Určujícím rysem mozku je jeho schopnost procházet změnami založenými na funkcích závislých na aktivitě, také nazývaná plasticita závislá na aktivitě. Jeho schopnost se přetvořit tvoří základ schopnosti mozku uchovat si vzpomínky, zlepšit motorické funkce a zlepšit mimo jiné porozumění a řeč. Právě tato vlastnost uchovat si a tvořit vzpomínky je funkčně spojena s plasticitou, a proto mnoho funkcí, které jedinci vykonávají denně. Tato plasticita je výsledkem změněné genové exprese, ke které dochází díky organizovaným buněčným mechanismům.
Schopnost mozku přizpůsobit se aktivním funkcím umožnila člověku specializovat se na specifické procesy založené na relativním použití a aktivitě. Například pravák může provádět jakýkoliv pohyb špatně levou rukou, ale nepřetržité cvičení s méně dominantní rukou může učinit obě ruce stejně schopné. Jiným příkladem je, pokud se někdo narodil s neurologickou poruchou, jako je autismus, nebo prodělal mrtvici, která vyústila v poruchu, pak je schopen získat velkou část své ztracené funkce procvičováním a „přepojováním“ mozku s cílem začlenit tyto ztracené způsoby. Díky průkopníkům v tomto oboru se mnoho z těchto pokroků stalo dostupnými pro většinu lidí a mnoho dalších bude nadále přicházet s tím, jak budou objevovány nové rysy plasticity.
Během první poloviny 20. století bylo slovo „plasticita“ považováno za nečisté a přímo i nepřímo odmítáno v celé vědě. Mnoho vědců zjistilo, že je těžké získat finanční prostředky, protože téměř všichni jednomyslně podporovali skutečnost, že mozek byl plně vyvinut v dospělosti a konkrétní oblasti nebyly schopny po kritickém období měnit funkce. Věřilo se, že každá oblast mozku má stanovenou a specifickou funkci. Přes uzavřenost a neznalost prosazovalo několik průkopníků myšlenku plasticity prostřednictvím různých experimentů a výzkumu. Existují další, které pomohly k současnému pokroku plasticity závislé na aktivitě, ale následující přispěly velmi efektivními výsledky a nápady hned na začátku.
Průkopníci plasticity závislé na aktivitě
Historie plasticity závislé na aktivitě začíná u Paula Bacha y Rity. S konvenční ideologií, že vývoj mozku je dokončen v dospělosti, navrhl Bach y Rita na přelomu 60. a 70. let několik experimentů, které prokázaly, že mozek je schopen změny. Mezi ně patřila stěžejní metoda vizuální substituce pro nevidomé, kterou poskytla hmatová projekce obrazu v roce 1969. Základem tohoto experimentu bylo vzít jeden smysl a použít ho k detekci druhého: v tomto případě použít hmat na jazyku k vizualizaci okolí. Tento experiment předběhl dobu o několik let a vedl k mnoha otázkám a aplikacím. Podobný experiment ohlásil Bach y Rita znovu v roce 1986, kdy byla vibrohmatová stimulace dodána do konečků ukazováčků naivních subjektů se zavázanýma očima. I když experiment nepřinesl velké výsledky, podpořil studii a navrhl další výzkumy. V roce 1998 byl jeho návrh ještě dále rozvinut a znovu testován s 49-bodovým elektrotaktilním stimulačním polem na jazyku. Zjistil, že pět vidoucích dospělých subjektů rozpoznalo tvary napříč všemi velikostmi v 79,8% případů, což je pozoruhodné zjištění, které vedlo k začlenění elektrotaktilního stimulu jazyka do kosmeticky přijatelných a praktických návrhů pro nevidomé. V pozdějších letech publikoval řadu dalších článků včetně „Vidění mozkem“ v roce 2003, kde se Bach y Rita zabývá plasticitou mozku ve vztahu k vizuálnímu učení. Zde jsou obrazy posíleny a vnímány jinými plastickými mechanismy v oblasti informací předávaných mozku.
Dalším průkopníkem v oblasti plasticity závislé na aktivitě je Michael Merzenich, v současnosti profesor neurovědy na Kalifornské univerzitě v San Franciscu. Je považován za odborníka na plasticitu mozku a má dlouhý seznam úspěchů a příspěvků k tomuto oboru. Jedním z jeho příspěvků je mapování a dokumentování reorganizace kortikálních oblastí po změnách způsobených plasticitou. Při hodnocení zaznamenaných změn v primární somatosenzorické kůře dospělých opic se zabýval několika rysy dat včetně toho, jak se změněné rozvrhy aktivity od kůže přenášejí ke kortikálnímu modelování a dalším faktorům, které ovlivňují reprezentační remodelaci mozku. Jeho poznatky v rámci těchto studií byly od té doby aplikovány na rozvoj mládeže a děti s poruchami učení založenými na jazyce. Prostřednictvím mnoha studií zahrnujících adaptivní tréninková cvičení na počítači úspěšně navrhl metody, jak zlepšit jejich schopnosti časového zpracování. Mezi tato adaptivní opatření patří hry na zpracování slov a testy porozumění, které zahrnují více oblastí mozku, aby mohly odpovídat. Výsledky se později promítly do jeho vývoje programu Rychlá řeč v roce 1996, jehož cílem je zlepšit kognitivní schopnosti dětí mezi školkou a dvanáctou třídou tím, že se zaměří na rozvoj „fonologického vědomí“. Ukázalo se, že velmi úspěšně pomáhá dětem s různými kognitivními komplikacemi. Kromě toho vedlo k hloubkovým studiím specifických komplikací, jako jsou autismus a retardace a jejich příčiny. Spolu s týmem vědců pomohl Merzenich předložit důkazy, že autismus sonduje jednokanálové vnímání, kde silnější reprezentace řízená podněty dominuje chování a slabší podněty jsou ve srovnání s tím prakticky ignorovány.
Diagram zobrazující komponenty motorneuronu myelinizovaných obratlovců.
Neurony jsou základní funkční jednotkou mozku a zpracovávají a přenášejí informace prostřednictvím signálů. Existuje mnoho různých typů neuronů, jako jsou smyslové neurony, motorické neurony, mezineurony a zvukové neurony. Každý z nich reaguje na specifické podněty a vysílá příslušné a vhodné chemické signály do jiných oblastí za účelem distribuce informací. Základní struktura neuronu je znázorněna zde vpravo a skládá se z jádra, které obsahuje genetickou informaci; buněčného těla, neboli soma, které má dendritické větve, které přijímají informace; dlouhého, tenkého axonu, který zasahuje až do axonového zakončení; a axonového zakončení, kde rozvětvené dendrity posílají informace. Dendrity poskytují a přijímají informace prostřednictvím malé mezery zvané synapse. Tato složka neuronu obsahuje různé chemické posly a proteiny, které umožňují přenos informací. Právě rozmanitost proteinů a vliv signálu zásadně vedou k rysu plasticity.
Příslušné struktury a cesty
Téměř každá mozková kůra a oblast v mozku se podílí na jejím plastickém rysu, protože většina oblastí je schopna přijmout funkce jiných oblastí na základě relativního využití a „předělávání“ topografické mapy. Reorganizace smyslových a motorických map zahrnuje celou řadu drah a buněčných struktur souvisejících s relativní aktivitou.
Hlavním cílem veškeré molekulární signalizace jsou inhibiční spojení vytvořená GABAergními neurony. Tyto receptory existují na postsynaptických místech a spolu s regulací lokálních inhibičních synapsí bylo zjištěno, že jsou velmi citlivé na změny kritického období. Jakákoli změna receptorů vede ke změně koncentrace vápníku v postižených buňkách a může v konečném důsledku ovlivnit dendritické a axonální větvení. Tato změna koncentrace je výsledkem aktivace mnoha kináz, jejichž vedlejší produkt může zvýšit specifickou genovou expresi.
Ilustrace prvků obsažených v synaptickém přenosu. Vytvoří se akční potenciál, který putuje axonem do axonového zakončení, kde se uvolní a vyprovokuje uvolnění neurotransmiteru, který působí na postsynaptický konec.
Navíc bylo zjištěno, že wg postsynaptická dráha, která je zodpovědná za kódování a produkci mnoha molekul pro vývojové události, může být obousměrně stimulována a je zodpovědná za následnou změnu postsynaptického neuronu. Když je wg presynaptická dráha aktivována, mění však cytoskeletální strukturu prostřednictvím transkripce a translace.
Buněčné adhezní molekuly (CAM) jsou také důležité v plasticitě, protože pomáhají koordinovat signalizaci napříč synapsí. Přesněji řečeno, integriny, které jsou receptory pro extracelulární matrixové proteiny a podílejí se na CAM, jsou explicitně začleněny do zrání synapse a tvorby paměti. Hrají zásadní roli v regulaci zpětné vazby excitační synaptické síly, neboli dlouhodobé potenciace (LTP), a pomáhají kontrolovat synaptickou sílu regulováním AMPA receptorů, které mají za následek rychlé, krátké synaptické proudy. Je to však metabotropní glutamátový receptor 1 (mGlu1), který byl objeven jako potřebný pro synaptickou plasticitu závislou na aktivitě v asociativním učení.
Plasticita závislá na aktivitě je dokonce pozorována v primární zrakové kůře, což je oblast mozku, která zpracovává vizuální podněty a je schopna modifikovat prožívané podněty na základě aktivního vnímání a stavů vzrušení. Je známo, že synaptické komunikační trendy mezi excitovanými a depresivními stavy vzhledem k cyklu světla a tmy. Experimenty na potkanech Long Evans bylo zjištěno, že vizuální zážitek během bdělých stavů vede ke zvýšené reaktivitě a plastickým změnám ve zrakové kůře. Spíše bylo zjištěno, že depresivní stavy negativně mění podnět, takže reakce nebyla tak energická. Tento experiment dokazuje, že i zraková kůra je schopna dosáhnout plasticity závislé na aktivitě, protože je závislá jak na vizuálním zkoumání, tak na stavu vzrušení zvířete.
Plastičnost závislá na aktivitě hraje velmi velkou roli v učení a ve schopnosti porozumět novým věcem. Je zodpovědná za pomoc při adaptaci mozku jedince podle relativní míry využití a fungování. V podstatě je to schopnost mozku uchovat si a rozvíjet vzpomínky založené na aktivitou řízených změnách synaptické síly, které umožňují silnější učení informací. Má se za to, že je to rostoucí a přizpůsobující se kvalita dendritických páteří, které poskytují základ pro synaptickou plasticitu spojenou s učením a pamětí. Dendritické páteře toho dosahují přeměnou synaptického vstupu na neuronální výstup a také tím, že pomáhají definovat vztah mezi synapsemi.
V posledních studiích byl také identifikován specifický gen, který má silnou roli v růstu synapse a plasticitě závislé na aktivitě: gen microRNA 132 (miR132). Tento gen je regulován cestou proteinu vázajícího prvky cAMP odpovědi (CREB) a po aktivaci je schopen podpořit dendritický růst. Gen miR132 je další složkou, která je zodpovědná za plasticitu mozku a pomáhá navázat pevnější spojení mezi neurony.
Další gen spojený s plasticitou, který se podílí na učení a paměti, je Arc/Arg3.1. Gen Arc je aktivitou regulovaný a transkribovaná mRNA je lokalizována do aktivovaných synaptických míst, kde transfovaný protein hraje roli při obchodování s AMPA receptory. Arc je členem třídy proteinů nazývaných okamžité rané geny, které jsou rychle transkribovány v reakci na synaptický vstup. Z odhadovaných 30-40 genů, které tvoří celkovou neuronální IEG odpověď, jsou všechny prototypické geny závislé na aktivitě a řada z nich byla zapojena do učení a paměti. Například zif268, Arc, beta-activin, tPA, Homer a COX-2 byly zapojeny do dlouhodobé potenciace (LTP), buněčného korelátu učení a paměti.
Z plasticity závislé na aktivitě existuje celá řada mechanismů, které společně pomáhají mozku překonávat problémy a lépe se přizpůsobovat funkcím. Patří mezi ně LTP, dlouhodobá deprese (LTD), synaptická eliminace, neurogeneze a synaptogeneze. Mechanismy plasticity závislé na aktivitě mají za následek depolarizaci membrány a přítok vápníku, které zase spouštějí buněčné změny, jež ovlivňují synaptická spojení a transkripci genů. Činnost neuronů v podstatě pomáhá regulovat genovou expresi pro dendritické větvení a rozvoj synapse, zatímco mutace genů závislých na aktivitě souvisejících s transkripcí mohou vést k neurologickým poruchám. Cílem každého ze závěrů studií je pomoci správnému rozvoji mozku a zároveň zlepšit širokou škálu úkolů, jako je řeč, pohyb, porozumění a paměť. Zjištění navíc lépe vysvětlují vývoj vyvolaný plasticitou.
Je známo, že během postnatálního života je kritickým krokem k rozvoji nervového systému eliminace synapse. Změny v synaptických spojeních a síle jsou výsledkem LTP a LTD a jsou silně regulovány uvolněním neurotrofického faktoru odvozeného z mozku (BDNF), proteinu synapse-vývoje závislého na aktivitě. Kromě BDNF se na vývoji a regulaci neuronální struktury podílejí také receptory Nogo-66, a konkrétněji NgR1. Poškození tohoto receptoru vede k nesmyslnému LTP a útlumu LTD. Z obou situací vyplývá, že NgR1 je regulátorem synaptické plasticity. Z experimentů bylo zjištěno, že stimulace indukující LTD vede ke snížení synaptické síly a ztrátě spojení, ale při současném spojení s nízkofrekvenční stimulací napomáhá restrukturalizaci synaptických kontaktů. Důsledky tohoto zjištění zahrnují pomoc lidem s poškozením receptorů a poskytnutí vhledu do mechanismu LTP.
Další mechanismus, který vede ke plasticitě závislé na aktivitě, zahrnuje excitační kortikostriatální dráhu, která umožňuje uchování adaptivního motorického chování. Tato dráha je také schopna lpět na dlouhotrvajících synaptických změnách. Změna synaptické síly je zodpovědná za motorické učení a je závislá na současné aktivaci glutamatergických kortikostriatálních a dopaminergních nigrostriatálních drah. To jsou právě dráhy, které jsou ovlivněny Parkinsonovou nemocí a degenerace synapsí v rámci této poruchy může být zodpovědná za ztrátu kognitivních schopností. Proto může porucha učení závislého na DA/ACh vést k uchování nesentiálních vzpomínek.
Vzhledem k tomu, že plasticita je takovou funkční a nezbytnou složkou mozku, je její správné fungování nezbytné pro zdravý život, protože se podílí na stavbě/opravě a skladování mozku. Bylo zjištěno, že mutace v rámci některého z genů spojených s plasticitou závislou na aktivitě pozitivně korelují s různými stupni mentální retardace. Oba typy mentální retardace související s plasticitou závisejí na nefunkčním vývoji neuronů nebo na změnách molekulárních mechanismů podílejících se na synaptické organizaci. Komplikace v rámci jednoho z těchto typů mohou výrazně snížit mozkové funkce a především schopnost mozku a jeho chápání.
Na druhou stranu, lidé s takovými stavy mají schopnost obnovit určitou míru svých ztracených schopností prostřednictvím neustálých výzev a používání. Skvělý příklad toho lze vidět v knize Normana Doidge „Mozek, který se sám mění“. Otec Bacha y Rity utrpěl ochromující mrtvici, po které byl pětašedesátiletý muž napůl ochrnutý a neschopný řeči. Po jednom roce plazení a neobvyklých terapeutických taktik včetně hraní základních dětských her a mytí hrnců byla rehabilitace jeho otce téměř dokončena a on se vrátil ke své roli profesora na City College v New Yorku. Pozoruhodné zotavení po mrtvici dokazuje, že i někdo s abnormálním chováním a závažnými zdravotními komplikacemi může obnovit téměř všechny normální funkce pomocí mnoha cviků a vytrvalosti: tak zní poselství za plasticitou závislou na aktivitě.
Nedávné studie uvádějí, že specifický gen, FMR1, se silně podílí na plasticitě závislé na aktivitě a Fragile X syndrom (FraX) je výsledkem ztráty funkce tohoto genu. FMR1 produkuje FMRP, který zprostředkovává kontrolu synaptické struktury závislou na aktivitě. Ztráta nebo nepřítomnost tohoto genu téměř jistě vede k autismu i mentální retardaci. Dr. Gatto zjistil, že včasné zavedení přípravku FMRP vede k téměř kompletní restrukturalizaci synapsí. Tato metoda však není tak účinná, pokud je zavedena do dospělého subjektu a pouze částečně se přizpůsobuje ztrátám FMR1. Objev tohoto genu poskytuje možné místo pro zásah u malých dětí s těmito abnormalitami, protože tento gen a jeho produkt působí brzy na konstrukci synaptické architektury.
Společným problémem většiny lidí ve Spojených státech je vysoká úroveň stresu a také poruchy spojené s nepřetržitým stresem. Mnohé oblasti mozku jsou velmi citlivé na stres a mohou být poškozeny prodlouženou expozicí. Ještě důležitější je, že mnoho mechanismů spojených se zvýšenou retencí paměti, pochopením a adaptací je výsledkem LTP a LTD, dvou plastických mechanismů závislých na aktivitě, které stres může přímo potlačit. Bylo provedeno několik experimentů s cílem objevit specifické mechanismy tohoto potlačení a také možné intervenční metody. Dr. Li a několik dalších skutečně identifikovali kanál TRPV1 jako cíl pro usnadnění LTP a potlačení LTD, čímž pomáhají chránit rys synaptické plasticity a retence paměti před účinky stresu.
Budoucí studie a otázky týkající se plasticity závislé na aktivitě jsou téměř nekonečné, protože důsledky nálezů umožní mnoho léčebných postupů. Navzdory mnoha úspěchům v rámci oboru existuje široká škála poruch, jejichž další pochopení by pomohlo léčit a možná i vyléčit. Patří mezi ně autismus, různá závažnost mentální retardace, schizofrenie, Parkinsonova choroba, stres a oběti mozkových příhod. Kromě lepšího pochopení různých poruch by se neurologové měli a budou zabývat plasticitou, kterou způsobuje imunitní systém, protože poskytne skvělý vhled do nemocí a také poskytne základ nové imunitně zaměřené terapie. Lepší perspektiva buněčných mechanismů, které regulují morfologii neuronů, je dalším krokem k objevování nových léčebných postupů pro učení a paměťově patologické stavy.