Aju plastilisus ja käitumine arenevas ajus (2011)

J Kas Acad Child Adolessi psühhiaatria. 2011 november; 20 (4): 265 – 276.

Bryan Kolb, PhD1 ja Robbin Gibb, PhD1
Järelevalve toimetaja: Margaret Clarke, MD ja Laura Ghali, PhD
See artikkel on olnud viidatud muud PMC artiklid.

Abstraktne

Eesmärk:

Vaadata läbi aju arengu üldpõhimõtted, teha kindlaks aju plastilisuse aluspõhimõtted ja arutada aju arengut ja plastilisust mõjutavaid tegureid.

Meetod:

Viidi läbi kirjanduslik ülevaade aju arengut ja plastilisust käsitlevatest asjakohastest inglise keele käsikirjadest.

Tulemused:

Aju areng kulgeb läbi mitmete etappide, mis algavad neurogeneesiga ja arenevad neuraalseks migratsiooniks, küpsemiseks, sünaptogeneesiks, pügamiseks ja müeliini moodustumiseks. Tuvastatakse kaheksa peamist aju plastilisuse põhimõtet. Tõendid selle kohta, et aju arengut ja funktsiooni mõjutavad erinevad keskkonnaalased sündmused, nagu sensoorsed stiimulid, psühhoaktiivsed ravimid, gonadaalsed hormoonid, vanem-lapse suhted, eakaaslaste suhted, varajane stress, soole taimestik ja toitumine.

Järeldused:

Aju areng peegeldab enamat kui geneetilise plaani lihtne avanemine, vaid pigem peegeldab arenevate aju kujundavate geneetiliste ja kogemuslike tegurite keerukat tantsu. Tantsu mõistmine annab ülevaate nii normaalsest kui ka ebanormaalsest arengust.

Märksõnad: aju areng, aju plastilisus, keskkonna stimuleerimine, epigeneetika

Aju areng peegeldab enamat kui geneetilise plaani lihtne avanemine, vaid pigem peegeldab arenevate aju kujundavate geneetiliste ja kogemuslike tegurite keerukat tantsu. Ajusid, mis puutuvad kokku erinevate keskkonnateguritega, nagu sensoorsed stiimulid, ravimid, toitumine, hormoonid või stress, võivad seega areneda väga erinevalt. Käesoleva artikli eesmärk on vaadata üle, kuidas arenevaid aju saab kujundada paljude pre- ja postnataalsete tegurite abil. Alustame aju arengu ülevaatega, millele järgneb lühike ülevaade aju plastilisuse põhimõtetest ja lõpuks ka sellest, kuidas tegurid mõjutavad aju arengut ja täiskasvanute käitumist. Kuna enamik sellest, mida me teame aju plastilisusest ja käitumisest arengus, tulenevad laboratooriumi uuringutest, keskendutakse meie arutelule rottidele, kuid võimalusel arvestatakse inimesi. Lisaks on arutelu aju struktuuride plastiilsuse suhtes kallutatud, sest enamik sellest, mida me teame aju arengu moduleerimise kohta, põhineb aju arengu uuringutel. Siiski ei ole põhjust arvata, et teisi aju struktuure ei muudeta sarnaselt.

Aju areng

Mõned 2000i aastad tagasi tegi Rooma filosoof Seneca ettepaneku, et inimembrüo on miniatuurne täiskasvanu ja seega on arengu ülesanne lihtsalt kasvada. See idee oli nii ahvatlev, et seda peeti laialdaselt 19ith sajandil. See sai selgeks 20i algusesth sajandil, et aju areng peegeldas mitmeid etappe, mida me nüüd näeme olevat jagatud kaheks etapiks. Enamikus imetajatest kajastab esimene geneetiliselt määratud sündmuste jada emakasisene mida saab muuta emade keskkond. Teine etapp, mis on nii inimeste kui ka postnataalne, on aeg, mil aju ühenduvus on väga tundlik mitte ainult keskkonnale, vaid ka kogemuste poolt toodetud aju aktiivsusele. Veelgi olulisem on aga see, et nüüd on tunnistatud, et epigeneetilised muutused, mida saab defineerida kui arengutulemuste muutusi, kaasa arvatud geeniekspressiooni reguleerimine, põhinevad muudel mehhanismidel kui DNA ise.Blumberg, Freeman ja Robinson, 2010). Näiteks võib spetsiifiliste kogemuste abil muuta geeniekspressiooni ja see võib omakorda viia närvisüsteemi organisatsiooniliste muutusteni.

Aju arengu etapid

Tabel 1 tuuakse esile kõikidel imetajatel aju arengule iseloomulikud üldised etapid. Närvisüsteemi tootmiseks mõeldud rakud hakkavad moodustuma umbes kolm nädalat pärast inimestel viljastamist. Need rakud moodustavad närvitoru, mis on aju lasteaed ja mida nimetatakse hiljem subventriculariks. Rakud, mis on ette nähtud aju loomiseks, hakkavad jagunema umbes kuue nädala vanuses ja umbes 14-nädalat tundub aju tunduvalt inimlik, kuigi see ei hakka moodustama sulci ja gyri kuni umbes seitse kuud. Enamik neurogeneesi on lõpule viidud viie kuu jooksul, kusjuures üks oluline erand on hippokampuse rakud, mis moodustavad kogu elu jooksul neuroneid. Igal poolkeral on inimese ajukoore moodustamiseks vaja umbes kümme miljardit rakku. Need rakud moodustuvad kiiresti ja hinnanguliselt on selle tipus umbes 250,000 neuroneid minutis. On ilmne, et sellel ajal võib igasugune aju häirimine põhjustada märkimisväärseid tagajärgi.

Tabel 1. 

Aju arengu etapid

Kui neuronid on moodustunud, hakkavad nad migreeruma mööda kiudseid radasid, mis on moodustatud radiaalsete gliarakkude poolt, mis ulatuvad subventricularist tsoonist ajukoorme pinnale (Joonis 1). Subventriukulaarne tsoon näib sisaldavat ajukoorme primitiivset kaarti, mis eelistab teatud subventricular piirkonnas moodustunud rakke migreeruda teatud kortikaalsesse kohta. Kui rakud migreeruvad, on neil piiramatu raku saatuse potentsiaal, kuid kui nad jõuavad oma sihtkohta, mõjutavad geenide, küpsemise ja keskkonnamõjude vastastikune mõju üha enam neid teatud tüüpi rakkude diferentseerumisele. Kui rakud jõuavad oma lõppsihtkohani, hakkavad nad küpsema järgmiste kasvavate dendriitide abil, et pakkuda teiste rakkudega sünapsi jaoks pindala; ja (1) laiendavad aksonid sobivatele sihtmärkidele sünapsi moodustumise alustamiseks.

Joonis 1. 

Rakud rändavad subventriculari tsoonist piki radiaalset glia oma täiskasvanute asukohta (Kolb & Whishaw, 2009).

Dendriitide moodustumine algab enne sündi inimestel, kuid kestab kaua pärast sündi. Vastsündinute dendriidid algavad individuaalsete protsessidena, mis ulatuvad raku kehast välja ning järgneva kahe aasta jooksul töötatakse välja need protsessid ja moodustuvad selgroogid, mis on enamiku erutavate sünapside asukoht. Dendriitide kasv on aeglane, mikromeetrites päevas. Axonid kasvavad kiiremini 1000 korda, nimelt umbes 1 mm päevas. See diferentsiaalne kasvukiirus on oluline, sest kiiremini kasvavad aksonid võivad kontakteeruda sihtrakkudega enne, kui selle raku dendriidid on täielikult moodustunud. Selle tulemusena võivad aksonid mõjutada dendriitide diferentseerumist ja ajuahelate moodustumist.

Sünapsi moodustumine inimese ajukoores kujutab endast suurt väljakutset, kokku üle 100,000 triljoni (1014). Seda tohutut arvu ei olnud võimalik geneetilise programmiga kindlaks määrata, vaid aju ainult neuraalsete ühenduste üldised piirjooned on geneetiliselt eelnevalt kindlaks määratud. Suur hulk sünapseid juhitakse seega mitmesuguste keskkonnaalaste märkide ja signaalide abil. Nagu näeme, võib eri tüüpi vihjeid ja signaale manipuleerida ajuahelates dramaatilisi erinevusi.

Tänu ebakindlusele nende neuronite arvu suhtes, kes jõuavad oma sobivasse sihtkohta ja nende poolt loodud ühenduste sobivusse, tekitab aju arenemise ajal nii neuroneid kui ka ühendusi, kusjuures sünapsi moodustumise tipp on üks kuni kaks aastat, sõltuvalt ajukoore piirkond. Just nagu skulptor, kes loob soovimatu tükkide eemaldamiseks kivist plokiga kivi ja taldriku, on ajus paralleelne süsteem, kus eemaldatakse mittevajalikud rakud ja ühendused rakusurma ja sünaptilise pügamise teel. Aju metafoorsed varbad võivad olla mitmel kujul, kaasa arvatud teatud tüüpi epigeneetiline signaal, mitmesugused kogemused, gonadiinhormoonid ja isegi stress.

Selle rakukadu ja sünaptilise pügamise mõju võib täheldada kortikaalse paksuse muutustes aja jooksul. See tähendab, et ajukoor muutub tõepoolest mõõdukalt õhemaks kaudal-rostraalsel gradiendil alates kahest vanusest ja jätkub vähemalt 20i vanuseni. Kortikaalse hõrenemise ja käitumusliku arengu vahel on võimalik korreleerida. Näiteks on kortikaalse paksuse muutuste MRI-uuringute tulemused näidanud, et motoorika suurenenud osavus on seotud kortikaalse paksuse vähenemisega vasaku motoorse ajukoorme käe piirkonnas parempoolsetes juhtides (O'Hare & Sowell, 2008). Üks erand õhemast on parem reegel, kuid seda peetakse mõnede keeleprotsesside arendamisel. Seega on MRI-uuringud näidanud, et vasaku madalama eesmise ajukoorme paksenemine (ligikaudu Broca pindala) on seotud suurenenud fonoloogilise töötlemisega (st kõneheli mõistmisega). See ainulaadne seos kortikaalse paksuse ja käitumise vahel ei ole üldiselt keelefunktsioonidele iseloomulik. Näiteks sõnavara areng on korrelatsioonis koore paksuse vähenemisega difuusse koore piirkonnas (O'Hare & Sowell, 2008).

Kortikaalse paksuse ja käitumusliku arengu vaheline seos on tõenäoliselt laste käitumuslike oskuste arengu erinevuse selgitus. Näiteks võib tavapärase intelligentsuse ja motoorsuse (umbes 1% lastest) laste hilinenud areng olla tulemuseks aeglasemast kui kortikaalse paksuse muutusest. Miks see nii on, ei ole teada.

Aju arengu viimane etapp on müeliini moodustumise glia areng. Astrotsüütide ja oligodendrotsüütide sünd algab pärast seda, kui enamik neurogeneesi on lõppenud ja jätkub kogu elu jooksul. Kuigi kesknärvisüsteemi aksonid võivad toimida enne müeliniseerimist, saavutatakse normaalne täiskasvanute funktsioon alles pärast müeliniseerumise lõppu, mis on pärast 18i aastat vanuses piirkondades, nagu prefrontaalne, tagumine parietaalne ja eesmine ajaline ajukoor.

Aju areng koosneb seetõttu sündmuste kaskaadist, mis algab mitoosiga ja lõpeb müeliini moodustumisega. Aju häirete ja kogemuste mõju sõltub seetõttu aju arengu täpsest staadiumist. Me ei tohiks olla üllatunud näiteks sellest, et kogemuste ja / või häirete ilmnemisel mitoosi ajal oleksid sünaptogeneesi ajal või hiljem pügamise ajal üsna erinevad efektid. Kogemused toimivad sisuliselt väga erinevatel ajudel erinevatel arenguetappidel.

Aju arengu erijooned

Aju arengu kaks aspekti on eriti olulised, et mõista, kuidas kogemused võivad kooreorganisatsiooni muuta. Esiteks on subventricular-tsooni vooderdavad rakud, mis jäävad kogu elu jooksul aktiivseks. Need tüvirakud võivad tekitada närvi- või glial-eellasrakke, mis võivad täiskasvanueas migreeruda aju valgesse või hallisse ainesse. Need rakud võivad jääda nendes kohtades pikaks ajaks vaikseks, kuid neid saab aktiveerida kas neuronite ja / või glia tootmiseks. Nende rakkude roll on praegu halvasti mõistetav, kuid tõenäoliselt moodustavad nad vähemalt ühe postnataalse neurogeneesi vormi, eriti pärast vigastusi (nt. Gregg, Shingo ja Weiss, 2001; Kolb et al., 2007). Lisaks võivad imetaja aju, sealhulgas primaadi aju, tekitada täiskasvanueas neuroneid, mis on ette nähtud lõhna-lambi, hipokampuse moodustamiseks ja võib-olla ka teistele piirkondadele (nt. Eriksson jt, 1998; Gould, Tanapat, Hastings ja Shors, 1999; Kempermann & Gage, 1999). Nende rakkude funktsionaalne roll on endiselt vastuoluline, kuid nende teket võib mõjutada paljud tegurid, sealhulgas kogemused, ravimid, hormoonid ja vigastused.

Teine eripära on see, et dendriidid ja selgroogid näitavad kogemustele tuginedes märkimisväärset plastilisust ning võivad mõnda kogemust (nt. Greenough & Chang, 1989). Pinnal näib see olevat vastuolus sünapsi ülekasvatamise protsessiga, millele järgneb eelnevalt kirjeldatud sünaptiline pügamine. Oluline on see, et kuigi sünaptiline pügamine on aju arengu oluline tunnusjoon, moodustab aju jätkuvalt sünapse kogu eluea jooksul ja tegelikult on need sünapsed vajalikud õppimise ja mälu protsesside jaoks. Greenough, must ja Wallace (1987) on väitnud, et varases aju arengus sünteeside teket reguleerivate protsesside ja hilisema aju arengu ja täiskasvanueas valitsevate protsesside vahel on fundamentaalne erinevus. Täpsemalt öeldes väidavad nad, et varakult moodustavad sünapsed on "ootavad" kogemused, mis toimivad nende tagasilõikamiseks. Nad nimetavad neid sünapse "kogemus-ootajaks" ja märgivad, et nad on kogu aju jooksul hajutatud. Seevastu hilisem sünapsi moodustumine on rohkem fookus ja paikneb konkreetsete kogemuste töötlemisega tegelevatele piirkondadele. Nad märgistavad neid sünapse kui “kogemusest sõltuvaid”. Üks sünapsi kogemustest sõltuvate mõjude uudishimulik aspekt on see, et mitte ainult spetsiifilised kogemused toovad kaasa selektiivse sünapsi moodustumise, vaid ka selektiivse sünaptilise kadumise. Seega vahetavad kogemused närvivõrke nii sünapsi lisamisega kui ka kärpimisega. See viib meid aju plastilisuseni.

Plastilisuse üldpõhimõtted normaalses ajus

Enne aju plastilisust mõjutavate kogemuste käsitlemist peame lühidalt läbi vaatama mitmed tavapärase aju plastilisuse põhimõtted.

1. Muutusi ajus saab näidata paljudel analüüsitasanditel

Käitumise muutus peab kindlasti tulenema mõnest aju muutusest, kuid selliste muutuste uurimiseks on mitmeid viise. Muutusi võib järeldada aju aktiivsuse globaalsetest meetmetest, näiteks erinevatest vormidest in vivo pildistamine, kuid sellised muutused on kaugel nende molekulaarsetest protsessidest. Globaalsed muutused peegeldavad arvatavasti sünaptilisi muutusi, kuid sünaptilised muutused tulenevad rohkem molekulaarsetest muutustest, nagu muutused kanalites, geeniekspressioon jne. Aju plastilisuse uurimise probleem on valida asendusmarker, mis sobib kõige paremini küsitavale küsimusele. Kaltsiumikanalite muutused võivad olla täiuslikud sünaptiliste muutuste uurimiseks konkreetsetes sünapssides, mis võivad olla seotud lihtsa õppimisega, kuid on ebapraktilised sooliste erinevuste mõistmiseks keele töötlemisel. Viimast võiks kõige paremini uurida in vivo raku morfoloogia kuvamis- või postmortem-analüüs (nt. Jacobs & Scheibel, 1993). Asjakohane tase peab olema suunatud käsitletavale uurimisküsimusele. Uuringud, mis uurivad funktsionaalse paranemise stimuleerimise strateegiaid pärast vigastust kõige sagedamini, kasutavad anatoomilisi (rakkude morfoloogia ja ühenduvus), füsioloogilisi (kortikaalne stimulatsioon) ja in vivo pildistamine. Kõiki neid tasemeid võib seostada nii inimeste kui ka mitteinimlike uuringute käitumistulemustega, samas kui molekulaarsemad tasemed on osutunud käitumisega ja eriti vaimse käitumisega palju raskemaks.

2. Neuronaalse morfoloogia erinevad mõõtmed muutuvad üksteisest sõltumatult ja mõnikord vastassuunas

Kirjanduses on olnud tendents näha erinevaid neuronaalseid muutusi üksteise asendajana. Üks levinumaid on eeldada, et selgroo tiheduse muutused peegeldavad dendriidi pikkuse muutusi ja vastupidi. See ei ole nii, sest need kaks meedet võivad erineda sõltumatult ja mõnikord vastupidistes suundades (nt. Comeau, McDonald ja Kolb, 2010; Kolb, Cioe ja Comeau, 2008). Lisaks sellele võivad rakud erinevates kortikaalsetes kihtides, kuid samades eeldatavates veergudes näidata väga erinevaid vastuseid samadele kogemustele (nt Teskey, Monfils, Silasi ja Kolb, 2006).

3. Kogemusest sõltuvad muutused kipuvad olema fookuses

Kuigi on olemas kalduvus mõelda plastist muutustele vastuseks kogemustele, mis on laialt levinud ajus, on see harva. Näiteks võivad psühhoaktiivsed ravimid põhjustada suuri käitumuslikke muutusi ja neil on neuronitele laialt levinud ägedaid toimeid, kuid kroonilised plastilised muutused on üllatavalt fookuskaugused ja piirduvad suuresti prefrontaalsete ajukoormetega ja tuumaklundidega (nt. Robinson & Kolb, 2004). Selle tulemusena peavad teadlased hoolikalt mõtlema, kus on parimad kohad konkreetsete kogemuste eest hoolitsemiseks. Käitumismuutustega korreleeruvate sünaptiliste muutuste leidmata jätmine ei tõenda muutuste puudumist.

4. Plastist muutused sõltuvad ajast

Võib-olla võib suuremaid muutusi sünaptilises organisatsioonis näha vastusena laborloomade paigutamisele keerukasse (nn rikastatud) keskkonda. Seega on kogu sensoorses ja motoorse ajukoores laialt levinud muutused. Need muutused näivad olevat vastuolus kogemusest sõltuvate muutuste põhimõttega, kuid muutuste üldine iseloom on tõenäoliselt tingitud kogemuste globaalsest olemusest, sealhulgas kogemustest, mis on nii hajusad kui visuaalsed, kombatavad, kuulmis-, haistmis-, motoorse ja sotsiaalse kogemused. Kuid need plastilised muutused ei ole kõik püsivad ja võivad aja jooksul oluliselt muutuda.

Näiteks, kui rotid paigutatakse keerulistesse keskkondadesse, esineb prefrontaalses ajukoores dendriitide pikkuse mööduv suurenemine, mida võib näha pärast nelja päeva keerulist korpust, kuid on kadunud pärast 14i päeva. Seevastu pärast 14-päeva ei muutu pärast 4 päeva möödumist, kuid selgeid ja näiliselt püsivaid muutusi sensoorses koorikus.Comeau et al., 2010).

Võimalus, et aju neuronites esinevad erinevad kroonilised ja mööduvad kogemustest sõltuvad muutused, on kooskõlas geneetiliste uuringutega, mis näitavad, et vastusena keerukatele keskkondadele (nt. Rampon et al., 2000). Erinevus neuronite võrgustike ajutiste ja püsivate muutuste käitumisega on teadmata.

5. Kogemusest sõltuvad muudatused on omavahel seotud

Inimestel on eluea, mis algab prenataalselt ja jätkab surma. Need kogemused on omavahel seotud. Näiteks oleme laboratoorsetes rottides näidanud, et kui loomad puutuvad psühhomotoorsete stimulantidega kokku kas alaealiste või täiskasvanueas, on hilisematel kogemustel palju nõrgem (või mõnikord ka puuduv) mõju. Näiteks kui rottidele antakse täiskasvanutele metüülfenidaati noorukitena või amfetamiinina ja seejärel paigutatakse mõni aeg hiljem keerulisse keskkonda või õpetatakse õppimisülesandeid, blokeeritakse hilisemad kogemustest sõltuvad muudatused. Üllatav on see, et kuigi ravimid ei näita sensoorse kortikaalse piirkonna suhtes mingit ilmset otsest mõju, takistab eelnev kokkupuude nendes piirkondades oodatavaid muutusi (nt. Kolb, Gibb ja Gorny, 2003a). Need ravimi kasutamise kogemused ei ole siiski ühesuunalised. Kui rasedatele rottidele manustatakse 20i minuti jooksul kerge stressitegur kaks korda päevas maksimaalse aju neurogeneesi ajal nende järglastel (embrüo päeval 12 – 18), näitavad nende järglased stressiga seotud muutusi lülisamba tiheduses prefrontaalses ajukoores, kuid ei ole narkootikumidega seotud mõju (Muhammad & Kolb, ajakirjanduses a). Ei ole selge, miks ei ole narkootikumidega seotud mõju täielikult olemas või mida see tähendab sõltuvusele, kuid näitab, et kogemused mõjutavad nende mõju ajus.

7. Plastist muutused sõltuvad vanusest

Üldiselt eeldatakse, et arenev aju reageerib kogemustele paremini kui täiskasvanud või vananev aju. Kindlasti on see õige, kuid on veel üks oluline korts: ajus on kvalitatiivselt erinevad muutused vastuseks sellele, mis näib olevat sama vanuserühmas. Näiteks, kui võõrutamine, täiskasvanud või vananevad rotid paigutati keerulisse keskkonda, näitasid kõik rühmad suuri sünaptilisi muutusi, kuid nad olid üllatavalt erinevad. Eriti arvestades, et me arvasime, et selgroogse tiheduse suurenemine vastusena keerulisele eluasemele oli tõene ainult täiskasvanud ja vananevatel rottidel. Noorte keskkonda paigutatud rotid näitasid a vähenema selgroo tiheduses (Kolb et al., 2003a). Sarnane lülisamba tiheduse langus leiti hilisemates uuringutes, kus vastsündinud rottidele anti kombineeritud stimuleerimine pehme harjaga 15 minutit, kolm korda päevas esimese kümne päeva jooksul, kuid mitte siis, kui stimulatsioon on täiskasvanueas (Gibb, Gonzalez, Wagenest ja Kolb, 2010; Kolb & Gibb, 2010). Sünaptilise muutuse vanusest sõltuv olemus on selgelt oluline, et mõista, kuidas kogemused aju muutuvad.

8. Mitte kõik plastilisus ei ole hea

Kuigi kirjanduse üldine sisu on see, et plastilised muutused ajus toetavad motoorsete ja kognitiivsete funktsioonide paranemist, võivad plastilised muutused mõjutada ka käitumist. Hea näide on narkootikumide poolt põhjustatud muutused, mida täheldati psühhomotoorsete stimulantide \ t Robinson & Kolb, 2004). On mõistlik teha ettepanek, et mõned narkomaanide väärkasutatavast käitumisest võivad tuleneda ravimiga seotud muutustest prefrontaalses neuronaalses morfoloogias. Paljude teiste patoloogilise plastiilsuse näidete hulka kuuluvad ka patoloogiline valu (Baranauskas, 2001), patoloogiline vastus haigusele (\ tRaison, Capuron ja Miller, 2006), epilepsia (Teskey, 2001), skisofreenia (Black et al., 2004) ja dementsus (Mattson, Duan, Chan ja Guo, 2001).

Kuigi arenevate aju patoloogilise plastiilsuse uuringuid ei ole, on ilmne näide loote alkoholispektri häire. Teine näide on raske sünnieelse stressi mõju, mis on näidanud, et see vähendab oluliselt neuronite keerukust prefrontaalses ajukoores (nt. Murmu jt, 2006) ja omakorda võivad mõjutada tavapäraseid kognitiivseid ja motoorseid funktsioone nii arengus kui ka täiskasvanueas (nt Halliwell, 2011). Kuigi nende muutuste aluseks olevad mehhanismid on halvasti arusaadavad, on teada, et varajane postnataalne stress võib muuta geeni ekspressiooni ajus (Weaver et al., 2004; Weaver, Meaney ja Szf, 2006).

Aju arengut mõjutavad tegurid

Kui teadlased hakkasid 1950s ja 1960is uurima sõltuvaid muutusi arenevates ajus, oli loomulik eeldus, et muutused aju arengus oleksid ilmsed ainult vastuseks pigem suurele kogemuste muutumisele, nagu näiteks pimeduses tõusmine. Viimase 20i aasta jooksul on selgunud, et isegi suhteliselt kahjutu välimusega kogemused võivad aju arengut põhjalikult mõjutada ja et kogemuste hulk, mis võib muuta aju arengut, on palju suurem kui kunagi varem uskunud (vt Tabel 2). Me toome esile mõned kõige paremini uuritud mõjud.

Tabel 2. 

Aju arengut ja funktsiooni mõjutavad tegurid

1. Sensoorne ja motoorne kogemus

Lihtsaim viis kogemuste manipuleerimiseks vanuses on võrrelda standardse laboratooriumi puurides elavate loomade aju struktuuri loomadega, kes on paigutatud kas tugevalt vaesesse keskkonda või nn rikastatud keskkonda. Loomade kasvatamine puudustkannatavates keskkondades, nagu pimeduses, vaikuses või sotsiaalses isolatsioonis, aeglustab selgelt aju arengut. Näiteks näitavad üksi kasvatatud koera kutsikad mitmesuguseid käitumuslikke kõrvalekaldeid, sealhulgas virtuaalset tundlikkust valulike kogemuste suhtes (Hebb, 1949). Samamoodi häirib pimedas nii mitmekesine loomade kui ahvide, kasside ja näriliste tõmbamine visuaalse süsteemi arengut. Võib-olla on kõige tuntumad puuduste uuringud need, mis on tehtud Weisel ja Hubel (1963) kes õmbles ühe kassipoegade silmalau suletud ja hiljem näitas, et kui silm avati, oli ruumiline nägemus (amblüoopia) püsiv (nt. Giffin & Mitchell, 1978). Siiski on alles hiljuti, et uurijad pidasid vastupidist nähtust, nimelt loomade rikastatud visuaalsete kogemuste andmist, et teha kindlaks, kas nägemust saaks suurendada. Ühes elegantses uuringus Prusky et al. (Prusky, Silver, Tschetter, Alam ja Douglas, 2008) kasutati uudset visuaalse stimulatsiooni vormi, milles rottid paigutati virtuaalsesse optokineetilisse süsteemi, kus erineva ruumilise sagedusega vertikaalsed jooned liigusid looma kohal. Kui silmad on avatud ja liiguvad liigutatava restiga, ei ole loomadel, sealhulgas inimestel, võimalik liikuvate joonte jälgimist vältida, kui ruumiline sagedus on tajumispiirkonnas. Autorid paigutasid loomad seadmesse umbes kaks nädalat pärast silmade avamise päeva (postnataalne päev 15). Nägemisteravuse testimisel täiskasvanueas näitasid loomad nägemisteravuse suurenemist 25% -ga loomade suhtes ilma varase ravita. Prusky uuringu ilu on see, et paranenud visuaalne funktsioon ei põhinenud konkreetsel koolitusel, näiteks probleemi õppimisel, vaid toimus loomulikult vastusena täiustatud visuaalsele sisendile.

Oleme püüdnud parandada kombatavust kogemuste abil, mille on esmakordselt välja töötanud Schanberg ja väli (1987). Nendes uuringutes anti imikutele rottidele 15i minuti jooksul kolm korda päevas väikese harjaga kombineeritud stimuleerimine 10 – 15 päeva jooksul alates sünnist. Kui imikuid uuriti täiskasvanueas, näitasid nad nii võimendatud motoorset jõudlust kui ka ruumilist õppimist, samuti muutusi sünaptilises organismis aju-ajukoores (nt. Kolb & Gibb, 2010). Ehkki taktiilse stimulatsiooni täpne toimemehhanism ei ole teada, oleme näidanud, et taktiilne stimulatsioon suurendab neurotroofse teguri, fibroblastide kasvufaktori 2 (FGF-2) produktsiooni nii nahas kui ka ajus (Gibb, 2004). On teada, et FGF-2 mängib rolli aju normaalses arengus ja võib stimuleerida perinataalse ajukahjustuse taastumist (nt. Comeau, Hastings ja Kolb, 2007). FGF-2-i ekspressioon suureneb ka vastusena erinevatele ravimeetoditele, sealhulgas rikastatud eluasemele ja psühhoaktiivsetele ravimitele, mis mõlemad stimuleerivad plastseid muutusi ajus (vt allpool).

Teine võimalus sensoorsete ja motooriliste funktsioonide täiustamiseks on asetada loomad keerulisse keskkonda, kus loomadel on võimalus suhelda muutuva sensoorse ja sotsiaalse keskkonnaga ning tegeleda rohkem motoorse aktiivsusega kui tavaline puurimine. Sellised uuringud on tuvastanud suure hulga närvimuutusi, mis on seotud sellise rikastumise vormiga. Nende hulka kuuluvad aju suuruse suurenemine, koore paksus, neuronite suurus, dendriitide hargnemine, selgroo tihedus, sünapsid neuroni kohta, gliaalarvud ja keerukus ning vaskulaarne arboriseerimine (nt Greenough & Chang, 1989; Siervaag & Greenough, 1987). Nende muutuste ulatust ei tohiks alahinnata. Näiteks meie enda uuringutes noorte rottide 60-päevade majutamise mõju kohta rikastatud keskkonnas jälgime usaldusväärselt üldiste ajukaalude muutusi 7 – 10% järjestuses (nt. Kolb, 1995). See aju kaalu suurenemine peegeldab glia ja veresoonte arvu suurenemist, neuronite suurust, dendriitilisi elemente ja sünapse. Suurenenud sünapside koguarvu oleks raske hinnata, kuid see on tõenäoliselt 20% järjekorras, mis on erakorraline muutus. Oluline on, et kuigi sellised uuringud näitavad igas vanuses kogemustest sõltuvaid muutusi, on kaks ootamatut kortse. Esiteks näitavad täiskasvanud rotid igas vanuses dendriitide pikkuse ja selgroo tiheduse suurt suurenemist enamikus ajukoores, samas kui noortel rottidel on sarnane \ t suurendama dendriitilise pikkusega, kuid a vähenema selgroo tiheduses. See tähendab, et noored loomad näitavad kvalitatiivselt erinevat muutust sünapside jaotuses püramiidi neuronites võrreldes vanemate loomadega (Kolb et al., 2003a). Teiseks, kui rasedad tammid paigutati keerulisse keskkonda kaheksa tundi päevas enne rasedust ja seejärel kogu kolmenädalase raseduse ajal, näitas nende imikute täiskasvanud aju analüüs. vähenema dendriitilise pikkusega ja suurendama selgroo tiheduses. Seega ei ole mitte ainult mõju sünnieelne kogemus, kuid mõju erines kvalitatiivselt nii alaealiste kui täiskasvanuea kogemustest. Kummalisel kombel põhjustavad kõik keerukate eluruumide vastused muutused kognitiivsete ja motooriliste funktsioonide parandamiseks.

Nendest uuringutest on kolm selget sõnumit. Esiteks võib paljude sensoorsete ja motoorsete kogemuste tõttu tekkida ajus pikaajaline plastiline muutus. Teiseks võib sama kogemus erinevates vanustes aju erinevalt muuta. Kolmandaks ei ole sünaptilise plastilisuse ja arengu käigus esineva käitumise üksikasjade vahel lihtsat seost. Kindlasti on aga see, et neil varajastel kogemustel on tugev mõju ajuorganisatsioonile nii arengu ajal kui ka täiskasvanueas.

2. Psühhoaktiivsed ravimid

On juba ammu teada, et varane kokkupuude alkoholiga on kahjulik aju arengule, kuid alles hiljuti on näidatud, et teised psühhoaktiivsed ravimid, sealhulgas retseptiravimid, võivad dramaatiliselt muuta aju arengut. Robinson ja Kolb (2004) leidis, et psühhomotoorsete stimulantide kokkupuude täiskasvanueas põhjustas suuri muutusi rakkude struktuuris PFC-s ja tuuma accumbensis (NAcc). Eriti arvestades, et need ravimid (amfetamiin, kokaiin, nikotiin) põhjustasid dendriitide pikkuse ja selgroo tiheduse suurenemise prefiaalse kesknärvisüsteemis (mPFC) ja NAcc-s, nende orbitaalses eesmise ajukoores (OFC) esines kas või vähenemine. , ei ole muutust. Hiljem näitasid nad, et praktiliselt kõik psühhoaktiivsete ravimite klassid tekitavad muutusi ka PFC-s ja et need toimed on kahe prefrontaalse piirkonna vahel järjekindlalt erinevad. Arvestades, et arenev aju on sageli avatud psühhoaktiivsetele ravimitele kas emakas või postnataalse arengu ajal, küsisime, millised on nende ravimite mõjud ajukoore arengule.

Esimeses uuringus vaadeldi alaealise perioodi jooksul manustatud amfetamiini või metüülfenidaadi toimet (nt. Diaz, Heijtz, Kolb ja Forssberg, 2003). Mõlemad ravimid muutsid PFC organisatsiooni. Dendriitsete muutustega seostati ebanormaalset mängufunktsiooni ravimiga ravitud rottidel, kuna nad näitasid vähendatud mängude initsiatsiooni võrreldes soolalahusega töödeldud mängurühmadega, samuti halvenenud jõudlust töömälu testis. Psühhomotoorsed stimulandid näivad seega muutvat PFC arengut ja see avaldub käitumishäiretes prefrontaalsetel käitumistel hilisemas elus.

Samuti võivad lapsed kokku puutuda retseptiravimitega emakasisene või postnataalselt. Kolm levinud ravimiklassi on antipsühhootikumid, antidepressandid ja anksiolüütikumid. Kõigil kolmel on dramaatiline mõju kortikaalsele arengule. Frost, Cerceo, Carroll ja Kolb (2009) analüüsiti dendriitilist arhitektuuri täiskasvanud hiirtel, keda raviti paradigmaatiliste tüüpiliste (haloperidool) või atüüpiliste (olansapiin) antipsühhootikumidega arengufaasides, mis vastavad loote (postnataalsed 3 – 10) või loote ja varajase lapsepõlve (postnataalsed 3 – 20) etapid inimestel. Mõlemad ravimid vähendasid dendriitide pikkust, dendriitide hargnemist ja selgroo tihedust nii mediaalses prefrontaalses kui ka orbitaalses ajukoores. Järgmises uuringus, kus kasutati rotte, näitasid autorid PFC-ga seotud neuropsühholoogiliste ülesannete, nagu töömälu, kahjustusi.

Paralleelsetes uuringutes oleme uurinud sünnituseelse kokkupuute mõju diasepaamile või fluoksetiinile rottidel (\ tKolb, Gibb, Pearce ja Tanguay, 2008). Mõlemad ravimid mõjutasid aju ja käitumist, kuid vastupidi. Prenataalne diatsepaam suurendas dendriitide pikkust ja selgroo tihedust püramiidrakkudes parietaalses ajukoores ja see oli seotud täiustatud oskustega motoorse funktsiooniga. Seevastu vähendas fluoksetiin dendriitide arvu ja see korreleerus ruumilise õppe puudujääkidega täiskasvanueas.

Veel üks küsimus on see, kas varajane kokkupuude psühhoaktiivsete ravimitega võib muuta elu ajus plastilisust. Me oleme varem näidanud, et kui täiskasvanud rottidele manustatakse amfetamiini, kokaiini või nikotiini ja seejärel pannakse nad keerulisse keskkonda, blokeeriti neuronaalne plastsus (Hamilton & Kolb, 2005; Kolb, Gorny, Samaha ja Robinson, 2003b). Järgmises uuringus andsime me alaealiste rottide metüülfenidaadi ja seejärel täiskasvanueas panime need loomad keerulisse keskkonda ja jälle leidsime, et varajane ravimi ekspositsioon blokeeris eeldatavad kogemustest sõltuvad muutused ajukoores (Comeau & Kolb, 2011). Lisaks sellele näitasime paralleelses uuringus, et juveniilse metüülfenidaadi ekspositsioon vähenes ebatüüpiliste ülesannete suhtes, mis on tundlikud prefrontaalsele toimimisele.

Kokkuvõttes mõjutab nii retseptiravimite kui ka kuritarvitatavate ravimite kokkupuude prefrontaalset arengut ja prefrontaalset käitumist. Need toimed näivad olevat pikaajalised või püsivad ning võivad täiskasvanueas mõjutada aju plastilisust. Retseptiravimite ootamatud tõsised mõjud aju ja käitumuslikule arengule on kahtlemata olulised inimese imiku aju arengus. Ilmselgelt ei ole lihtne nõuda, kas rasedatele emadele, kellel on tõsine depressioon, psühhoos või ärevushäired, tuleb määrata ravimeid, arvestades, et need käitumistingimused võivad tõenäoliselt mõjutada aju arengut imikul ja eriti sel määral, et on olemas patoloogiline ema imiku interaktsioonid. Uuringud näitavad siiski, et selliseid ravimeid tuleks kasutada nii väikeses efektiivses annuses, nagu seda võib kasutada, mitte lihtsalt nende rahustava toime avaldamiseks kerge ärevusega emadele.

3. Gonadiinhormoonid

Gonadaalsete hormoonide kokkupuute kõige ilmsem mõju arengu ajal on genitaalide diferentseerumine, mis algab enne sündi. Sel juhul viib meeste testosterooni tootmine meeste suguelundite arengusse. Hiljem mõjutavad nii östrogeen kui ka testosteroon retseptoreid paljudes kehapiirkondades, sealhulgas ajus. Inimese aju arengu MRI uuringud on näidanud suurt erinevust aju arengu määras kahe soo puhul (O'Hare & Sowell, 2008). Täpsemalt jõuab aju kogumaht naissoost 11i ja 15i naissoost naissoost asümptooti vastavalt meestel ja naistel. Kuid ajus on rohkem seksuaalset dimorfismi kui küpsemise kiirust. Näiteks, Kolb ja Stewart (1991) näitas rottidel, et mPFC neuronitel oli meestel suuremad dendriitväljad ja et OFC neuronitel oli naistel suuremad rakud. Need erinevused kadusid, kui loomi sünnitati gonadektoomia. Samamoodi Goldstein et al. (2001) hindas 45i erinevate ajupiirkondade mahu tervetel täiskasvanutel tehtud MRI-skaneeringutest põhjalikult. Ajus oli sugupoolte erinevusi aju üldmahu suhtes ja see kehtib eriti PFC puhul: naistel oli suhteliselt suurem dorsolateraalse PFC maht, samas kui meestel oli suhteliselt suurem kogus OFC-d. See seksuaalne dimorfism on korrelatsioonis sugu-steroidiretseptorite suhteliselt kõrge piirkondliku tasemega laboratoorsete loomade varases elueas. Nii ilmneb nii inimestel kui ka laborloomadel, et sugunäärmete hormoonid muudavad koore arengut. See on eriti oluline siis, kui arvame, et teiste kogemuste, nagu kokkupuude keerukate elamute või psühhomotoorse stimulantidega, mõju on ka seksuaalselt dimorfne. Tundub tõenäoline, et paljud teised arengukogemused võivad naissoost ja meessoost ajusid erinevalt muuta, kuigi mõned uuringud on seda võrdlust tegelikult teinud.

4. Vanemate ja laste suhted

Imetajate imikud, kes on sündinud ebaküpses olekus, seisavad varases elus märkimisväärse väljakutse all. Nad on sõltuvad oma vanematest ja nad peavad õppima oma hooldajate tuvastamist, mäletamist ja eelistamist. Kuigi me teame nüüd, et noored loomad (ja isegi sünnieelne loomad) saavad õppida rohkem kui varem tunnustatud (vt ülevaadet. \ T Hofer & Sullivan, 2008) on vähe kahtlust, et vanema-lapse suhted on kriitilised ja et neil on aju arengus võtmeroll. Varajase emade ja imikute vahelise koostoime struktuuri erinevused võivad alustada pikaajalist arengut täiskasvanueas (Myers, Brunelli, Squire, Shindledecker ja Hofer, 1989). Näiteks näriliste uuringud on näidanud, et kokkupuutes kulunud aeg, emade lakkumine ja hooldus ning aeg, mille emad veedavad väga stimuleerivas kõrge kaarega puhkeasendis, korreleeruvad erinevate somaatiliste ja käitumuslike erinevustega. Viimase kümnendi jooksul Meaney ja tema kolleegid (nt Cameron et al., 2005) on suutnud näidata neid näriliste ema-imiku interaktsioone, mis süstemaatiliselt modifitseerivad hüpotalamuse-neerupealise stressi reaktsiooni arengut ja erinevaid emotsionaalseid ja kognitiivseid käitumisi täiskasvanueas. Need muutused on korrelatsioonis hippokampuse rakumembraani kortikosterooni retseptorite muutustega, mida omakorda reguleerivad geeniekspressiooni muutused (Weaver et al., 2006).

Emahoolduse erinevuste mõju ei piirdu siiski ainult hipokampusega ja võib olla üsna levinud. Näiteks, Fenoglio, Chen ja Barum (2006) on näidanud, et ema hoolduse parandamine esimese elunädalaga põhjustas hüpotalamuse ja amgydala rakkude signalisatsiooniradade kestvaid muutusi (vt ka ülevaadet Fenoglio, Bruson ja Barum, 2006).

Me ei ole teadlikud sarnastest uuringutest, milles vaadeldakse neokortikaalset ja eriti prefrontaalset plastilisust vastusena emade-imikute interaktsioonide erinevustele, kuid sellised muutused tunduvad tõenäoliselt. Näiteks oleme näidanud, et iga päev emade eraldamine, mis on menetlus, mida kasutati emade ja imikute vahelise koostoime suurendamiseks. Fenoglio et al. (2006) täiskasvanud rottidel suureneb dendriitide pikkus ja selgroo tihedus nii mPFC kui ka OFC puhul.Muhammad & Kolb, 2011).

5. Vastastikused suhted

Harlowi uuringutest (nt. Harlow ja Harlow, 1965). Üks võimsamaid vastastikuseid suhteid on mängida, mis on osutunud täiskasvanute sotsiaalse pädevuse arendamisel oluliseks (nt. Pellis & Pellis, 2010). Esikülg mängib mängimisel olulist rolli. Imiku vigastus mPFC ja OFC kompromisseb mängu käitumist, kuigi erinevalt (nt. Pellis et al., 2006). Selliseid tulemusi silmas pidades oletasime, et kahe prefrontaalse piirkonna areng ja edasine toimimine muutuksid erinevalt, kui mängutegevust manipuleeritaks arengus. Noortele rottidele anti seega võimalus mängida 1i või 3i täiskasvanud rottidega või 1i või 3i teiste noorloomadega. Täiskasvanud loomadega ei mängitud praktiliselt mingit mängu, kuid mängude käitumine suurendas rohkem noori loomi, kes olid kohal. PFC rakkude analüüs näitas, et OFC neuronid reageerisid kohalolevate eakaaslaste arvule, mitte aga mängida või mitte, samas kui mPFC neuronid reageerisid mängumahule, kuid mitte spetsiifiliste arvude arvule (Bell, Pellis ja Kolb, 2010). Hiljem oleme mitmetes uuringutes näidanud, et mitmesugused varased kogemused muudavad rottide mängimise käitumist, sealhulgas sünnieelne stress, postnataalne kombatav stimulatsioon ja alaealiste kokkupuude metüülfenidaadiga (nt. Muhammad, Hossain, Pellis ja Kolb, 2011) ja igal juhul esineb prefrontaalse arengu kõrvalekaldeid. Siin võib olla oluline õppetund, kui me arvestame tingimusi, mille puhul inimese lapsepõlve mäng ei ole normaalne, näiteks autismi või tähelepanupuudulikkuse hüperaktiivsuse häire korral. Mängude käitumise kõrvalekalded võivad mõjutada prefrontaalset arengut ja hilisemat täiskasvanute käitumist.

6. Varajane stress

Viimase 60i aasta jooksul on kogutud tohutu kirjandus, mis näitab täiskasvanute stressi mõju aju ja käitumisele, kuid alles hiljuti on hinnatud perinataalse stressi rolli imikutel. Nüüd on teada, et nii gestatsiooniline kui ka imiku stress soodustavad üksikisikuid mitmesuguste pahaloomuliste käitumiste ja psühhopatoloogiate suhtes. Näiteks, sünnieelne stress on riskitegur skisofreenia, ADHD, depressiooni ja narkomaania arengus (Anda et al., 2006; van den Bergh & Marcoen, 2004). Eksperimentaalsed uuringud laborloomadega on kinnitanud neid järeldusi, kusjuures üldised tulemused näitavad, et nii näriliste kui ka ahviliste perinataalne stress põhjustas käitumuslikke kõrvalekaldeid, nagu kõrgenenud ja pikaajaline stressivastus, õppe ja mälu halvenemine, tähelepanu puudumine, muutunud uurimuslik käitumine, muutunud sotsiaalne ja mängimiskäitumine ning alkoholi eelistamine (nt Weinstock, 2008).

Perinataalselt stressiga loomade ajude sünaptilise korralduse plastilised muutused on siiski vähem uuritud ja mõju näib olevat seotud stressirohke kogemuse üksikasjadega. Näiteks, Murmu et al. (2006) teatas, et mõõdukas sünnieelne stress raseduse kolmanda nädala jooksul põhjustas selgroo tiheduse ja dendriidi pikkuse vähenemise nii täiskasvanu degus'i mPFC kui ka OFC puhul. Seevastu Muhammad ja Kolb (2011) leiti, et kerge sünnieelne stress raseduse teise nädala jooksul vähendas selgroo tihedust mPFC-s, kuid tal puudus mõju OFC-s ja suurenenud selgroo tihedus täiskasvanud rottide NAcc-s. Dendriidi pikkuse analüüs näitas mõnevõrra erinevat mustrit, kuna dendriitide pikkus kasvas mPFC-s ja NAcc-s, kuid vähenes OFC-s. Kummalisel kombel Mychasiuk, Gibb ja Kolb (2011) leidis, et teise rasedusnädala kerge stress suurenes nii mPFC kui ka OFC selja tiheduse suhtes, kui aju uuriti noorukitel, mitte täiskasvanud rottidel. Kokkuvõttes näitavad need uuringud, et erinevused sünnieelse stressi ajastuses ja vanuses, mil aju uuritakse, põhjustavad neuronite ahelate erinevates plastilistes muutustes. Üks asi, mis on selge, on see, et sünnieelse stressi mõju näib olevat erinev täiskasvanute stressist. Näiteks, Liston et al. (2006) esmakordselt näitas, et täiskasvanute stress põhjustas dendriitide hargnemise ja selgroo tiheduse vähenemist mPFC-s, kuid OFC suurenemist.

Oleme teadlikud ainult ühest uuringust, milles vaadeldakse varajase postnataalse stressi (emade eraldamine) mõju sünaptilisele organisatsioonile täiskasvanud ajus. Seega Muhammad ja Kolb (2011) leidis, et emasloomade eraldumine suurendas selgroo tihedust täiskasvanud rottidel mPFC, OFC ja NAcc. Mis on veel kindlaks määratud kas sünnieelse või imiku stressi järgi, on see, kuidas need erinevused sünaptilistes muutustes on seotud hilisema käitumisega või kuidas plastid neuronid reageerivad teistele kogemustele, nagu keeruline eluase, mängimine või imiku-vanemate suhted. Sellised uuringud on kindlasti tulevaste uuringute tähtsus.

7. Soole taimestik

Vahetult pärast sündi asustavad imetajad kiiresti paljude põlisrahvaste mikroobide poolt. Need mikroobid mõjutavad paljude kehafunktsioonide arengut. Näiteks on soolestiku mikrobiotasel süsteemne toime maksafunktsioonile (nt. Björkholm jt, 2009). Kuna perinataalse perioodi jooksul on teadaolev seos neurodevelopmentaalsete häirete, nagu autism ja skisofreenia ja mikrobioloogiliste patogeenide nakkuste vahel (nt. Finegold et al., 2002; Mittal, Ellman ja kahur, 2008), Diaz Heijtz et al. (ajakirjanduses) küsis, kas sellised infektsioonid võivad muuta aju ja käitumise arengut. Nad teevad. Autorid võrdlesid nii motoorse käitumise kui ka aju mõõtmisi hiirtel, kes olid arenenud normaalse soole mircrobiotaga või ilma. Autorid leidsid, et soolte bakterid mõjutavad signaaliradasid, neurotransmitterite käivet ja sünaptiliste valkude teket ajukoores ja striatumis hiirte arendamisel ning need muutused olid seotud mootori funktsioonide muutustega. See on põnev järeldus, sest see annab ülevaate sellest, kuidas infektsioonid arengu ajal võivad muuta aju arengut ja sellele järgnevat täiskasvanute käitumist.

8. Dieet

On olemas ulatuslik kirjandus valkude ja / või kalorite piiratud dieedi mõju kohta aju- ja käitumuslikule arengule (nt. Lewis, 1990), kuid tõhustatud dieedi mõju kohta aju arengule on palju vähem teada. Üldiselt eeldatakse, et keha paraneb paremini, kui talle antakse hea toitumine, mistõttu on mõistlik ennustada, et aju arengut võivad hõlbustada vitamiini- ja / või mineraalsed toidulisandid. Toiduskoliini lisamine perinataalsel perioodil põhjustab erinevaid muutusi nii käitumise kui ka aju suhtes.Meck & Williams, 2003). Näiteks viib perinataalse koliini lisamine parema ruumilise mälu juurde mitmesugustes ruumilistes navigatsioonitestides (nt Meck & Williams, 2003; Tees, & Mohammadi, 1999) ja suurendab närvi kasvufaktori (NGF) taset hipokampuses ja neokortexis (nt. Sandstrom, Loy ja Williams, 2002). Halliwell, Tees ja Kolb (2011) tegi sarnaseid uuringuid ja leidis, et koliini lisamine suurendas dendriitilist pikkust ajukoores ja hippokampuse CA1i püramiidi neuronites.

Halliwell (2011) on uurinud ka vitamiini- / mineraallisandite lisamise mõju lakteerivate rottide toidule. Ta otsustas kasutada toidulisandit, mis on teatanud, et see parandab meeleolu ja agressiooni erinevate häiretega täiskasvanutel ja noorukitel.Leung, Wiens ja Kaplan, 2011) ja vähenenud viha, aktiivsuse tase ja sotsiaalne tõrjumine autismis koos spontaansuse suurenemisega (\ tMehl-Madrona, Leung, Kennedy, Paul ja Kaplan, 2010). Sama toidulisandiga toidetud imetavate rottide täiskasvanud järglaste analüüs näitas dendriitide pikkuse suurenemist mPFC ja parietaalse koore neuronites, kuid mitte OFC-s. Lisaks sellele oli dieet tõhusalt kergendanud kergeid sünnieelseid pingeid dendriidi pikkuse vähendamisel OFC-s.

Nii toitumispiirangute kui ka täienduste mõju kohta neuronite võrgustike ja käitumise arengule on jäänud palju õppida. Mõlemad protseduurid muudavad aju arengut, kuid nagu paljud teised siin käsitletud tegurid, ei ole meil selget pilti sellest, kuidas varased kogemused aju ja käitumise muutmiseks mõjutavad hilisemaid kogemusi, näiteks psühhoaktiivseid ravimeid.

Järeldused

Meie arusaam normaalse aju arengu olemusest on viimase 30i aasta jooksul kaugele jõudnud, kuid me hakkame alles mõistma mõningaid tegureid, mis seda arengut mõjutavad. Selle ümbersuunamise mõistmine on hädavajalik, et alustada neurodevelopmentaalsete häirete mõistatuste lahtiütlemist ja alustada varajast ravi patoloogiliste muutuste blokeerimiseks või pöördumiseks. Ilmselgeks komplikatsiooniks on see, et kogemused ei ole ainsad sündmused, vaid pigem kui me elame läbi elu, mõjutavad kogemused nii käitumist kui aju, mida sageli nimetatakse metaplastilisuseks.

Kui arutasime erinevaid kogemustest sõltuvaid muutusi arenevates ajus, oleme kasutanud “arenevat aju”, nagu oleks see ühekordne aeg. See ei ole ilmselgelt nii ja on vähe kahtlust, et lõpuks leiame, et on olemas aja kriitilised aknad, kus arenev aju reageerib rohkem (või vähem) kui muudel aegadel. Lisaks on tõenäoline, et erinevad aju piirkonnad näitavad erinevaid kriitilisi aknaid. Näiteks oleme leidnud, et kui motoorset ajukooret vigastatakse varases noorukieas, on hilinenud noorukieas sama vigastusega võrreldes halb tulemus (Nemati & Kolb, 2010). Kummalisel kombel kehtib aga prefrontaalse koore vigastuste puhul vastupidine. Põllu-sõltuvate kriitiliste akende sortimine on järgmise kümnendi väljakutse.

Oleme siinkohal keskendunud sünaptilise plastilisuse mõõtmistele, kuid me mõistame kindlasti, et ajuorganisatsiooni plastilisi muutusi saab uurida paljudel teistel tasanditel. Lõpuks leitakse geeniekspressioonis sünaptilise muutuse põhimehhanism. Probleem on selles, et tõenäoliselt on käitumist oluliselt mõjutavad kogemused seotud muutustega kümnetes või sadades geenides. Väljakutse on tuvastada muutused, mis on kõige tihedamalt seotud täheldatud käitumuslike muutustega.

Tänud / huvide konfliktid

Soovime tänada nii NSERC-d kui ka CIHR-i nende pikaajalise toetuse eest uuringus, mis on seotud käesolevas ülevaates käsitletud tööga. Täname ka Cathy Carrollile, Wendy Comeau'le, Dawn Danka'le, Grazyna Gorny'le, Celeste Halliwellile, Richelle Mychasiukile, Arif Muhammadile ja Kehe Xie'le nende paljude panuste eest õpingutesse.

viited

  • Anda RF, Felitti VJ, Bremner JD, Walker JD, Whitfield C, Perry BD, Giles WH. Vägivalla ja sellega seotud kahjulike kogemuste kestev mõju lapsepõlves. Neurobioloogiast ja epidemioloogiast saadud tõendite lähenemine. Psühhiaatria ja kliinilise neuroteaduse Euroopa arhiiv. 2006: 256: 174 – 186. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Baranauskas G. Valu põhjustatud plastilisus seljaajus. In: Shaw CA, McEachern J, toimetajad. Neuroplastilisuse teooria suunas. Philadelphia, PA: Psühholoogia Press; 2001. lk. 373 – 386.
  • Bell HC, Pellis SM, Kolb B. Alaealiste eakaaslaste kogemus ja orbitofrontaalse ja mediaalse prefrontaalse koore areng. Käitumise ajuuuringud. 2010: 207: 7 – 13. [PubMed]
  • Must JE, Kodish IM, Grossman AW, Klintsova AY, Orlovskaya D, Vostrikov V, Greenough WT. Skisofreeniaga patsientide prefrontaalses ajukoores V kihi püramiidi neuronite patoloogia. American Journal of Psychiatry. 2004: 161: 742 – 744. [PubMed]
  • Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR. Uus piir arenguhäirete neuroteadusele. In: Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR, toimetajad. Oxfordi arendusliku käitumusliku neuroteaduse käsiraamat. New York, NY: Oxford University Press; 2010. lk. 1 – 6.
  • Björkholm B, Bok CM, Lundin A, Rafter J, Hibberd ML, Pettersson S. Soole mikrobiota reguleerib ksenobiootilist ainevahetust maksas. PLoS ONE. 2009: 4: e6958. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Cameron NM, Champagne FA, Carine P, Fish EW, Ozaki-Kuroda K, Meaney M. Rottide kaitsevastuse ja reproduktiivstrateegiate individuaalsete erinevuste programmeerimine emade hoolduse erinevustega. Neuroteadus ja bioloogiline käitumine. 2005: 29: 843 – 865. [PubMed]
  • Comeau W, Hastings E, Kolb B. Pre- ja postnataalse FGF-2-i diferentsiaalne efekt pärast prefiaalse kesknärvisüsteemi kahjustust. Käitumise ajuuuringud. 2007: 180: 18 – 27. [PubMed]
  • Comeau WL, McDonald R, Kolb B. Õppest tingitud muutused prefrontaalses kortikaalses ahelas. Käitumise ajuuuringud. 2010: 214: 91 – 101. [PubMed]
  • Comeau W, Kolb B. Alaealiste kokkupuude metüülfenidaatidega blokeerib hiljem täiskasvanueas kogemustest sõltuva plastilisuse. 2011. Käsikiri esitamisel.
  • Diaz Heijtz R, Kolb B, Forssberg H. Kas amfetamiini terapeutiline annus noorukieas võib muuta sünaptilise organisatsiooni struktuuri ajus? European Journal of Neuroscience. 2003: 18: 3394 – 3399. [PubMed]
  • Diaz Heijtz R, Wang S, Anuar F, Qian Y, Björkholm B, Samuelsson A, Pettersson S. Normaalne soole mikrobiota moduleerib aju arengut ja käitumist. Riikliku Teaduste Akadeemia (USA) toimingud (ajakirjanduses). [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Eriksson PS, Perfi lieva E, Björk-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH. Neurogenees täiskasvanud inimese hipokampuses. Loodusmeditsiin. 1998: 4: 1313 – 1317. [PubMed]
  • Fenoglio KA, Brunson KL, Baram TZ. Varase elu stressist tingitud hipokampuse neuroplastsus: funktsionaalsed ja molekulaarsed aspektid. Neuroendokrinoloogia piirid. 2006: 27: 180 – 192. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Fenoglio KA, Chen Y, Baram TZ. Hüpotalamuse-hüpofüüsi-neerupealise telje neuroplastilisus nõuab varajases staadiumis stressireguleerivate aju piirkondade värbamist. Journal of Neuroscience. 2006: 26: 2434 – 2442. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Finegold SM, Molitoris D, Song Y, Liu C, Vaisanen ML, Bolte E, Kaul A. Seedetrakti mikrofloora uuringud hilinenud autismiga. Kliinilised nakkushaigused. 2002; 35 (Suppl 1): S6 – S16. [PubMed]
  • Frost DO, Cerceo S, Carroll C, Kolb B. Varajane kokkupuude haloperidooliga või olansapiiniga kutsub esile dendriidi vormi pikaajalisi muutusi. Synapse. 2009: 64: 191 – 199. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Gibb R. Perinatal kogemus ja taastumine ajukahjustusest. 2004. Avaldamata doktoritöö, Lethbridge'i ülikool, Kanada.
  • Gibb R, Gonzalez CLR, Wegenast W, Kolb B. Tactile stimulatsioon hõlbustab taastumist pärast kortikaalset vigastust täiskasvanud rottidel. Käitumise ajuuuringud. 2010: 214: 102 – 107. [PubMed]
  • Giffin F, Mitchell DE. Nägemise taastumise kiirus pärast varajast monokulaarset puudust kassipoegades. Füsioloogia ajakiri. 1978: 274: 511 – 537. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Goldstein JM, Seidman LJ, Horton NJ, Makris N, Kennedy DN, Cainess VS, Tsuang MT. Täiskasvanud inimese aju normaalne seksuaalne dimorfism, mida hinnatakse in vivo magnetresonantstomograafia abil. Ajukoor. 2001: 11: 490 – 497. [PubMed]
  • Gould E, Tanapat P, Hastings NB, Shors TJ. Neurogenees täiskasvanueas: Võimalik roll õppimisel. Kognitiivse teaduse suundumused. 1999: 3: 186 – 192. [PubMed]
  • Greenough WT, must JE, Wallace CS. Kogemused ja aju areng. Arengupsühobioloogia. 1987: 22: 727 – 252. [PubMed]
  • Greenough WT, Chang FF. Sünapsi struktuuri ja mustri plastilisus ajukoores. In: Peters, Jones EG, toimetajad. Aju Cortex, Vol 7. New York, NY: Plenum Press; 1989. lk. 391 – 440.
  • Gregg CT, Shingo T, Weiss S. Imetaja eesnäärme neuraalsed tüvirakud. Eksperimentaalse bioloogia ühingu sümpoosion. 2001: 53: 1 – 19. [PubMed]
  • Halliwell CI. Ravi ja sünnitusjärgse stressi ja vastsündinute koorekahjustuse järgsed ravi. 2011. Avaldamata doktoritöö, Lethbridge'i ülikool, Kanada.
  • Halliwell C, Tees R, Kolb B. Sünnieelne koliiniravi suurendab rottidel taastumist perinataalsest frontaalsest kahjustusest. 2011. Käsikiri esitamisel.
  • Hamilton D, Kolb B. Nikotiin, kogemus ja aju plastilisus. Käitumise neuroteadus. 2005: 119: 355 – 365. [PubMed]
  • Harlow HF, Harlow MK. Hellitavad süsteemid. In: Schier A, Harlow HF, Stollnitz F, toimetajad. Inimeste primaatide käitumine. Kd. 2. New York, NY: Academic Press; 1965.
  • Hebb DO. Käitumise korraldus. New York, NY: McGraw-Hill; 1949.
  • Hofer MA, Sullivan RM. Kinnituse neurobioloogia suunas. In: Nelson CA, Luciana M, toimetajad. Arengu-kognitiivse neuroteaduse käsiraamat. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. lk. 787 – 806.
  • Jacobs B, Scheibel AB. Wernicke piirkonna inimeste kvantitatiivne dendriitiline analüüs. I. Eluiga muutused. Võrdleva neuroloogia ajakiri. 1993: 327: 383 – 396. [PubMed]
  • Kempermann G, Gage FH. Uued närvirakud täiskasvanud aju jaoks. Scientific American. 1999; 280 (5): 48 – 53. [PubMed]
  • Kolb B. Aju plastilisus ja käitumine. Mahwah, NJ: Erlbaum; 1995.
  • Kolb B, Cioe J, Comeau W. Mootori ja visuaalse õppe ülesannete kontrastsed mõjud dendriitide arboriseerumisele ja selgroo tihedusele rottidel. Õppimise ja mälu neurobioloogia. 2008: 90: 295 – 300. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R. Tactile stimulatsioon soodustab funktsionaalset taastumist ja dendriitilist muutust pärast vastsündinute mediaalseid eesmise või tagumise parietaalse kahjustuse teket rottidel. Käitumise ajuuuringud. 2010: 214: 115 – 120. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Gorny G. Kogemusest sõltuvad muutused dendriitide lehtede ja selgroo tiheduses neokortexis varieeruvad sõltuvalt vanusest ja soost. Õppimise ja mälu neurobioloogia. 2003a: 79: 1 – 10. [PubMed]
  • Kolb B, Gorny G, Li Y, Samaha AN, Robinson TE. Amfetamiin või kokaiin piirab hilisema kogemuse võimet edendada struktuurset plastilisust neokortexis ja tuumaklundis. Riikliku Teaduste Akadeemia (USA) tööd 2003b; 100: 10523 – 10528. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Pearce S, Tanguay R. Prenataalne kokkupuude retseptiravimitega muudab taastumist pärast rottide varajase ajukahjustuse tekkimist. Neuroteaduste kokkuvõte. 2008: 349: 5.
  • Kolb B, Morshead C, Gonzalez C, Kim N, Shingo T, Weiss S. Kasvufaktori stimuleeritud uue kortikaalse koe teke ja funktsionaalne taastumine pärast rottide motoorset ajukooret. Aju vereringe ja ainevahetuse ajakiri. 2007: 27: 983 – 997. [PubMed]
  • Kolb B, Stewart J. Seksiga seotud erinevused rakkude dendriitsete hargnemistes rottide prefrontaalses ajukoores. Neuroendokrinoloogia ajakiri. 1991: 3: 95 – 99. [PubMed]
  • Kolb B, Whishaw IQ. Inimese neuropsühholoogia alused. 6th väljaanne. New York, NY: väärt; 2009.
  • Leung BM, Wiens KP, Kaplan BJ. Kas sünnieelne mikrotoitainete lisamine parandab laste vaimset arengut? Süstemaatiline ülevaade. BCM Rasedus Sünnitus. 2011: 11: 1 – 12. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Lewis PD. Toitumine ja aju anatoomiline areng. In: van Gelder NM, Butterworth RF, Drujan BD, toimetajad. (Mal) Toitumine ja imiku aju. New York, NY: Wiley-Liss; 1990. lk. 89 – 109.
  • Nimekiri C, Miller MM, Godwater DS, Radley JJ, Rocher AB, Hof PR, McEwen BS. Stressi poolt põhjustatud muutused prefrontaalses kortikaalses dendriitses morfoloogias ennustavad selektiivse tähelepanuvõime seadmise muutmise selektiivseid kahjustusi. Journal of Neuroscience. 2006: 26: 7870 – 7874. [PubMed]
  • Mattson MP, Duan W, Chan SL, Guo Z. In: neuroplastilisuse teooria suunas. Shaw CA, McEachern J, toimetajad. Philadelphia, PA: Psühholoogia Press; 2001. lk. 402 – 426.
  • Meck WH, Williams CL. Koliini metaboolne trükkimine selle kättesaadavuse kaudu tiinuse ajal: mõju mälule ja tähelepanu töötlemisele kogu eluea jooksul. Neuroteadus ja bioloogiline käitumine. 2003: 27: 385 – 399. [PubMed]
  • Mehl-Madrona L, Leung B, Kennedy C, Paul S, Kaplan BJ. Mikrotoitained võrreldes standardse ravimijuhtimisega autismis: naturalistlik juhtumikontrolli uuring. Lapse noorukite psühhofarmakoloogia ajakiri. 2010: 20: 95 – 103. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Mittal VA, Ellman LM, Cannon TD. Geenikeskkonna koostoime ja koolarisatsioon skisofreenia korral: sünnitus komplikatsioonide roll. Skisofreenia bülletään. 2008: 34: 1083 – 1094. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Muhammad A, Hossain S, Pellis S, Kolb B. Reljeefne stimulatsioon arengu ajal nõrgendab amfetamiini sensibilisatsiooni ja muudab neuronite morfoloogiat. Käitumise neuroteadus. 2011: 125: 161 – 174. [PubMed]
  • Muhammad A, Kolb B. Kerge sünnieelne stress mõjutab käitumist ja närvirakkude tihedust, mõjutamata amfetamiini sensibilisatsiooni. Arengu-neuroteadus (ajakirjanduses). [PubMed]
  • Muhammad A, Kolb B. Emade eraldamine muutis käitumist ja närvirakkude tihedust, mõjutamata amfetamiini sensibilisatsiooni. Käitumise ajuuuringud. 2011: 223: 7 – 16. [PubMed]
  • Murmu M, Salomon S, Biala Y, Weinstock M, Braun K, Bock J. Muutused lülisamba tiheduses ja dendriitlikus keerukuses prefrontaalses ajukoores raseduse ajal stressile alluvate emade järglastel. European Journal of Neuroscience. 2006: 24: 1477 – 1487. [PubMed]
  • Mychasiuk R, Gibb R, Kolb B. Sünnieelne kõrvalseisja stress põhjustab rottide järglaste arenemise prefrontaalses ajukoores ja hipokampuses neuroanatoomilisi muutusi. Ajuuuringud. 2011: 1412: 55 – 62. [PubMed]
  • Myers MM, Brunelli SA, Squire JM, Shindledecker R, Hofer MA. SHR rottide ema käitumine selle seoses järglaste vererõhuga. Arengupsühobioloogia. 1989: 22: 29 – 53. [PubMed]
  • Nemati F, Kolb B. Moorkoorekahjustusel on noortel ja noorukitel rottidel erinev käitumuslik ja anatoomiline toime. Käitumise neuroteadus. 2010: 24: 612 – 622. [PubMed]
  • O'Hare ED, Sowell ER. Inimese aju halli ja valge aine kujunemisega seotud muutused. In: Nelson CA, Luciana M, toimetajad. Arengu-kognitiivse neuroteaduse käsiraamat. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. lk. 23 – 38.
  • Pellis SM, Hastings E, Takeshi T, Kamitakahara H, Komorowska J, Forgie ML, Kolb B. Orbitaalse eesmise koore kahjustuse mõju rottide kaitsvate reaktsioonide moduleerimisele mängulistes ja mitte-mängulikes sotsiaalsetes kontekstides. Käitumise neuroteadus. 2006: 120: 72 – 84. [PubMed]
  • Pellis S, Pellis V. Mänguline aju. New York, NY: Oneworldi väljaanded; 2010.
  • Prusky GT, Silver BD, Tschetter WW, Alam NM, Douglas RM. Kogemusest sõltuv plastilisus silmade avanemisest võimaldab püsivat, visuaalset koorest sõltuvat liikumisnägemise parandamist. Journal of Neuroscience. 2008: 28: 9817 – 9827. [PubMed]
  • Raison C, Capuron L, Miller AH. Tsütokiinid laulavad bluusi: põletik ja depressiooni patogenees. Immunoloogia suundumused. 2006: 27: 24 – 31. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Rampon C, Jiang CH, Dong H, Tang YP, Lockart DJ, Schultz PG, Hu Y. Keskkonna rikastamise mõju geeni ekspressioonile ajus. Rahvusliku Teaduste Akadeemia (USA) tööd 2000, 97: 12880 – 12884. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Robinson TE, Kolb B. kuritarvitamise ravimitega seotud struktuuriline plastilisus. Neurofarmakoloogia. 2004; 47 (Suppl 1): 33 – 46. [PubMed]
  • Sandstrom NJ, Loy R, Williams CL. Sünnieelne koliinilisand suurendab NGF tasemeid noorte ja täiskasvanud rottide hipokampuses ja eesmise ajukoores. Ajuuuringud. 2002: 947: 9 – 16. [PubMed]
  • Schanberg SM, Field TM. Sensoorse puuduse stress ja täiendav stimulatsioon rottide ja enneaegsete inimeste vastsündinutel. Lapse areng. 1987: 58: 1431 – 1447. [PubMed]
  • Sirevaag AM, Greenough WT. Mitmemõõtmeline statistiline kokkuvõte sünaptilistest plastilisuse meetmetest rottidel, kes puutuvad kokku kompleksse, sotsiaalse ja individuaalse keskkonnaga. Ajuuuringud. 1987: 441: 386 – 392. [PubMed]
  • Tees RC, Mohammadi E. Vastsündinute koliini toidulisandite mõju täiskasvanute ruumilisele ja konfiguratsioonilisele õppimisele ja mälule rottidel. Arengupsühobioloogia. 1999: 35: 226 – 240. [PubMed]
  • Teskey GC, Monfils MH, Silasi G, Kolb B. Neokortikaalne süütamine on seotud dendriitide morfoloogia vastandlike muutustega neokortikalisel kihil V ja neokortikaalsest kihist III. Synapse. 2006: 59: 1 – 9. [PubMed]
  • Teskey GC. Kindlingi kasutamine õppe ja mäluga seotud neuroplastiliste muutuste, neuropsühhiaatriliste häirete ja epilepsia modelleerimiseks. In: Shaw CA, McEachern JC, toimetajad. Neuroplastilisuse teooria suunas. Philadelphia, PA: Taylor ja Francis; 2001. lk. 347 – 358.
  • van den Bergh BR, Marcoen A. Kõrge sünnitusjärgne emade ärevus on seotud ADHD sümptomitega, välistavate probleemide ja ärevusega 8- ja 9i-aastaste vanuses. Lapse areng. 2004: 75: 1085 – 1097. [PubMed]
  • Weaver ICG, Cervoni N, Champagne FA, D'Alessio AC, Sharma S, Seckl JR, Dymov S, Szf M, Meaney MJ. Epigeneetiline programmeerimine emade käitumise järgi. Nature Neuroscience. 2004: 7: 847 – 854. [PubMed]
  • Weaver ICG, Meaney M, Szf M. Sünnitusjärgne mõju ema transkriptoomile ja ärevusele vahendatud käitumisele järglastel, mis on täiskasvanueas pöörduvad. Rahvusliku Teaduste Akadeemia (USA) tööd 2006, 103: 3480 – 3486. [PMC tasuta artikkel] [PubMed]
  • Weinstock M. Prenataalse stressi pikaajalised käitumuslikud tagajärjed. Neuroteadus ja bioloogiline käitumine. 2008: 32: 1073 – 1086. [PubMed]
  • Wiesel TN, Hubel DH. Üksikrakulised vastused nägemise kaotanud kassipoegade silmaümbruses ühes silmis. Neurofüsioloogia ajakiri. 1963: 26: 1003 – 1017. [PubMed]