Нейропласти́чність () або пластичність мозку — здатність мозку змінюватися та адаптуватися протягом життя. Це процес, за допомогою якого мозок реорганізується у відповідь на новий досвід, навчання та вплив навколишнього середовища.
Нейропластичність є ключовим механізмом, що лежить в основі навчання та пам'яті. Коли людина чи тварина дізнається щось нове, мозок формує нові зв'язки між нейронами або зміцнює існуючі зв'язки, щоб зберігати та відтворювати цю інформацію. З часом повторне навчання може призвести до тривалих змін у структурі та функціях мозку.
Окрім навчання, нейропластичність відіграє важливу роль у відновленні після травм головного мозку або неврологічних розладів. У деяких випадках мозок може реорганізуватися, щоб компенсувати пошкоджені або втрачені функції, дозволяючи людям відновити функціональність.
Дослідження нейропластичності є вагомим та інформативним для розвитку таких галузей, як освіта, медицина (лікування і реабілітація), психічне здоров'я та нейронаукові дослідження. Дослідники продовжують вивчати нейропластичність, прагнучи розкрити її повний потенціал задля покращення загальної функції мозку протягом усього життя.
Історія
Термінологія Термін «пластичність» вперше застосував до поведінки в 1890 році Вільям Джеймс у «Принципах психології», де цей термін використовувався для опису «структури, достатньо слабкої, щоб зазнати впливу, але достатньо сильної, щоб не піддатися всім одразу».
Хоча на початку 1900-х років мозок зазвичай розглядався як невідновлюваний орган, Сантьяго Рамон-і-Кахаль, використовував термін «нейрональна пластичність» для опису непатологічних змін у структурі мозку дорослих. Базуючись на своїй «Доктрині нейронів», Кахаль вперше описав нейрон як фундаментальну одиницю нервової системи, яка згодом послужила суттєвою основою для розробки концепції нейронної пластичності. Він використовував термін пластичність стосовно своєї роботи щодо виявлення дегенерації та регенерації в центральній нервовій системі, зокрема, після досягнення людиною дорослого віку. Багато нейробіологів використовували термін «пластичність» лише для пояснення регенеративної здатності периферичної нервової системи, і концептуальне перенесення цього терміну Кахалем викликало суперечливу дискусію.
Першим, хто використав термін «нейропластичність», був польський нейробіолог Єжи Конорський.
Дослідження та відкриття У XIX столітті Чарлз Дарвін вважав, що пластичність інстинктів, що виникає з мінливості їх вроджених морфологічних основ і дає «матеріал» для дії природного добору, є достатньою для еволюції інстинктивної поведінки, — і є поведінкою взагалі.
У 1923 році Карл Лешлі провів експерименти на мавпах-резусах, які продемонстрували зміни в нейронних шляхах, які, як він дійшов висновку, є доказом пластичності. Незважаючи на це та інші дослідження, які свідчили про пластичність, нейробіологи того часу не сприйняли ідею нейропластичності.
У 1949 році Дональд Гебб стверджував, що нейронні зв'язки не є статичними — їх можна покращувати кожного разу, коли вони активуються. Ця гіпотеза відома як «правило Гебба». Воно передбачає, що процес навчання не є результатом фіксованої властивості нейронів; це залежна від часу функція їх змінних зв'язків. Основна ідея, яка лежить в основі правила Гебба, полягає в тому, що скупчення нейронів мають тенденцію збуджуватися разом, коли сприймається подразник. Їх коливальна активність може тривати і після припинення дії подразника. Таким чином, подія, яка спричинила одночасне коливання групи нейронів, фіксується в пам'яті у вигляді групи синхронізованих нейронів.
Лише в 1960-х роках нейробіологи усвідомили, що жертви інсульту часто відновлювали певні когнітивні функції, якщо вони виконували адекватні розумові та/або фізичні вправи під медичним контролем після інсульту. Меріан Даймонд з Каліфорнійського університету в Берклі надала перші наукові докази анатомічної пластичності мозку пацюків, опублікувавши своє дослідження в 1964 році. Пол Бах-і-Ріта показав, що різні ділянки нашого мозку можуть реорганізовуватись для компенсації різних сенсорних областей, пошкоджених інсультом. Він створив прилади, які дозвляли сліпим людям «бачити» спиною, а паціентам з пошкодженим вестибулярним апаратом утримувати рівновагу. Це було яскравим доказом того, що мозок здатний реорганізовуватися, змінюючи нейронні зв'язки і в зрілому віці.
У 1983 році Майкл Мерценіч і Джон Каас, досліджуючи мозок мавп, отримали значні експериментальні результати, які підтверджують гіпотезу про те, що мозок має «пластичну поведінку» протягом усього життя.
Фред Гейдж та його команда наприкінці 1990-х довели наявність нейрогенезу (утворення нових нейронів) у гіпокампі людей; а кількома роками пізніше показали, що різноманіття середовища та фізичні вправи в рази збільшують рівень нейрогенезу в гіпокампі дорослих тварин — ділянці, відповідальній за формування пам'яті.
У 2000 році Ерік Кендел отримав Нобелівську премію з фізіології та медицини за відкриття молекулярних механізмів навчання та пам'яті. Він продемонстрував, що короткочасна пам'ять передбачає функціональні зміни у вже існуючих синапсах, тоді як довготривала пам'ять вимагає синтезу нових білків, що призводить до структурних змін у синапсах, що регулюється переважно через шлях цАМФ/ПКА та фактори транскрипції CREB. Його робота над Aplysia продемонструвала, як синаптична пластичність лежить в основі простих форм навчання, таких як звикання і сенсибілізація, показуючи вплив молекулярних подій на поведінкові зміни.
У 21-му столітті концепція нейропластичності широко прийнята і досліджується в нейронауках та суміжних наукових дисциплінах. Вагомий історичний огляд концепції нейропластичності, разом із цікавими історіями випадків про здатність нашого мозку змінювати власну структуру, надає в своїх книгах психіатр і психоаналітик Норман Дойдж. Автор описує, як нейронні ланцюги мозку дорослої людини можуть перебудовуватися протягом усього життя. Наприклад, аналіз зображень мозку студентів університету, які готувалися до іспитів, продемонстрував, що їх сіра речовина збільшилася в задній і латеральній тім'яній корі протягом декількох місяців.
Природа та механізми нейропластичності
Нейропластичність — це здатність нервової системи адаптуватися і змінюватися у відповідь на досвід. Різні наукові дисципліни вивчають і пояснюють нейропластичність на різних рівнях організації — на молекулярному, клітинному і системному.
Одним із ключових механізмів нейропластичності є посилення та ослаблення сили синапсів — зв'язків між нейронами. Цей процес відомий як синаптична пластичність. Синаптична пластичність буває короткочасна і довгострокова.
Короткочасна пластичність може виникати швидко та тимчасово (секунди-хвилини) у відповідь на зміни пресинаптичної активності. Вона включає зміни в ефективності вивільнення нейромедіатора в пресинаптичній терміналі або зміни в чутливості або кількості постсинаптичних рецепторів.
Довгострокова пластичність, зазвичай, виникає у відповідь на повторну або тривалу стимуляцію синапсу. Довгострокова пластичність формується протягом годин і зберігається протягом тривалого часу. Вона включає зміни в структурі та/або функції синапсів, такі як зміни в кількості рецепторів, зміни в кількості мітохондрій поблизу синапсу та зміни в морфології дендритних шипиків. Такі зміни полегшують або ускладнюють проведення імпульсу між конкретними нейронами.
Як короткочасну, так і довгострокову пластичність можна спостерігати за допомогою електрофізіологічних вимірювань синаптичної передачі, таких як зміни амплітуди або частоти синаптичних струмів або потенціалів. Крім того, довгострокову пластичність також можна спостерігати через структурні та функціональні зміни в синапсах за допомогою методів візуалізації, таких як електронна мікроскопія або двофотонна мікроскопія.
Молекулярний рівень
Одним із ключових механізмів нейропластичності є посилення та ослаблення синапсів, які є зв'язками між нейронами. Цей процес відомий як синаптична пластичність і опосередковується змінами властивостей іонних каналів, рецепторів нейромедіаторів і внутрішньоклітинних сигнальних шляхів, які призводять до змін в експресії генів і синтезі білків.
Короткочасна синаптична пластичність Короткочасна синаптична пластичність, як правило, пов'язана зі змінами в ефективності вивільнення нейромедіаторів і може виникати швидко та тимчасово у відповідь на зміни пресинаптичної активності. Одним з механізмів, що лежить в основі короткочасної пластичності, є активація пресинаптичних кальцієвих каналів потенціалами дії, що призводить до збільшення припливу кальцію в пресинаптичну терміналь. Таке підвищення рівня кальцію може активувати низку низхідних сигнальних шляхів, включаючи активацію Ca2+/кальмодулін-залежної протеїнкінази II (CaMKII) і протеїнкінази C, що може призвести до збільшення ймовірності вивільнення нейромедіатора або підвищення чутливості постсинаптичних рецепторів.
Іншим механізмом короткочасної пластичності є короткочасна фасилітація та короткочасна депресія: деякі синапси призводять до короткочасної фасилітації, коли амплітуда постсинаптичної відповіді збільшується у відповідь на повторну пресинаптичну стимуляцію. Це може статися через зміни властивостей пресинаптичних везикул, наприклад збільшення кількості нейромедіатора, що виділяється на везикулу, або збільшення кількості вивільнених везикул. І навпаки, короткочасна депресія може виникнути через виснаження пресинаптичних везикул або зниження ймовірності вивільнення везикул.
Ще одним механізмом короткочасної пластичності є модуляція рецепторів та іонних каналів — як пресинаптичних, так і постсинаптичних. Пресинаптичні іонні канали, такі як напругозалежні кальцієві канали, можуть модулюватися різними сигнальними шляхами, щоб впливати на ймовірність вивільнення нейромедіатора. Наприклад, активація пресинаптичних метаботропних глутаматних рецепторів (mGluRs) може призвести до зниження ймовірності вивільнення нейромедіатора шляхом інгібування припливу кальцію в пресинаптичну термінал. Постсинаптичні рецептори також можна модулювати, щоб впливати на амплітуду та тривалість постсинаптичних відповідей. Наприклад, активація рецепторів, зв'язаних з G-протеїном (GPCR), може призводити до змін у провідності постсинаптичних іонних каналів, впливаючи на величину постсинаптичної відповіді. Крім того, зміни у властивостях постсинаптичних рецепторів, такі як зміни в стані фосфорилювання рецепторів, можуть впливати на їх чутливість до нейромедіатора.
Довгострокова синаптична пластичність Довгострокова синаптична пластичність є, власне, тим процесом, який сприяє довгостроковій реорганізації мозку, тобто довгостроковій пам'яті. Вона пов'язана зі змінами в структурі та функції синапсів і може відбуватися протягом тривалого періоду часу у відповідь на стійкі зміни в пресинаптичній активності — на тривале і повторне збудження (довготривала потенціаціація, LTP), чи на тривалу відсутність активності (довготривале пригнічення, LTD).
Довготривала потенціація
Довготривала потенціація або довготривале потенціювання (LTP) — це тривале посилення передачі сигналу між двома нейронами, що виникає внаслідок їх синхронної активації.
Довготривала потенціація виникає, коли повторна стимуляція пресинаптичного нейрона призводить до збільшення сили синаптичної передачі на постсинаптичний нейрон. На постсинаптичному нейроні є 2 основних типи глутаматних рецепторів, що реагують на вивільнення збудливого нейромедіатора глутамату: NMDA-рецептори (їх активація сприяє входженню в постсинаптичний нейрон іонів кальцію), які є і потенціал- і ліганд-залежними, AMPA-рецептори (їх активація сприяє входженню іонів натрію), які є тільки ліганд-залежними.
У стані спокою (відсутності потенціалу дії на мембрані) NMDA-рецептори заблоковані іонами магнію, що запобігає проникненню кальцію через NMDA-рецептори у нейрон, навіть коли глутамат вивільняється пресинаптичним нейроном і зв'язується з рецептором. Цей магнієвий блок робить NMDA-рецептори неактивними за умов відсутності потенціалу дії.