuroplasticity jako zastřešující termín, pro různé výzkumníky v různých podoblastech znamená různé věci… Stručně řečeno, vzájemně dohodnutý rámec zřejmě neexistuje.
Až do 70. let 20. století byla v celé neurovědě přijímána myšlenka, že nervový systém je v podstatě fixován po celou dobu dospělosti, a to jak z hlediska mozkových funkcí, tak i myšlenky, že je nemožné, aby se po narození vyvinuly nové neurony.
V roce 1793 popsal italský anatom Michele Vicenzo Malacarne experimenty, při nichž pároval zvířata, několik let jednoho z páru intenzivně cvičil a pak oba pitval. Zjistil, že mozečky cvičených zvířat byly podstatně větší. Na tyto poznatky se ale nakonec zapomnělo. Myšlenku, že mozek a jeho funkce nejsou po celou dobu dospělosti neměnné, navrhl v roce 1890 William James v knize Principy psychologie, i když tato myšlenka byla do značné míry opomíjena.
V roce 1923 provedl Karl Lashley experimenty na opicích rhesus, které prokázaly změny v neuronálních drahách, což považoval za důkaz plasticity, i když navzdory tomu, stejně jako dalším příkladům výzkumu, které to naznačovaly, nebyla myšlenka neuroplasticity neurovědci příliš akceptována. Nicméně významnější důkazy začaly vznikat v 60. letech a po nich, zejména od vědců včetně Paula Bacha-y-Rity, Michaela Merzenicha spolu s Jonem Kaasem, stejně jako od několika dalších.
V šedesátých letech vynalezl Paul Bach-y-Rita přístroj, který umožňoval nevidomým lidem číst, vnímat stíny a rozlišovat mezi blízkými a vzdálenými objekty. Tento „přístroj byl jednou z prvních a nejodvážnějších aplikací neuroplasticity“. Pacient seděl v elektricky stimulovaném křesle, za nímž byla umístěna velká kamera, která snímala oblast a vysílala elektrické signály obrazu čtyřem stovkám vibrujících stimulátorů na křesle proti pacientově kůži. Šesti subjektům experimentu se nakonec podařilo rozpoznat obrázek supermodelky Twiggy.
Je třeba zdůraznit, že tito lidé byli vrozeně slepí a dříve nebyli schopni vidět. Bach-y-Rita věřil ve smyslovou substituci; pokud je jeden smysl poškozen, mohou ho někdy převzít ostatní smysly. Myslel si, že kůže a její dotykové receptory mohou fungovat jako sítnice (používat jeden smysl pro druhý). Aby mozek mohl interpretovat hmatové informace a převést je na vizuální informace, musí se naučit něco nového a přizpůsobit se novým signálům. Schopnost mozku přizpůsobit se znamená, že má plasticitu. Pomyslel si: „Vidíme mozkem, ne očima.“
Tragická mrtvice, po které otec ochrnul, inspirovala Bacha-y-Ritu ke studiu rehabilitace mozku. Jeho bratr, lékař, neúnavně pracoval na vývoji terapeutických opatření, která byla tak úspěšná, že otec do 68 let obnovil kompletní funkčnost a mohl žít normální, aktivní život, který dokonce zahrnoval horolezectví. „Příběh jeho otce byl přímým důkazem, že ,pozdní uzdravení‘ může nastat i při masivní lézi u staršího člověka.“ Další důkazy o této možné reorganizaci mozku našel s prací pastýře Ivoryho Franze. Jedna studie zahrnovala pacienty po mrtvici, kteří se dokázali uzdravit pomocí cvičení stimulujících mozek poté, co byli po léta ochrnutí. „Franz chápal důležitost zajímavé, motivující rehabilitace: ‚Za podmínek zájmu, jako je například soutěžení, může být výsledný pohyb prováděn mnohem efektivněji než při nudném, rutinním tréninku v laboratoři’ (Franz, 1921, str.93).“ Tato představa vedla k motivačním rehabilitačním programům, které se používají dnes.
Michael Merzenich je neurovědec, který je jedním z průkopníků neuroplasticity již více než tři desetiletí. Přednesl některá z „nejambicióznějších tvrzení pro tento obor – že mozková cvičení mohou být stejně užitečná jako léky k léčbě tak závažných chorob, jako je schizofrenie – že plasticita existuje od kolébky do hrobu a že radikální zlepšení kognitivních funkcí – jak se učíme, myslíme, vnímáme a pamatujeme, je možné i u starších lidí.“ Merzenichovu práci ovlivnil zásadní objev, který učinili David Hubel a Torsten Wiesel při své práci s koťaty. Experiment zahrnoval sešití jednoho oka a zaznamenání mozkových map kortikální kůry. Hubel a Wiesel viděli, že část mozku kotěte spojená se zavřeným okem není nečinná, jak se očekávalo. Místo toho zpracovala vizuální informace z otevřeného oka. Bylo to“… jako by mozek nechtěl plýtvat žádnou „kortikální nemovitostí“ a našel způsob, jak se přetočit.“
Z toho vyplývala neuroplasticita v kritickém období. Merzenich však tvrdil, že neuroplasticita může nastat i po kritickém období. Jeho první setkání s plasticitou dospělého přišlo, když se zabýval postdoktorským studiem s Clintonem Woosleym. Experiment byl založen na pozorování toho, co se dělo v mozku, když byl jeden periferní nerv přerušen a následně zregenerován. Oba vědci mikromapovali ruční mapy opičích mozků před a po řezání periferního nervu a sešití konců dohromady. Poté byla mapa ruky v mozku, která měla být zpřeházená, téměř normální. To byl podstatný průlom. Merzenich tvrdil, že „pokud by mapa mozku mohla normalizovat svou strukturu v reakci na abnormální vstup, převládající názor, že se rodíme s pevně zapojeným systémem, musel být mylný. Mozek musel být plastický“.
ODKAZY NA ODDÍL O UPLATŇOVÁNÍ NEUROPLASTICTVÍ
1. Cekic, Milos, Sarah M. Cutler, Donald G. Stein, a Bushra Wali. „Progesteron zlepšuje akutní zotavení po úrazu Briana u starých potkanů.“ Journal of Neurotrauma 24 (2007): 1475-486.
2. Colotla, Victor A., and Paul Bach-y-Rita. „Shepherd Ivory Franz: His contributions to neuropsychology and rehabilitation.“ Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience 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.“ Experimental Neurology 195 (2005): 423-29.
5. Doidge, Norman. The Brain That Changes Itself : Stories of Personal Triumph from the Frontiers of Brain Science. New York: Penguin Group (USA) Incorporated, 2007.
6. Frost, SB, S. Barbay, K.M Friel, E.J Plautz a R.J Nudo. „Reorganizace vzdálených kortikálních oblastí po Ischemickém poranění mozku: Potenciální substrát pro obnovu mozkové mrtvice.“ Journal of Neurophysiology 89 (2003): 3205-214.
8. Jain, Neeraj, Hui-Xin Qi, Christine D. Collins, a Jon H. Kaas. „Velká reorganizace v Somatosensory Cortex a Thalamus po smyslové ztrátě u makakových opic.“ The Journal of Neuroscience 28 (2008): 11042-1060.
9. Mahncke, Henry W., a Michael M. Merzenich. „Vylepšení paměti u zdravých starších dospělých pomocí tréninkového programu založeného na plastistice mozku: Randomizovaná, kontrolovaná studie.“ 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. „Reorganizace reprezentací pohybu v primární motorické kůře po ohniskovém izchemickém působení u dospělých veverčích opic.“ Journal of Neurophysiology 75 (1996): 2144-149.
11. Ramachandran, VS, a W. Hirstein. „The Perception of Phantom Limbs: The D.O. Hebb Lecture.“ Brain 121 (1998): 1603-630.
13. Stein, Donald G., a Stuart W. Hoffman. „Koncepty Plasticity CNS v kontextu poškození a opravy mozku.“ J Head Trauma Rehabilitation 18 (2003): 317-41.
14. Steinová, Donald. „Plasticita.“ Osobní rozhovor. Alyssa Walzová. 19. lis. 2008.
15. Wieloch, Tadeusz, a Karoly Nikolich. „Mechanismy neuronové plasticity po poranění mozku.“ Rev. současného stanoviska v neurobiologii. 2006: 258-64. 18. května 2006. Science Direct. Georgia Institute of Technology, Atlanta. 24. října 2008 .
^Syndrom končetin (přednáška Ramachandrana o vědomí, zrcadlových neuronech a syndromu fantomových končetin)
^^Traumatické poranění mozku (příběh o TBI a výsledcích ProTECT pomocí léčby progesteronem) Emory University News Archives
Další zajímavá čtení
Micheal Chorost Jak jsem se stal součástí počítače
Norman Doidge Brain That Changes Itself
Donald Stein Poranění mozku a zotavení