Brain plasticity og hegðun í þróunarmálinu (2011)

J Can Acad barnaheilbrigðislækningar. 2011 nóvember; 20 (4): 265 – 276.

Bryan Kolb, PhD1 og Robbin Gibb, PhD1
Ritstjóri eftirlits: Margaret Clarke, MD og Laura Ghali, PhD
Þessi grein hefur verið vitnað af Aðrar greinar í PMC.

Abstract

Hlutlæg:

Til að endurskoða almennar meginreglur um þroska heila, bera kennsl á grundvallarreglur um plastefni í heila og ræða þætti sem hafa áhrif á þroska og plastleika heila.

Aðferð:

Rannsóknir á bókmenntum yfir viðeigandi enskum handritum um þróun heilans og mýkt voru gerðar.

Niðurstöður:

Heilaþróun gengur í gegnum röð stiga sem byrja á taugafrumu og gengur yfir í taugaflutninga, þroska, samstillingu, pruning og myelin myndun. Átta grundvallarreglur um plastplast í heila eru greindar. Vísbendingar um að þroski og virkni heila sé undir áhrifum frá mismunandi umhverfisviðburðum eins og skynjunarörvun, geðlyf, kynhormón, foreldrasambönd, jafningjasambönd, snemma álag, þarmaflóra og mataræði.

Ályktanir:

Þróun heilans endurspeglar meira en einfalda framvindu erfðafræðilegra teikninga en endurspeglar frekar flókinn dans erfða- og reynslumikilla þátta sem móta nýkomna heila. Að skilja dansinn veitir innsýn í bæði eðlilega og óeðlilega þroska.

Leitarorð: heilaþróun, plastleiki í heila, örvun umhverfisins, frumur frumur

Þróun heilans endurspeglar meira en einfalda framvindu erfðafræðilegra teikninga en endurspeglar frekar flókinn dans erfða- og reynslumikilla þátta sem móta nýkomna heila. Heilir sem verða fyrir mismunandi umhverfisviðburðum eins og skynjunarörvun, lyfjum, mataræði, hormónum eða streitu geta því þróast á mjög mismunandi vegu. Markmið núverandi greinar er að skoða leiðir sem hægt er að móta heilann sem þróast með fjölmörgum þáttum fyrir og eftir fæðingu. Við byrjum á yfirliti yfir þroska heila, í kjölfar stuttrar yfirferðar meginreglna um plastefni heila og að lokum athugun á því hvernig þættir hafa áhrif á þroska heila og hegðun fullorðinna. Vegna þess að flest það sem við þekkjum um plastefni í heila og hegðun í þróun kemur frá rannsóknum á rannsóknarstofu rotta mun umfjöllun okkar beinast að rottunni en mun huga að mönnum þegar mögulegt er. Að auki mun umræðan vera hlutdræg gagnvart plastleika í heilabyggingum vegna þess að flest það sem við vitum um mótun á þroska heila byggist á rannsóknum á þróun heilans. Það er lítil ástæða til að ætla að öðrum mannvirkjum í heila verði ekki breytt á svipaðan hátt.

Heilaþróun

Fyrir einhverjum 2000 árum lagði rómverski heimspekingurinn Seneca til að mannlegt fósturvísi væri fullorðinn í litlum smáatriðum og því sé þróunin einfaldlega að verða stærri. Þessi hugmynd var svo aðlaðandi að víða var talið þar til langt fram í 19th öld. Það varð augljóst snemma á 20th öld að heilaþróun endurspeglaði röð stiga sem við getum nú séð að skiptist í stórum dráttum í tvo áfanga. Í flestum spendýrum endurspeglar hið fyrsta erfðafræðilega ákveðna atburðarás í móðurkviði það er hægt að breyta eftir umhverfi móður. Annar áfanginn, sem er bæði fyrirfæddur eftir fæðingu hjá mönnum, er tími þar sem tengsl heilans eru mjög viðkvæm, ekki aðeins fyrir umhverfið heldur einnig fyrir munstur á heilastarfsemi sem framleidd er af reynslu. Mikilvægara er þó að nú er viðurkennt að epigenetic breytingar, sem hægt er að skilgreina sem breytingar á þroskaútkomu, þ.mt stjórnun genatjáningar, eru byggðar á öðrum leiðum en DNA sjálfu (Blumberg, Freeman og Robinson, 2010). Til dæmis er hægt að breyta genatjáningu með sérstökum reynslu og það getur síðan leitt til skipulagsbreytinga í taugakerfinu.

Stigum þroska heila

Tafla 1 gerir grein fyrir almennum stigum sem einkenna þroska heila hjá öllum spendýrum. Frumur sem eiga að framleiða taugakerfið byrja að myndast um það bil þremur vikum eftir frjóvgun hjá mönnum. Þessar frumur mynda taugaslönguna, sem er leikskólinn í heila og er seinna kallað svæði undir slegils. Frumur sem eru ætlaðar til að mynda heilaheima byrja að skiptast við um það bil sex vikna aldur og um það bil 14 vikur lítur út fyrir að heilaþekjan sé mjög mannleg, þó hún byrji ekki að myndast sulci og gyri fyrr en um sjö mánuði. Flestum taugafræðingum er lokið um fimm mánuði, þar sem ein mikilvæg undantekning eru frumur í hippocampus, sem heldur áfram að mynda taugafrumur alla ævi. Það eru um það bil tíu milljarðar frumur sem þarf til að mynda heilaberki manna á hverju heilahveli. Þessar frumur myndast hratt og það er áætlað að þegar hámarki séu myndaðar um það bil 250,000 taugafrumur á mínútu. Það er augljóst að allir truflanir á heila á þessum tíma geta haft verulegar afleiðingar.

Tafla 1. 

Stigum þroska heila

Þegar taugafrumur eru búnar til byrja þær að flytjast eftir trefjum sem myndast af geislamynduðum glialfrumum, sem teygja sig frá svæði undir slegils og yfirborð heilabarkar (Mynd 1). Svæðið undir undiræðarfrumum virðist innihalda frumstætt kort af heilaberkinu sem tilhneigir frumurnar sem myndast á tilteknu svæði undir slegli til að flytjast til ákveðins stað í barkstera. Þegar frumur flytjast hafa þær ótakmarkaða möguleika á örlög örva en þegar þær ná áfangastað samspil gena, þroska og umhverfisáhrif stýra þeim í auknum mæli að aðgreina sig í ákveðna frumugerð. Þegar frumur hafa náð endanlegum ákvörðunarstað byrja þær að þroskast með því að: (1) vaxa dendrites til að veita yfirborðsflæði fyrir samsöfnun við aðrar frumur; og, (2) að lengja axon til viðeigandi markmiða til að hefja myndun myndun.

Mynd 1. 

Frumur flytjast frá svæði undir legginu eftir geislamyndun glia til staðsetningar fullorðinna þeirra (Kolb & Whishaw, 2009).

Myndun dendrites byrjar fæðingu hjá mönnum en heldur áfram í langan tíma eftir fæðingu. Þverr í nýfæddum börnum byrjar þegar einstök ferli skera út úr frumulíkamanum og næstu tvö árin eru þessi ferli útfærð og hryggir, sem eru staðsetning flestra örvandi samloka, myndast. Þvagvöxtur er hægur, um það bil míkrómetrar á dag. Axons vaxa um það bil 1000 sinnum hraðar, nefnilega um það bil einn mm á dag. Þessi mismunur vaxtarhraði er mikilvægur vegna þess að hraðvaxandi axon geta haft samband við markfrumur áður en tindar þeirrar frumu eru fullkomlega myndaðir. Fyrir vikið geta axonar haft áhrif á aðgreiningar á tindrít og myndun heilarásar.

Synapse myndun í heilabarki manna er ómæld áskorun, með samtals meira en 100,000 trilljón (1014). Ekki var mögulega hægt að ákvarða þennan gífurlega fjölda með erfðaáætlun, heldur eru aðeins almennar útlínur taugatenginga í heilanum fyrirfram ákveðnar. Mikill fjöldi samlíkinga er þannig hafður að leiðarljósi á sínum stað með ýmsum umhverfismerkjum og merkjum. Eins og við munum sjá, að meðhöndlun mismunandi gerða vísbendinga og merkja getur valdið stórkostlegum mun á heilarásum.

Vegna óvissu í fjölda taugafrumna sem munu ná viðeigandi ákvörðunarstað og viðeigandi tengslanna sem þeir mynda, framleiðir heilinn of mikið af taugafrumum og tengingum meðan á þróun stendur, en hámark myndun myndunar er milli eins og tveggja ára, háð því svæðinu heilaberki. Rétt eins og myndhöggvari sem býr til styttu með steinblokk og meitli til að fjarlægja óæskilegu verkin, hefur heilinn samsíða kerfi þar sem ónauðsynlegar frumur og tengingar eru fjarlægð með frumudauða og samstillingu. Samlíkingar beitarinnar í heilanum geta verið af mörgum gerðum, þar á meðal einhvers konar þekjufrumugrein, margs konar upplifanir, kynhormónar og jafnvel streita.

Áhrif þessa frumutaps og synaptic pruning má sjá í breytingum á þykkt barkstera með tímanum. Það er að segja heilaberkið verður mælanlega þynnra í caudal-rostral halli sem byrjar um tveggja ára aldur og heldur áfram þar til að minnsta kosti 20 ára aldur. Það er mögulegt að samsvara þynningu barka og hegðun. Til dæmis hafa niðurstöður Hafrannsóknastofnunarinnar rannsóknir á breytingum á þykkt barka sýnt að aukin hreyfileiki er tengd lækkun á leggþykkt í hendi á vinstri mótor heilaberki í hægri hönd (O'Hare & Sowell, 2008). Ein undantekning frá því þynnri er betri regla sést við þróun sumra, en ekki allra, tungumálaferla. Þannig hafa Hafrannsóknastofnunin sýnt að þykknun vinstri óæðri framhluta heilabarkar (u.þ.b. Broca svæði) tengist aukinni hljóðfræðilegri vinnslu (þ.e. skilning á talhljóðum). Þessi einstaka tengsl á milli leguþykktar og hegðunar eru ekki einkennandi fyrir tungumálastarfsemi almennt. Til dæmis er orðaforðaþróun fylgni við minnkaða barkstílsþykkt á dreifðri barksturshéraði (O'Hare & Sowell, 2008).

Sambandið á milli legþykktar og þroska hegðunar er líklega skýring á dreifni í þróun hegðunarhæfileika hjá börnum. Til dæmis gæti seinkuð þróun tungumáls hjá börnum með eðlilega greind og hreyfifræðni (u.þ.b. 1% barna) verið afleiðing hægari en venjulegra breytinga á þykkt barka. Hvers vegna þetta gæti verið er óþekkt.

Lokastig þróunar heila er glial þróun til að mynda myelin. Fæðing astrocytes og oligodendrocytes byrjar eftir að flestum taugafrumum er lokið og heldur áfram allt lífið. Þrátt fyrir að miðtaugakerfið geti virkað fyrir mergæxlun næst eðlileg fullorðinsstarfsemi aðeins eftir að mergmyndun er lokið, sem er eftir 18 ára aldur á svæðum eins og forrétthyrningi, afturhluta hliðarhluta og framan heilaberki.

Þroski heila er því samsettur af falli atburða sem byrja á mítósu og lýkur með myelínmyndun. Áhrif truflana og upplifana í heila verða því mismunandi eftir nákvæmu stigi þroska heila. Við ættum ekki að koma á óvart, til dæmis, að upplifanir og / eða truflanir við mítósu myndu hafa mjög önnur áhrif en svipaðir atburðir við samstillingu eða síðar við pruning. Reynslan starfar í meginatriðum á mjög mismunandi gáfur á mismunandi þroskastigum.

Sérstakir eiginleikar heilaþróunar

Tveir þættir í þroska heila eru sérstaklega mikilvægir til að skilja hvernig reynsla getur breytt skipulagi barka. Í fyrsta lagi eru frumurnar sem fóðra undirhverfissvæðið stofnfrumur sem eru áfram virkar allt lífið. Þessar stofnfrumur geta framleitt taugafrumur eða glial frumafrumur sem geta flust inn í hvítt eða grátt efni í heila, jafnvel á fullorðinsárum. Þessar frumur geta verið í rólegheitum á þessum stöðum í langan tíma en hægt er að virkja þær til að framleiða annað hvort taugafrumur og / eða glia. Hlutverk þessara frumna er illa skilið um þessar mundir en þær mynda líklega grunninn að að minnsta kosti einu formi taugafrumna eftir fæðingu, sérstaklega eftir meiðsli (t.d. Gregg, Shingo og Weiss, 2001; Kolb o.fl., 2007). Að auki getur spendýraheilinn, þar með talið frumheilinn, myndað taugafrumur á fullorðinsárum sem eru ætlaðir lyktarperunni, hippocampal myndun og hugsanlega öðrum svæðum (t.d. Eriksson o.fl., 1998; Gould, Tanapat, Hastings og Shors, 1999; Kempermann & Gage, 1999). Hlutverk þessara frumna er enn umdeilt en af ​​mörgum þáttum getur verið haft áhrif á kynslóð þeirra, þar á meðal reynslu, lyf, hormón og meiðsli.

Seinni sérstaka eiginleikinn er að dendrites og spines sýna ótrúlega plastleika sem svar við reynslunni og geta myndað myndslag á klukkustundum og hugsanlega jafnvel mínútum eftir nokkra reynslu (t.d. Greenough & Chang, 1989). Á yfirborðinu virðist þetta vera á skjön við offramleiðslu á samsætum og síðan samstillt klippa sem lýst var fyrr. Lykilatriði er að þó að samstillt pruning sé mikilvægur eiginleiki í þroska heilans, þá heldur heilinn áfram að mynda synapses alla ævina og í raun eru þessar samstillingar nauðsynlegar fyrir nám og minni ferli. Greenough, Black og Wallace (1987) hafa haldið því fram að það sé grundvallarmunur á ferlunum sem stjórna myndun samloka í snemma heilaþróunar og þeirra sem voru í seinna þroska heila og fullorðinsára. Nánar tiltekið halda þeir því fram að fyrstu myndun samlíkingar séu „að búast“ við upplifunum, sem beita sér fyrir því að svara þeim. Þeir kalla þessi samlíking „reynslulitla“ og taka eftir því að þau finnast misjafnlega um heila. Aftur á móti er myndun síðari myndun miðlægari og staðbundin á svæðum sem taka þátt í að vinna úr sértækri reynslu. Þeir merkja þessar samlíkingar sem „reynsluháðar.“ Einn forvitinn þáttur háðra reynslumeðferðar á samlíkingar er að ekki aðeins leiðir sérstök reynsla til sértækrar myndun myndunar heldur einnig til sértækrar samstillingartaps. Þannig er reynsla að breyta taugakerfi með því að bæta bæði við og klippa samlíkingar. Þetta leiðir okkur að málinu um plastefni í heila.

Almennar meginreglur um mýkt í venjulegu heila

Áður en við tökum á reynslunni sem hafa áhrif á plastefni heila verðum við að fara stuttlega yfir nokkur lykilreglur um mýkt í venjulegum heila.

1. Hægt er að sýna breytingar á heila á mörgum stigum greiningar

Breyting á hegðun hlýtur vissulega að stafa af einhverri breytingu á heila en það eru margar leiðir til að kanna slíkar breytingar. Ályktanir geta verið álykta frá alþjóðlegum mælingum á heilastarfsemi, svo sem í hinum ýmsu gerðum in vivo myndgreiningar, en slíkar breytingar eru langt í burtu frá sameindaferlunum sem reka þær. Alheimsbreytingar endurspegla væntanlega samstillingarbreytingar en samstillingarbreytingar eru afleiðingar af meiri sameindabreytingum eins og breytingum á rásum, genatjáningu og svo framvegis. Vandinn við að rannsaka plastefni í heila er að velja staðgöngumerki sem hentar best spurningunni. Breytingar á kalsíumgöngum geta verið fullkomnar til að rannsaka samstillingarbreytingar við sérstakar samstillingar sem gætu tengst einföldu námi en eru óhagkvæm til að skilja kynjamun í málvinnslu. Það síðastnefnda gæti best verið rannsakað af in vivo myndgreining eða eftir fæðingu greiningu á frumubreytingum (t.d. Jacobs & Scheibel, 1993). Hægt verður að miða viðeigandi stig við rannsóknarspurninguna sem um er að ræða. Rannsóknir þar sem kannaðar eru aðferðir til að örva framför eftir endurtekningu nota oftast líffærafræði (frumusniðfræði og tengsl), lífeðlisfræðileg (örvun á barkstera) og in vivo myndgreining. Hvert þessara stiga má tengja við hegðunarárangur í bæði mönnum og ómanneskjulegum rannsóknum en fleiri sameindastig hafa reynst mun erfiðari að tengjast hegðun og sérstaklega andlegri hegðun.

2. Mismunandi mælikvarðar á taugakerfi breytast óháð hvor öðrum og stundum í gagnstæða átt

Það hefur verið tilhneiging í fræðiritunum að sjá mismunandi taugafrumubreytingar sem staðgöngumæðranir hvert fyrir annað. Eitt af því sem er algengast er að gera ráð fyrir að breytingar á þéttleika hryggs endurspegli breytingar á lengd dendritis og öfugt. Þetta reynist ekki vera tilfellið þar sem ráðstafanirnar tvær geta verið mismunandi óháð og stundum í gagnstæða átt (t.d. Comeau, McDonald og Kolb, 2010; Kolb, Cioe og Comeau, 2008). Ennfremur geta frumur í mismunandi barkalögum, en í sömu forsætisdálkum, sýnt mjög mismunandi svör við sömu reynslu (t.d. Teskey, Monfils, Silasi og Kolb, 2006).

3. Breytingar sem eru háðar reynslu hafa tilhneigingu til að vera þungamiðja

Þó að tilhneiging sé til að hugsa um plastbreytingar sem svar við reynslu sem eru útbreidd víðsvegar um heila er þetta sjaldan tilfellið. Sem dæmi má nefna að geðlyf geta valdið miklum atferlisbreytingum og haft víðtæk bráð áhrif á taugafrumur, en langvarandi plastbreytingar eru furðu þungamiðja og einskorðast að mestu við forstillta heilaberki og kjarna accumbens (t.d. Robinson & Kolb, 2004). Fyrir vikið þurfa vísindamenn að hugsa vel um hvar bestu staðirnir eru til að sjá um tiltekna reynslu. Mistök við að finna samstillingarbreytingar sem eru í samræmi við hegðunarbreytingar eru ekki vísbending um að engar breytingar séu til staðar.

4. Plastbreytingar eru háð tíma

Kannski má sjá mestu breytingarnar á skipulagi samstillingar til að bregðast við því að setja rannsóknardýr í flókið (svokallað „auðgað“) umhverfi. Þannig eru víðtækar breytingar á skynjunar- og hreyfibarki. Þessar breytingar virðast koma í veg fyrir meginregluna um að reynslumeðhöndlaðar breytingar séu þungamiðjan, en almennt breytinganna stafar líklega af alþjóðlegu eðli reynslunnar, þar með talin upplifun sem er dreifð eins og sjónrænum, áþreifanlegum, hljóðrænum, lyktarlegum, mótorískum og félagslegum upplifunum. En þessar plastbreytingar eru ekki allar varanlegar og þær geta breyst verulega með tímanum.

Til dæmis, þegar rottur eru settar í flókið umhverfi, er tímabundin aukning á dendritic lengd í forstilla heilaberkinum sem sést eftir fjögurra daga flókið húsnæði en hvarf eftir 14 daga. Aftur á móti eru engar augljósar breytingar á skynbarka eftir fjóra daga en skýrar, og virðist varanlegar, breytingar eftir 14 daga (Comeau o.fl., 2010).

Möguleikinn á að það eru mismunandi langvarandi og tímabundnar reynsluháðar breytingar á heila taugafrumum er í samræmi við erfðarannsóknir sem sýna að það eru til mismunandi gen sem eru tjáð bráð og langvarandi til að bregðast við flóknu umhverfi (t.d. Rampon o.fl., 2000). Ekki er vitað um muninn á tímabundnum og viðvarandi breytingum í taugakerfi við hegðun.

5. Breytingar háðar reynslu hafa samskipti

Menn hafa alla ævi reynslu sem hefst með fæðingu og heldur áfram þar til dauða. Þessar upplifanir hafa samskipti. Til dæmis höfum við sýnt á rannsóknarrottum að ef dýr verða fyrir geðdeyfðarörvandi áhrifum annað hvort sem seiði eða á fullorðinsárum, hafa síðari upplifanir miklu dregið úr (eða stundum fjarverandi) áhrif. Til dæmis, þegar rottum er gefið metýlfenidat sem seiði eða amfetamín eins og fullorðnir og síðan einhvern tíma seinna eru settir í flókið umhverfi eða þjálfaðir í námsverkefni, eru síðari háðar breytingar háðar. Það sem kemur á óvart er að þrátt fyrir að lyfin sýni engin augljós bein áhrif á skynjunarbarka svæða, þá hindrar fyrri útsetningu væntanlegar breytingar á þessum svæðum (t.d. Kolb, Gibb og Gorny, 2003a). Þessar milliverkanir við reynslu af lyfjum eru þó ekki einátta. Þegar barnshafandi rottum er gefið vægur streituvaldandi í 20 mínútur tvisvar á dag á tímabili hámarksheilabólgu í heila hjá afkvæmum þeirra (fósturvísadagar 12 – 18), sýna afkvæmi þeirra streitu tengdar breytingar á þéttleika hryggs í forstilla heilabörk (PFC) en engin lyfjatengd áhrif (Muhammad & Kolb, í pressu a). Ekki er ljóst hvers vegna það er algerlega engin lyfjatengd áhrif eða hvað það mun þýða fyrir fíkn en það sýnir þó að reynslan hefur áhrif á áhrif þeirra á heilann.

7. Plastbreytingar eru aldursháðar

Almennt er talið að þróunarheilinn muni verða móttækilegri fyrir upplifunum en fullorðinn eða seðlabanki. Þetta er vissulega rétt en það er önnur mikilvæg hrukka: það eru eðlisfræðilega mismunandi breytingar á heilanum til að bregðast við því sem virðist vera sama reynslan á mismunandi aldri. Sem dæmi um það, þegar rottum frá ræktun, fullorðnum eða öldungum var komið fyrir í flóknu umhverfi sýndu allir hópar miklar breytingar á samstillingu en þær voru furðu ólíkar. Nánar tiltekið, þó að við reiknuðum með aukningu á þéttleika hryggsins sem svörun við flóknu húsnæði, var þetta aðeins rétt hjá rottum fullorðinna og aldraðra. Rottur settar í umhverfið þar sem seiði sýndu a minnka í þéttleika hryggs (Kolb o.fl., 2003a). Sambærileg lækkun á þéttleika hryggs fannst í síðari rannsóknum þar sem nýfæddum rottum var gefin áþreifanleg örvun með mjúkum bursta í 15 mínútur, þrisvar á dag á fyrstu tíu dögum lífsins en ekki ef örvunin er á fullorðinsaldri (Gibb, Gonzalez, Wagenest og Kolb, 2010; Kolb & Gibb, 2010). Aldursháð eðlisbreyting á samstillingu er greinilega mikilvæg til að skilja hvernig upplifanir breyta heilanum.

8. Ekki er öll plastleiki góður

Þrátt fyrir að almennur fræðirit sé að plastbreytingar í heilanum styðji bætt hreyfigetu og vitsmunaaðgerðir geta plastbreytingar truflað hegðun líka. Gott dæmi eru breytingar sem framkallaðar eru af völdum lyfsins sem sést sem svörun við geðlyfjaörvandi lyfjum (t.d. Robinson & Kolb, 2004). Það er sanngjarnt að leggja til að eitthvað af illfærum hegðunar eiturlyfjafíkla gæti stafað af lyfjatengdum breytingum á forrænu taugafrumulögunum. Það eru mörg önnur dæmi um meinafræðilegan plastleika, þar með talið meinafræðilegan sársauka (Baranauskas, 2001), sjúkleg viðbrögð við veikindum (Raison, Capuron og Miller, 2006) flogaveiki (Teskey, 2001), geðklofa (Black o.fl., 2004) og vitglöp (Mattson, Duan, Chan og Guo, 2001).

Þrátt fyrir að ekki séu margar rannsóknir á meinafræðilegri plastleika í heila sem þróast, er augljóst dæmi um áfengisróf fósturs. Annað dæmi eru áhrif alvarlegrar fæðingarálags, sem hefur verið sýnt fram á að dregur verulega úr margbreytileika taugafrumna í forstilla barkanum (t.d. Murmu o.fl., 2006) og aftur á móti geta haft áhrif á eðlilega vitsmuna- og hreyfivirkni bæði í þroska og á fullorðinsárum (t.d. Halliwell, 2011). Þótt fyrirkomulagið sem liggur að baki þessum breytingum sé illa skilið er vitað að streita snemma eftir fæðingu getur breytt tjáningu gena í heila (Weaver o.fl., 2004; Weaver, Meaney og Szf, 2006).

Þættir sem hafa áhrif á þróun heila

Þegar vísindamenn fóru að rannsaka reynsluháðar breytingar á þróunarheilanum í 1950 og 1960 voru náttúrulega forsendur þess að breytingar á þroska heila væru aðeins augljósar til að bregðast við frekar miklum breytingum á reynslu, svo sem að vera alin upp í myrkrinu. Undanfarin 20 ár hefur komið í ljós að jafnvel nokkuð sakleysislegt reynsla getur haft mikil áhrif á þroska heila og að svið reynslunnar sem getur breytt þroska heila er miklu stærra en áður hafði verið talið (sjá Tafla 2). Við munum varpa ljósi á nokkur af vel rannsökuðu áhrifunum.

Tafla 2. 

Þættir sem hafa áhrif á þroska og virkni heila

1. Skynsemi og hreyfifærni

Einfaldasta leiðin til að vinna að reynslu þvert á aldur er að bera saman heilabyggingu hjá dýrum sem búa í venjulegu rannsóknarstofuhúsi við dýr sem eru annað hvort í fátæku umhverfi eða svokölluðu auðgaðu umhverfi. Að ala dýr upp í sviptu umhverfi eins og í myrkri, þögn eða félagslegri einangrun dregur greinilega úr þroska heila. Til dæmis sýna hunda hvolpar alnir upp einir fjölbreyttir hegðunarfrávik, þar á meðal sýndarónæmi fyrir sársaukafullri reynslu (Hebb, 1949). Að sama skapi truflar dýra eins fjölbreytt eins og öpum, köttum og nagdýrum í myrkri verulega þróun sjónkerfisins. Kannski eru þekktustu sviptingarannsóknir þær Weisel og Hubel (1963) sem saut eitt augnlok kettlinga lokað og sýndi seinna að þegar augað var opnað var viðvarandi tap á staðbundinni sjón (amblyopia) (t.d. Giffin & Mitchell, 1978). Það hefur þó aðeins verið nýlega sem rannsóknarmenn töldu hið gagnstæða fyrirbæri, nefnilega að gefa dýrum auðgað sjónræn reynsla til að ákvarða hvort hægt væri að auka sjón. Í einni glæsilegri rannsókn, Prusky o.fl. (Prusky, Silver, Tschetter, Alam og Douglas, 2008) notaði nýtt form sjónræns örvunar þar sem rottur voru settar í sýndaroptókínetískt kerfi þar sem lóðréttar línur með mismunandi landhlutatíð færðust framhjá dýrinu. Ef augun eru opin og beinast að hreyfanlegu grindinni er ómögulegt fyrir dýr, þar með talið menn, að forðast að rekja hreyfanlegar línur, ef landhlutfall er innan skynsamlegs sviðs. Höfundarnir settu dýr í búnaðinn í um það bil tvær vikur eftir opnun dag augans (dagur 15 eftir fæðingu). Þegar dýrin voru prófuð á sjónskerpu á fullorðinsárum sýndu dýrin um 25% aukningu á sjónskerpu miðað við dýr án snemmmeðferðar. Fegurð Prusky rannsóknarinnar er sú að bætt sjónræn virkni byggðist ekki á sérstakri þjálfun, svo sem í því að læra vandamál, en kom náttúrulega til að bregðast við auknum sjónrænni inntak.

Við höfum reynt að auka áþreifanlega reynslu með því að nota aðferð sem fyrst var hugsuð af Schanberg og akur (1987). Í þessum rannsóknum fengu ungbarnarottur áþreifanlega örvun með litlum pensli í 15 mínútur þrisvar á dag í 10 – 15 daga frá fæðingu. Þegar ungabörnin voru rannsökuð á fullorðinsárum sýndu þau bæði aukna hreyfifærni og staðbundið nám sem og breytingar á samstillingu í heilaberkinum (t.d. Kolb & Gibb, 2010). Þrátt fyrir að nákvæmur verkunarháttur áþreifu örvunarinnar sé ekki þekktur, höfum við sýnt fram á að áþreifanleg örvun leiðir til aukningar á framleiðslu taugaboðefnis, vaxtarþáttar fibroblast-2 (FGF-2) í bæði húð og heila (Gibb, 2004). Vitað er að FGF-2 gegnir hlutverki í eðlilegri þroska heila og getur örvað bata frá heilaskaða á fæðingu (t.d. Comeau, Hastings og Kolb, 2007). Tjáning FGF-2 er einnig aukin sem svar við margvíslegum meðferðum þar á meðal auðgað húsnæði og geðlyf, sem bæði örva plastbreytingar í heila (sjá hér að neðan).

Önnur leið til að efla skyn- og hreyfivirkni er að setja dýr í flókið umhverfi þar sem dýrum er tækifæri til að hafa samskipti við breytt skyn- og félagslegt umhverfi og stunda mun meiri hreyfi en venjulega búr. Slíkar rannsóknir hafa bent á mikið úrval af taugabreytingum sem tengjast þessu formi „auðgunar“. Þetta felur meðal annars í sér aukningu á heila stærð, barkstærð, taugafrumum, tindargreni, þéttni hryggs, myndun í taugafrumum, glial fjöldi og margbreytileiki, og æðum arborization (td Greenough & Chang, 1989; Siervaag & Greenough, 1987). Ekki ætti að vanmeta umfang þessara breytinga. Til dæmis, í eigin rannsóknum okkar á áhrifum af því að hýsa ungar rottur í 60 daga í auðguðu umhverfi, fylgjumst við með áreiðanlegum breytingum á heildarþyngd í röð 7 – 10% (t.d. Kolb, 1995). Þessi aukning á heilaþyngd endurspeglar aukningu á glia og æðum, stærð taugafrumna, tindarþáttum og synapses. Erfitt væri að meta heildarfjölda aukinna samloka en líklega er það á stærðargráðu 20% í heilaberki, sem er óvenjuleg breyting. Mikilvægt er þó að slíkar rannsóknir sýni háð breytingum á hvaða aldri sem er, það eru tveir óvæntir hrukkar. Í fyrsta lagi sýna fullorðnar rottur á hvaða aldri sem er mikla aukningu á lengd og þéttleika hryggs í flestum heilabörk en seiði rottur sýna svipaða Auka í dendritic lengd en a minnka í þéttleika hryggs. Það er að segja að ungu dýrin sýna eðlisfræðilega mismunandi breytingu á dreifingu samloka á pýramída taugafrumum miðað við eldri dýr (Kolb o.fl., 2003a). Í öðru lagi, þegar barnshafandi stíflur voru settar í flókið umhverfi í átta klukkustundir á dag fyrir meðgöngu og síðan í þriggja vikna meðgöngu, sýndi greining á fullorðnum heila ungbarna þeirra minnka í dendritic lengd og Auka í þéttleika hryggs. Þannig eru ekki aðeins áhrif af prenatal reynslu en áhrifin voru eðlislæg frábrugðin reynslunni annað hvort á ungum tíma eða á fullorðinsárum. Forvitnilegt að allar breytingar til að bregðast við flóknu húsnæðinu leiða til aukinna vitsmuna og hreyfiflutninga.

Það eru þrjú skýr skilaboð frá þessum rannsóknum. Í fyrsta lagi getur margs konar skyn- og hreyfifræðileg reynsla valdið langvarandi plastbreytingum í heilanum. Í öðru lagi getur sama reynsla breytt heilanum á annan hátt á mismunandi aldri. Í þriðja lagi eru engin einföld tengsl milli smáatriða um synaptic plasticity og hegðun meðan á þróun stendur. Það sem er þó víst er að þessar fyrstu upplifanir hafa mikil áhrif á skipulag heila bæði á þroska og á fullorðinsárum.

2. Geðlyf

Það hefur lengi verið vitað að útsetning fyrir áfengi snemma er skaðleg fyrir þroska heila, en það hefur aðeins nýlega verið sýnt fram á að önnur geðlyf, þ.mt lyfseðilsskyld lyf, geta breytt þróun heilans verulega. Robinson og Kolb (2004) komist að því að útsetning fyrir geðlyfjum örvandi á fullorðinsárum framkallaði miklar breytingar á uppbyggingu frumna í PFC og nucleus accumbens (NAcc). Nánar tiltekið, þó að þessi lyf (amfetamín, kókaín, nikótín) framleiddu aukningu á lengju og þéttleika hryggs í miðhluta forstilltu heilaberki (mPFC) og NAcc, minnkaði annað hvort þessar ráðstafanir í framan heilaberki (OFC) eða í sumum tilvikum , engin breyting. Þeir sýndu síðan að nánast allir flokkar geðlyfja framleiða einnig breytingar á PFC og að áhrifin eru stöðugt misjöfn á tveimur forrétthyrðum svæðum. Í ljósi þess að heilinn sem þróast er oft útsettur fyrir geðlyfjum, annað hvort í legi eða við þroska eftir fæðingu, spurðum við hvaða áhrif þessi lyf hefðu á þróun barkstera.

Fyrstu rannsóknir okkar skoðuðu áhrif amfetamíns eða metýlfenidats sem gefin voru á ungum tíma (t.d. Diaz, Heijtz, Kolb og Forssberg, 2003). Bæði lyfin breyttu skipulagi PFC. Breytingar á dendritíum tengdust óeðlilegri leikhegðun hjá rottunum sem voru meðhöndlaðir með lyfjum þar sem þær sýndu minni upphaf leiks í samanburði við saltmeðhöndlaða leikfélaga sem og skertu frammistöðu í vinnuminni. Geðhreyfingarörvandi lyf virðast þannig breyta þróun PFC og þetta birtist í hegðunarfrávikum á framfósturstengdri hegðun seinna á lífsleiðinni.

Börn geta einnig orðið fyrir lyfseðilsskyldum lyfjum í móðurkviði eða eftir fæðingu. Þrír algengir flokkar lyfja eru geðrofslyf, þunglyndislyf og kvíðastillandi lyf. Allir þrír hafa dramatísk áhrif á þróun barkstera. Frost, Cerceo, Carroll og Kolb (2009) greindur dendritic arkitektúr hjá fullorðnum músum sem meðhöndlaðir voru með dæmigerðri dæmigerðri (haloperidol) eða afbrigðilegum (olanzapin) geðrofslyfjum á þroskastigum sem samsvara fóstri (eftir fæðingu daga 3 – 10) eða fósturs og barnæsku (eftir fæðingu daga 3 – 20) stig hjá mönnum. Bæði lyfin framkölluðu minnkun á tindarlengd, flækjum í flóruþekju og þéttleika hryggs í bæði miðlægum forrétthyrndum og heilaberki. Í síðari rannsókn á rottum sýndu höfundar skerðingu á PFC tengdum taugasálfræðilegum verkefnum svo sem vinnsluminni.

Í samhliða hópi rannsókna höfum við skoðað áhrif útsetningar fyrir fæðingu fyrir diazepam eða flúoxetíni hjá rottum (Kolb, Gibb, Pearce og Tanguay, 2008). Bæði lyfin höfðu áhrif á þroska heila og atferlis en á gagnstæða vegu. Diazepam fyrir fæðingu jók lengd á þéttbýli og þéttni hryggs í pýramýda frumum í heilaberkinum og þetta tengdist aukinni hæfileikafærni. Aftur á móti minnkaði flúoxetín mælingar á tvísýrum og þetta var í tengslum við skertan landfræðilegan skort á fullorðinsárum.

Ein spurning til viðbótar er hvort útsetning fyrir geðlyfjum snemma geti haft áhrif á plastefni heila síðar á ævinni. Við höfðum áður sýnt að ef fullorðnum rottum er gefið amfetamín, kókaín eða nikótín og síðan sett síðar í flókið umhverfi var taugafrumum hindrað (Hamilton & Kolb, 2005; Kolb, Gorny, Samaha og Robinson, 2003b). Í síðari rannsókn gáfum við ungum rottum metýlfenidat og síðan á fullorðinsárum settum við dýrin í flókið umhverfi og enn og aftur komumst við að því að snemma á váhrifum lyfsins hindraði væntanlegar reynslisháðar breytingar á heilaberki (Comeau & Kolb, 2011). Ennfremur sýndum við í samhliða rannsókn að útsetning fyrir ungum metýlfenidati skerti árangur í taugasálfræðilegum verkefnum sem voru viðkvæm fyrir framvirkri starfsemi.

Í stuttu máli, útsetning fyrir bæði lyfseðilsskyldum lyfjum og misnotkun lyfja hefur mikil áhrif á framþróun og framþróatengda hegðun. Þessi áhrif virðast vera langvarandi eða varanleg og geta haft áhrif á plastefni heila á fullorðinsárum. Óvænt alvarleg áhrif lyfseðilsskyldra lyfja á heila og atferlisþróun eru án efa mikilvæg í þroska heila ungbarna. Það er greinilega ekki einfalt að kalla á hvort þungaðar mæður með alvarlegt þunglyndi, geðrof eða kvíðasjúkdóma eigi að ávísa lyfjum í ljósi þess að þessar hegðunaraðstæður geta líklega haft áhrif á þroska heila hjá ungabörnum og sérstaklega að því marki að það eru sjúklegar móður- ungbarnasamskipti. Rannsóknirnar benda þó til þess að slík lyf ættu að nota í eins litlum og virkum skammti og hægt er að nota og ekki bara til að „róa“ áhrif þeirra á mæður með vægan kvíða.

3. Gonadal hormón

Augljósustu áhrif váhrifa á kynhormón við þroska eru aðgreining á kynfærum sem hefjast með fæðingu. Í þessu tilfelli leiðir framleiðslu testósteróns hjá körlum til þróunar á kynfærum karla. Síðar á ævinni hafa bæði estrógen og testósterón áhrif á viðtaka á mörgum svæðum líkamans, þar með talið heila. Hafrannsóknastofnunin rannsóknir á þroska manna í heila hafa sýnt mikinn mun á hraða þroska heila hjá kynjunum tveimur (O'Hare & Sowell, 2008). Sérstaklega nær heildarrúmmál heila einkennandi hjá konum í kringum aldur 11 og 15 hjá körlum og konum. En það er meira kynferðislegt dimorphism í heila en tíðni þroska. Til dæmis, Kolb og Stewart (1991) sýndi hjá rottum að taugafrumur í mPFC höfðu stærri tindasviða hjá körlum og að taugafrumur í OFC voru með stærri frumur í konum. Þessi munur hvarf þegar dýr fóru í gónadektóm í fæðingu. Á sama hátt Goldstein o.fl. (2001) gerði ítarleg úttekt á magni 45 mismunandi heila svæða frá Hafrannsóknastofnun skannar heilbrigðum fullorðnum einstaklingum. Mismunur var á kyni í magni miðað við heildar rúmmál í heila og það átti sérstaklega við í PFC: konur voru með tiltölulega stærra rúmmál dorsolateral PFC en karlar voru með tiltölulega stærra magn OFC. Þessi kynferðislegi dimorphism er í tengslum við tiltölulega mikið svæðisbundið magn af stera viðtaka á kynlífi á rannsóknarstofu dýrum. Það virðist því bæði hjá mönnum og á rannsóknarstofu dýrum að kynkirtlahormón breytir þroskun barka. Þetta er sérstaklega mikilvægt þegar við lítum svo á að áhrif annarra upplifana, svo sem útsetningar fyrir flóknu húsnæði eða geðlyfjaörvandi örvun, séu einnig kynferðislega dimorphic. Það virðist líklegt að mörg önnur þroskaupplifun geti breytt kven- og karlheilum á mismunandi hátt, þó að fáar rannsóknir hafi raunverulega gert þennan samanburð.

4. Sambönd foreldra og barns

Ungbörn sem eru fædd í óþroskuðum ástandi standa frammi fyrir verulegri áskorun snemma á lífsleiðinni. Þau eru háð foreldrum sínum og þau verða að læra að þekkja, muna og vilja umönnunaraðila sína. Þó að við vitum núna að ung dýr (og jafnvel fæðingardýr) geta lært meira en áður hefur verið viðurkennt (sjá endurskoðun hjá Hofer & Sullivan, 2008), það er lítill vafi á því að sambönd foreldra og barns eru mikilvæg og að þau gegna lykilhlutverki í þroska heila. Mismunur á mynstri milliverkana snemma á móður og ungbarni getur haft í för með sér langvarandi þroskaáhrif sem eru viðvarandi fram á fullorðinsár (Myers, Brunelli, Squire, Shindledecker og Hofer, 1989). Til dæmis hafa nagdýrarannsóknir sýnt að tíminn sem var í snertingu, magn sleikju og snyrtingar móður og tíminn sem mæður eyða í mjög örvandi háum bogadreginni hvíldarstöðu samsvara margvíslegum líkamsrækt og atferlismun. Undanfarinn áratug Meaney og félagar (td Cameron o.fl., 2005) hafa getað sýnt þessar milliverkanir milli nagdýra og móður hjá börnum breytt kerfisbundið þróun álagssvörunar nýrnahettum og nýrnahettum og margvíslegri tilfinningalegri og vitsmunalegri hegðun á fullorðinsárum. Þessar breytingar eru í tengslum við breytingar á hippocampal frumuhimnu barkstera viðtaka, sem aftur er stjórnað af breytingum á tjáningu gena (Weaver o.fl., 2006).

Áhrif breytileika í umönnun móður eru þó ekki takmörkuð við hippocampus og geta verið nokkuð útbreidd. Til dæmis, Fenoglio, Chen og Barum (2006) hafa sýnt fram á að aukin umönnun mæðra fyrstu vikuna í lífinu olli varanlegum breytingum á frumuskiltunarferlum í undirstúku og amgydala (sjá einnig umfjöllun um Fenoglio, Bruson og Barum, 2006).

Okkur er ekki kunnugt um svipaðar rannsóknir þar sem litið er á nýfrumukrabbamein, og sérstaklega forstilltar, mýkt sem svar við mismun á milliverkunum móður og ungbarna, en slíkar breytingar virðast líklegar. Við höfum sýnt til dæmis að daglegur aðskilnaður móður er, sem er aðferðin sem notuð var til að auka samskipti móður og ungbarna í Fenoglio o.fl. (2006) rannsókn eykur lengingu á þéttbýli og þéttleika hryggs í bæði mPFC og OFC hjá fullorðnum rottum (Muhammad & Kolb, 2011).

5. Jafningjasambönd

Jafningjasambönd hafa verið þekkt fyrir að hafa haft áhrif á hegðun fullorðinna síðan rannsóknir á Harlow (t.d. Harlow & Harlow, 1965). Eitt öflugasta jafningjasambandið er leik, sem hefur verið sýnt fram á að skiptir máli fyrir þróun félagslegrar hæfni fullorðinna (t.d. Pellis & Pellis, 2010). Framhliðin gegnir mikilvægu hlutverki í leikhegðun. Ungbarnaspjöll á mPFC og OFC skerða leikhegðun, þó á mismunandi vegu (t.d. Pellis o.fl., 2006). Í ljósi slíkra niðurstaðna, gerðum við okkur þá tilgátu að þróun og starf þeirra í kjölfar forréttsvæða svæðanna yrði breytt á mismunandi hátt ef leikhegðun væri meðhöndluð í þróuninni. Ungum rottum var þannig gefinn kostur á að leika með fullorðnum rottum 1 eða 3 eða með öðrum ungum dýrum 1 eða 3. Það var nánast enginn leikur með fullorðnu dýrunum en leikhegðun var aukin því ungum dýrum sem voru til staðar. Greining á frumum í PFC sýndi að taugafrumur OFC svöruðu fjölda jafnaldra sem voru til staðar og ekki hvort leik átti sér stað eða ekki, en taugafrumur mPFC svöruðu til leiks en ekki fjölda samsærna (Bell, Pellis og Kolb, 2010). Við höfum í kjölfarið sýnt í röð rannsókna að margvísleg reynsla snemma breytir leikhegðun hjá rottum, þar á meðal streitu fyrir fæðingu, áþreifingu eftir fæðingu og útsetningu ungs fyrir metýlfenidati (t.d. Muhammad, Hossain, Pellis og Kolb, 2011) og í hverju tilviki eru frávik í framþróun. Það getur verið mikilvæg lexía hér þegar við lítum á aðstæður þar sem barnaleikur manna er ekki eðlilegur, svo sem í einhverfu eða athyglisbrest með ofvirkni (ADHD). Frávikin í leikhegðun geta haft áhrif á framþróun og síðar hegðun fullorðinna.

6. Snemma streita

Það eru safnað gífurlegum bókmenntum á liðnum 60 árum sem sýna áhrif streitu á heila og hegðun hjá fullorðnum en það er aðeins nýlega sem hlutverk streitu barnsburða hjá ungbörnum hefur verið vel þegið. Nú er vitað að meðgönguspennur og ungbarnaálag spáir einstaklingum fyrir margvíslega vanhæfða hegðun og geðsjúkdómafræði. Til dæmis er streita fyrir fæðingu áhættuþáttur fyrir þróun geðklofa, ADHD, þunglyndi og eiturlyfjafíkn (Anda o.fl., 2006; van den Bergh & Marcoen, 2004). Tilraunirannsóknir með rannsóknarstofudýrum hafa staðfest þessar niðurstöður með heildarniðurstöðurnar þær að streita á fæðingu, í nagdýrum sem og frumprímum, sem ekki eru menn, framkölluðu hegðunarafbrigði eins og hækkað og langvarandi streituviðbrögð, skert nám og minni, skortur á athygli, breytt rannsóknarskerðing hegðun, breytt félagshegðun og leikhegðun og aukinn val áfengis (td endurskoðun hjá Weinstock, 2008).

Plastbreytingarnar á samstilltu skipulagi heila dýralyfja sem eru stressaðar eru þó ekki eins vel rannsakaðar og áhrifin virðast vera tengd smáatriðum streituvaldandi reynslu. Til dæmis, Murmu o.fl. (2006) greint frá því að miðlungs streita fyrir fæðingu á þriðju viku meðgöngu leiddi til minnkaðrar þéttleika hryggs og lengdar tindar í bæði mPFC og OFC hjá fullorðnum degus. Aftur á móti, Muhammad & Kolb (2011) komist að því að vægt stress fyrir fæðingu á annarri meðgönguviku minnkaði þéttleika hryggs í mPFC en hafði engin áhrif á OFC og jók þéttleika hryggs í NAcc hjá fullorðnum rottum. Greining á dendritic lengd sýndi nokkuð mismunandi mynstur þar sem aukning var á dendritic lengd í mPFC og NAcc en lækkun á OFC. Forvitinn, Mychasiuk, Gibb og Kolb (2011) kom í ljós að vægt álag á annarri meðgönguviku jók þéttleika hryggs í bæði mPFC og OFC þegar gáfur voru skoðaðar hjá ungum, frekar en fullorðnum rottum. Samanlagðar þessar rannsóknir sýna að munur á tímasetningu streitu fyrir fæðingu og aldur þar sem heilinn er skoðaður hefur í för með sér mismunandi plastbreytingar í taugakerfi. Eitt sem er þó ljóst er að áhrif streitu fyrir fæðingu virðast vera önnur en streita fullorðinna. Til dæmis, Liston o.fl. (2006) fyrst sýndi að streita fullorðinna leiddi til lækkunar á tindargreni og þéttleika hryggs í mPFC en aukningu á OFC.

Okkur er kunnugt um aðeins eina rannsókn þar sem litið er til áhrifa streitu snemma eftir fæðingu (aðskilnað móður) á samstillingu hjá heila fullorðinna. Þannig, Muhammad & Kolb (2011) kom í ljós að aðskilnaður móður jók þéttleika hryggs í mPFC, OFC og NAcc hjá fullorðnum rottum. Það sem enn er ákvarðað í kjölfar streitu fyrir fæðingu eða ungbarna er hvernig þessi munur á breytingum á samstillingu tengist síðari hegðun eða hvernig plast taugafrumurnar verða til að bregðast við annarri reynslu eins og flóknu húsnæði, leik eða tengsl ungbarna og foreldra. Slíkar rannsóknir eru vissulega hluti af framtíðarrannsóknum.

7. Þarmaflóra

Strax eftir fæðingu eru spendýr hratt byggð af ýmsum frumum örvera. Þessar örverur hafa áhrif á þróun margra líkamsstarfsemi. Til dæmis hefur örveru í meltingarvegi almenn áhrif á lifrarstarfsemi (t.d. Björkholm o.fl., 2009). Vegna þess að það er þekkt samband milli taugaþróunartruflana eins og einhverfu og geðklofa og sýkla sýkla í örverum á fæðingartímanum (t.d. Finegold o.fl., 2002; Mittal, Ellman og Cannon, 2008), Diaz Heijtz o.fl. (í blöðum) velti fyrir sér hvort slíkar sýkingar gætu breytt þroska heila og atferlis. Þau gera. Höfundarnir báru saman mælingar á bæði hreyfískri hegðun og heila hjá músum sem þróuðust með eða án venjulegrar mircrobiota í þörmum. Höfundarnir komust að því að þarmabakteríur hafa áhrif á merkjaslóð, velti taugaboðefna og framleiðslu synaptískra próteina í heilaberki og striatum í músum sem þróast og þessar breytingar tengdust breytingum á hreyfilvirkni. Þetta er spennandi uppgötvun vegna þess að það veitir innsýn í það hvernig sýkingar við þroska geta breytt þroska heila og í kjölfarið hegðun fullorðinna.

8. Mataræði

Það eru víðtækar bókmenntir um áhrif próteina og / eða kalorískt takmarkað mataræði á þroska heila og atferlis (t.d. Lewis, 1990) en miklu minna er vitað um áhrif bættrar fæðu á þroska heila. Almennt er talið að líkaminn lækni betur þegar honum er gefin góð næring svo það er sanngjarnt að spá fyrir um að hægt sé að auðvelda þroska heila með vítamín- og / eða steinefnauppbót. Fæðubótarefni kólíns á fæðingartímabilinu framleiðir margvíslegar breytingar bæði á hegðun og heila (Meck & Williams, 2003). Sem dæmi, fæðubótarefni kólíns á fæðingu leiðir til aukins staðbundins minni í ýmsum staðbundnum siglingarprófum (t.d. Meck & Williams, 2003; Tees, & Mohammadi, 1999) og eykur stig vaxtarþáttar tauga (NGF) í hippocampus og nýfrumukrabbameini (t.d. Sandstrom, Loy og Williams, 2002). Halliwell, Tees og Kolb (2011) gerðu svipaðar rannsóknir og komist að því að kólínuppbót jók lengd lengdar á heilabark og í hippocampal CA1 pýramída taugafrumum.

Halliwell (2011) hefur einnig rannsakað áhrif vítamín / steinefnauppbótar í fæðu mjólkandi rottna. Hún valdi að nota fæðubótarefni sem greint hefur verið frá til að bæta skap og árásargirni hjá fullorðnum og unglingum með ýmsa kvilla (Leung, Wiens & Kaplan, 2011) og minnkaði reiði, virkni og félagslegt fráhvarf hjá einhverfu með aukinni ósjálfrátt (Mehl-Madrona, Leung, Kennedy, Paul og Kaplan, 2010). Greining á fullorðnum afkvæmum mjólkandi rottna sem fengu sömu fæðubótarefni, jók aukningu á dendritic lengd í taugafrumum í mPFC og parietal cortex en ekki í OFC. Að auki var mataræðið árangursríkt til að snúa við áhrifum vægs fæðingarálags á minnkun tindarlengdar í OFC.

Margt er eftir að læra um áhrif bæði takmörkun mataræðis og fæðubótarefna á þróun taugakerfis og hegðun. Báðar aðgerðirnar breyta þroska heila en eins og í mörgum öðrum þáttum sem fjallað er um hér höfum við ekki skýra mynd af því hvernig fyrri reynslan mun hafa áhrif á síðari reynslu, svo sem geðlyf, til að breyta heila og hegðun.

Ályktanir

Skilningur okkar á eðli eðlilegrar heilaþróunar hefur náð langt á undanförnum 30 árum en við erum rétt að byrja að skilja nokkra þátta sem móta þessa þróun. Að skilja þessa mótun verður nauðsynleg fyrir okkur að byrja að afhjúpa þrautir taugaþroskaraskana og hefja snemma meðferðir til að hindra eða snúa meinafræðilegum breytingum. Augljós fylgikvilli er að reynslan er ekki einstök atburður heldur þegar við förum í gegnum lífið, þá hefur reynsla samskipti til að breyta bæði hegðun og heila, ferli sem oft er vísað til sem myndlíkingar.

Þegar við ræddum um hinar ýmsu reynsluháðu breytingar á þróunarheilanum höfum við notað „þróunarheilann“ eins og hann væri í einu skipti. Þetta er augljóslega ekki svo og það er lítill vafi á því að við munum að lokum komast að því að það eru mikilvægir tímagluggar þar sem þróunarheilinn svarar meira (eða minna) en á öðrum tímum. Að auki er líklegt að mismunandi heilasvæði sýni mismunandi gagnrýna glugga. Við höfum til dæmis komist að því að ef hreyfibarkinn er slasaður snemma á unglingsaldri er slæm útkoma miðað við sömu meiðsli seint á unglingsaldri (Nemati & Kolb, 2010). Forvitinn er hins vegar að hið gagnstæða á við um meiðsli á forstilltu heilaberkinum. Að raða saman mikilvægum gluggum sem eru háðir svæðinu og það verður erfitt fyrir næsta áratug.

Við höfum einbeitt okkur að aðgerðum á synaptic plasticity en við gerum okkur grein fyrir því að hægt er að rannsaka plastbreytingar í skipulagi heila á mörgum öðrum stigum. Að lokum er grundvallaratriðið breytinga á synaptic að finna í tjáningu gena. Erfiðleikinn er sá að líklegt er að upplifanir sem breyta hegðun verulega muni tengjast breytingum í tugum eða hundruðum gena. Áskorunin er að bera kennsl á þær breytingar sem tengjast mestum atferlisbreytingum.

Viðurkenningar / hagsmunaárekstrar

Við viljum þakka bæði NSERC og CIHR fyrir stuðning þeirra til langs tíma vegna þeirra rannsókna sem tengjast starfi okkar sem fjallað er um í þessari endurskoðun. Við þökkum einnig Cathy Carroll, Wendy Comeau, Dawn Danka, Grazyna Gorny, Celeste Halliwell, Richelle Mychasiuk, Arif Muhammad og Kehe Xie fyrir mörg framlög sín til námsins.

Meðmæli

  • Anda RF, Felitti VJ, Bremner JD, Walker JD, Whitfield C, Perry BD, Giles WH. Varanleg áhrif misnotkunar og tengdrar slæmrar reynslu í barnæsku. Samræmi sönnunargagna frá taugalíffræði og faraldsfræði. European Archives of Psychiatry and Clinical Neuroscience. 2006; 256: 174 – 186. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Baranauskas G. Verkun af völdum verkja í mænunni. Í: Shaw CA, McEachern J, ritstjórar. Í átt að kenningu um taugaplastík. Philadelphia, PA: Psychology Press; 2001. bls. 373 – 386.
  • Bell HC, Pellis SM, Kolb B. Juvenile peer play reynsla og þróun á svigrúm og miðju forrétthyrndar heilaberki. Hegðunarrannsóknir á heila. 2010; 207: 7 – 13. [PubMed]
  • Svartur JE, Kodish IM, Grossman AW, Klintsova AY, Orlovskaya D, Vostrikov V, Greenough WT. Meinafræði lag V-pýramídafrumum í taugafrumum sjúklinga með geðklofa. American Journal of Psychiatry. 2004; 161: 742 – 744. [PubMed]
  • Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR. Nýtt landamæri fyrir taugavísindi í þroskahegðun. Í: Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR, ritstjórar. Handbók Oxford um þroskahegðun taugavísinda. New York, NY: Oxford University Press; 2010. bls. 1 – 6.
  • Björkholm B, Bok CM, Lundin A, Rafter J, Hibberd ML, Pettersson S. Örveruveiki í meltingarvegi stjórnar xenobiotic umbrotum í lifur. PLOS EINN. 2009; 4: e6958. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Cameron NM, Champagne FA, Carine P, Fish EW, Ozaki-Kuroda K, Meaney M. Forritun einstaklingsbundins munar á varnarviðbrögðum og æxlunaráætlunum hjá rottum með tilbrigðum í umönnun móður. Taugavísindi og lífshegðun. 2005; 29: 843 – 865. [PubMed]
  • Comeau W, Hastings E, Kolb B. Mismunur á áhrifum FGF-2 fyrir og eftir fæðingu í kjölfar meðhöndlunar á forstilltu barkstera. Hegðunarrannsóknir á heila. 2007; 180: 18 – 27. [PubMed]
  • Comeau WL, McDonald R, Kolb B. Breytingar á lærdómi í forrétthyrndum barkstigsrásum. Hegðunarrannsóknir á heila. 2010; 214: 91 – 101. [PubMed]
  • Comeau W, Kolb B. Útsetning fyrir ungum metýlfenidatblokkum upplifir síðar háðan plastleika á fullorðinsárum. 2011. Handrit að uppgjöf.
  • Diaz Heijtz R, Kolb B, Forssberg H. Getur meðferðarskammtur af amfetamíni á unglingsaldri breytt mynstri samstillingar í heila? European Journal of Neuroscience. 2003; 18: 3394 – 3399. [PubMed]
  • Diaz Heijtz R, Wang S, Anuar F, Qian Y, Björkholm B, Samuelsson A, Pettersson S. Normal meltingarvegur mótar mótun heilans og hegðun. Málsmeðferð National Academy of Science (USA) (í blöðum). [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Eriksson PS, Perfi lieva E, Björk-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH. Taugakrabbamein í hippocampus hjá fullorðnum. Náttúrulækningar. 1998; 4: 1313 – 1317. [PubMed]
  • Fenoglio KA, Brunson KL, Baram TZ. Taugaplasticity hippocampal völdum streitu snemma á ævinni: Hagnýtur og sameindaþáttur. Landamæri í taugalækningum. 2006; 27: 180 – 192. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Fenoglio KA, Chen Y, Baram TZ. Taugakerfi á undirstúku-heiladinguls-nýrnahettu snemma á lífsleiðinni krefst endurtekinna ráðninga á streymisstýrandi heilasvæðum. Journal of Neuroscience. 2006; 26: 2434 – 2442. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Finegold SM, Molitoris D, Song Y, Liu C, Vaisanen ML, Bolte E, Kaul A. Miklarflóru í meltingarvegi við einhverfu seinna. Klínískar smitsjúkdómar. 2002; 35 (Suppl 1): S6 – S16. [PubMed]
  • Frost DO, Cerceo S, Carroll C, Kolb B. Snemma útsetning fyrir Haloperidol eða Olanzapine veldur langvarandi breytingum á tindarformi. Synapse. 2009; 64: 191 – 199. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Gibb R. Perinatal reynsla og bati vegna heilaskaða. 2004. Óbirt doktorsritgerð, University of Lethbridge, Kanada.
  • Gibb R, Gonzalez CLR, Wegenast W, Kolb B. Áþreifanleg örvun auðveldar bata í kjölfar skaða á cortical hjá fullorðnum rottum. Hegðunarrannsóknir á heila. 2010; 214: 102 – 107. [PubMed]
  • Giffin F, Mitchell DE. Hraði bata á sjón eftir snemma einokun sviptingu hjá kettlingum. Journal of Physiology. 1978; 274: 511 – 537. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Goldstein JM, Seidman LJ, Horton NJ, Makris N, Kennedy DN, Cainess VS, Tsuang MT. Venjuleg kynferðisleg dimorphism fullorðinna manna heila metin með in vivo segulómun. Heilabörkur. 2001; 11: 490 – 497. [PubMed]
  • Gould E, Tanapat P, Hastings NB, Shors TJ. Taugakerfi á fullorðinsárum: Mögulegt hlutverk í námi. Þróun í hugrænum vísindum. 1999; 3: 186 – 192. [PubMed]
  • Greenough WT, Black JE, Wallace CS. Reynsla og þroski heila. Þroskasálfræði. 1987; 22: 727 – 252. [PubMed]
  • Greenough WT, Chang FF. Plastleiki synapse uppbyggingar og mynstur í heilabarkinu. Í: Peters A, Jones EG, ritstjórar. Heilabark, rúmmál 7. New York, NY: Plenum Press; 1989. bls. 391 – 440.
  • Gregg CT, Shingo T, Weiss S. Taugastofnfrumur í framheilbrigði spendýra. Málþing Félags reynslulíffræði. 2001; 53: 1 – 19. [PubMed]
  • Halliwell CI. Meðferðaríhlutun í kjölfar streitu fyrir fæðingu og nýrnasjúkdóm í leggöngum. 2011. Óbirt doktorsritgerð, University of Lethbridge, Kanada.
  • Halliwell C, Tees R, Kolb B. Meðferð fyrir fæðingu kólíns eykur bata eftir meiðsli í framan hjá rottum. 2011. Handrit að uppgjöf.
  • Hamilton D, Kolb B. Nikótín, reynsla og plastleiki í heila. Hegðunar taugavísindi. 2005; 119: 355 – 365. [PubMed]
  • Harlow HF, Harlow MK. Kærum kerfin. Í: Schier A, Harlow HF, Stollnitz F, ritstjórar. Hegðun ómennskra prímata. Bindi 2. New York, NY: Academic Press; 1965.
  • Hebb DO. Skipulag hegðunar. New York, NY: McGraw-Hill; 1949.
  • Hofer MA, Sullivan RM. Í átt að taugalíffræði viðhengis. Í: Nelson CA, Luciana M, ritstjórar. Handbók þróunar hugrænna taugavísinda. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. bls. 787 – 806.
  • Jacobs B, Scheibel AB. Töluleg dendritísk greining á svæði Wernicke hjá mönnum. I. Líftími breytist. Journal of Comparative Neurology. 1993; 327: 383 – 396. [PubMed]
  • Kempermann G, Gage FH. Nýjar taugafrumur fyrir heila fullorðinna. Scientific American. 1999; 280 (5): 48 – 53. [PubMed]
  • Kolb B. Brauðmýkt og hegðun. Mahwah, NJ: Erlbaum; 1995.
  • Kolb B, Cioe J, Comeau W. Andstæður áhrif hreyfifræðilegra og sjónrænna námsverkefna á tindrískarðveiki og hryggþéttni hjá rottum. Taugalíffræði náms og minni. 2008; 90: 295 – 300. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R. örvandi örvun auðveldar hagnýtan bata og breyting á tvísýki eftir meðhöndlun framan eða aftan á mænusótt hjá nýburum hjá rottum. Hegðunarrannsóknir á heila. 2010; 214: 115 – 120. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Gorny G. Upplifunarháðar breytingar á tindarafla og þéttleika hryggs í nýrumörkum eru mismunandi eftir aldri og kyni. Taugalíffræði náms og minni. 2003a; 79: 1 – 10. [PubMed]
  • Kolb B, Gorny G, Li Y, Samaha AN, Robinson TE. Amfetamín eða kókaín takmarkar getu síðari reynslu til að stuðla að uppbyggingu mýkt í nýfrumukrabbameini og kjarna. Málsmeðferð National Academy of Science (USA) 2003b; 100: 10523 – 10528. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Pearce S, Tanguay R. Útsetning fyrir lyfseðilsskyldum fæðingum breytir bata eftir snemma heilaáverka hjá rottum. Society for Neuroscience Abstracts. 2008; 349: 5.
  • Kolb B, Morshead C, Gonzalez C, Kim N, Shingo T, Weiss S. Vöxtur þáttur örvaður kynslóð nýrrar barkæðavef og hagnýtur bata eftir heilablóðfall skemmdir á hreyfibarka rottna. Tímarit um blóðflæði og umbrot heila. 2007; 27: 983 – 997. [PubMed]
  • Kolb B, Stewart J. Kynbundinn munur á tindarfrumufrumunum í frumum heilabörk rottna. Journal of Neuroendocrinology. 1991; 3: 95 – 99. [PubMed]
  • Kolb B, Whishaw greindarvísitala. Undirstöðuatriði í taugasálfræði manna. 6th útgáfa. New York, NY: Worth; 2009.
  • Leung BM, Wiens KP, Kaplan BJ. Bætir fæðubótarefni í fæðingu næringu þroska barna? Kerfisbundin endurskoðun. BCM Meðganga Fæðing. 2011; 11: 1 – 12. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Lewis PD. Næring og líffæraþróun heilans. Í: van Gelder NM, Butterworth RF, Drujan BD, ritstjórar. (Mal) næring og ungbarnaheilinn. New York, NY: Wiley-Liss; 1990. bls. 89 – 109.
  • Liston C, Miller MM, Godwater DS, Radley JJ, Rocher AB, Hof PR, McEwen BS. Breytingar af völdum streitu í formfrumu barkæðaþekjuformi spá fyrir um sértæka skerðingu í skynjunarsetningu sem breytist. Journal of Neuroscience. 2006; 26: 7870 – 7874. [PubMed]
  • Þingmaður Mattson, Duan W, Chan SL, Guo Z. Í: Toward a Theory of Neuroplasticity. Shaw CA, McEachern J, ritstjórar. Philadelphia, PA: Psychology Press; 2001. bls. 402 – 426.
  • Meck WH, Williams CL. Metabolic áprentun kólíns eftir aðgengi þess meðan á meðgöngu stendur: Afleiðingar fyrir minni og gaumgæfilega vinnslu um allan líftíma. Taugavísindi og lífshegðun. 2003; 27: 385 – 399. [PubMed]
  • Mehl-Madrona L, Leung B, Kennedy C, Paul S, Kaplan BJ. Örbylgjuefni í samanburði við stöðluð lyfjameðferð við einhverfu: Náttúrufræðileg rannsókn á málum. Journal of Child Adolescent Psychopharmology. 2010; 20: 95 – 103. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Mittal VA, Ellman LM, Cannon TD. Samspil erfða-umhverfis og sambreytni við geðklofa: Hlutverk fylgikvilla fæðingar. Tíðni geðklofa. 2008; 34: 1083 – 1094. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Muhammad A, Hossain S, Pellis S, Kolb B. Áþreifanleg örvun meðan á þróun stendur dregur úr næmi amfetamíns og breytir formgerð taugafrumna. Hegðunar taugavísindi. 2011; 125: 161 – 174. [PubMed]
  • Muhammad A, Kolb B. Vægt streita fyrir fæðingu breytir hegðun og þéttni taugahryggsins án þess að hafa áhrif á næmi amfetamíns. Þróunar taugavísindi (í fréttum). [PubMed]
  • Muhammad A, Kolb B. Aðskilnaður móður breytti hegðun og þéttni taugafrumum án þess að hafa áhrif á næmi amfetamíns. Hegðunarrannsóknir á heila. 2011; 223: 7 – 16. [PubMed]
  • Murmu M, Salomon S, Biala Y, Weinstock M, Braun K, Bock J. Breytingar á þéttleika hryggs og flækju í fléttum í forstilla barka hjá afkvæmi mæðra sem verða fyrir streitu á meðgöngu. European Journal of Neuroscience. 2006; 24: 1477 – 1487. [PubMed]
  • Mychasiuk R, Gibb R, Kolb B. Fóstursástandi vegna fósturs framkallar taugalíffræðilegar breytingar á forstilla heilaberki og hippocampus til að þróa afkvæmi rottu. Heilarannsóknir. 2011; 1412: 55 – 62. [PubMed]
  • Myers MM, Brunelli SA, Squire JM, Shindledecker R, Hofer MA. Hegð SHR rottna hjá móður í tengslum við blóðþrýsting afkvæmi. Þroskasálfræði. 1989; 22: 29 – 53. [PubMed]
  • Nemati F, Kolb B. Vélbarkskemmdir hafa mismunandi hegðunar- og líffærafræðileg áhrif hjá ungum og unglingum rottum. Hegðunar taugavísindi. 2010; 24: 612 – 622. [PubMed]
  • O'Hare ED, Sowell ER. Myndgreining á þroskabreytingum á gráu og hvítu efni í heilanum. Í: Nelson CA, Luciana M, ritstjórar. Handbók þróunar hugrænna taugavísinda. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. bls. 23 – 38.
  • Pellis SM, Hastings E, Takeshi T, Kamitakahara H, Komorowska J, Forgie ML, Kolb B. Áhrif skaða á framhluta heilabarkar á mótun varnarviðbragða rottna í fjörugum og ekki leikandi félagslegum samhengi. Hegðunar taugavísindi. 2006; 120: 72 – 84. [PubMed]
  • Pellis S, Pellis V. Leiknu heila. New York, NY: Oneworld Publications; 2010.
  • Prusky GT, Silver BD, Tschetter WW, Alam NM, Douglas RM. Reynsla háð plasti frá opnun auga gerir varanlega, sjón-barka háð auka hreyfingu. Journal of Neuroscience. 2008; 28: 9817 – 9827. [PubMed]
  • Raison C, Capuron L, Miller AH. Sýkókínar syngja blúsinn: Bólga og sjúkdómsvaldandi þunglyndi. Þróun í ónæmisfræði. 2006; 27: 24 – 31. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Rampon C, Jiang CH, Dong H, Tang YP, Lockart DJ, Schultz PG, Hu Y. Áhrif umhverfislegs auðgunar á genatjáningu í heila. Málsmeðferð National Academy of Science (USA) 2000; 97: 12880 – 12884. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Robinson TE, Kolb B. Uppbyggileg plastleiki í tengslum við misnotkun lyfja. Neuropharmology. 2004; 47 (Suppl 1): 33 – 46. [PubMed]
  • Sandstrom NJ, Loy R, Williams CL. Fæðubótarefni við kólín fæðingu hækka stig NGF í hippocampus og framhluta heilabarka hjá ungum og fullorðnum rottum. Heilarannsóknir. 2002; 947: 9 – 16. [PubMed]
  • Schanberg SM, Field TM. Skynsemissjúkdómsálag og viðbótarörvun hjá rottuungum og fyrirburum nýbura. Þroska barna. 1987; 58: 1431 – 1447. [PubMed]
  • Sirevaag AM, Greenough WT. Margvísleg tölfræðileg yfirlit yfir samstilltar mýkingaraðgerðir hjá rottum sem verða fyrir flóknu, félagslegu og einstöku umhverfi. Heilarannsóknir. 1987; 441: 386 – 392. [PubMed]
  • Tees RC, Mohammadi E. Áhrif fæðubótarefnis nýbura kólíns á staðbundið nám og stilla nám og minni hjá rottum. Þroskasálfræði. 1999; 35: 226 – 240. [PubMed]
  • Teskey GC, Monfils MH, Silasi G, Kolb B. Neocortical kindling tengist andstæðar breytingar á dendritískri formgerð í nýkynja lagi V og striatum frá nýkynja lagi III. Synapse. 2006; 59: 1 – 9. [PubMed]
  • Teskey GC. Að nota kveikju til að móta taugafræðilegar breytingar í tengslum við nám og minni, taugasjúkdóma og flogaveiki. Í: Shaw CA, McEachern JC, ritstjórar. Í átt að kenningu um taugalífi. Philadelphia, PA: Taylor og Francis; 2001. bls. 347 – 358.
  • van den Bergh BR, Marcoen A. Kvíði móður barnsins tengist ADHD einkennum, utanaðkomandi vandamálum og kvíða hjá 8- og 9 ára börnum. Þroska barna. 2004; 75: 1085 – 1097. [PubMed]
  • Weaver ICG, Cervoni N, Champagne FA, D'Alessio AC, Sharma S, Seckl JR, Dymov S, Szf M, Meaney MJ. Epigenetic forritun eftir hegðun móður. Náttúrur taugavísindi. 2004; 7: 847 – 854. [PubMed]
  • Weaver ICG, Meaney M, Szf M. Áhrif móður á umönnun á transkriptóm móður og kvíðamiðuð hegðun hjá afkvæmum sem eru til baka á fullorðinsárum. Málsmeðferð National Academy of Science (USA) 2006; 103: 3480 – 3486. [PMC ókeypis grein] [PubMed]
  • Weinstock M. Langvarandi hegðunarafleiðingar streitu fyrir fæðingu. Taugavísindi og lífshegðun. 2008; 32: 1073 – 1086. [PubMed]
  • Wiesel TN, Hubel DH. Einfrumusvörun í stríði heilaberki kettlinga sviptir sjón í öðru auganu. Journal of Neurophysiology. 1963; 26: 1003 – 1017. [PubMed]