Brein plastisiteit en gedrag in die ontwikkelende brein (2011)

J Kan Acad Child Adolesc Psigiatrie. 2011 November; 20 (4): 265-276.

Bryan Kolb, PhD1 en Robbin Gibb, PhD1
Moniteringsredakteur: Margaret Clarke, MD en Laura Ghali, PhD
Hierdie artikel is aangehaal deur ander artikels in PMC.

Abstract

Doelwit: Om '

Om algemene beginsels van breinontwikkeling te hersien, identifiseer basiese beginsels van breinplastisiteit en bespreek faktore wat breinontwikkeling en plastisiteit beïnvloed.

Metode:

'N Literatuuroorsig van relevante Engelse taal manuskripte oor breinontwikkeling en plastisiteit is uitgevoer.

Results:

Breinontwikkeling vorder deur 'n reeks stadiums wat begin met neurogenese en vorder na neurale migrasie, volwassenheid, sinaptogenese, snoei en miëlienvorming. Agt basiese beginsels van breinplastisiteit word geïdentifiseer. Bewyse dat breinontwikkeling en -funksie beïnvloed word deur verskillende omgewingsgebeure soos sensoriese stimuli, psigo-middels, gonadale hormone, ouer-kind verhoudings, portuurverhoudings, vroeë stres, dermflora en dieet.

Gevolgtrekkings:

Die ontwikkeling van die brein weerspieël meer as die eenvoudige ontvouing van 'n genetiese bloudruk, maar reflekteer eerder 'n komplekse dans van genetiese en ervaringsfaktore wat die opkomende brein vorm. Om die dans te verstaan, bied insig in beide normale en abnormale ontwikkeling.

sleutelwoorde: breinontwikkeling, serebrale plastisiteit, omgewingsstimulasie, epigenetika

Die ontwikkeling van die brein weerspieël meer as die eenvoudige ontvouing van 'n genetiese bloudruk, maar reflekteer eerder 'n komplekse dans van genetiese en ervaringsfaktore wat die opkomende brein vorm. Hersiene wat blootgestel word aan verskillende omgewingsgebeure, soos sensoriese stimuli, dwelms, dieet, hormone, of stres, kan dus op baie verskillende maniere ontwikkel. Die doel van die huidige artikel is om die maniere waarop die ontwikkelende brein gevorm kan word, te hersien deur 'n wye reeks voor- en postnatale faktore. Ons begin met 'n oorsig van breinontwikkeling, gevolg deur 'n kort oorsig van beginsels van breinplastisiteit en uiteindelik 'n oorweging van hoe faktore breinontwikkeling en volwasse gedrag beïnvloed. Omdat die meeste van wat ons weet oor die brein plastisiteit en gedrag in die ontwikkeling kom van studies van die laboratorium rat ons bespreking sal fokus op die rot, maar sal mense oorweeg wanneer dit moontlik is. Daarbenewens sal die bespreking bevooroordeeld wees vir plastisiteit in serebrale strukture omdat die meeste van wat ons weet oor modulasie van breinontwikkeling, gebaseer is op studies van serebrale ontwikkeling. Daar is min rede om te glo dat ander breinstrukture nie op soortgelyke maniere verander sal word nie.

Breinontwikkeling

Sowat 2000 jaar gelede het die Romeinse filosoof Seneca voorgestel dat 'n menslike embrio 'n volwassene in miniatuur is en dus is die taak van ontwikkeling bloot om groter te word. Hierdie idee was so aantreklik dat dit wyd geglo het tot in die 19th eeu. Dit het duidelik geword in die vroeë 20th eeu dat die breinontwikkeling 'n reeks stadiums weerspieël wat ons nou kan sien as breedweg in twee fases verdeel. In die meeste soogdiere weerspieël die eerste 'n geneties bepaalde volgorde van gebeure in utero wat deur moederlike omgewing gemoduleer kan word. Die tweede fase, wat albei voorgeboortelike postnatale by mense is, is 'n tyd wanneer die brein se konnektiwiteit baie sensitief is, nie net vir die omgewing nie, maar ook vir die patrone van breinaktiwiteit wat deur ervarings geproduseer word. Nog belangriker, egter, word dit nou erken dat epigenetiese veranderinge, wat gedefinieer kan word as veranderinge in ontwikkelingsuitkomste, insluitend regulering van geenuitdrukking, berus op ander meganismes as DNA self (Blumberg, Freeman, & Robinson, 2010). Byvoorbeeld, geen uitdrukking kan verander word deur spesifieke ervarings, en dit kan weer tot organisatoriese veranderinge in die senuweestelsel lei.

Stadiums van breinontwikkeling

Tabel 1 beskryf die algemene stadiums wat kenmerkend is van breinontwikkeling in alle soogdiere. Selle wat bestem is om die senuweestelsel te produseer, begin ongeveer drie weke na bevrugting by mense. Hierdie selle vorm die neurale buis, wat die brein se kwekery is en word later die subventrikulêre sone genoem. Selle wat bestem is om die serebrum te begin, begin ongeveer ses weke oud en sowat 14 weke lyk die serebrum duidelik menslik, hoewel dit nie sowat sewe maande sulci en gyri begin vorm nie. Die meeste neurogenese is voltooi met vyf maande, met een belangrike uitsondering dat selle in die hippokampus is, wat steeds neurone in die lewe vorm. Daar is ongeveer tien miljard selle nodig om die menslike serebrale korteks in elke halfrond te vorm. Hierdie selle word vinnig gevorm en daar word beraam dat daar op sy hoogtepunt ongeveer 250,000 neurone per minuut gevorm word. Dit is duidelik dat enige breinversteuring in hierdie tyd betekenisvolle gevolge kan hê.

Tabel 1. 

Stadiums van breinontwikkeling

Sodra die neurone gevorm word, begin hulle migreer langs veselagtige weë wat gevorm word deur radiale gliale selle, wat strek vanaf die subventrikulêre sone na die oppervlak van die serebrale korteks (Figuur 1). Die subventriukulêre sone blyk 'n primitiewe kaart van die korteks te bevat wat die selle wat in 'n bepaalde subventrikulêre gebied gevorm word, voorspel om na 'n sekere kortikale plek te migreer. As selle migreer, het hulle 'n onbeperkte selle-noodpotensiaal, maar as hulle hul bestemming bereik, lei die interaksie van gene, veroudering en omgewingsinvloede hulle toenemend om na 'n bepaalde seltipe te differensieer. Sodra selle hul eindbestemming bereik, begin hulle volwasse word deur: (1) groeiende dendriete om oppervlakareas te gee vir sinapse met ander selle; en, (2) wat aksone uitbrei na toepaslike teikens om sinapsvorming te begin.

Figuur 1. 

Selle migreer vanaf die subventrikulêre sone langs radiale glia na hul uiteindelike volwasse plek (Kolb & Whishaw, 2009).

Die vorming van dendriete begin prenataal by die mens, maar duur lank na geboorte. Dendriete in pasgebore babas begin as individuele prosesse wat uit die selliggaam uitsteek en oor die volgende twee jaar word hierdie prosesse uitgewerk en word stekels, wat die plek van meeste opwindende sinapse is, gevorm. Dendritiese groei is stadig, op die orde van mikrometer per dag. Axons groei ongeveer 1000 keer vinniger, naamlik ongeveer een mm per dag. Hierdie differensiële groeikoers is belangrik omdat die vinniger groeiende aksone teikenselle kan kontak voordat die dendriete van die sel volledig gevorm word. As gevolg hiervan kan aksone dendritiese differensiasie en die vorming van serebrale stroombane beïnvloed.

Sinapsvorming in die menslike serebrale korteks stel 'n formidabele uitdaging voor, met 'n totaal van meer as 100,000 triljoen (1014). Hierdie enorme getal kan nie moontlik deur 'n genetiese program bepaal word nie, maar slegs die algemene sketse van neurale verbindings in die brein sal geneties vooraf bepaal word. Die groot verskeidenheid sinapse word dus deur 'n verskeidenheid van omgewingswyses en seine in plek gestel. Soos ons sal sien, kan die manipulasie van verskillende tipes aanwysers en seine dramatiese verskille in serebrale kringe lewer.

As gevolg van die onsekerheid in die aantal neurone wat hul gepaste bestemming en die toepaslikheid van die verbindings wat hulle vorm, sal oorleef, sal die brein beide neurone en verbindings oorontwikkel tydens ontwikkeling, met die toppunt van sinapsformasie tussen een en twee jaar, afhangend van die streek van korteks. Net soos 'n beeldhouer wat 'n standbeeld met 'n klipblok en 'n beitel skep om die ongewenste stukke te verwyder, het die brein 'n parallelle stelsel waarin onnodige selle en verbindings deur selle dood en sinaptiese snoei verwyder word. Die metaforiese beitels in die brein kan van baie vorme wees, insluitende 'n soort epigenetiese sein, 'n wye reeks ervarings, gonadale hormone, en selfs spanning.

Die effek van hierdie selverlies en sinaptiese snoei kan gesien word in veranderings in kortikale dikte oor tyd. Dit is dat die korteks eintlik meetbaar dunner word in 'n caudal-rostral gradiënt wat ongeveer twee-en-twintig begin en tot minstens 20-ouderdom voortduur. Dit is moontlik om kortikale verdunning met gedragsontwikkeling te korreleer. Byvoorbeeld, die resultate van MRI studies van veranderinge in kortikale dikte het getoon dat verhoogde motoriese behendigheid geassosieer word met 'n afname in kortikale dikte in die handstreek van die linker motoriese korteks in regterhanders (O'Hare & Sowell, 2008). Een uitsondering op die dunner is beter in die ontwikkeling van sommige, maar nie alle taalprosesse nie. MRI-studies het dus 'n verdikking van die linker-inferior frontale korteks (ongeveer Broca se area) getoon. Dit word geassosieer met verbeterde fonologiese verwerking (dws die begrip van spraakklanke). Hierdie unieke verband tussen kortikale dikte en gedrag is egter nie kenmerkend van taalfunksies in die algemeen nie. Byvoorbeeld, woordeskatontwikkeling word gekorreleer met afgeneemde kortikale dikte in diffuse kortikale streke (O'Hare & Sowell, 2008).

Die verband tussen kortikale dikte en gedragsontwikkeling is waarskynlik 'n verduideliking vir die variansie in die ontwikkeling van gedragsvaardighede by kinders. Byvoorbeeld, die vertraagde ontwikkeling van taal by kinders met normale intelligensie en motoriese vaardigheid (ongeveer 1% van kinders) kan die gevolg wees van stadiger as normale veranderinge in kortikale dikte. Hoekom dit dalk is, is onbekend.

Die finale stadium van breinontwikkeling is gliale ontwikkeling om mielien te vorm. Die geboorte van astrocyten en oligodendrocyten begin nadat die meeste neurogenese voltooi is en deur die hele lewe voortduur. Alhoewel CNS-aksone voor myelinering kan funksioneer, word normale volwasse funksie eers bereik nadat myelinering voltooi is, wat na 18-jare in gebiede soos die prefrontale, posterior parietale en anterior temporale korteks voorkom.

Breinontwikkeling bestaan ​​dus uit 'n kaskade van gebeure wat begin met mitose en eindig met myelinvorming. Die effek van breinversteurings en ervarings sal dus wissel met die presiese stadium van breinontwikkeling. Ons moet nie verbaas wees nie, byvoorbeeld dat ervarings en / of verwarring tydens mitose heelwat ander effekte sou hê as soortgelyke gebeurtenisse tydens sinaptogenese of later tydens snoei. Ervarings is in wese op baie verskillende brein op verskillende stadiums van ontwikkeling.

Spesiale kenmerke van breinontwikkeling

Twee kenmerke van breinontwikkeling is veral belangrik om te verstaan ​​hoe ervarings die kortikale organisasie kan verander. Eerstens, die selle wat die subventrikulêre sone beklee, is stamselle wat aktief bly deur die lewe. Hierdie stamselle kan neurale of gliale voorloper selle produseer wat in die serebrale wit of grys materie, selfs in volwassenheid, kan migreer. Hierdie selle kan vir langer periodes op hierdie plekke bly, maar kan geaktiveer word om neurone en / of glia te produseer. Die rol van hierdie selle word tans swak verstaan, maar vorm waarskynlik die basis van ten minste een vorm van postnatale neurogenese, veral na besering (bv. Gregg, Shingo en Weiss, 2001; Kolb et al., 2007). Daarbenewens kan die soogdierbrein, insluitende die primaatbrein, neurone in volwassenheid genereer wat bestem is vir die olfaktoriese bol, hippocampale vorming en moontlik ander streke (bv. Eriksson et al., 1998; Gould, Tanapat, Hastings, & Shors, 1999; Kempermann & Gage, 1999). Die funksionele rol van hierdie selle is steeds omstrede, maar hul generasie kan beïnvloed word deur baie faktore, insluitende ondervinding, dwelms, hormone en beserings.

Die tweede spesiale kenmerk is dat dendriete en wervelkolle merkwaardige plastisiteit toon in reaksie op ondervinding en kan sinapse binne enkele ure en moontlik selfs na enkele ervarings (bv. Greenough & Chang, 1989). Op die oppervlak lyk dit asof dit in stryd is met die proses van oorproduksie van sinapse, gevolg deur sinaptiese snoei wat vroeër beskryf is. 'N Sleutelpunt is dat hoewel die sinaptiese snoei 'n belangrike kenmerk van breinontwikkeling is, die brein steeds sinapse oor die hele leeftyd vorm en in werklikheid is hierdie sinapse nodig vir leer- en geheueprosesse. Greenough, Black and Wallace (1987) het aangevoer dat daar 'n fundamentele verskil is tussen die prosesse wat die vorming van sinapse in die vroeë breinontwikkeling en dié tydens latere breinontwikkeling en volwassenheid bepaal. Spesifiek, hulle redeneer dat die vroeë vormende sinapses "verwag" ervarings is, wat daarop gemik is om hulle terug te snoei. Hulle noem hierdie sinapse "ervaringsverwagtende" en let daarop dat hulle dwarsdeur die serebrum bevind word. In teenstelling hiermee is later sinapsvorming meer fokus en gelokaliseer na streke wat betrokke is by die verwerking van spesifieke ervarings. Hulle noem hierdie sinapse as "ondervinding afhanklik". Een eienaardige aspek van ervaring-afhanklike effekte op sinapse is dat nie net spesifieke ervarings lei tot selektiewe sinapsvorming nie, maar ook tot selektiewe sinaptiese verlies. So, ervarings verander neurale netwerke deur beide die toevoeging en snoei van sinapse. Dit lei ons tot die kwessie van breinplastisiteit.

Algemene beginsels van plastisiteit in normale brein

Voordat ons die ervarings aanspreek wat die brein plastisiteit beïnvloed, moet ons kortliks verskeie sleutelbeginsels van plastisiteit in die normale brein hersien.

1. Veranderinge in die brein kan op baie vlakke van analise getoon word

'N verandering in gedrag moet beslis voortspruit uit 'n paar verandering in die brein, maar daar is baie maniere om sulke veranderinge te ondersoek. Veranderinge kan afgelei word van globale maatstawwe van breinaktiwiteit, soos in die verskillende vorme van in vivo beelding, maar sulke veranderinge is ver verwyder van die molekulêre prosesse wat hulle dryf. Globale veranderinge weerspieël vermoedelik sinaptiese veranderinge, maar sinaptiese veranderinge word veroorsaak deur meer molekulêre veranderinge soos veranderinge in kanale, geen-uitdrukking, ensovoorts. Die probleem met die bestudering van brein plastisiteit is om 'n surrogaat merker te kies wat die beste pas by die vraag. Veranderinge in kalsiumkanale kan perfek wees vir die bestudering van sinaptiese veranderinge by spesifieke sinapse wat verband hou met eenvoudige leer, maar is onprakties vir die verstaan ​​van seksverskille in taalverwerking. Laasgenoemde kan die beste bestudeer word deur in vivo beeldvorming of postmortem-analise van selmorfologie (bv. Jacobs & Scheibel, 1993). Die toepaslike vlak moet gerig word op die navorsingsvraag wat voorhande is. Studies ondersoek strategieë om funksionele verbetering te stimuleer nadat besering meestal anatomies gebruik het (selmorfologie en konnektiwiteit), fisiologiese (kortikale stimulasie) en in vivo beelding. Elkeen van hierdie vlakke kan gekoppel word aan gedragsuitkomste in beide menslike en nie-menslike studies, terwyl meer molekulêre vlakke baie moeilik gevind word om verband te hou met gedrag, en veral geestelike gedrag.

2. Verskillende mate van neuronale morfologie verander onafhanklik van mekaar en soms in teenoorgestelde rigtings

Daar was 'n neiging in die literatuur om verskillende neuronale veranderinge as surrogate vir mekaar te sien. Een van die algemeenste is om aan te neem dat veranderinge in ruggraatdigtheid verander in dendritiese lengte en andersom. Dit blyk nie die geval te wees nie, aangesien die twee maatreëls onafhanklik kan wissel en soms in teenoorgestelde rigtings (bv. Comeau, McDonald, & Kolb, 2010; Kolb, Cioe, & Comeau, 2008). Verder kan selle in verskillende kortikale lae, maar in dieselfde vermoedende kolomme, baie verskillende reaksies op dieselfde ervarings toon (bv. Teskey, Monfils, Silasi, & Kolb, 2006).

3. Ervaringsafhanklike veranderinge is geneig om fokale te wees

Alhoewel daar 'n neiging is om te dink aan plastiese veranderinge in reaksie op ervarings as wydverspreid oor die brein, is dit selde die geval. Byvoorbeeld, psigo-middels kan groot gedragsveranderinge produseer en wydverspreide akute effekte op neurone hê, maar die chroniese plastiese veranderinge is verbasend fokale en beperk tot die prefrontale korteks en kernakkouse (bv. Robinson & Kolb, 2004). As gevolg daarvan moet navorsers deeglik dink oor waar die beste plekke na spesifieke ervarings moet omsien. 'N Versuim om sinaptiese veranderinge te vind wat met gedragsverandering verband hou, is nie bewys van die afwesigheid van veranderinge nie.

4. Plastiese veranderinge is tydafhanklik

Miskien is die grootste veranderinge in die sinaptiese organisasie gesien as gevolg van die plaas van laboratoriumdiere in komplekse (sogenaamde "verrykte") omgewings. Dus, daar is wydverspreide veranderinge deur die sensoriese en motoriese korteks. Hierdie veranderinge blyk die beginsel van ondervinding-afhanklike veranderings te verontagsaam, maar die algemeenheid van die veranderinge is waarskynlik te wyte aan die globale aard van die ervarings, insluitende ervarings soos diffuse soos visuele, taktiele, ouditiewe, olfaktoriese, motoriese en sosiale ervarings. Maar hierdie plastiese veranderinge is nie almal permanent nie en hulle kan mettertyd dramaties verander.

Byvoorbeeld, wanneer rotte in komplekse omgewings geplaas word, is daar 'n verbygaande toename in dendritiese lengte in die prefrontale korteks wat na vier dae van komplekse behuising gesien kan word, maar na 14 dae verdwyn het. Daarenteen is daar na vier dae geen duidelike veranderinge in sensoriese korteks nie, maar duidelik en blykbaar permanent verander dit na 14 dae (Comeau et al., 2010).

Die moontlikheid dat daar verskillende chroniese en oorgangs ervaringsafhanklike veranderinge in serebrale neurone is, stem ooreen met genetiese studies wat toon dat daar verskillende gene wat akuut en chronies uitgedruk word in reaksie op komplekse omgewings (bv. Rampon et al., 2000). Die verskil in hoe oorgang en aanhoudende veranderinge in neuronale netwerke verband hou met gedrag is onbekend.

5. Ondervinding-afhanklike veranderinge wisselwerking

Mense het 'n leeftyd van ervarings wat prenataal begin en tot die dood voortduur. Hierdie ervarings wisselwerking. Byvoorbeeld, ons het in laboratorium-rotte getoon dat indien diere aan jongmense of volwassenheid blootgestel word aan psigomotoriese stimulante, later ervaar word, het dit 'n baie verswakte (of soms afwesige) effek. Byvoorbeeld, wanneer rotters metielfenidaat as jeugdiges of amfetamien as volwassenes gegee word en dan later in komplekse omgewings geplaas word of op leerstake opgelei word, word die later ondervinding-afhanklike veranderinge geblokkeer. Wat verrassend is, is dat hoewel die middels geen duidelike direkte effek op sensoriese kortikale streke toon nie, voorafgaande blootstelling verhoed dat die verwagte veranderinge in hierdie streke voorkom (bv. Kolb, Gibb, & Gorny, 2003a). Hierdie dwelm-ondervinding interaksies is egter nie een-rigting nie. Wanneer swanger rotte 'n ligte stressor vir 20 minute twee keer per dag gegee word gedurende die tydperk van maksimale serebrale neurogenese in hul nageslag (embrio-dae 12-18), toon hul nageslag stresverwante veranderinge in ruggraatdigtheid in die prefrontale korteks (PFC), maar geen dwelmverwante effekte (Muhammad & Kolb, in pers a). Dit is nie duidelik waarom daar 'n volledige afwesigheid van dwelmverwante effekte is of wat dit vir verslawing sal beteken nie, maar dit toon wel dat ervarings interaksie het met hul effekte op die brein.

7. Plastiese veranderinge is ouderdomsafhanklik

Daar word algemeen aanvaar dat die ontwikkelende brein meer reageer op ervarings as die volwasse of senesvolle brein. Dit is beslis korrek, maar daar is nog 'n belangrike rimpel: daar is kwalitatief verskillende veranderinge in die brein in reaksie op wat op dieselfde tye dieselfde ervaring op verskillende ouderdomme voorkom. Byvoorbeeld, wanneer speen-, volwassene- of senesente rotte in 'n komplekse omgewing geplaas is, het alle groepe groot sinaptiese veranderinge getoon, maar dit was verrassend anders. Spesifiek, terwyl ons 'n toename in ruggraatdigtheid in reaksie op komplekse behuising verwag het, was dit net waar in volwasse en senesente rotte. Rotte in die omgewings as jeugdiges het 'n verminder in ruggraatdigtheid (Kolb et al., 2003a). 'N Soortgelyke daling in ruggraatdigtheid is gevind in latere studies waar pasgebore rotte taktiese stimulasie met 'n sagte kwas vir 15-minute gegee is, drie keer per dag oor die eerste tien dae van die lewe, maar nie as die stimulasie in volwassenheid is nie (Gibb, Gonzalez, Wagenest, & Kolb, 2010; Kolb & Gibb, 2010). Die ouderdom-afhanklike aard van sinaptiese verandering is duidelik belangrik om te verstaan ​​hoe ervarings die brein verander.

8. Nie alle plastisiteit is goed nie

Alhoewel die algemene kern van die literatuur is dat plastiekveranderinge in die brein verbeterde motoriese en kognitiewe funksies bevorder, kan plastiese veranderinge ook met gedrag inmeng. 'N Goeie voorbeeld is die dwelm-geïnduceerde veranderings gesien in reaksie op psigomotoriese stimulante (bv. Robinson & Kolb, 2004). Dit is redelik om voor te stel dat sommige van die wanadaptiewe gedrag van dwelmverslaafdes kan voortspruit uit dwelmverwante veranderinge in prefrontale neuronale morfologie. Daar is baie ander voorbeelde van patologiese plastisiteit, insluitende patologiese pyn (Baranauskas, 2001), patologiese respons op siekte (Raison, Capuron, & Miller, 2006), epilepsie (Teskey, 2001), skisofrenie (Black et al., 2004), en demensie (Mattson, Duan, Chan, & Guo, 2001).

Alhoewel daar nie baie studies van patologiese plastisiteit in die ontwikkelende brein is nie, is 'n voor die hand liggende voorbeeld foetale alkoholspektrumversteuring. Nog 'n voorbeeld is die uitwerking van ernstige prenatale stres, wat getoon is om die kompleksiteit van neurone in die prefrontale korteks aansienlik te verminder (bv. Murmu et al., 2006) en kan weer normale kognitiewe en motoriese funksies beïnvloed, sowel in ontwikkeling as volwassenheid (bv. Halliwell, 2011). Alhoewel die meganismes onderliggend aan hierdie veranderinge swak verstaan ​​word, is dit bekend dat vroeë postnatale stres gene-uitdrukking in die brein kan verander (Weaver et al., 2004; Weaver, Meaney, & Szf, 2006).

Faktore wat die ontwikkeling van die brein beïnvloed

Toe navorsers begin om ondervinding-afhanklike veranderinge in die ontwikkelende brein in die 1950s en 1960s te bestudeer, was daar 'n natuurlike aanname dat veranderinge in breinontwikkeling net voor die hand liggend sou wees as gevolg van taamlike groot veranderinge in ondervinding, soos om in die duisternis op te lig. Oor die afgelope 20 jaar het dit duidelik geword dat selfs redelik onskadelike ervarings die ontwikkeling van die brein kan beïnvloed en dat die verskeidenheid ervarings wat die ontwikkeling van die brein kan verander, veel groter is as wat een keer geglo is. Tabel 2). Ons sal sommige van die goed bestudeerde effekte uitlig.

Tabel 2. 

Faktore wat breinontwikkeling en -funksie beïnvloed

1. Sensoriese en motoriese ervarings

Die eenvoudigste manier om ondervinding in die eeue te manipuleer, is om breinstruktuur te vergelyk met diere wat in standaard laboratoriumkooie leef, of diere in swak verarmde omgewings of sogenaamde verrykde omgewings geplaas word. Verhoging van diere in ontneemde omgewings soos in duisternis, stilte of sosiale isolasie vertraag die breinontwikkeling duidelik. Byvoorbeeld, hondwyfies wat alleen opgewek word, toon 'n wye verskeidenheid gedragsafwykings, insluitend 'n virtuele ongevoeligheid vir pynlike ervarings (Hebb, 1949). Net so, die verhoging van diere so uiteenlopend soos ape, katte en knaagdiere in die donker, belemmer die ontwikkeling van die visuele stelsel. Miskien is die bekendste ontberingsstudies dié van Weisel en Hubel (1963) wat een ooglid van katjies gesluit het en later gewys het toe die oog oopgemaak was, was daar 'n blywende verlies aan ruimtelike visie (amblyopie) (bv. Giffin & Mitchell, 1978). Dit is egter pas onlangs dat navorsers die teenoorgestelde verskynsel beskou het, naamlik om diereverrykte visuele ervarings te gee om vas te stel of visie verbeter kan word. In een elegante studie, Prusky et al. (Prusky, Silver, Tschetter, Alam, & Douglas, 2008) het 'n nuwe vorm van visuele stimulasie gebruik waarin rotte geplaas is in 'n virtuele optokinetiese stelsel waarin vertikale lyne van verskillende ruimtelike frekwensie verby die dier beweeg het. As die oë oop en gerig is op die bewegende rooster, is dit onmoontlik vir diere, insluitend mense, om die bewegende lyne te voorkom, indien die ruimtelike frekwensie binne die perseptuele reeks is. Die skrywers het ongeveer twee weke na die dag van oogopening (postnatale dag 15) diere in die apparaat geplaas. Toe dit getoets word vir visuele skerpheid in volwassenheid, het die diere gewys op 'n 25% verbetering in visuele skerpte relatief tot diere sonder die vroeë behandeling. Die skoonheid van die Prusky-studie is dat verbeterde visuele funksie nie op spesifieke opleiding gebaseer is nie, soos om 'n probleem te leer, maar het natuurlik plaasgevind in reaksie op verbeterde visuele insette.

Ons het probeer om taktiele ondervinding te verbeter deur gebruik te maak van 'n prosedure wat eers ontwerp is Schanberg en Veld (1987). In hierdie studies is babadratte tydens die 15-10-dae 'n tasbare stimulasie gegee met 'n klein kwas vir 15-minute drie keer per dag. Toe die babas in volwassenheid bestudeer is, het hulle beide verbeterde geskoolde motoriese prestasie en ruimtelike leer sowel as veranderinge in sinaptiese organisasie oor die serebrale korteks (bv. Kolb & Gibb, 2010). Alhoewel die presiese meganisme van werking van die taktiele stimulasie nie bekend is nie, het ons getoon dat die taktiele stimulasie lei tot 'n toename in die produksie van 'n neurotrofiese faktor, fibroblast groeifaktor-2 (FGF-2) in beide vel en brein (Gibb, 2004). FGF-2 is bekend om 'n rol in normale breinontwikkeling te speel en kan herstel van perinatale breinbesering stimuleer (bv. Comeau, Hastings, & Kolb, 2007). FGF-2-uitdrukking word ook verhoog in reaksie op 'n verskeidenheid behandelings, insluitend verrykte behuising en psigo-middels, wat beide plastiekveranderinge in die brein stimuleer (sien hieronder).

Nog 'n manier om sensoriese en motoriese funksies te verbeter, is om diere in komplekse omgewings te plaas waar diere die geleentheid bied om met 'n veranderende sensoriese en sosiale omgewing te kommunikeer en om meer motoriese aktiwiteit as gereelde kuierwerk te betrek. Sulke studies het 'n groot verskeidenheid neurale veranderinge geassosieer met hierdie vorm van "verryking" geïdentifiseer. Dit sluit in toenames in breingrootte, kortikale dikte, neurongrootte, dendritiese vertakking, ruggraatdigtheid, sinapse per neuron, glialgetalle en kompleksiteit, en vaskulêre arborisering (bv Greenough & Chang, 1989; Siervaag & Greenough, 1987). Die grootte van hierdie veranderinge moet nie onderskat word nie. Byvoorbeeld, in ons eie studie van die effekte van die behuising van jong rotte vir 60 dae in verrykte omgewings, neem ons betroubaar die veranderinge in die totale breingewig in ag op die volgorde van 7-10% (bv. Kolb, 1995). Hierdie toename in breingewig weerspieël toenames in die aantal glia en bloedvate, neuron soma grootte, dendritiese elemente en sinapse. Dit sal moeilik wees om die totale aantal verhoogde sinapse te skat, maar dit is waarskynlik op die volgorde van 20% in die korteks, wat 'n buitengewone verandering is. Belangrik, hoewel sulke studies op enige ouderdom ondervindingsafhanklike veranderinge toon, is daar twee onverwagte plooie. Eerstens toon volwasse rotte op enige ouderdom 'n groot toename in dendritiese lengte en ruggraatdigtheid oor die meeste van die serebrale korteks, terwyl jong rotte 'n soortgelyke verhoog in dendritiese lengte, maar a verminder in ruggraatdigtheid. Dit beteken dat die jong diere 'n kwalitatief verskillende verandering toon in die verspreiding van sinapse op piramidale neurone in vergelyking met ouer diere (Kolb et al., 2003a). Tweedens, wanneer swanger damme in agt uur per dag voor swangerskap in komplekse omgewings geplaas is, en dan gedurende die drie-week swangerskap, het die ontleding van die volwasse brein van hul babas 'n verminder in dendritiese lengte en an verhoog in ruggraatdigtheid. Dus, nie net is daar 'n effek van prenatale ondervinding, maar die effek was kwalitatief anders as ondervinding in die jeugdige tydperk of in volwassenheid. Vreemd genoeg, al die veranderinge in reaksie op die komplekse behuising lei tot verbeterde kognitiewe en motoriese funksies.

Daar is drie duidelike boodskappe van hierdie studies. Eerstens kan 'n wye verskeidenheid sensoriese en motoriese ervarings langdurige plastiese veranderinge in die brein lewer. Tweedens, dieselfde ervaring kan die brein anders op verskillende ouderdomme verander. Derdens, daar is geen eenvoudige verhouding tussen die besonderhede van sinaptiese plastisiteit en gedrag tydens ontwikkeling nie. Wat egter seker is, is dat hierdie vroeë ervarings 'n kragtige uitwerking op die breinorganisasie het tydens ontwikkeling en volwassenheid.

2. Psigoaktiewe middels

Dit is lank reeds bekend dat vroeë blootstelling aan alkohol nadelig is vir die ontwikkeling van die brein, maar dit is pas onlangs bewys dat ander psigo-middels, insluitend voorskrifmedisyne, die ontwikkeling van die brein dramaties kan verander. Robinson en Kolb (2004) het bevind dat blootstelling aan psigomotoriese stimulante by volwassenheid groot veranderinge in die struktuur van selle in PFC en nucleus accumbens (NAcc) veroorsaak het. Spesifiek, terwyl hierdie middels (amfetamien, kokaïen, nikotien) toenames in dendritiese lengte en ruggraatdigtheid in mediale prefrontale korteks (mPFC) en NAcc veroorsaak het, was daar ook 'n afname in hierdie maatreëls in die orbitale frontale korteks (OFC), of in sommige gevalle , geen verandering. Hulle het daarna gewys dat feitlik elke klas van psigo-middels ook veranderinge in PFC veroorsaak, en dat die effekte in die twee prefrontale streke konsekwent verskil. Gegewe dat die ontwikkelende brein dikwels blootgestel word aan psigo-middels, hetsy in utero of tydens postnatale ontwikkeling, het ons gevra watter effekte hierdie middels sou hê op kortikale ontwikkeling.

Ons eerste studies het gekyk na die gevolge van amfetamien of metielfenidaat wat gedurende die jeugdige periode gegee is (bv. Diaz, Heijtz, Kolb, & Forssberg, 2003). Beide dwelms het die organisasie van die PFC verander. Die dendritiese veranderinge was geassosieer met abnormale spelgedrag by die dwelmbehandelde rotte, aangesien hulle verminderde spelinisiasie vertoon het in vergelyking met sout behandelde speelmaats sowel as verswakte prestasie op 'n toets van werkgeheue. Psigomotoriese stimulante blyk dus die ontwikkeling van die PFC te verander en dit manifesteer in gedragsafwykings op prefrontale verwante gedrag later in die lewe.

Kinders kan ook aan voorskrifmedikasie blootgestel word in utero of postnataal. Drie algemeen voorgeskrewe klasse dwelms is antipsigotika, antidepressante en anxiolytika. Al drie het dramatiese effekte op kortikale ontwikkeling. Frost, Cerceo, Carroll, en Kolb (2009) ontleed dendritiese argitektuur in volwasse muise wat behandel word met paradigmatiese tipiese- (haloperidol) of atipiese (olanzapien) antipsigotiese middels tydens ontwikkelingsfases wat ooreenstem met fetale (postnatale dae 3-10) of stadiums van fetale en vroeë kinderjare (postnatale dae 3-20) by mense. Beide middels het dendritiese lengte, dendritiese vertakkingskompleksiteit en ruggraatdigtheid in beide mediale prefrontale en orbitale korteks veroorsaak. In 'n daaropvolgende studie met rotte het die skrywers gestremdhede getoon in PFC-verwante neuropsigologiese take soos werkgeheue.

In 'n parallelle stel studies het ons gekyk na die effek van prenatale blootstelling aan diazepam of fluoksetien by rotte (Kolb, Gibb, Pearce en Tanguay, 2008). Albei dwelms het brein en gedragsontwikkeling beïnvloed, maar in teenoorgestelde opsigte. Prenatale diazepam het dendritiese lengte en ruggraatdigtheid in piramidale selle in die pariëtale korteks verhoog en dit is geassosieer met verhoogde geskoolde motoriese funksies. In teenstelling hiermee het fluoksetien dendritiese maatreëls afgeneem en dit was korreleer met verswakte ruimtelike leerstekorte in volwasse jare.

Een bykomende vraag is of vroeë blootstelling aan psigo-middels die breinplastisiteit later in die lewe kan verander. Ons het voorheen getoon dat indien volwasse rotte amfetamien, kokaïen of nikotien gegee word en later in komplekse omgewings geplaas word, neuronale plastisiteit geblokkeer is (Hamilton & Kolb, 2005; Kolb, Gorny, Samaha, & Robinson, 2003b). In 'n daaropvolgende studie het ons jong rotte methylphenidate gegee en in volwassenheid het ons hierdie diere in komplekse omgewings geplaas, en weereens het ons gevind dat die vroeë dwelmblootstelling die verwagte ondervinding-afhanklike veranderinge in die korteks geblokkeer het (Comeau & Kolb, 2011). Verder, in 'n parallelle studie, het ons getoon dat die blootstelling aan jongmetielfenidaat op prestasie op neuropsigologiese take wat sensitief is vir prefrontale funksionering, benadeel.

Kortliks, blootstelling aan beide voorskrifmiddels en dwelmmiddels het 'n groot invloed op prefrontale ontwikkeling en prefrontale verwante gedrag. Hierdie effekte blyk langdurig of permanent te wees en kan breinplastisiteit in volwassenheid beïnvloed. Die onverwagte ernstige gevolge van voorskrifmiddels op brein- en gedragsontwikkeling is ongetwyfeld belangrik in die ontwikkeling van menslike baba brein. Dit is duidelik nie 'n eenvoudige oproep of swanger moeders met ernstige depressie, psigose of angsversteurings medisyne moet voorskryf nie, aangesien hierdie gedragstoestande waarskynlik die ontwikkeling van die brein in die baba sal beïnvloed en veral tot die mate dat daar patologiese moeder- baba interaksies. Die navorsing stel egter voor dat sulke medisyne gebruik moet word in so 'n lae effektiewe dosis as wat gebruik kan word en nie net vir hul "kalmerende" effekte op moeders met ligte angs.

3. Gonadale hormone

Die mees voor die hand liggende effek van blootstelling aan gonadale hormone tydens ontwikkeling is die differensiasie van geslagsdele wat prenataal begin. In hierdie geval lei die produksie van testosteroon deur mans tot die ontwikkeling van manlike genitalieë. Later in die lewe beïnvloed beide estrogeen en testosteroon reseptore in baie dele van die liggaam, insluitende die brein. MRI studies van menslike brein ontwikkeling het groot verskille in die tempo van brein ontwikkeling in die twee geslagte getoon (O'Hare & Sowell, 2008). Spesifiek, die totale volume van die brein bereik asimptoot by vroue rondom die ouderdom 11 en 15 by mans en vroue. Maar daar is meer aan seksuele dimorfisme in die brein as die mate van volwassenheid. Byvoorbeeld, Kolb en Stewart (1991) het in rotte gewys dat neurone in die mPFC groter dendritiese velde by mans gehad het en dat neurone in OFC groter selle by vroue gehad het. Hierdie verskille het verdwyn toe die diere by geboorte gonadectomized was. Net so, Goldstein et al. (2001) het 'n omvattende evaluering van die volume van 45 verskillende breinstreke uit MRI-skanderings van gesonde volwasse vakke gedoen. Daar was seksverskille in volume, relatief tot die totale serebrale volume, en dit was veral waar in PFC: vroue het 'n relatief groter volume dorsolaterale PFC gehad terwyl mans 'n relatief groter volume OFC gehad het. Hierdie seksuele dimorfisme word gekorreleer met relatief hoë streeksvlakke van sekssteroïedreseptore tydens die vroeë lewe in laboratoriumdiere. Dit blyk dus in beide mense en laboratoriumdiere dat gonadale hormone kortikale ontwikkeling verander. Dit is veral belangrik wanneer ons van mening is dat die gevolge van ander ervarings soos blootstelling aan komplekse behuising of psigomotoriese stimulante ook seksueel dimorfies is. Dit lyk waarskynlik dat baie ander ontwikkelingservarings die vroulike en manlike brein anders kan verander, alhoewel min studies eintlik hierdie vergelyking gemaak het.

4. Ouer-kind verhoudings

Soogdiere wat in 'n onvolwasse toestand gebore word, is in die vroeë lewe 'n belangrike uitdaging. Hulle is afhanklik van hul ouers en hulle moet leer om hul versorgers te identifiseer, onthou en verkies. Alhoewel ons nou weet dat jong diere (en selfs voorgeboortelike diere) meer kan leer as wat voorheen erken is (sien oorsig deur Hofer & Sullivan, 2008), is daar min twyfel dat die ouer-kind verhoudings krities is en dat hulle 'n sleutelrol speel in breinontwikkeling. Verskille in die patroon van vroeë moeder-kind interaksies kan langtermyn ontwikkelingseffekte inisieer wat volhard in volwassenheid (Myers, Brunelli, Squire, Shindledecker, & Hofer, 1989). Byvoorbeeld, knaagdierstudies het getoon dat die tyd wat spandeer word in kontak, die hoeveelheid moeders lek en versorging, en die tyd wat die moeders in 'n hoogs stimulerende hoë boë rusposisie spandeer, korreleer met 'n verskeidenheid van somatiese en gedragsverskille. Oor die afgelope dekade het Meaney en sy kollegas (bv Cameron et al., 2005) was in staat om hierdie knaagdier se moeder- en baba interaksies te wysig, die ontwikkeling van die hipotalamus-adrenale stresrespons en 'n verskeidenheid emosionele en kognitiewe gedrag in volwassenheid sistematies te verander. Hierdie veranderinge word gekorreleer met veranderings in hippocampale selmembraan-kortikosteroonreseptore, wat op sy beurt beheer word deur veranderinge in geenuitdrukking (Weaver et al., 2006).

Die effekte van variasies in moederversorging is egter nie beperk tot die hippokampus nie, en kan wel wydverspreid wees. Byvoorbeeld, Fenoglio, Chen en Barum (2006) het getoon dat verbeterde moedersorg gedurende die eerste week van die lewe volgehoue ​​veranderings in selaanwysingspaaie in die hipotalamus en amgydala veroorsaak het (sien ook hersiening deur Fenoglio, Bruson, & Barum, 2006).

Ons is nie bewus van soortgelyke studies wat kyk na neokortiese, en veral prefrontale, plastisiteit in reaksie op verskille in interaksies tussen moeder en kind nie, maar sulke veranderinge lyk waarskynlik. Ons het byvoorbeeld gewys dat daaglikse materiaalseparasie, wat die prosedure is wat gebruik word om moeder- en baba interaksies in die Fenoglio et al. (2006) studeer, verhoog dendritiese lengte en ruggraatdigtheid in beide mPFC en OFC by volwasse rotte (Muhammad & Kolb, 2011).

5. Portuurverhoudings

Portuurverhoudings is bekend om volwasse gedrag te beïnvloed sedert die studie van Harlow (bv. Harlow & Harlow, 1965). Een van die sterkste portuurverhoudings is spel, wat getoon is om belangrik te wees vir die ontwikkeling van volwasse sosiale vaardighede (bv. Pellis & Pellis, 2010). Die frontale speel 'n noodsaaklike rol in speelgedrag. 'N Baba besering aan die mPFC en OFC-kompromie speelgedrag, alhoewel dit op verskillende maniere (bv. Pellis et al., 2006). In die lig van sulke resultate het ons veronderstel dat die ontwikkeling en die daaropvolgende funksionering van die twee prefrontale streke differensieel sou verander indien spelgedrag in ontwikkeling gemanipuleer is. Jong rotte het dus die geleentheid gehad om met 1 of 3 volwasse rotte te speel of met 1 of 3 ander jeugdige diere. Daar was feitlik geen speel met die volwasse diere nie, maar speelgedrag het die meer jeugdige diere wat teenwoordig was, verhoog. Analise van selle in die PFC het getoon dat neurone van die OFC gereageer het op die aantal eweknieë wat teenwoordig was, en nie of speel nie plaasgevind het nie, terwyl die neurone van mPFC op die hoeveelheid speel gereageer het, maar nie die aantal spesies nie (Bell, Pellis, & Kolb, 2010). Ons het vervolgens in 'n reeks studies getoon dat 'n verskeidenheid vroeë ervarings verander in ratspesgedrag, insluitend prenatale stres, postnatale taktiele stimulasie en jong blootstelling aan metielfenidaat (bv. Muhammad, Hossain, Pellis, & Kolb, 2011) en in elke geval is daar abnormaliteite in prefrontale ontwikkeling. Daar kan hier 'n belangrike les wees as ons kyk na die toestande waarin menslike kinderjare nie normaal is nie, soos in outisme of aandag-tekort hiperaktiwiteitsversteuring (ADHD). Die abnormaliteite in spelgedrag kan prefrontale ontwikkeling en latere volwasse gedrag beïnvloed.

6. Vroeë spanning

Daar is enorme literatuur oor die afgelope 60-jare ingesamel wat die effekte van stres op brein en gedrag by volwassenes toon, maar dit is net meer onlangs dat die rol van perinatale stres by babas waardeer word. Dit is nou bekend dat beide swangerskap- en babastres individue aanspoor vir 'n verskeidenheid wanadaptiewe gedrag en psigopatologieë. Prenatale stres is byvoorbeeld 'n risikofaktor in die ontwikkeling van skisofrenie, ADHD, depressie en dwelmverslawing (Anda et al., 2006; van den Bergh & Marcoen, 2004). Eksperimentele studies met laboratoriumdiere het hierdie bevindings bevestig. Die algehele resultate was dat perinatale stres, in knaagdiere sowel as nie-menslike primate, gedragsafwykings veroorsaak het, soos verhoogde en langdurige stresrespons, gestremde leer en geheue, tekort aan aandag, veranderende verkennende gedrag, veranderde sosiale en spelgedrag, en 'n verhoogde voorkeur vir alkohol (bv. hersiening deur Weinstock, 2008).

Die plastiese veranderinge in die sinaptiese organisasie van brein van perinatale gestresde diere is egter minder goed bestudeer, en die effekte blyk te wees verwant aan die besonderhede van die stresvolle ervaring. Byvoorbeeld, Murmu et al. (2006) het gerapporteer dat gematigde prenatale stres gedurende die derde week van swangerskap gelei het tot verminderde ruggraatdigtheid en dendritiese lengte in beide die mPFC en OFC van volwasse degus. In kontras, Muhammad & Kolb (2011) het bevind dat ligte prenatale stres gedurende die tweede week van swangerskap verminderde ruggraatdigtheid in mPFC, maar geen effek gehad het op OFC en verhoogde ruggraatdigtheid in nek van volwasse rotte nie. Analise van dendritiese lengte het 'n ietwat ander patroon getoon, aangesien daar 'n toename in dendritiese lengte in mPFC en NAcc was, maar 'n afname in OFC. Vreemd genoeg, Mychasiuk, Gibb en Kolb (2011) bevind dat sagte stres tydens die tweede swangerskapweek ruggraatdigtheid in beide mPFC en OFC toegeneem het toe die brein ondersoek word in jong, eerder as volwasse rotte. Saam met hierdie studies blyk dat verskille in die tydsberekening van prenatale stres en die ouderdom waarteen die brein ondersoek word, verskillende plastiese veranderinge in neuronale stroombane tot gevolg het. Een ding wat egter duidelik is, is dat die effekte van prenatale stres anders blyk as dié van volwasse stres. Byvoorbeeld, Liston et al. (2006) Die eerste keer het volwasse stres gelei tot 'n afname in dendritiese vertakking en ruggraatdigtheid in mPFC, maar 'n toename in OFC.

Ons is bewus van slegs een studie wat die gevolge van vroeë postnatale stres (materiële skeiding) op sinaptiese organisasie in volwasse brein ondersoek. so, Muhammad & Kolb (2011) bevind dat die moeder se skeiding die ruggraatdigtheid in mPFC, OFC en NAcc by volwasse rotte verhoog het. Wat nog nie vasgestel moet word nie, is die verskille in sinaptiese veranderinge wat verband hou met latere gedrag of hoe plastiek die neurone sal wees in reaksie op ander ervarings soos komplekse behuising, speel of verwantskap tussen ouers en ouers. Sulke studies is seker die gris van toekomstige studies.

7. Darmflora

Onmiddellik na die geboorte word soogdiere vinnig bevolk deur 'n verskeidenheid inheemse mikrobes. Hierdie mikrobes beïnvloed die ontwikkeling van baie liggaamsfunksies. Byvoorbeeld, gut mikrobiota het sistemiese effekte op lewerfunksie (bv. Björkholm et al., 2009). Omdat daar 'n bekende verband is tussen neuro-ontwikkelingsversteurings soos outisme en skisofrenie en mikrobioale patogeeninfeksies gedurende die perinatale tydperk (bv. Finegold et al., 2002; Mittal, Ellman, & Cannon, 2008), Diaz Heijtz et al. (in pers) wonder of sulke infeksies die brein en gedragsontwikkeling kan verander. Hulle doen. Die skrywers vergelyk maatreëls van beide motoriese gedrag en brein in muise wat met of sonder normale dermmircrobiota ontwikkel is. Die skrywers het bevind dat dermbakterieë seinbane, neurotransmitteromset en die produksie van sinaptiese verwante proteïene in korteks en striatum in ontwikkelende muise beïnvloed en hierdie veranderinge is geassosieer met veranderinge in motoriese funksies. Dit is 'n opwindende bevinding omdat dit insig gee in die manier waarop infeksies tydens ontwikkeling die ontwikkeling van die brein en gevolglike volwasse gedrag kan verander.

8. dieet

Daar is uitgebreide literatuur oor die uitwerking van proteïen- en / of kalorie-beperkte diëte op brein- en gedragsontwikkeling (bv. Lewis, 1990), maar baie minder is bekend oor die gevolge van verhoogde dieet op breinontwikkeling. Dit word algemeen aanvaar dat die liggaam beter gesond word wanneer dit goeie voeding gegee het. Dit is dus redelik om te voorspel dat breinontwikkeling deur vitamien- en / of mineraalaanvullings gefasiliteer kan word. Dieetcholienaanvulling gedurende die perinatale tydperk lewer 'n verskeidenheid veranderinge aan beide gedrag en brein (Meck & Williams, 2003). Byvoorbeeld, perinatale cholienaanvulling lei tot verbeterde ruimtelike geheue in verskeie ruimtelike navigasie toetse (bv. Meck & Williams, 2003; Tees, & Mohammadi, 1999) en verhoog die vlakke van senuwee groeifaktor (NGF) in die hippokampus en neocortex (bv. Sandstrom, Loy, & Williams, 2002). Halliwell, Tees en Kolb (2011) het soortgelyke studies gedoen en bevind dat cholienaanvulling dendritiese lengte oor die serebrale korteks en in hippokampale CA1-piramidale neurone toegeneem het.

Halliwell (2011) het ook die gevolge van die toevoeging van 'n vitamien / minerale aanvulling na die voedsel van lakterende rotte bestudeer. Sy het gekies om 'n dieetaanvulling te gebruik wat gerapporteer is om bui en aggressie by volwassenes en adolessente met verskillende afwykings te verbeter (Leung, Wiens & Kaplan, 2011) en verminderde woede, aktiwiteitsvlakke en sosiale onttrekking in outisme met 'n toename in spontaneïteit (Mehl-Madrona, Leung, Kennedy, Paul, & Kaplan, 2010). Analise van die volwasse nakomelinge van lakterende rotte wat dieselfde toediening gevoer het, het 'n toename in dendritiese lengte in neurone in mPFC en parietale korteks, maar nie in OFC, gevind nie. Daarbenewens was die dieet effektief om die effekte van ligte prenatale stres op die vermindering van dendritiese lengte in OFC te omkeer.

Daar word baie geleer oor die gevolge van beide dieetbeperking en aanvulling op die ontwikkeling van neuronale netwerke en gedrag. Albei prosedures verander die ontwikkeling van die brein, maar soos in baie van die ander faktore wat hier bespreek word, het ons nie 'n duidelike beeld van hoe die vroeë ervarings met later ervarings, soos psigoaktiewe middels, sal wissel om die brein en gedrag te verander nie.

Gevolgtrekkings

Ons begrip van die aard van normale breinontwikkeling het 'n lang pad in die afgelope 30-jare gevorder, maar ons begin net 'n paar van die faktore wat hierdie ontwikkeling moduleer, te verstaan. Om hierdie modulasie te verstaan, sal noodsaaklik wees om die legkaarte van neuro-ontwikkelingsafwykings te ontrafel en vroeë behandelings te begin om patologiese veranderinge te blokkeer of om te keer. 'N Duidelike komplikasie is dat ervarings nie enkelvoudige gebeurtenisse is nie, maar eerder as wat ons deur die lewe gaan, wissel ervarings in om beide gedrag en brein te verander, 'n proses wat dikwels na verwys word as metaplastisiteit.

Soos ons die verskillende ondervinding-afhanklike veranderings in die ontwikkelende brein bespreek het, het ons die "ontwikkelende brein" gebruik asof dit 'n enkele keer was. Dit is natuurlik nie so nie en daar is min twyfel dat ons uiteindelik sal vind dat daar kritiese vensters van tyd is waarin die ontwikkelende brein meer (of minder) reageer as in ander tye. Daarbenewens is dit waarskynlik dat verskillende serebrale streke verskillende kritieke vensters sal toon. Ons het byvoorbeeld gevind dat indien die motoriese korteks vroeg in adolessensie beseer word, daar 'n swak uitkoms is ten opsigte van dieselfde besering by die laat adolessensie (Nemati & Kolb, 2010). Vreemd genoeg is die omgekeerde egter waar vir die besering van die prefrontale korteks. Om die oppervlakte-afhanklike kritiese vensters uit te sorteer, sal vir die volgende dekade 'n uitdaging wees.

Ons het hier gefokus op maatreëls van sinaptiese plastisiteit, maar ons erken beslis dat plastiese veranderinge in breinorganisasie op baie ander vlakke bestudeer kan word. Uiteindelik sal die fundamentele meganisme van sinaptiese verandering gevind word in geen-uitdrukking. Die probleem is dat dit waarskynlik is dat ervarings wat gedrag aansienlik verander, verband hou met veranderinge in dekades of honderde gene. Die uitdaging is om die veranderinge wat die nouste verband hou met die waargenome gedragsveranderinge te identifiseer.

Erkennings / botsings van belange

Ons wil beide NSERC en CIHR bedank vir hul langtermynondersteuning vir die studies wat verband hou met ons werk wat in hierdie oorsig bespreek is. Ons bedank ook Cathy Carroll, Wendy Comeau, Dawn Danka, Grazyna Gorny, Celeste Halliwell, Richelle Mychasiuk, Arif Muhammad en Kehe Xie vir hul talle bydraes tot die studies.

Verwysings

  • Anda RF, Felitti VJ, Bremner JD, Walker JD, Whitfield C, Perry BD, Giles WH. Die blywende effekte van mishandeling en verwante ongunstige ervarings in die kinderjare. 'N Konvergensie van bewyse uit neurobiologie en epidemiologie. Europese Argief van Psigiatrie en Kliniese Neurowetenskap. 2006; 256: 174-186. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Baranauskas G. Pyn-geïnduseerde plastisiteit in die rugmurg. In: Shaw CA, McEachern J, redakteurs. Na 'n teorie van neuroplastisiteit Philadelphia, PA: Sielkunde Pers; 2001. pp. 373-386.
  • Bell HC, Pellis SM, Kolb B. Jeugdwedstryde-ervaring en die ontwikkeling van die orbitofrontale en mediale prefrontale korteks. Gedragsorgnavorsing. 2010; 207: 7-13. [PubMed]
  • Swart JE, Kodish IM, Grossman AW, Klintsova AY, Orlovskaya D, Vostrikov V, Greenough WT. Patologie van laag V-piramidale neurone in die prefrontale korteks van pasiënte met skisofrenie. Amerikaanse Tydskrif vir Psigiatrie. 2004; 161: 742-744. [PubMed]
  • Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR. 'N nuwe grens vir ontwikkelingsgedrag-neurowetenskap. In: Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR, redakteurs. Oxford Handboek van Ontwikkelingsgedrag Neurowetenskap. New York, NY: Oxford University Press; 2010. pp. 1-6.
  • Björkholm B, Bok CM, Lundin A, Rafter J, Hibberd ML, Pettersson S. Intestinale mikrobiota reguleer xenobiotiese metabolisme in die lewer. PLAAS EEN. 2009; 4: e6958. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Cameron NM, Champagne FA, Carine P, Fish EW, Ozaki-Kuroda K, Meaney M. Die programmering van individuele verskille in verdedigende reaksies en voortplantingsstrategieë in 'n rot deur variasies in moedersorg. Neurowetenschappen en Biobehavioral Reviews. 2005; 29: 843-865. [PubMed]
  • Comeau W, Hastings E, Kolb B. Differensiële effek van pre- en postnatale FGF-2 na mediale prefrontale kortikale besering. Gedragsorgnavorsing. 2007; 180: 18-27. [PubMed]
  • Comeau WL, McDonald R, Kolb B. Leer-geïnduseerde veranderinge in prefrontale kortikale kringe. Gedragsorgnavorsing. 2010; 214: 91-101. [PubMed]
  • Comeau W, Kolb B. Juvenile blootstelling aan metielfenidaatblokke later ondervinding-afhanklike plastisiteit in volwassenheid. 2011. Manuskrip in voorlegging.
  • Diaz Heijtz R, Kolb B, Forssberg H. Kan 'n terapeutiese dosis amfetamien tydens pre-adolessensie die patroon van sinaptiese organisasie in die brein verander? Europese Tydskrif vir Neurowetenschappen. 2003; 18: 3394-3399. [PubMed]
  • Diaz Heijtz R, Wang S, Anuar F, Qian Y, Björkholm B, Samuelsson A, Pettersson S. Normale gut mikrobiota moduleer breinontwikkeling en gedrag. Verrigtinge van die Nasionale Akademie van Wetenskap (VSA) (in pers). [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Eriksson PS, Perfi lieva E, Björk-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH. Neurogenese in die volwasse menslike hippokampus. Natuurgeneeskunde. 1998; 4: 1313-1317. [PubMed]
  • Fenoglio KA, Brunson KL, Baram TZ. Hippokampale neuroplastisiteit geïnduceerd deur vroeë lewe stres: Funksionele en molekulêre aspekte. Grense in Neuroendokrinologie. 2006; 27: 180-192. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Fenoglio KA, Chen Y, Baram TZ. Neuroplastisiteit van die hipotalamus-pituïtêre adrenale as vroeg in die lewe vereis herhalende werwing van stresregulerende breinstreke. Blaar van Neurowetenskap. 2006; 26: 2434-2442. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Finegold SM, Molitoris D, Song Y, Liu C, Vaisanen ML, Bolte E, Kaul A. Gastrointestinale mikroflora studies in laat-begin-outisme. Kliniese Infeksiesiektes. 2002; 35 (Suppl 1): S6-S16. [PubMed]
  • Frost DO, Cerceo S, Carroll C, Kolb B. Die vroeë blootstelling aan haloperidol of Olanzapine veroorsaak langtermyn veranderinge van dendritiese vorm. Sinaps. 2009; 64: 191-199. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Gibb R. Perinatale ervaring en herstel van breinbesering. 2004. Ongepubliseerde PhD-tesis, Universiteit van Lethbridge, Kanada.
  • Gibb R, Gonzalez CLR, Wegenast W, Kolb B. Taktiele stimulasie fasiliteer herstel na kortikale besering by volwasse rotte. Gedragsorgnavorsing. 2010; 214: 102-107. [PubMed]
  • Giffin F, Mitchell DE. Die tempo van herstel van visie na vroeë monokulêre ontneming in katjies. Tydskrif van Fisiologie. 1978; 274: 511-537. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Goldstein JM, Seidman LJ, Horton NJ, Makris N, Kennedy DN, Cainess VSA, Tsuang MT. Normale seksuele dimorfisme van die volwasse menslike brein geassesseer deur in vivo magnetiese resonansie beelding. Serebrale korteks. 2001; 11: 490-497. [PubMed]
  • Gould E, Tanapat P, Hastings NB, Shors TJ. Neurogenese in volwassenheid: 'n Moontlike rol in leer. Neigings in Kognitiewe Wetenskap. 1999; 3: 186-192. [PubMed]
  • Greenough WT, Black JE, Wallace CS. Ervaring en brein ontwikkeling. Ontwikkelingspsigologie. 1987; 22: 727-252. [PubMed]
  • Greenough WT, Chang FF. Plastisiteit van sinaps struktuur en patroon in die serebrale korteks. In: Peters A, Jones EG, redakteurs. Serebrale Cortex, Vol 7. New York, NY: Plenum Press; 1989. pp. 391-440.
  • Gregg CT, Shingo T, Weiss S. Neurale stamcellen van die zoogdier voorhoede. Simposium van die Vereniging van Eksperimentele Biologie. 2001; 53: 1-19. [PubMed]
  • Halliwell CI. Behandelingsintervensies Na aanleiding van Prenatale Stres en Neonatale Kortikale Besering. 2011. Ongepubliseerde PhD-tesis, Universiteit van Lethbridge, Kanada.
  • Halliwell C, Tees R, Kolb B. Prenatale cholienbehandeling verhoog herstel van perinatale frontale besering by rotte. 2011. Manuskrip in voorlegging.
  • Hamilton D, Kolb B. Nikotien, ervaring, en brein plastisiteit. Gedragswetenskappe. 2005; 119: 355-365. [PubMed]
  • Harlow HF, Harlow MK. Die liefdevolle stelsels. In: Schier A, Harlow HF, Stollnitz F, redakteurs. Gedrag van nie-menslike primate. Vol. 2. New York, NY: Academic Press; 1965.
  • Hebb DO. Die Organisasie van Gedrag. New York, NY: McGraw-Hill; 1949.
  • Hofer MA, Sullivan RM. Op pad na 'n neurobiologie van aanhegting. In: Nelson CA, Luciana M, redakteurs. Handboek van Ontwikkelings Kognitiewe Neurowetenskap. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. pp. 787-806.
  • Jacobs B, Scheibel AB. 'N Kwantitatiewe dendritiese analise van Wernicke se area by mense. I. Lewensduur verander. Tydskrif van vergelykende neurologie. 1993; 327: 383-396. [PubMed]
  • Kemper Mann G, Gage FH. Nuwe senuweeselle vir die volwasse brein. Wetenskaplike Amerikaner. 1999; 280 (5): 48-53. [PubMed]
  • Kolb B. Brein plastisiteit en gedrag. Mahwah, NJ: Erlbaum; 1995.
  • Kolb B, Cioe J, Comeau W. Kontrasterende effekte van motoriese en visuele leertake op dendritiese arborisering en ruggraatdigtheid by rotte. Neurobiologie van leer en geheue. 2008; 90: 295-300. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R. Taktiele stimulasie fasiliteer funksionele herstel en dendritiese verandering na neonatale mediale frontale of posterior parietale letsels by rotte. Gedragsorgnavorsing. 2010; 214: 115-120. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Gorny G. Ervaringsafhanklike veranderinge in dendritiese arbor en ruggraatdigtheid in neocortex wissel met ouderdom en geslag. Neurobiologie van leer en geheue. 2003a; 79: 1-10. [PubMed]
  • Kolb B, Gorny G, Li Y, Samaha AN, Robinson TE. Amfetamien of kokaïen beperk die vermoë van latere ondervinding om strukturele plastisiteit in die neocortex en nucleus accumbens te bevorder. Verrigtinge van die Nasionale Akademie vir Wetenskap (VSA) 2003b; 100: 10523-10528. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Pearce S, Tanguay R. Prenatale blootstelling aan voorskrifmedisyne verander herstel na aanleiding van vroeë breinbesering by rotte. Vereniging vir Neurowetenschappen Abstracts. 2008; 349: 5.
  • Kolb B, Morshead C, Gonzalez C, Kim N, Shingo T, Weiss S. Groei faktor gestimuleerde generasie van nuwe kortikale weefsel en funksionele herstel na beroerte skade aan die motoriese korteks van rotte. Tydskrif van serebrale bloedvloei en metabolisme. 2007; 27: 983-997. [PubMed]
  • Kolb B, Stewart J. Seksverwante verskille in dendritiese vertakking van selle in die voorfrontale korteks van rotte. Blaar van Neuroendokrinologie. 1991; 3: 95-99. [PubMed]
  • Kolb B, Whishaw IQ. Grondslae van Menslike Neuropsigologie. 6e uitgawe. New York, NY: Worth; 2009.
  • Leung BM, Wiens KP, Kaplan BJ. Bevorder prenatale mikrovoedingstowwe kinders se geestelike ontwikkeling? 'N Sistematiese oorsig. BCM swangerskap geboorte. 2011; 11: 1-12. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Lewis PD. Voeding en anatomiese ontwikkeling van die brein. In: Van Gelder NM, Butterworth RF, Drujan BD, redakteurs. (Mal) Voeding en die Infant Brain. New York, NY: Wiley-Liss; 1990. pp. 89-109.
  • Liston C, Miller MM, Godwater DS, Radley JJ, Rocher AB, Hof PR, McEwen BS. Stres-geïnduseerde veranderinge in prefrontale kortikale dendritiese morfologie voorspel selektiewe inkorting in perseptuele aanduidende stelveranderings. Blaar van Neurowetenskap. 2006; 26: 7870-7874. [PubMed]
  • Mattson MP, Duan W, Chan SL, Guo Z. In die rigting van 'n teorie van neuroplastisiteit. Shaw CA, McEachern J, redakteurs. Philadelphia, PA: Sielkunde Pers; 2001. pp. 402-426.
  • Meck WH, Williams CL. Metaboliese afdruk van choline deur sy beskikbaarheid tydens swangerskap: Implikasies vir geheue en aandagtig verwerking oor die leeftyd. Neurowetenschappen en Biobehavioral Reviews. 2003; 27: 385-399. [PubMed]
  • Mehl-Madrona L, Leung B, Kennedy C, Paul S, Kaplan BJ. Mikronutriënte teenoor standaardmedikasiebestuur in outisme: 'n Naturalistiese gevalbeheerstudie. Tydskrif van Kinderadolente Psigofarmakologie. 2010; 20: 95-103. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Mittal VA, Ellman LM, Cannon TD. Gene-omgewing interaksie en kovariasie in skisofrenie: Die rol van verloskundige komplikasies. Skisofrenie Bulletin. 2008; 34: 1083-1094. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Muhammad A, Hossain S, Pellis S, Kolb B. Taktiele stimulasie tydens ontwikkeling verswak amfetamien sensibilisering en verander neuronale morfologie. Gedragswetenskappe. 2011; 125: 161-174. [PubMed]
  • Mohammed A, Kolb B. Mild prenatale stres moduleer gedrag en neuronale ruggraatdigtheid sonder om amfetamien sensitiwiteit te beïnvloed. Ontwikkelingsneurowetenskap (in pers). [PubMed]
  • Mohammed A, Kolb B. Moederafskeiding verander gedrag en neuronale ruggraatdigtheid sonder om amfetamien sensitiwiteit te beïnvloed. Gedragsorgnavorsing. 2011; 223: 7-16. [PubMed]
  • Murmu M, Salomon S, Biala Y, Weinstock M, Braun K, Bock J. Veranderinge in ruggraatdigtheid en dendritiese kompleksiteit in die voorfrontale korteks in die nageslag van moeders wat aan stres blootgestel word tydens swangerskap. Europese Tydskrif vir Neurowetenschappen. 2006; 24: 1477-1487. [PubMed]
  • Mychasiuk R, Gibb R, Kolb B. Prenatale omstanderstres veroorsaak neuroanatomiese veranderinge in die prefrontale korteks en hippokampus van die ontwikkeling van rotspootjies. Breinnavorsing. 2011; 1412: 55-62. [PubMed]
  • Myers MM, Brunelli SA, Squire JM, Shindledecker R, Hofer MA. Moederlike gedrag van SHR-rotte in sy verhouding met bloedverwante nageslag. Ontwikkelingspsigologie. 1989; 22: 29-53. [PubMed]
  • Nemati F, Kolb B. Motoriese korteksbesering het verskillende gedrags- en anatomiese effekte by jong en adolessente rotte. Gedragswetenskappe. 2010; 24: 612-622. [PubMed]
  • O'Hare ED, Sowell ER. Imaging ontwikkelingsveranderinge in grys en wit materie in die menslike brein. In: Nelson CA, Luciana M, redakteurs. Handboek van Ontwikkelings Kognitiewe Neurowetenskap. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. pp. 23-38.
  • Pellis SM, Hastings E, Takeshi T, Kamitakahara H, Komorowska J, Forgie ML, Kolb B. Die effekte van orbitale frontale korteksbeskadiging op die modulering van verdedigende response deur rotte in speelse en nie-speelse sosiale kontekste. Gedragswetenskappe. 2006; 120: 72-84. [PubMed]
  • Pellis S, Pellis V. Die speelse brein. New York, NY: Oneworld Publications; 2010.
  • Prusky GT, Silver BD, Tschetter WW, Alam NM, Douglas RM. Ervaringsafhanklike plastisiteit vanaf oogopening maak dit moontlik om 'n blywende, visuele korteksafhanklike verbetering van bewegingsvisie te verkry. Blaar van Neurowetenskap. 2008; 28: 9817-9827. [PubMed]
  • Raison C, Capuron L, Miller AH. Sitokiene sing die blues: Inflammasie en die patogenese van depressie. Neigings in Immunologie. 2006; 27: 24-31. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Rampon C, Jiang CH, Dong H, Tang YP, Lockart DJ, Schultz PG, Hu Y. Effekte van omgewingsverryking op geenuitdrukking in die brein. Verrigtinge van die Nasionale Akademie vir Wetenskap (VSA) 2000; 97: 12880-12884. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Robinson TE, Kolb B. Strukturele plastisiteit geassosieer met dwelmmiddels. Neuro Farmacologie. 2004; 47 (Suppl 1): 33-46. [PubMed]
  • Sandstrom NJ, Loy R, Williams CL. Prenatale cholienaanvulling verhoog NGF-vlakke in die hippokampus en frontale korteks van jong en volwasse rotte. Breinnavorsing. 2002; 947: 9-16. [PubMed]
  • Schanberg SM, Field TM. Sensoriese ontnemingstres en aanvullende stimulasie in die rotpoot en premature menslike neonaat. Kinderontwikkeling. 1987; 58: 1431-1447. [PubMed]
  • Sirevaag AM, Greenough WT. 'N Meerveranderlike statistiese opsomming van sinaptiese plastisiteitsmaatreëls by rotte wat blootgestel word aan komplekse, sosiale en individuele omgewings. Breinnavorsing. 1987; 441: 386-392. [PubMed]
  • Tees RC, Mohammadi E. Die effekte van neonatale cholien dieet aanvulling op volwasse ruimtelike en konfigurasie leer en geheue in rotte. Ontwikkelingspsigologie. 1999; 35: 226-240. [PubMed]
  • Teskey GC, Monfils MH, Silasi G, Kolb B. Neokortiese ontsteking word geassosieer met die teenstrydige veranderinge in dendritiese morfologie in neokortiese laag V en striatum vanaf neokortiese laag III. Sinaps. 2006; 59: 1-9. [PubMed]
  • Teskey GC. Die gebruik van kindling om die neuroplastiese veranderinge wat verband hou met leer en geheue, neuropsigiatriese versteurings en epilepsie te modelleer. In: Shaw CA, McEachern JC, redakteurs. Op pad na 'n teorie van neuroplastisiteit. Philadelphia, PA: Taylor en Francis; 2001. pp. 347-358.
  • Van den Bergh BR, Marcoen A. Hoë voorgeboortelike angs van die moeder is verwant aan ADHD simptome, externaliserende probleme en angs in 8- en 9-jariges. Kinderontwikkeling. 2004; 75: 1085-1097. [PubMed]
  • Weaver ICG, Cervoni N, Champagne FA, D'Alessio AC, Sharma S, Seckl JR, Dymov S, Szf M, Meaney MJ. Epigenetiese programmering deur moederlike gedrag. Natuur Neurowetenskap. 2004; 7: 847-854. [PubMed]
  • Weaver ICG, Meaney M, Szf M. Moederversorgingseffekte op die moedertaal transkripsie en angs gemedieerde gedrag in die nageslag wat in volwassenheid omkeerbaar is. Verrigtinge van die Nasionale Akademie vir Wetenskap (VSA) 2006; 103: 3480-3486. [PMC gratis artikel] [PubMed]
  • Weinstock M. Die langtermyn gedrags gevolge van prenatale stres. Neurowetenschappen en Biobehavioral Reviews. 2008; 32: 1073-1086. [PubMed]
  • Wiesel TN, Hubel DH. Enkel-sel response in striat korteks van katjies beroof van visie in een oog. Blaar van Neurofisiologie. 1963; 26: 1003-1017. [PubMed]