Brainul plasticitate și comportamentul în creierul în dezvoltare (2011)

J poate Acad Child Adolesc Psychiatry. 2011 noiembrie; 20 (4): 265-276.

Bryan Kolb, Dr1 și Robbin Gibb, Dr1
Editor de monitorizare: Dr. Margaret Clarke și Dr. Laura Ghali
Acest articol a fost citat de alte articole din PMC.

Abstract

Obiectiv:

Pentru a revedea principiile generale ale dezvoltării creierului, identificați principiile de bază ale plasticității creierului și discutați factorii care influențează dezvoltarea creierului și plasticitatea.

Metodă:

A fost realizată o revizuire literară a manuscriselor relevante în limba engleză privind dezvoltarea creierului și plasticitatea.

Rezultate:

Dezvoltarea creierului progresează printr-o serie de etape care încep cu neurogenesis și progresează spre migrație neuronală, maturizare, sinaptogeneză, tăiere și formarea mielinei. Se identifică opt principii de bază ale plasticității creierului. Dovada că dezvoltarea și funcția creierului este influențată de diferite evenimente de mediu, cum ar fi stimulii senzoriali, medicamentele psihoactive, hormonii gonadali, relațiile părinte-copil, relațiile de vârstă, stresul timpuriu, flora intestinală și dieta.

Concluzii:

Dezvoltarea creierului reflectă mai mult decât simpla desfasurare a unui plan genetic, ci reflectă mai degrabă un dans complex de factori genetici și experimentali care formează creierul în curs de dezvoltare. Înțelegerea dansului oferă o perspectivă asupra dezvoltării normale și anormale.

Cuvinte cheie: dezvoltarea creierului, plasticitatea cerebrală, stimularea mediului, epigenetica

Dezvoltarea creierului reflectă mai mult decât simpla desfasurare a unui plan genetic, ci reflectă mai degrabă un dans complex de factori genetici și experimentali care formează creierul în curs de dezvoltare. Creiere expuse la diferite evenimente de mediu, cum ar fi stimuli senzoriali, medicamente, dieta, hormoni sau stres, se pot dezvolta în moduri foarte diferite. Scopul articolului actual este de a examina modurile în care creierul în dezvoltare poate fi sculptat de o gamă largă de factori pre- și postnatali. Începem cu o prezentare generală a dezvoltării creierului, urmată de o scurtă trecere în revistă a principiilor plasticității creierului și, în final, o analiză a modului în care factorii influențează dezvoltarea creierului și comportamentul adulților. Deoarece majoritatea a ceea ce știm despre plasticitatea creierului și comportamentul în dezvoltare rezultă din studiile șobolanului de laborator, discuția noastră se va concentra asupra șobolanului, dar va lua în considerare oamenii atunci când este posibil. În plus, discuția va fi părtinitoare față de plasticitate în structurile cerebrale, deoarece majoritatea a ceea ce știm despre modularea dezvoltării creierului se bazează pe studii de dezvoltare cerebrală. Nu există însă prea puține motive să credem că alte structuri ale creierului nu vor fi schimbate în moduri similare.

Dezvoltarea creierului

Câteva ani în urmă, filozoful roman Seneca a propus ca un embrion uman să fie un adult în miniatură și, prin urmare, sarcina dezvoltării este pur și simplu să crească. Această idee a fost atât de atrăgătoare încât a fost crezută pe scară largă până când a intrat în 2000th secol. A devenit evidentă la începutul 20th secolul în care dezvoltarea creierului reflectă o serie de etape pe care acum putem vedea ca fiind în mare parte împărțite în două faze. La majoritatea mamiferelor prima reflectă o secvență determinată genetic a evenimentelor in utero care pot fi modulate de mediul matern. A doua fază, care este prenatală și postnatală la oameni, este o perioadă în care conectivitatea creierului este foarte sensibilă nu numai la mediul înconjurător, ci și la tiparele activității creierului produse de experiențe. Mai important, totuși, se recunoaște acum că modificările epigenetice, care pot fi definite ca modificări ale rezultatelor dezvoltării, inclusiv reglarea expresiei genetice, se bazează pe alte mecanisme decât ADN în sine (Blumberg, Freeman și Robinson, 2010). De exemplu, expresia genei poate fi modificată prin experiențe specifice, iar acest lucru, la rândul său, poate duce la modificări organizatorice ale sistemului nervos.

Etapele dezvoltării creierului

Tabelul 1 schițează etapele generale caracteristice dezvoltării creierului la toate mamiferele. Celulele destinate producerii sistemului nervos încep să se formeze aproximativ trei săptămâni după fertilizare la om. Aceste celule formează tubul neural, care este grădina creierului și este mai târziu numită zonă subventriculară. Celulele care sunt destinate să formeze cerebrale încep să se divizeze la vârsta de aproximativ șase săptămâni și aproximativ 14 săptămâni cerebrale arată distinct de om, deși nu începe să formeze sulci și gyri până la aproximativ șapte luni. Majoritatea neurogenezei este completă cu cinci luni, cu o excepție importantă fiind celulele din hipocampus, care continuă să formeze neuroni pe toată durata vieții. Există aproximativ zece miliarde de celule necesare pentru a forma cortexul cerebral uman în fiecare emisferă. Aceste celule se formează rapid și se estimează că la vârf, se formează aproximativ un neuron 250,000 pe minut. Este evident că orice perturbare a creierului în acest moment ar putea avea consecințe semnificative.

Tabelul 1. 

Etapele dezvoltării creierului

Odată ce se formează neuronii, ele încep să migreze pe căile fibroase formate de celulele gliale radiale, care se extind din zona subventriculară până la suprafața cortexului cerebral (Figura 1). Zona subventriculară pare să conțină o hartă primitivă a cortexului care predispune celulele formate într-o anumită regiune subventriculară să migreze către o anumită locație corticală. Pe masura ce celulele migreaza, ele au un potential nelimitat de soarta de celule, dar pe masura ce ajung la destinatie, interactiunea genelor, maturizarea si influentele mediului le determina din ce in ce mai mult spre diferentierea intr-un anumit tip de celula. După ce celulele ajung la destinația finală, ele încep să se maturizeze prin: (1) creșterea dendritelor pentru a asigura suprafața sinapselor cu alte celule; și, (2) care extind axonii la ținte adecvate pentru inițierea formării sinapsei.

Figura 1. 

Celulele migrează din zona subventriculară de-a lungul gliului radial până la locația eventuală a adulților (Kolb și Whishaw, 2009).

Formarea dendritelor începe înainte de naștere la om, dar continuă mult timp după naștere. Dendritele la nou-născuți încep ca procese individuale care ies din corpul celular și în următorii doi ani aceste procese sunt elaborate și se formează spinii, care sunt locația celor mai multe sinapse excitatorii. Creșterea dendritică este lentă, de ordinul micrometrelor pe zi. Axonii cresc aproximativ 1000 ori mai repede, și anume aproximativ un milimetru pe zi. Această rată de creștere diferențială este importantă deoarece axonii cu creștere mai rapidă pot intra în contact cu celulele țintă înainte ca dendritele celulei respective să fie complet formate. Ca rezultat, axonii pot influența diferențierea dendritică și formarea circuitelor cerebrale.

Formarea sinapsei în cortexul cerebral uman reprezintă o provocare formidabilă, cu un total de peste 100,000 trilioane (1014). Acest număr enorm nu poate fi determinat printr-un program genetic, ci mai degrabă decât conturul general al conexiunilor neuronale din creier va fi predeterminat genetic. Gama largă de sinapsă este astfel ghidat în loc de o varietate de semnale și semnale de mediu. După cum vom vedea, manipularea diferitelor tipuri de semnale și semnale poate produce diferențe dramatice în circuitele cerebrale.

Datorita incertitudinii cu privire la numarul de neuroni care vor ajunge la destinatia lor adecvata si la adecvarea conexiunilor pe care le formeaza, creierul produce in exces atat neuronii, cat si conexiunile in timpul dezvoltarii, cu varful formarii sinapselor fiind intre unu si doi ani, depinzand de regiunea cortexului. La fel ca un sculptor care creează o statuie cu un bloc de piatră și o daltă, pentru a elimina piesele nedorite, creierul are un sistem paralel în care celulele și conexiunile inutile sunt îndepărtate prin moartea celulară și tăierea sinaptică. Dălțile metaforice din creier pot fi de multe forme, inclusiv un tip de semnal epigenetic, o gamă largă de experiențe, hormoni gonadali și chiar stres.

Efectul acestei pierderi celulare și tăierea sinaptică poate fi văzut în modificările grosimii corticale în timp. Adică, cortexul devine realmente mai subțire într-un gradient caudal-rostral începând cu vârsta de două ani și continuând până la vârsta de cel puțin 20. Este posibil să se coreleze subțierea corticală cu dezvoltarea comportamentală. De exemplu, rezultatele studiilor IRM privind modificările grosimii corticale au arătat că dexteritatea motorului crescută este asociată cu o scădere a grosimii corticale în regiunea mână a cortexului motor la stânga la dreptaci (O'Hare și Sowell, 2008). O excepție de la subțire este o regulă mai bună în dezvoltarea unor procese lingvistice, dar nu toate. Astfel, studiile RMN au arătat că o îngroșare a cortexului frontal inferior stâng (aproximativ zona Broca) este asociată cu o prelucrare fonologică îmbunătățită (adică înțelegerea sunetelor de vorbire). Această asociere unică între grosimea cortexului și comportamentul nu este caracteristică funcțiilor lingvistice în general. De exemplu, dezvoltarea vocabularului este corelată cu grosimea corticală scăzută în regiunile corticale difuze (O'Hare și Sowell, 2008).

Relația dintre grosimea corticală și dezvoltarea comportamentală este probabil o explicație pentru variația în dezvoltarea abilităților comportamentale la copii. De exemplu, dezvoltarea întârziată a limbii la copiii cu inteligență normală și dexteritate motorie (aproximativ 1% dintre copii) ar putea fi rezultatul unor modificări mai lentă decât cele normale ale grosimii corticale. De ce ar putea fi acest lucru este necunoscut.

Etapa finală a dezvoltării creierului este dezvoltarea glială pentru a forma mielina. Nașterea astrocitelor și a oligodendrocitelor începe după ce majoritatea neurogenezei este completă și continuă pe tot parcursul vieții. Deși axonii CNS pot funcționa înainte de mielinizare, funcția normală a adulților este atinsă numai după ce mielinația este completă, după vârste de 18 în regiuni precum cortexul temporal prefrontal, parietal posterior și anterior.

Dezvoltarea creierului, prin urmare, este compusă dintr-o cascadă de evenimente care încep cu mitoza și se încheie cu formarea de mielină. Efectul perturbărilor și experiențelor creierului va varia, prin urmare, în stadiul exact al dezvoltării creierului. Nu ar trebui să ne surprindă, de exemplu, că experiențele și / sau perturbațiile în timpul mitozei ar avea efecte destul de diferite decât evenimente similare în timpul sinaptogenezei sau mai târziu în timpul tăierii. Experiențele se desfășoară, în esență, pe creiere foarte diferite în diferite stadii de dezvoltare.

Caracteristici speciale ale dezvoltării creierului

Două trăsături ale dezvoltării creierului sunt deosebit de importante pentru înțelegerea modului în care experiențele pot modifica organizarea corticală. În primul rând, celulele care alcătuiesc zona subventriculară sunt celulele stem care rămân active pe tot parcursul vieții. Aceste celule stem pot produce celule progenitoare neurale sau gliale care pot migra in materia cerebrala alba sau gri, chiar si la varsta adulta. Aceste celule pot rămâne liniștite în aceste locații pentru perioade lungi de timp, dar pot fi activate pentru a produce fie neuroni și / sau glia. Rolul acestor celule este slab înțeleasă în prezent, dar ele constituie probabil baza a cel puțin unei forme de neurogeneză postnatală, în special după leziune (de exemplu, Gregg, Shingo și Weiss, 2001; Kolb și colab., 2007). În plus, creierul mamiferului, inclusiv creierul primatului, poate genera neuroni la vârsta adultă care sunt destinați bulbului olfactiv, formării hipocampului și eventual altor regiuni (de exemplu, Eriksson și colab., 1998; Gould, Tanapat, Hastings și Shors, 1999; Kempermann & Gage, 1999). Rolul funcțional al acestor celule este încă controversat, dar generarea lor poate fi influențată de mulți factori, inclusiv experiența, drogurile, hormonii și rănile.

A doua caracteristică specială este că dendritele și spinii prezintă plasticitate remarcabilă ca răspuns la experiență și pot forma sinapselor în ore și, eventual, chiar și minute după anumite experiențe (de exemplu, Greenough și Chang, 1989). La suprafață, acest lucru pare să fie în contradicție cu procesul de supraproducție a sinapselor urmat de tăierea sinaptică descrisă mai devreme. Un punct cheie este acela că, deși tăierea sinaptică este o trăsătură importantă a dezvoltării creierului, creierul continuă să formeze sinapse pe toată durata vieții și, de fapt, aceste sinapse sunt necesare proceselor de învățare și memorie. Greenough, Negru și Wallace (1987) au argumentat că există o diferență fundamentală între procesele care reglementează formarea sinapselor în dezvoltarea creierului timpuriu și cele care au avut loc în timpul dezvoltării creierului și a maturității ulterioare. În mod specific, aceștia susțin că sinapsele formate timpuriu "așteaptă" experiențe care acționează pentru a le împărți înapoi. Ei numesc aceste sinapse "experiență-așteptată" și observă că acestea se găsesc difuz în toată cerebracul. În schimb, formarea ulterioară a sinapselor este mai focală și localizată în regiunile implicate în prelucrarea experiențelor specifice. Acestea etichetează aceste sinapse ca fiind "dependente de experiență". Un aspect curios al efectelor dependente de experiență asupra sinapselor este acela că nu numai experiențele specifice conduc la formarea selectivă a sinapselor, dar și la pierderea sinaptică selectivă. Astfel, experiențele schimbă rețelele neuronale atât prin adăugarea, cât și prin tăierea sinapselor. Aceasta ne conduce la problema plasticității creierului.

Principiile generale ale plasticității în creierul normal

Înainte de a aborda experiențele care influențează plasticitatea creierului, trebuie să revedem pe scurt câteva principii-cheie ale plasticității în creierul normal.

1. Schimbările în creier pot fi prezentate la mai multe nivele de analiză

O schimbare a comportamentului trebuie să provină cu siguranță din schimbarea creierului, dar există multe modalități de a investiga astfel de schimbări. Schimbările pot fi deduse din măsurile globale ale activității creierului, cum ar fi în diferitele forme ale lui in vivo imagistica, dar astfel de schimbari sunt departe de procesele moleculare care le conduc. Modificările globale reflectă probabil schimbările sinaptice, dar modificările sinaptice rezultă din mai multe modificări moleculare, cum ar fi modificările canalelor, expresia genetică și așa mai departe. Problema în studierea plasticității creierului este de a alege un marker surogat care să se potrivească cel mai bine întrebării întrebate. Modificările canalelor de calciu pot fi perfecte pentru studierea schimbărilor sinaptice la sinapsele specifice care ar putea fi legate de învățarea simplă, dar sunt impracticabile pentru înțelegerea diferențelor sexuale în procesarea limbajului. Acesta din urmă ar putea fi cel mai bine studiat de către in vivo imagistica sau analiza postmortem a morfologiei celulare (de exemplu, Jacobs și Scheibel, 1993). Nivelul adecvat trebuie să vizeze chestiunea cercetării. Studiile care investighează strategiile de stimulare a ameliorării funcționale după accidentare folosesc cel mai frecvent anatomie (morfologie celulară și conectivitate), fiziologic (stimulare corticală) și in vivo imagistica. Fiecare dintre aceste niveluri poate fi legat de rezultatele comportamentale atât în ​​studiile umane, cât și în cele non-umane, în timp ce nivelurile moleculare mai mult s-au dovedit a fi mult mai dificil de a se referi la comportament și, în special, la comportamentul mental.

2. Diferitele măsuri ale morfologiei neuronale se schimbă independent unul de celălalt și uneori în direcții opuse

A existat o tendință în literatura de specialitate de a vedea diferite schimbări neuronale ca surogate unul pentru celălalt. Una dintre cele mai frecvente este să presupunem că modificările densității coloanei vertebrale reflectă modificări ale lungimii dendritice și invers. Acest lucru nu se întâmplă deoarece cele două măsuri pot varia independent și uneori în direcții opuse (de exemplu, Comeau, McDonald și Kolb, 2010; Kolb, Cioe și Comeau, 2008). Mai mult, celulele din diferite straturi corticale, dar în aceleași coloane presupuse, pot prezenta răspunsuri foarte diferite la aceleași experiențe (de exemplu, Teskey, Monfils, Silasi și Kolb, 2006).

3. Schimbările dependente de experiență tind să fie focale

Deși există tendința de a se gândi la schimbările de plastic ca răspuns la experiențele ca fiind răspândite în întreaga creier, acest lucru este rar. De exemplu, medicamentele psihoactive pot produce schimbări comportamentale mari și au efecte acute pe scară largă asupra neuronilor, dar schimbările cronice de plastic sunt surprinzător de focale și în mare măsură limitate la cortexul prefrontal și la nucleul accumbens (de exemplu, Robinson și Kolb, 2004). Ca rezultat, cercetătorii trebuie să se gândească cu grijă unde sunt cele mai bune locuri pentru a avea grijă de experiențele specifice. Un esec pentru a găsi modificări sinaptice care se corelează cu schimbarea comportamentală nu este o dovadă a absenței modificărilor.

4. Modificările din plastic sunt dependente de timp

Poate că cele mai mari schimbări în organizarea sinaptică pot fi văzute ca răspuns la plasarea animalelor de laborator în medii complexe (așa-numitele "îmbogățiți"). Astfel, există schimbări pe scară largă în întregul cortex senzorial și motor. Aceste schimbări par a contrazice principiul schimbărilor dependente de experiență fiind focale, dar generalitatea schimbărilor este probabil datorată naturii globale a experiențelor, inclusiv a experiențelor ca difuză ca experiențele vizuale, tactile, auditive, olfactive, motorii și sociale. Dar aceste schimbări de plastic nu sunt toate permanente și se pot schimba dramatic în timp.

De exemplu, atunci când șobolanii sunt plasați în medii complexe, există o creștere tranzitorie a lungimii dendritice în cortexul prefrontal care poate fi văzută după patru zile de locuință complexă, dar a dispărut după zile 14. În schimb, nu există modificări evidente ale cortexului senzorial după patru zile, dar schimbări clare și aparent permanente după zilele 14 (Comeau și colab., 2010).

Posibilitatea ca diferite modificări cronice și tranzitorii ale dependenței de experiență în neuronii cerebrali să fie compatibile cu studiile genetice care arată că există gene diferite exprimate acut și cronic ca răspuns la medii complexe (de ex. Rampon și colab., 2000). Diferența în modul în care schimbările tranzitorii și persistente în rețelele neuronale se referă la comportament nu este cunoscută.

5. Schimbările dependente de experiență interacționează

Oamenii au o experiență în viață care începe înainte de naștere și continuă până la moarte. Aceste experiențe interacționează. De exemplu, am arătat la șobolanii de laborator că, dacă animalele sunt expuse la stimulente psihomotorii fie ca minori, fie ca sunt la vârsta adultă, experiențele ulterioare au un efect mult atenuat (sau uneori absent). De exemplu, atunci când șobolanilor li se administrează metilfenidat ca adolescenți sau amfetamină ca adulți și apoi când sunt plasați în medii complexe sau instruiți în activități de învățare, modificările ulterioare legate de experiență sunt blocate. Ceea ce este surprinzător este că, deși medicamentele nu prezintă niciun efect direct evident asupra regiunilor corticale senzoriale, expunerea anterioară împiedică modificările preconizate în aceste regiuni (de exemplu, Kolb, Gibb și Gorny, 2003a). Aceste interacțiuni medicament-experiență nu sunt totuși unidirecționale. Când șobolanii gravide primesc un stres ușor pentru 20 minute de două ori pe zi în timpul perioadei de neurogeneză cerebrală maximă la descendenții lor (zile embrionare 12-18), descendenții lor prezintă schimbări legate de stres în densitatea coloanei vertebrale în cortexul prefrontal (PFC) nu există efecte legate de consumul de droguri (Muhammad & Kolb, în ​​presa a). Nu este clar de ce există o absență completă a efectelor legate de consumul de droguri sau ce ar însemna aceasta pentru dependență, dar arată că experiențele interacționează în efectele lor asupra creierului.

7. Modificările din plastic sunt dependente de vârstă

Se presupune, în general, că creierul în curs de dezvoltare va fi mai receptiv la experiențe decât la creierul adult sau senescent. Acest lucru este, desigur, corect, dar există o altă riduri importante: există modificări calitativ diferite în creier ca răspuns la ceea ce pare să fie aceeași experiență la vârste diferite. De exemplu, atunci când șobolanii, șobolanii adulți sau șobolanii au fost plasați într-un mediu complex, toate grupurile au prezentat schimbări sinaptice mari, dar au fost surprinzător de diferite. În mod specific, în timp ce am anticipat o creștere a densității coloanei vertebrale ca răspuns la o locuință complexă, acest lucru a fost valabil numai la șobolanii adulți și senzaționali. Șobolanii plasați în mediul în care minorii au arătat a scădea în densitatea coloanei vertebrale (Kolb și colab., 2003a). O scădere similară a densității coloanei vertebrale a fost observată în studiile ulterioare, în care șobolanilor nou-născuți li sa administrat stimulare tactilă cu o perie moale pentru minute 15, de trei ori pe zi în primele zece zile de viață, dar nu și dacă stimularea este la maturitate (Gibb, Gonzalez, Wagenest și Kolb, 2010; Kolb & Gibb, 2010). Natura dependentă de vârstă a schimbării sinaptice este în mod clar importantă pentru înțelegerea modului în care experiențele schimbă creierul.

8. Nu toată plasticitatea este bună

Deși concluzia generală a literaturii este că modificările plastice ale creierului au îmbunătățit funcțiile motrice și cognitive, schimbările de plastic pot interfera și cu comportamentul. Un bun exemplu este schimbările induse de medicamente observate ca răspuns la stimulentele psihomotorii (de exemplu, Robinson și Kolb, 2004). Este rezonabil să se propună ca un anumit comportament maladaptiv al dependenților de droguri să rezulte din modificările legate de consumul de droguri în morfologia neuronală prefrontală. Există multe alte exemple de plasticitate patologică incluzând durerea patologică (Baranauskas, 2001), răspunsul patologic la boală (Raison, Capuron și Miller, 2006), epilepsie (Teskey, 2001), schizofrenia (Black și colab., 2004) și demență (Mattson, Duan, Chan și Guo, 2001).

Deși nu există multe studii de plasticitate patologică în creierul în curs de dezvoltare, un exemplu evident este tulburarea fetală a spectrului de alcool. Un alt exemplu sunt efectele stresului sever prenatal, care sa dovedit a reduce semnificativ complexitatea neuronilor din cortexul prefrontal (de exemplu, Murmu și colab., 2006) și, la rândul său, pot afecta funcțiile cognitive și motorii normale atât în ​​dezvoltare, cât și la maturitate (de exemplu, Halliwell, 2011). Deși mecanismele care stau la baza acestor modificări sunt prost înțelese, se știe că stresul postnatal timpuriu poate altera expresia genei în creier (Weaver și colab., 2004; Weaver, Meaney și Szf, 2006).

Factorii care influențează dezvoltarea creierului

Cand cercetatorii au inceput sa studieze schimbari dependente de experienta in creierul in curs de dezvoltare in 1950s si 1960s, exista o ipoteza naturala ca schimbarile in dezvoltarea creierului ar fi evidente doar ca raspuns la schimbari destul de mari in experienta, cum ar fi cresterea in intuneric. Pe parcursul anilor 20 trecut, a devenit clar faptul că și experiențele destul de inofensive pot afecta în mod profund dezvoltarea creierului și că gama de experiențe care pot modifica dezvoltarea creierului este mult mai mare decât se credea odinioară Tabelul 2). Vom sublinia unele dintre cele mai bine studiate efecte.

Tabelul 2. 

Factorii care influențează dezvoltarea și funcția creierului

1. Experiențe senzoriale și motorii

Cea mai simplă modalitate de a manipula experiența de-a lungul vârstelor este de a compara structura creierului la animalele care trăiesc în cuști standardizate în laborator în cazul animalelor plasate fie în medii grav sărăcite, fie în așa-numitele medii îmbogățite. Ridicarea animalelor în medii defavorizate, cum ar fi întunericul, tăcerea sau izolarea socială, întârzie clar dezvoltarea creierului. De exemplu, puii de câine crescuți singuri prezintă o gamă largă de anomalii comportamentale, incluzând o insensibilitate virtuală la experiențele dureroase (Hebb, 1949). În mod similar, creșterea animalelor la fel de diverse ca maimuțele, pisicile și rozătoarele în întuneric interferează grav cu dezvoltarea sistemului vizual. Poate cele mai cunoscute studii de deprivare sunt cele ale lui Weisel și Hubel (1963) care a suturat o pleoapa de pisici inchisa si mai tarziu a aratat ca atunci cand ochiul a fost deschis, a existat o pierdere de spatiu vizual (ambliopia) (de ex. Giffin și Mitchell, 1978). Recent, totuși, cercetătorii au considerat fenomenul opus, și anume, oferind animalelor experiențe vizuale îmbogățite pentru a determina dacă viziunea ar putea fi îmbunătățită. Într-un studiu elegant, Prusky și colab. (Prusky, Silver, Tschetter, Alam și Douglas, 2008) a utilizat o nouă formă de stimulare vizuală în care șobolanii au fost plasați într-un sistem opto-cinetic virtual în care linii verticale cu frecvență spațială diferită se deplasează peste animal. Dacă ochii sunt deschisi și orientați spre grătarele mobile, este imposibil ca animalele, inclusiv oamenii, să evite urmărirea liniilor în mișcare, dacă frecvența spațială se află în intervalul perceptiv. Autorii au plasat animale în aparat timp de aproximativ două săptămâni după ziua deschiderii ochilor (ziua postnatală 15). Când au fost testate pentru acuitatea vizuală la vârsta adultă, animalele au prezentat o creștere a 25% în acuitatea vizuală față de animale fără tratamentul timpuriu. Frumusețea studiului Prusky este că funcția vizuală îmbunătățită nu se bazează pe o formare specifică, cum ar fi în procesul de învățare a unei probleme, ci a apărut în mod natural ca răspuns la intrarea vizuală îmbunătățită.

Am încercat să îmbunătățim experiența tactilă utilizând o procedură inițial concepută de către Schanberg și câmp (1987). În aceste studii șobolanii sugari au primit stimulare tactilă cu o perie mică pentru 15 minute de trei ori pe zi pentru zilele 10-15 începând de la naștere. Când copiii au fost studiați la vârsta adultă, au arătat performanțe motorizate calificate și învățare spațială, precum și schimbări în organizarea sinaptică în cortexul cerebral (de exemplu, Kolb & Gibb, 2010). Deși mecanismul precis al acțiunii stimulării tactile nu este cunoscut, am arătat că stimularea tactilă conduce la o creștere a producției unui factor neurotrofic, factor de creștere a fibroblastelor-2 (FGF-2) atât în ​​piele cât și în creier (Gibb, 2004). FGF-2 este cunoscut pentru a juca un rol în dezvoltarea creierului normal și poate stimula recuperarea de la leziuni cerebrale perinatale (de exemplu, Comeau, Hastings și Kolb, 2007). Expresia FGF-2 este, de asemenea, crescută ca răspuns la o varietate de tratamente, incluzând locuințe îmbogățite și medicamente psihoactive, ambele stimulând modificările plastice în creier (vezi mai jos).

O altă modalitate de îmbunătățire a funcțiilor senzoriale și a motorului este de a plasa animalele în medii complexe în care există posibilitatea ca animalele să interacționeze cu un mediu senzorial și social în schimbare și să se implice într-o activitate mult mai activă decât în ​​cuștile obișnuite. Astfel de studii au identificat o gamă largă de schimbări neuronale asociate cu această formă de "îmbogățire". Acestea includ creșterea dimensiunii creierului, grosimea corticală, mărimea neuronului, ramificația dendritică, densitatea coloanei vertebrale, sinusurile per neuron, numerele și complexitatea glială și arborizarea vasculară (de exemplu Greenough și Chang, 1989; Siervaag & Greenough, 1987). Mărimea acestor schimbări nu ar trebui subestimată. De exemplu, în propriile noastre studii privind efectele adăpostirii șobolanilor tineri pentru zilele 60 în medii îmbogățite, observăm în mod fiabil modificările în greutatea totală a creierului în ordinea 7-10% (de exemplu, Kolb, 1995). Această creștere a greutății creierului reflectă creșterea numărului de glande și a vaselor de sânge, a dimensiunii soma a neuronilor, a elementelor dendritice și a sinapselor. Ar fi dificil să se estimeze numărul total de sinapse crescute, dar probabil este de ordinul 20% în cortex, ceea ce reprezintă o schimbare extraordinară. Este important faptul că, deși astfel de studii arată schimbări dependente de experiență la orice vârstă, există două riduri neașteptate. În primul rând, șobolanii adulți, la orice vârstă, prezintă o creștere mare a lungimii dendritice și a densității coloanei vertebrale în majoritatea cortexului cerebral, în timp ce șobolanii minori arată o similitudine creşte în lungime dendritică, dar a scădea în densitatea coloanei vertebrale. Adică, animalele tinere prezintă o schimbare calitativ diferită în distribuția sinapselor pe neuronii piramidali în comparație cu animalele mai vechi (Kolb și colab., 2003a). În al doilea rând, atunci când barajele gravide au fost plasate în medii complexe timp de opt ore pe zi înainte de sarcină și apoi pe întreaga perioadă de gestație de trei săptămâni, analiza creierului adult la sugari a arătat o scădea în lungime dendritică și an creşte în densitatea coloanei vertebrale. Astfel, nu numai că există un efect de prenatale dar efectul a fost calitativ diferit de experiența fie în perioada juvenilă, fie în perioada adultă. În mod ciudat, toate schimbările ca răspuns la carcasa complexă conduc la îmbunătățirea funcțiilor cognitive și motorii.

Există trei mesaje clare din aceste studii. În primul rând, o gamă largă de experiențe senzoriale și motorice pot produce schimbări de plastic de lungă durată în creier. În al doilea rând, aceeași experiență poate modifica creierul diferit la vârste diferite. În al treilea rând, nu există o relație simplă între detaliile plasticității sinaptice și comportamentului în timpul dezvoltării. Cu toate acestea, este sigur că aceste experiențe timpurii au un efect puternic asupra organizării creierului, atât în ​​timpul dezvoltării, cât și la vârsta adultă.

2. Medicamente psihoactive

De mult timp a fost cunoscut faptul că expunerea timpurie la alcool este dăunătoare dezvoltării creierului, însă sa arătat recent că alte medicamente psihoactive, inclusiv medicamentele eliberate pe bază de rețetă, pot modifica dramatic dezvoltarea creierului. Robinson și Kolb (2004) a constatat că expunerea la stimulente psihomotorii la maturitate a produs schimbări mari în structura celulelor în PFC și nucleus accumbens (NAcc). În mod specific, întrucât aceste medicamente (amfetamină, cocaină, nicotină) au produs o creștere a densității dendritice și a densității coloanei vertebrale în cortexul prefrontal medial (mPFC) și NAcc, a existat o scădere a acestor măsuri în cortexul frontal orbital (OFC) , nicio schimbare. Ulterior au arătat că practic fiecare clasă de medicamente psihoactive produce, de asemenea, schimbări în PFC și că efectele sunt în mod constant diferite în cele două regiuni prefrontale. Având în vedere că creierul în curs de dezvoltare este adesea expus la medicamente psihoactive, fie în utero, fie în timpul dezvoltării postnatale, am întrebat ce efecte ar avea aceste medicamente asupra dezvoltării corticale.

Primele noastre studii au analizat efectele amfetaminei sau metilfenidatului administrate în perioada juvenilă (de exemplu, Diaz, Heijtz, Kolb și Forssberg, 2003). Ambele medicamente au modificat organizarea PFC. Modificările dendritice au fost asociate cu un comportament anormal al jocului la șobolanii tratați cu medicament, deoarece au prezentat o redare inițială a jocului în comparație cu playmates tratați cu soluție salină, precum și o performanță scăzută la un test de memorie de lucru. Stimulentele psihomotorii par să modifice dezvoltarea PFC și acest lucru se manifestă prin anomalii comportamentale asupra comportamentelor prefrontale legate mai târziu în viață.

Copiii pot fi, de asemenea, expuși medicamentelor eliberate pe bază de prescripție medicală in utero sau postnatal. Trei clase de medicamente prescrise în mod obișnuit sunt antipsihotice, antidepresive și anxiolitice. Toate cele trei au efecte dramatice asupra dezvoltării corticale. Frost, Cerceo, Carroll și Kolb (2009) a analizat arhitectura dendritică la șoarecii adulți tratați cu medicamente antipsihotice tipic (haloperidol) sau atipice (olanzapină) în stadii de dezvoltare care corespund fazelor (zile postnatale 3-10) sau fătului și copilăriei precoce (zile postnatale 3-20) la om. Ambele medicamente au produs reduceri ale lungimii dendritice, complexitatea ramificațiilor dendritice și densitatea coloanei vertebrale atât în ​​cortexul prefrontal medial, cât și în cortexul orbital. Într-un studiu ulterior, care a utilizat șobolani, autorii au prezentat deficiențe în sarcinile neuropsihologice legate de PFC, cum ar fi memoria de lucru.

Într-un set paralel de studii am analizat efectul expunerii prenatale la diazepam sau fluoxetină la șobolani (Kolb, Gibb, Pearce și Tanguay, 2008). Ambele medicamente au afectat dezvoltarea creierului și a comportamentului, dar în mod opus. Diazepamul prenatal a crescut lungimea dendritică și densitatea coloanei vertebrale în celulele piramidale din cortexul parietal și acest lucru a fost asociat cu funcții îmbunătățite ale motorului. Dimpotrivă, fluoxetina a diminuat măsurile dendritice și aceasta a fost corelată cu deficitele de învățare spațială afectate la vârsta adultă.

O întrebare suplimentară este dacă expunerea precoce la medicamentele psihoactive ar putea să modifice plasticitatea creierului mai târziu în viață. Am arătat anterior că dacă șobolanii adulți primesc amfetamină, cocaină sau nicotină și apoi plasați mai târziu în medii complexe, plasticitatea neuronală a fost blocată (Hamilton și Kolb, 2005; Kolb, Gorny, Samaha și Robinson, 2003b). Într-un studiu ulterior am dat sobolani juvenili metilfenidat și apoi la maturitate am plasat aceste animale în medii complexe și, încă o dată, am constatat că expunerea timpurie la medicament a blocat schimbările așteptate de dependență de experiență în cortex (Comeau & Kolb, 2011). Mai mult, într-un studiu paralel am arătat că expunerea minoră a expunerii la metilfenidatul juvenil la sarcini neuropsihologice sensibile la funcționarea prefrontală.

În concluzie, expunerea atât la medicamentele cu prescripție medicală, cât și la medicamentele de abuz are un efect profund asupra dezvoltării prefrontale și a comportamentelor legate de prefrontal. Aceste efecte par a fi de lungă durată sau permanente și pot influența plasticitatea creierului la vârsta adultă. Efectele grave neașteptate ale medicamentelor eliberate pe bază de prescripție medicală asupra dezvoltării creierului și comportamentului sunt, fără îndoială, importante în dezvoltarea creierului infantil. Este clar că nu este un simplu apel asupra faptului dacă mamele gravide cu depresie gravă, psihoză sau tulburări de anxietate ar trebui să fie prescrise medicamente având în vedere că aceste condiții comportamentale sunt susceptibile de a afecta dezvoltarea creierului la sugari și mai ales în măsura în care există patologi- interacțiunile copilului. Cercetările sugerează totuși că astfel de medicamente ar trebui utilizate în doză cât mai mică și mai eficientă decât cea utilizată și nu doar pentru efectele lor "calme" asupra mamelor cu anxietate ușoară.

3. Gonadalii hormoni

Efectul cel mai evident al expunerii la hormoni gonadali în timpul dezvoltării este diferențierea genitalelor care începe prenatal. În acest caz, producția de testosteron de către bărbați duce la dezvoltarea genitalelor masculine. Mai târziu în viață, estrogenul și testosteronul afectează receptorii în multe regiuni ale corpului, inclusiv în creier. Studiile RMN privind dezvoltarea creierului uman au arătat diferențe mari în rata dezvoltării creierului la cele două sexe (O'Hare și Sowell, 2008). În mod specific, volumul total de creier atinge asimptote la femele în jurul vârstei 11 și 15 la bărbați și, respectiv, femei. Dar există mai mult de dimorfismul sexual în creier decât rata de maturizare. De exemplu, Kolb și Stewart (1991) a arătat la șobolani că neuronii din mPFC aveau câmpuri dendritice mai mari la bărbați și că neuronii din OFC aveau celule mai mari la femei. Aceste diferențe au dispărut atunci când animalele au fost gonadectomizate la naștere. În mod similar, Goldstein și colab. (2001) a facut o evaluare cuprinzatoare a volumului de 45 regiuni ale creierului diferite de scanari IRM a subiectilor adulti sanatosi. Au existat diferențe sexuale în volum, comparativ cu volumul cerebral total, iar acest lucru a fost valabil mai ales în cazul PFC: femeile aveau un volum relativ mai mare de PFC dorsolateral, în timp ce bărbații aveau un volum relativ mare de OFC. Acest dimorfism sexual este corelat cu nivele regionale relativ ridicate ale receptorilor steroidieni sexuali în timpul vieții timpurii la animalele de laborator. Astfel, apare atât la oameni, cât și la animale de laborator, că hormonii gonadali modifică dezvoltarea corticală. Acest lucru este deosebit de important atunci când considerăm că efectele altor experiențe, cum ar fi expunerea la locuințe complexe sau stimulente psihomotorii, sunt, de asemenea, dimorfe sexuale. Se pare că multe alte experiențe de dezvoltare pot modifica diferențiat creierul feminin și masculin, deși puține studii au făcut de fapt această comparație.

4. Relațiile părinte-copil

Copiii de mamifere care se nasc într-o stare imatură se confruntă cu o provocare semnificativă în viața timpurie. Ei depind de părinții lor și trebuie să învețe să identifice, să-și amintească și să-și prefere îngrijitorii. Deși știm acum că animalele tinere (și chiar animalele prenatale) pot învăța mai mult decât au recunoscut anterior (vezi recenzia de la Hofer & Sullivan, 2008), nu există nicio îndoială că relațiile părinte-copil sunt critice și că ele joacă un rol-cheie în dezvoltarea creierului. Diferențele în modelul interacțiunilor materne-sugari timpurii pot declanșa efecte de dezvoltare pe termen lung care persistă la vârsta adultă (Myers, Brunelli, Squire, Shindledecker și Hofer, 1989). De exemplu, studiile privind rozătoarele au arătat că timpul petrecut în contact, cantitatea de lins și îngrijirea maternă și timpul petrecut de mame într-o poziție de înaltă arborie de înaltă stimulare se corelează cu o varietate de diferențe somatice și comportamentale. În ultimul deceniu, Meaney și colegii săi (de ex Cameron și colab., 2005) au fost capabili să demonstreze că aceste interacțiuni materne-copil ale rozătoarelor modifică sistematic evoluția răspunsului la stresul hipotalamo-adrenal și o varietate de comportamente emoționale și cognitive la vârsta adultă. Aceste modificări sunt corelate cu modificările receptorilor de corticosteron ai membranei celulare hipocampale, care, la rândul lor, sunt controlați de modificările expresiei genelor (Weaver și colab., 2006).

Efectele variațiilor în îngrijirea maternă nu se limitează însă la hipocampus și pot fi destul de răspândite. De exemplu, Fenoglio, Chen și Barum (2006) au demonstrat că îngrijirea maternă îmbunătățită în timpul primei săptămâni de viață a produs modificări de durată în căile de semnalizare celulare în hipotalamus și amydala (vezi și Fenoglio, Bruson și Barum, 2006).

Nu suntem conștienți de studii similare privind plasticitatea neocortică și, în special, prefrontală, ca răspuns la diferențele dintre interacțiunile materne și sugari, dar astfel de schimbări par posibile. Am arătat, de exemplu, că separarea zilnică maternă, procedură care a fost utilizată pentru a crește interacțiunile materne-sugari în Fenoglio și colab. (2006) studiu, crește lungimea dendritică și densitatea coloanei vertebrale atât în ​​mPFC cât și în OFC la șobolanii adulți (Muhammad & Kolb, 2011).

5. Relații de tip peer

Relațiile de la egal la egal s-au cunoscut că influențează comportamentul adulților de la studiile lui Harlow (de exemplu, Harlow & Harlow, 1965). Una dintre cele mai puternice relații de tip peer este jocul, care sa dovedit a fi important pentru dezvoltarea competenței sociale adulte (de exemplu, Pellis & Pellis, 2010). Lobul frontal joacă un rol esențial în comportamentul jocului. Un prejudiciu copiilor comportamentului mPFC și OFC de compromis, deși în diferite moduri (de exemplu, Pellis și colab., 2006). Având în vedere astfel de rezultate, am presupus că dezvoltarea și funcționarea ulterioară a celor două regiuni prefrontale ar fi modificate diferențial dacă comportamentul jocului ar fi fost manipulat în dezvoltare. Sobolanii de șobolan au avut astfel posibilitatea de a se juca cu șobolani 1 sau 3 adulți sau cu alte animale juvenile 1 sau 3. Nu a existat practic nici o joacă cu animalele adulte, dar comportamentul de joc a crescut mai multe animale minore care au fost prezente. Analiza celulelor din PFC a arătat că neuronii din OFC au răspuns la numărul de vârstnici prezenți și nu dacă s-au produs sau nu jucăriile, în timp ce neuronii din mPFC au răspuns la cantitatea de joc, dar nu la numărul de conspecificiBell, Pellis și Kolb, 2010). Apoi, am arătat într-o serie de studii că o varietate de experiențe timpurii alterează comportamentul la șobolani, inclusiv stresul prenatal, stimularea tactilă postnatală și expunerea juvenilă la metilfenidat (de exemplu, Muhammad, Hossain, Pellis și Kolb, 2011) și, în fiecare caz, există anomalii în dezvoltarea prefrontală. Poate fi o lecție importantă atunci când luăm în considerare condițiile în care jocul copilariei umane nu este normal, cum ar fi în cazul tulburării de autism sau hiperactivitate cu deficit de atenție (ADHD). Anomaliile comportamentului jocului pot influența dezvoltarea prefrontală și, ulterior, comportamentul adulților.

6. Stresul timpuriu

Există o literatură enormă colecționată în ultimii ani 60, care arată efectele stresului asupra creierului și a comportamentului la adulți, dar numai recent a fost apreciat rolul stresului perinatal la sugari. Se știe acum că atât stresul gestational, cât și cel al sugarului predispun la indivizi pentru o varietate de comportamente maladaptive și psihopatologii. De exemplu, stresul prenatal este un factor de risc în dezvoltarea schizofreniei, ADHD, depresiei și dependenței de droguri (Anda și colab., 2006; van den Bergh & Marcoen, 2004). Studiile experimentale cu animale de laborator au confirmat aceste rezultate, rezultatul fiind că stresul perinatal, atât la rozătoare cât și la primatele neumane, a produs anomalii comportamentale cum ar fi răspunsul la stres crescut și prelungit, învățarea și memoria afectată, deficitul de atenție, comportament, comportament social și de joc modificat și o preferință sporită pentru alcool (ex Weinstock, 2008).

Schimbările de plastic din organizarea sinaptică a creierului animalelor cu stres perinatal sunt mai puțin studiate, totuși, iar efectele par a fi legate de detaliile experienței stresante. De exemplu, Murmu și colab. (2006) a raportat că stresul moderat prenatal în timpul celei de-a treia săptămâni de gestație a determinat scăderea densității coloanei vertebrale și a lungimii dendritice atât în ​​mPFC cât și în OFC a degus adult. In contrast, Muhammad & Kolb (2011) a constatat că stresul blând prenatal în timpul celei de-a doua săptămâni de gestație a scăzut densitatea coloanei vertebrale în mPFC, dar nu a avut nici un efect asupra OFC și a densității crescute a coloanei vertebrale în NAcc la șobolanii adulți. Analiza lungimii dendritice a arătat un model oarecum diferit, deoarece a existat o creștere a lungimii dendritice în mPFC și NAcc, dar o scădere a OFC. Cu interes, Mychasiuk, Gibb și Kolb (2011) a constatat că stresul ușor în timpul celei de-a doua săptămâni de gestație a crescut densitatea coloanei vertebrale atât la mPFC, cât și la OFC atunci când creierul a fost examinat la adolescenți mai degrabă decât la șobolani adulți. Luate împreună, aceste studii arată că diferențele dintre momentul stresului prenatal și vârsta la care este examinat creierul determină schimbări de plastic diferite în circuitele neuronale. Un lucru clar, cu toate acestea, este că efectele stresului prenatal par a fi diferite de cele ale stresului adult. De exemplu, Liston și colab. (2006) a arătat mai întâi că stresul adulților a condus la o scădere a densității dendritice și a densității coloanei vertebrale în mPFC, dar o creștere a OFC.

Suntem conștienți de un singur studiu privind efectele stresului postnatal timpuriu (separarea maternă) asupra organizării sinaptice în creierul adult. Prin urmare, Muhammad & Kolb (2011) a constatat că separarea maternă a crescut densitatea coloanei vertebrale în mPFC, OFC și NAcc la șobolanii adulți. Ceea ce urmează să fie determinat în urma stresului prenatal sau a copilului este modul în care aceste diferențe în schimbările sinaptice se referă la comportamentul ulterior sau la modul plastic în care neuronii vor fi răspunzători la alte experiențe cum ar fi relațiile complexe de locuințe, joacă sau infanter-părinți. Astfel de studii sunt sigur că vor fi studiile viitoare.

7. Flora intestinala

Imediat după naștere, mamiferele sunt rapid populate de o varietate de microbi indigeni. Acești microbi influențează dezvoltarea multor funcții ale corpului. De exemplu, microbiota intestinală are efecte sistemice asupra funcției hepatice (de exemplu, Björkholm și colab., 2009). Deoarece există o relație cunoscută între tulburările neurodezvoltării cum ar fi autismul și schizofrenia și infecțiile patogene microbiologice în timpul perioadei perinatale (de exemplu, Finegold și colab., 2002; Mittal, Ellman și Cannon, 2008), Diaz Heijtz și colab. (in presa) se întrebau dacă astfel de infecții ar putea altera dezvoltarea creierului și a comportamentului. Ei fac. Autorii au comparat masuratori atat cu comportamentul motor cat si cu creierul la soareci care s-au dezvoltat cu sau fara mucoasa normala normala. Autorii au descoperit ca bacteriile intestinului influenteaza caile de semnalizare, metabolismul neurotransmitator si productia de proteine ​​sinaptice legate in cortex si striat in dezvoltarea de soareci si aceste modificari au fost asociate cu schimbari in functiile motorii. Aceasta este o descoperire interesantă deoarece oferă o perspectivă asupra modului în care infecțiile în timpul dezvoltării ar putea altera dezvoltarea creierului și comportamentul ulterior al adulților.

8. Dietă

Există o literatură extensivă privind efectele dietelor restricționate cu proteine ​​și / sau calorice asupra dezvoltării creierului și a comportamentului (de exemplu, Lewis, 1990), dar se știe mult mai puțin despre efectele dietelor îmbunătățite asupra dezvoltării creierului. Se presupune, în general, că organismul se vindecă mai bine atunci când se administrează o nutriție bună, astfel încât este rezonabil să se prevadă că dezvoltarea creierului ar putea fi facilitată de suplimentele de vitamine și / sau minerale. Suplimentarea cu colină dietetică pe parcursul perioadei perinatale produce o varietate de modificări atât la comportament cât și la creier (Meck & Williams, 2003). De exemplu, suplimentarea cu colină perinatală duce la o memorie spațială îmbunătățită în diferite teste de navigație spațiale (de exemplu, Meck & Williams, 2003; Tees și Mohammadi, 1999) și crește nivelele de factor de creștere a nervilor (NGF) în hipocamp și neocortex (de exemplu, Sandstrom, Loy și Williams, 2002). Halliwell, Tees și Kolb (2011) au efectuat studii similare și au constatat că suplimentarea cu colină a mărit lungimea dendritică în cortexul cerebral și în neuronii piramidali hipocampali CA1.

Halliwell (2011) a studiat, de asemenea, efectele adăugării unui supliment de vitamină / minerale la alimentele de șobolani care alăptează. Ea a ales să utilizeze un supliment alimentar care a fost raportat pentru a îmbunătăți starea de spirit și agresivitatea la adulți și adolescenți cu diferite tulburări (Leung, Wiens și Kaplan, 2011) și a scăzut furia, nivelurile de activitate și retragerea socială în autism cu o creștere a spontaneității (Mehl-Madrona, Leung, Kennedy, Paul și Kaplan, 2010). Analiza descendenților adulți ai șobolanilor care alăptează a hrănit același supliment a găsit o creștere a lungimii dendritice în neuroni în mPFC și cortexul parietal, dar nu în OFC. În plus, dieta a fost eficientă pentru a inversa efectele stresului ușor prenatal asupra reducerii lungimii dendritice în OFC.

Multe lucruri rămân de învățat despre efectele restricției și suplimentelor alimentare asupra dezvoltării rețelelor și comportamentelor neuronale. Ambele proceduri modifică evoluția creierului, dar, ca și în mulți dintre ceilalți factori discutați aici, nu avem o imagine clară a modului în care experiențele timpurii vor interacționa cu experiențele ulterioare, cum ar fi medicamentele psihoactive, pentru a modifica creierul și comportamentul.

Concluzii

Înțelegerea noastră cu privire la natura dezvoltării normale a creierului a avansat mult în ultimii ani 30, dar tocmai începem să înțelegem câțiva factori care modulează această dezvoltare. Înțelegerea acestei modulații va fi esențială pentru a începe să dezvăluim puzzle-urile tulburărilor neurodezvoltării și să inițiem tratamentele timpurii pentru a bloca sau a inversa modificările patologice. O complicație evidentă este că experiențele nu sunt evenimente singulare, ci mai degrabă pe măsură ce trăim viața, experiențele interacționează pentru a modifica atât comportamentul, cât și creierul, proces numit adesea metaplastică.

Așa cum am discutat diverse schimbări dependente de experiență în creierul în curs de dezvoltare am folosit "creierul în dezvoltare" ca și cum ar fi fost o singură dată. Acest lucru nu este evident și nu există nicio îndoială că vom descoperi în cele din urmă că există ferestre critice de timp în care creierul în curs de dezvoltare este mai (sau mai puțin) receptiv decât în ​​alte momente. În plus, este posibil ca diferite regiuni cerebrale să prezinte ferestre critice diferite. Am constatat, de exemplu, că în cazul în care cortexul motor este rănit la adolescenta timpurie, există un rezultat slab față de același prejudiciu la adolescenta târzie (Nemati & Kolb, 2010). Curios, totuși, inversul este valabil pentru rănirea cortexului prefrontal. Sortarea ferestrelor critice dependente de mediul înconjurător va fi o provocare pentru următorul deceniu.

Ne-am concentrat aici asupra măsurilor de plasticitate sinaptică, dar cu siguranță recunoaștem că schimbările din plastic în organizarea creierului pot fi studiate la multe alte niveluri. În cele din urmă, mecanismul fundamental al schimbării sinaptice va fi găsit în expresia genelor. Dificultatea este că este probabil că experiențele care modifică comportamentul în mod semnificativ vor fi legate de schimbări în zeci sau sute de gene. Provocarea este de a identifica schimbările care sunt cel mai strâns asociate cu schimbările comportamentale observate.

Mulțumiri / conflicte de interese

Dorim să le mulțumim atât NSERC, cât și CIHR pentru sprijinul pe termen lung al studiilor legate de activitatea noastră discutată în această revizuire. De asemenea, îi mulțumim lui Cathy Carroll, Wendy Comeau, Dawn Danka, Grazyna Gorny, Celeste Halliwell, Richelle Mychasiuk, Arif Muhammad și Kehe Xie pentru contribuțiile lor la aceste studii.

Referinte

  • Anda RF, Felitti VJ, Bremner JD, Walker JD, Whitfield C, Perry BD, Giles WH. Efectele endemice ale abuzului și ale experiențelor adverse asociate în copilărie. O convergență a dovezilor din neurobiologie și epidemiologie. Arhivele Europene de Psihiatrie și Neuroștiințe Clinice. 2006; 256: 174-186. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Baranauskas G. Plasticitatea indusă de durere în măduva spinării. In: Shaw CA, McEachern J, editori. Spre o teorie a neuroplasticității. Philadelphia, PA: Psihologie; 2001. pp. 373-386.
  • Bell HC, Pellis SM, Kolb B. Experiența peer-juvenilă și dezvoltarea cortexului orbitofrontal și medial prefrontal. Cercetarea creierului comportamental. 2010; 207: 7-13. [PubMed]
  • Black JE, Kodish IM, Grossman AW, Klintsova AY, Orlovskaya D, Vostrikov V, Greenough WT. Patologia neuronilor piramidali ai stratului V în cortexul prefrontal al pacienților cu schizofrenie. Jurnalul American de Psihiatrie. 2004; 161: 742-744. [PubMed]
  • Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR. O nouă frontieră pentru neuroștiințe comportamentale de dezvoltare. În: Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR, editori. Oxford Manual de Neuroștiințe comportamentale de dezvoltare. New York, NY: Oxford University Press; 2010. pp. 1-6.
  • Björkholm B, Bok CM, Lundin A, Rafter J, Hibberd ML, Pettersson S. Microbiota intestinală reglează metabolismul xenobiotic în ficat. Plus unu. 2009; 4: e6958. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Cameron NM, Champagne FA, Carine P, Fish EW, Ozaki-Kuroda K, Meaney M. Programarea diferențelor individuale în răspunsurile defensive și strategiile de reproducere la șobolani prin variații în îngrijirea maternă. Neuroștiințe și recenzii biobehaviorale. 2005; 29: 843-865. [PubMed]
  • Comeau W, Hastings E, Kolb B. Efectul diferențial al FGF-2 prenatal și postnatal după leziunea corticală prefrontală mediană. Cercetarea creierului comportamental. 2007; 180: 18-27. [PubMed]
  • Comeau WL, McDonald R, Kolb B. Modificări induse de învățare în circuitele cortexului prefrontal. Cercetarea creierului comportamental. 2010; 214: 91-101. [PubMed]
  • Comeau W, Kolb B. Expunerea minorilor la blocurile de metilfenidat blochează mai târziu plasticitatea dependentă de experiență la vârsta adultă. 2011. Manuscris în prezentare.
  • Diaz Heijtz R, Kolb B, Forssberg H. Poate o doză terapeutică de amfetamină în timpul perioadei de pre-adolescență să modifice modelul organizării sinaptice în creier? European Journal of Neuroscience. 2003; 18: 3394-3399. [PubMed]
  • Diaz Heijtz R, Wang S, Anuar F, Qian Y, Björkholm B, Samuelsson A, Pettersson S. Microbiota intestinală normală modulează dezvoltarea și comportamentul creierului. Proceedings of the Academy of Science (SUA) (în presă). [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Eriksson PS, Perfi lieva E, Björk-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH. Neurogenesisul în hipocampul uman adult. Medicina naturala. 1998; 4: 1313-1317. [PubMed]
  • Fenoglio KA, Brunson KL, Baram TZ. Hipocampal neuroplasticitatea indusă de stresul timpuriu: aspecte funcționale și moleculare. Frontiere în neuroendocrinologie. 2006; 27: 180-192. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Fenoglio KA, Chen Y, Baram TZ. Neuroplasticitatea axei hipotalamo-hipofizo-adrenal la începutul vieții necesită recrutarea recurentă a regiunilor cerebrale care reglează stresul. Revista de Neuroștiințe. 2006; 26: 2434-2442. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Finegold SM, Molitoris D, Song Y, Liu C, Vaisanen ML, Bolte E, Kaul A. Studiile microflorei gastrointestinale la autism cu debut tardiv. Boli infecțioase clinice. 2002; 35 (Suppl 1): S6-S16. [PubMed]
  • Frost DO, Cerceo S, Carroll C, Kolb B. Expunerea precoce la Haloperidol sau Olanzapină determină modificări pe termen lung ale formei dendritice. Synapse. 2009; 64: 191-199. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Gibb R. Experiența perinatală și recuperarea din leziuni cerebrale. 2004. Teza de doctorat nepublicată, Universitatea din Lethbridge, Canada.
  • Gibb R, Gonzalez CLR, Wegenast W, Kolb B. Stimularea tactilă facilitează recuperarea după leziuni corticale la șobolanii adulți. Cercetarea creierului comportamental. 2010; 214: 102-107. [PubMed]
  • Giffin F, Mitchell DE. Rata de recuperare a vederii după deprivarea monoculară precoce la pisoi. Jurnalul de Fiziologie. 1978; 274: 511-537. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Goldstein JM, Seidman LJ, Horton NJ, Makris N, Kennedy DN, Cainess VS, Tsuang MT. Dimorfismul sexual normal al creierului uman adult, evaluat prin imagistica prin rezonanță magnetică in vivo. Cortex cerebral. 2001; 11: 490-497. [PubMed]
  • Gould E, Tanapat P, Hastings NB, Shors TJ. Neurogenesis la vârsta adultă: un rol posibil în procesul de învățare. Tendințe în știința cognitivă. 1999; 3: 186-192. [PubMed]
  • Greenough WT, Black JE, Wallace CS. Experiența și dezvoltarea creierului. Psihologia dezvoltării. 1987; 22: 727-252. [PubMed]
  • Greenough WT, Chang FF. Plasticitatea structurii sinapsei și a modelului în cortexul cerebral. În: Peters A, Jones EG, editori. Cortexul cerebral, Vol 7. New York, NY: Plenum Press; 1989. pp. 391-440.
  • Gregg CT, Shingo T, celulele stem Weiss S. Neural din precretele mamiferelor. Simpozion al Societății de Biologie Experimentală. 2001; 53: 1-19. [PubMed]
  • Halliwell CI. Intervenții de tratament în urma stresului prenatal și a leziunilor coronariene neonatale. 2011. Teza de doctorat nepublicată, Universitatea din Lethbridge, Canada.
  • Halliwell C, Tees R, Kolb B. Tratamentul cu colină prenatală îmbunătățește recuperarea de la traumele frontale perinatale la șobolani. 2011. Manuscris în prezentare.
  • Hamilton D, Kolb B. Nicotina, experiența și plasticitatea creierului. Neuroștiințe comportamentale. 2005; 119: 355-365. [PubMed]
  • Harlow HF, Harlow MK. Sistemele afecționale. În: Schier A, Harlow HF, Stollnitz F, editori. Comportamentul primatelor neumane. Voi. 2. New York, NY: Academic Press; 1965.
  • Hebb DO. Organizația de comportament. New York, NY: McGraw-Hill; 1949.
  • Hofer MA, Sullivan RM. Spre o neurobiologie de atașament. În: Nelson CA, Luciana M, editori. Manualul dezvoltării neurologiei cognitive. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. pp. 787-806.
  • Jacobs B, Scheibel AB. O analiză cantitativă dendritică a zonei lui Wernicke la oameni. I. Modificări ale duratei de viață. Jurnalul de Neurologie Comparativă. 1993; 327: 383-396. [PubMed]
  • Kempermann G, Gage FH. Noi celule nervoase pentru creierul adult. Scientific American. 1999; 280 (5): 48-53. [PubMed]
  • Kolb B. Plasticitatea și comportamentul creierului. Mahwah, NJ: Erlbaum; 1995.
  • Kolb B, Cioe J, Comeau W. Efectele contrastante ale sarcinilor de învățare motor și vizual asupra arborizării dendritice și a densității coloanei vertebrale la șobolani. Neurobiologia învățării și memoriei. 2008; 90: 295-300. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R. Stimularea tactilă facilitează recuperarea funcțională și modificarea dendritică după leziunile parietale frontale sau posterioare mediane neonatale la șobolani. Cercetarea creierului comportamental. 2010; 214: 115-120. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Gorny G. Schimbările dependente de experiență în densitatea arborelui dendritic și a coloanei vertebrale în neocortex variază în funcție de vârstă și de sex. Neurobiologia învățării și memoriei. 2003a; 79: 1-10. [PubMed]
  • Kolb B, Gorny G, Li Y, Samaha AN, Robinson TE. Amfetamina sau cocaina limitează capacitatea unei experiențe ulterioare de a promova plasticitatea structurală în neocortex și nucleul accumbens. Proceedings of the Academy of Science (SUA) 2003b; 100: 10523-10528. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Pearce S, Tanguay R. Expunerea prenatală la medicamentele eliberate pe bază de rețetă modifică recuperarea după leziuni cerebrale precoce la șobolani. Societatea pentru Rezumatele Neuroștiințelor. 2008; 349: 5.
  • Kolb B, Morshead C, Gonzalez C, Kim N, Shingo T, Weiss S. Creșterea factorului de creștere a țesutului cortical nou și recuperarea funcțională după afectarea accidentală a cortexului motor al șobolanilor. Jurnalul fluxului sanguin cerebral și metabolismului. 2007; 27: 983-997. [PubMed]
  • Kolb B, Stewart J. Diferențe legate de sex în ramificația dendritică a celulelor în cortexul prefrontal al șobolanilor. Jurnalul de Neuroendocrinologie. 1991; 3: 95-99. [PubMed]
  • Kolb B, Whishaw IQ. Fundamentele neuropsihologiei umane. Ediția 6. New York, NY: merită; 2009.
  • Leung BM, Wiens KP, Kaplan BJ. Suplimentarea prenatală cu micronutrienți îmbunătățește dezvoltarea mentală a copiilor? O revizuire sistematică. BCM Sarcina la naștere. 2011; 11: 1-12. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Lewis PD. Nutriția și dezvoltarea anatomică a creierului. In: van Gelder NM, Butterworth RF, Drujan BD, editori. (Mal) și creierul infantil. New York, NY: Wiley-Liss; 1990. pp. 89-109.
  • Liston C, Miller MM, Godwater DS, Radley JJ, Rocher AB, Hof PR, McEwen BS. Modificările induse de stres în morfologia dendritică cortexă prefrontală prezică deficiențe selective în schimbarea set-perceptivă perceptuală. Revista de Neuroștiințe. 2006; 26: 7870-7874. [PubMed]
  • Mattson MP, Duan W, Chan SL, Guo Z. In: Towards a theory of neuroplasticity. Shaw CA, McEachern J, editori. Philadelphia, PA: Psihologie; 2001. pp. 402-426.
  • Meck WH, Williams CL. Implicarea metabolică a colinei prin disponibilitatea ei în timpul gestației: Implicații pentru memorie și prelucrare atențională pe întreaga durată de viață. Neuroștiințe și recenzii biobehaviorale. 2003; 27: 385-399. [PubMed]
  • Mehl-Madrona L, Leung B, Kennedy C, Paul S, Kaplan BJ. Micronutrienți față de administrarea standard a medicamentelor în autism: Un studiu naturalist de control al cazurilor. Jurnalul de psihoafarmacologie adolescentă a copilului. 2010; 20: 95-103. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Mittal VA, Ellman LM, Cannon TD. Gene-interacțiune de mediu și covariate în schizofrenie: Rolul complicațiilor obstetricale. Schizofrenia Bulletin. 2008; 34: 1083-1094. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Muhammad A, Hossain S, Pellis S, Kolb B. Stimularea tactilă în timpul dezvoltării atenuează sensibilizarea amfetaminei și modifică morfologia neuronală. Neuroștiințe comportamentale. 2011; 125: 161-174. [PubMed]
  • Muhammad A, Kolb B. Stresul uscat prenatal modulează comportamentul și densitatea coloanei vertebrale neuronale fără a afecta sensibilizarea amfetaminei. Dezvoltarea neuroștiinței (în presă). [PubMed]
  • Muhammad A, Kolb B. Compensarea maternă a comportamentului modificat și a densității coloanei vertebrale neuronale fără a influența sensibilizarea amfetaminei. Cercetarea creierului comportamental. 2011; 223: 7-16. [PubMed]
  • Murmu M, Salomon S, Biala Y, Weinstock M, Braun K, Bock J. Schimbări în densitatea coloanei vertebrale și complexitatea dendritică în cortexul prefrontal la descendenții mamelor expuse la stres în timpul sarcinii. European Journal of Neuroscience. 2006; 24: 1477-1487. [PubMed]
  • Mychasiuk R, Gibb R, Kolb B. Stresul trecătorului prenatal induce schimbări neuroanatomice în cortexul prefrontal și hipocampul descendenților de șobolani în curs de dezvoltare. Cercetarea creierului. 2011; 1412: 55-62. [PubMed]
  • Myers MM, Brunelli SA, Squire JM, Shindledecker R, Hofer MA. Comportamentul matern al șobolanilor SHR în relația sa cu tensiunea arterială a puilor. Psihologia dezvoltării. 1989; 22: 29-53. [PubMed]
  • Nemati F, Kolb B. Leziunile cortexului motor au efecte comportamentale și anatomice diferite la șobolanii minori și adolescenți. Neuroștiințe comportamentale. 2010; 24: 612-622. [PubMed]
  • O'Hare ED, Sowell ER. Modificări imagistice ale evoluției substanței gri și albe în creierul uman. În: Nelson CA, Luciana M, editori. Manualul dezvoltării neurologiei cognitive. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. pp. 23-38.
  • Pellis SM, Hastings E, Takeshi T, Kamitakahara H, Komorowska J, Forgie ML, Kolb B. Efectele afectării cortexului frontal orbital asupra modulației răspunsurilor defensive ale șobolanilor în contexte sociale jucătoare și non-jucăușe. Neuroștiințe comportamentale. 2006; 120: 72-84. [PubMed]
  • Pellis S, Pellis V. Brainul jucăuș. New York, NY: publicații Oneworld; 2010.
  • Prusky GT, BD de argint, Tschetter WW, Alam NM, Douglas RM. Experiența plastică dependentă de deschiderea ochiului permite îmbunătățirea vizuală a mișcării de lungă durată, dependentă de cortexul vizual. Revista de Neuroștiințe. 2008; 28: 9817-9827. [PubMed]
  • Raison C, Capuron L, Miller AH. Citokinele cântă blues: Inflamația și patogeneza depresiei. Tendințe în imunologie. 2006; 27: 24-31. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Rampon C, Jiang CH, Dong H, Tang YP, Lockart DJ, Schultz PG, Hu Y. Efectele îmbogățirii mediului asupra exprimării genelor în creier. Procesele Academiei Naționale de Știință (SUA) 2000; 97: 12880-12884. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Robinson TE, Kolb B. Plasticitate structurală asociată cu droguri de abuz. Neuropharmacology. 2004; 47 (Suppl 1): 33-46. [PubMed]
  • Sandstrom NJ, Loy R, Williams CL. Suplimentarea cu colină prenatală crește nivelele NGF în hipocampus și cortexul frontal al șobolanilor tineri și adulți. Cercetarea creierului. 2002; 947: 9-16. [PubMed]
  • Schanberg SM, Field TM. Stresul deprivării senzoriale și stimularea suplimentară la șobolanul de șobolan și la nou-născutul prematur uman. Dezvoltarea copilului. 1987; 58: 1431-1447. [PubMed]
  • Sirevaag AM, Greenough WT. Un rezumat statistic multivariat al măsurilor de plasticitate sinaptică la șobolani expuși unor medii complexe, sociale și individuale. Cercetarea creierului. 1987; 441: 386-392. [PubMed]
  • Tees RC, Mohammadi E. Efectele suplimentării dietetice pe bază de colină neonatală asupra învățării spațiale și configurale a adulților la șobolani. Psihologia dezvoltării. 1999; 35: 226-240. [PubMed]
  • Teskey GC, Monfils MH, Silasi G, Kolb B. Inflamarea neocortică este asociată cu modificări opuse în morfologia dendritică în stratul neocortic V și striatum din stratul neocortic III. Synapse. 2006; 59: 1-9. [PubMed]
  • Teskey GC. Utilizând aprinderea pentru a modela modificările neuroplastice asociate cu învățarea și memoria, tulburările neuropsihiatrice și epilepsia. In: Shaw CA, McEachern JC, editori. Spre o teorie a neuroplasticității. Philadelphia, PA: Taylor și Francis; 2001. pp. 347-358.
  • van den Bergh BR, Marcoen A. Anxietatea maternă antenatală ridicată este legată de simptomele ADHD, de externalizarea problemelor și de anxietatea la vârstele 8 și 9. Dezvoltarea copilului. 2004; 75: 1085-1097. [PubMed]
  • Weaver ICG, Cervoni N, Șampanie FA, D'Alessio AC, Sharma S, Seckl JR, Dymov S, Szf M, Meaney MJ. Programarea epigenetică prin comportamentul matern. Natura Neuroștiință. 2004; 7: 847-854. [PubMed]
  • Weaver ICG, Meaney M, Szf M. Efectele îngrijirii materne asupra comportamentelor materne transcriptom și comportamentelor mediate de anxietate la descendenții care sunt reversibile la vârsta adultă. Procesele Academiei Naționale de Știință (SUA) 2006; 103: 3480-3486. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
  • Weinstock M. Consecințele pe termen lung ale comportamentului stresului prenatal. Neuroștiințe și recenzii biobehaviorale. 2008; 32: 1073-1086. [PubMed]
  • Wiesel TN, Hubel DH. Răspunsurile unice în cortexul striat de pisoi lipsiți de vederea într-un singur ochi. Revista de Neurofiziologie. 1963; 26: 1003-1017. [PubMed]