Plastičnost in vedenje možganov v razvoju možganov (2011)

J Can Acad Child Adolesc Psychiatry. 2011 november; 20 (4): 265 – 276.

Urednik za spremljanje: dr. Margaret Clarke in dr. Laura Ghali
Ta članek je bil citira drugi členi v PMC.

Minimalizem

Cilj:

Pregledati splošna načela razvoja možganov, opredeliti osnovna načela plastičnosti možganov in razpravljati o dejavnikih, ki vplivajo na razvoj možganov in plastičnost.

Metoda:

Opravljen je bil pregled literature v zvezi z razvojem možganov in plastičnostjo ustreznih angleških rokopisov.

Rezultati:

Razvoj možganov napreduje skozi vrsto stopenj, ki se začnejo z nevrogenezo in napredujejo do nevronske migracije, zorenja, sinaptogeneze, obrezovanja in tvorbe mielina. Opredeljenih je osem osnovnih principov plastičnosti možganov. Dokazi, da na razvoj in delovanje možganov vplivajo različni okoljski dogodki, kot so senzorični dražljaji, psihoaktivna zdravila, gonadni hormoni, odnosi med starši in otroki, odnosi z vrstniki, zgodnji stres, črevesna flora in prehrana.

Sklepi:

Razvoj možganov odraža več kot preprosto odvijanje genetskega načrta, ampak odraža kompleksen ples genetskih in izkustvenih dejavnikov, ki oblikujejo nastajajoče možgane. Razumevanje plesa zagotavlja vpogled v normalen in nenormalen razvoj.

ključne besede: razvoj možganov, možganska plastičnost, stimulacija okolja, epigenetika

Razvoj možganov odraža več kot preprosto odvijanje genetskega načrta, ampak odraža kompleksen ples genetskih in izkustvenih dejavnikov, ki oblikujejo nastajajoče možgane. Možgani, ki so izpostavljeni različnim okoljskim dogodkom, kot so senzorični dražljaji, zdravila, prehrana, hormoni ali stres, se tako lahko razvijejo na zelo različne načine. Cilj tega članka je pregledati načine, kako lahko možgane v razvoju oblikujejo številni pred- in postnatalni dejavniki. Začnemo s pregledom razvoja možganov, ki mu sledi kratek pregled principov plastičnosti možganov in končno preučitev, kako dejavniki vplivajo na razvoj možganov in vedenje odraslih. Ker večina tistega, kar vemo o plastičnosti možganov in vedenju v razvoju, izvira iz študij laboratorijskega podgane, se bo naša razprava osredotočila na podgana, vendar bo obravnavala ljudi, ko bo mogoče. Poleg tega bo razprava usmerjena v plastičnost cerebralnih struktur, saj večina tega, kar vemo o modulaciji razvoja možganov, temelji na raziskavah možganskega razvoja. Ni pa razloga, da bi verjeli, da se druge možganske strukture ne bodo spremenile na podoben način.

Razvoj možganov

Pred nekaj leti je rimski filozof Seneka 2000 predlagal, da je človeški zarodek odrasel v miniaturi, zato je naloga razvoja preprosto večja. Ta ideja je bila tako privlačna, da je bila široko verjel, dokler tudi v 19th stoletja. Postalo je očitno v zgodnjem 20-uth stoletja, da je razvoj možganov odražal vrsto stopenj, ki jih lahko zdaj razumemo kot široko razdeljene v dve fazi. Pri večini sesalcev prvi odseva genetsko določeno zaporedje dogodkov v maternici ki jih je mogoče prilagoditi z materinim okoljem. Druga faza, ki je pri ljudeh preadnatalna, je čas, ko je povezljivost možganov zelo občutljiva ne samo na okolje, temveč tudi na vzorce možganske aktivnosti, ki jih proizvajajo izkušnje. Še pomembneje pa je, da je zdaj priznano, da epigenetske spremembe, ki jih je mogoče opredeliti kot spremembe v razvojnih izidih, vključno z uravnavanjem izražanja genov, temeljijo na mehanizmih, ki niso same DNA (Blumberg, Freeman in Robinson, 2010). Na primer, izražanje genov se lahko spremeni s specifičnimi izkušnjami, kar lahko povzroči organizacijske spremembe v živčnem sistemu.

Faze razvoja možganov

Tabela 1 opisuje splošne faze, značilne za razvoj možganov pri vseh sesalcih. Celice, ki so namenjene za proizvodnjo živčnega sistema, se pri ljudeh začnejo tvoriti približno tri tedne po oploditvi. Te celice tvorijo nevralno cevko, ki je možganska vrtec in se kasneje imenuje subventrikularno območje. Celice, ki so namenjene tvorbi možganov, se začnejo deliti pri starosti približno šest tednov in do približno 14 tednov je možgani videti izrazito človeško, čeprav ne začnejo tvoriti sulci in gyri do približno sedmih mesecev. Večina nevrogeneze je popolna do petih mesecev, pri čemer je ena pomembna izjema celice v hipokampusu, ki v življenju še vedno oblikujejo nevrone. Za tvorbo možganske skorje človeka na vsaki polobli je potrebnih približno deset milijard celic. Te celice se hitro tvorijo in ocenjuje se, da se na svojem vrhuncu na minuto oblikujejo nevroni 250,000. Očitno je, da bi lahko kakršnekoli motnje v možganih v tem času imele pomembne posledice.

Tabela 1. 

Faze razvoja možganov

Ko se nevroni oblikujejo, se začnejo seliti vzdolž vlaknenih poti, ki jih tvorijo radialne glijske celice, ki segajo od subventrikularnega območja do površine možganske skorje (Slika 1). Zdi se, da subventriukularna cona vsebuje primitivno karto možganske skorje, ki predisponira celice, ki nastanejo v določeni subventrikularni regiji, da migrirajo na določeno kortikalno lokacijo. Ker se celice selijo, imajo neomejen potencial za celično usodo, vendar ko dosežejo svoj cilj, interakcijo genov, zorenje in okoljske vplive vse bolj usmerjajo v razlikovanje v določen tip celice. Ko celice dosežejo končni cilj, začnejo zoreti z: (1) rastočimi dendriti, da zagotovijo površino za sinapse z drugimi celicami; in (2), ki razširi aksone na ustrezne tarče, da sproži tvorbo sinapse.

Slika 1. 

Celice selijo iz subventrikularnega območja vzdolž radialne glije do njihove morebitne lokacije za odrasle (Kolb in Whishaw, 2009).

Nastanek dendritov se pri ljudeh začne prenatalno, a se po rojstvu nadaljuje še dolgo. Dendriti pri novorojenčkih se začnejo kot posamezni procesi, ki štrlijo iz celičnega telesa, in se v naslednjih dveh letih razvijejo ti procesi in oblikujejo se bodice, ki so lokacija večine vzbujevalnih sinaps. Dendritična rast je počasna, reda velikosti mikrometrov na dan. Axons rastejo okoli 1000 krat hitreje, in sicer približno 1 mm na dan. Ta diferencialna hitrost rasti je pomembna, ker lahko hitreje rastoči aksoni kontaktirajo tarčne celice, preden se dendriti te celice popolnoma oblikujejo. Posledično lahko aksoni vplivajo na dendritično diferenciacijo in nastanek možganskih vezij.

Oblikovanje sinapse v možganski skorji človeka predstavlja velik izziv, skupaj več kot 100,000 trilijonov (10)14). Tega ogromnega števila ne bi bilo mogoče določiti z genetskim programom, temveč bodo genetsko vnaprej določeni le splošni načrti nevronskih povezav v možganih. Velika množica sinaps je tako vodena na mesto z različnimi okoljskimi znaki in signali. Kot bomo videli, lahko manipulacija različnih vrst znakov in signalov povzroči dramatične razlike v cerebralnem vezju.

Zaradi negotovosti glede števila nevronov, ki bodo dosegli njihovo ustrezno destinacijo in primernosti povezav, ki jih tvorijo, možgani prekomerno producirajo nevrone in povezave med razvojem, pri čemer je vrh sinapse med eno in dvema letoma, odvisno od območje skorje. Tako kot kipar, ki ustvarja kip s kamnitim blokom in dletom za odstranjevanje nezaželenih delov, imajo možgani vzporedni sistem, v katerem se s celično smrtjo in sinaptičnim obrezovanjem odstranijo nepotrebne celice in povezave. Metaforična dleta v možganih so lahko številnih oblik, vključno z neko vrsto epigenetskega signala, široko paleto izkušenj, gonadnih hormonov in celo stresa.

Učinek te izgube celic in sinaptične obrezovanja je mogoče opaziti v spremembah v debelini skorje skozi čas. To pomeni, da skorja dejansko postane izmerljivo tanjša v kavdalno-rostralnem gradientu, ki se začne približno med dvema letoma in se nadaljuje vsaj do 20 let. Možno je, da korelacijsko korenino koreliramo z vedenjskim razvojem. Na primer, rezultati MRI študij sprememb v debelini kortikala so pokazali, da je povečanje motorične spretnosti povezano z zmanjšanjem debeline kortikalne ploskve v predelu levega motornega korteksa pri desničarjih (O'Hare & Sowell, 2008). Ena izjema za tanjše je boljše pravilo v razvoju nekaterih, vendar ne vseh, jezikovnih procesov. Tako so študije MRI pokazale, da je odebeljenost leve spodnje frontalne skorje (grobo območje Broca) povezana z izboljšano fonološko obdelavo (tj. Razumevanje zvokov govora). Ta edinstvena povezava med debelino skorje in obnašanjem ni značilna za jezikovne funkcije na splošno. Na primer, razvoj besedišča je povezan z zmanjšano debelino skorje v razpršenih kortikalnih regijah (O'Hare & Sowell, 2008).

Razmerje med debelino skorje in vedenjskim razvojem je verjetno razlaga za varianco v razvoju vedenjskih veščin pri otrocih. Na primer, upočasnjen razvoj jezika pri otrocih z normalno inteligenco in motorično spretnostjo (približno 1% otrok) je lahko posledica počasnejših sprememb kortikalne debeline. Zakaj je to morda neznano.

Končna faza razvoja možganov je glijalni razvoj, ki tvori mielin. Rojstvo astrocitov in oligodendrocitov se začne, ko je večina nevrogeneze popolna in se nadaljuje vse življenje. Čeprav aksoni centralnega živčevja lahko delujejo pred mielinacijo, se normalna odrasla funkcija doseže šele po popolni mielinaciji, ki je po starosti 18 let v regijah, kot so prefrontalna, posteriorna parietalna in anteriorna temporalna skorja.

Razvoj možganov je torej sestavljen iz kaskade dogodkov, ki se začnejo z mitozo in končajo z nastankom mielina. Učinek možganskih motenj in izkušenj bo zato odvisen od natančne faze razvoja možganov. Ne smemo biti presenečeni, na primer, da bi izkušnje in / ali motnje med mitozo imele precej različne učinke kot podobni dogodki med sinaptogenezo ali kasneje med obrezovanjem. Izkušnje v bistvu delujejo na zelo različne možgane na različnih stopnjah razvoja.

Posebnosti razvoja možganov

Dve značilnosti razvoja možganov sta še posebej pomembni za razumevanje, kako lahko izkušnje spremenijo kortikalno organizacijo. Prvič, celice, ki obdajajo subventrikularno območje, so izvorne celice, ki ostanejo aktivne vse življenje. Te izvorne celice lahko proizvedejo živčne ali glijalne matične celice, ki se lahko celo v odrasli dobi preselijo v možgansko belo ali sivo snov. Te celice lahko ostanejo mirujoče na teh lokacijah dalj časa, vendar se lahko aktivirajo za proizvodnjo nevronov in / ali glije. Vloga teh celic je trenutno slabo razumljena, vendar verjetno tvori osnovo vsaj ene oblike postnatalne nevrogeneze, zlasti po poškodbi (npr. Gregg, Shingo in Weiss, 2001; Kolb et al., 2007). Poleg tega lahko možgani sesalcev, vključno z možgani primatov, v odrasli dobi ustvarijo nevrone, ki so namenjeni za vohalne čebulice, tvorbo hipokampusa in morda tudi druge regije (npr. Eriksson et al., 1998; Gould, Tanapat, Hastings in Shors, 1999; Kempermann & Gage, 1999). Funkcionalna vloga teh celic je še vedno sporna, na njihovo generacijo pa lahko vplivajo številni dejavniki, vključno z izkušnjami, zdravili, hormoni in poškodbami.

Druga posebnost je, da dendriti in trni kažejo izjemno plastičnost kot odziv na izkušnje in lahko tvorijo sinapse v urah in morda celo minutah po nekaj izkušnjah (npr. Greenough & Chang, 1989). Na prvi pogled se zdi, da je to v nasprotju s postopkom prekomerne proizvodnje sinap, ki ji sledi prej opisana sinaptična obrezovanje. Ključna točka je, da čeprav je sinaptična obrezovanje pomembna značilnost razvoja možganov, možgani še naprej oblikujejo sinapse med življenjem in so ti sinapsi potrebni za procese učenja in spomina. Greenough, Black in Wallace (1987) trdili so, da obstaja temeljna razlika med procesi, ki urejajo nastanek sinaps v zgodnjem razvoju možganov, in tistimi, ki so nastali med kasnejšim razvojem možganov in odraslostjo. Natančneje, trdijo, da zgodnje oblikovanje sinapse "pričakuje" izkušnje, ki delujejo tako, da jih obrezujejo nazaj. Ti sinapsi imenujejo "izkušnje-pričakovano" in ugotavljajo, da so najdeni difuzno po cerebrumu. V nasprotju s tem pa je kasnejše oblikovanje sinapse bolj osredotočeno in lokalizirano na regije, ki sodelujejo pri obdelavi posebnih izkušenj. Označujejo te sinapse kot "odvisne od izkušenj". Enega radovednega vidika učinkov, ki so odvisni od izkušenj na sinapsah, je, da ne samo, da specifične izkušnje vodijo do selektivne tvorbe sinapse, ampak tudi do selektivne sinaptične izgube. Tako izkušnje spreminjajo nevronske mreže z dodajanjem in rezanjem sinaps. To nas pripelje do vprašanja plastičnosti možganov.

Splošna načela plastičnosti v normalnem možganu

Preden se lotimo izkušenj, ki vplivajo na plastičnost možganov, moramo na kratko pregledati več ključnih načel plastičnosti v normalnih možganih.

1. Spremembe v možganih so lahko prikazane na več ravneh analize

Sprememba v obnašanju mora zagotovo izhajati iz nekaterih sprememb v možganih, vendar obstajajo številni načini za raziskovanje teh sprememb. Spremembe lahko sklepamo iz globalnih ukrepov možganske dejavnosti, kot so na primer v različnih oblikah vivo takšne spremembe so daleč od molekularnih procesov, ki jih poganjajo. Globalne spremembe verjetno odražajo sinaptične spremembe, toda sinaptične spremembe so posledica več molekularnih sprememb, kot so spremembe kanalov, izražanje genov in tako naprej. Problem pri proučevanju plastičnosti možganov je izbrati nadomestni marker, ki najbolj ustreza vprašanju. Spremembe v kalcijevih kanalih so lahko idealne za preučevanje sinaptičnih sprememb pri določenih sinapsah, ki so lahko povezane z enostavnim učenjem, vendar so nepraktične za razumevanje spolnih razlik pri obdelavi jezika. Slednje bi bilo najbolje preučiti vivo slikovna ali postmortemska analiza morfologije celic (npr. Jacobs & Scheibel, 1993). Ustrezna raven mora biti usmerjena na obravnavano raziskovalno vprašanje. Študije, ki preučujejo strategije za spodbujanje funkcionalnega izboljšanja po poškodbi, najpogosteje uporabljajo anatomsko (celična morfologija in povezljivost), fiziološka (kortikalna stimulacija) in vivo slikanje. Vsaka od teh ravni je lahko povezana z vedenjskimi izidi v človeških in nečloveških študijah, medtem ko se je več molekularnih ravni izkazalo za veliko težje povezati z vedenjem in zlasti z duševnim vedenjem.

2. Različni ukrepi nevronske morfologije se spremenijo neodvisno drug od drugega in včasih v nasprotnih smereh

V literaturi obstaja težnja, da vidimo različne nevronske spremembe kot nadomestke druga drugi. Eden od najpogostejših je domneva, da spremembe v gostoti hrbtenice odražajo spremembe dendritične dolžine in obratno. Izkazalo se je, da ni tako, saj se lahko oba ukrepa razlikujejo neodvisno in včasih v nasprotni smeri (npr. Comeau, McDonald in Kolb, 2010; Kolb, Cioe in Comeau, 2008). Poleg tega lahko celice v različnih slojih skorje, vendar v istih domnevnih stolpcih, pokažejo zelo različne odzive na iste izkušnje (npr. Teskey, Monfils, Silasi in Kolb, 2006).

3. Spremembe, ki so odvisne od izkušenj, so običajno osrednje

Čeprav se nagibajo k razmišljanju o plastičnih spremembah kot odzivu na izkušnje kot razširjene po možganih, je to le redko. Na primer, psihoaktivna zdravila lahko povzročijo velike vedenjske spremembe in imajo zelo razširjene akutne učinke na nevrone, kronične plastične spremembe pa so presenetljivo žariščne in večinoma omejene na prefrontalni korteks in nukleus akumbens (npr. Robinson & Kolb, 2004). Zato morajo raziskovalci skrbno razmisliti, kje naj bodo najboljša mesta za posebne izkušnje. Neuspeh pri iskanju sinaptičnih sprememb, ki so povezane s spremembo vedenja, ni dokaz odsotnosti sprememb.

4. Plastične spremembe so odvisne od časa

Morda so največje spremembe v sinaptični organizaciji mogoče videti kot odziv na postavitev laboratorijskih živali v kompleksna (tako imenovana »obogatena«) okolja. Tako se pojavljajo razširjene spremembe skozi senzorično in motorično skorjo. Zdi se, da te spremembe kljubujejo načelu, da so spremembe, ki so odvisne od izkušenj, osrednja, vendar je splošnost sprememb verjetno posledica globalne narave izkušenj, vključno z izkušnjami, kot so razpršene, kot vizualne, otipljive, slušne, vohalne, motorične in družbene izkušnje. Vendar te plastične spremembe niso vse trajne in se lahko sčasoma dramatično spremenijo.

Na primer, ko so podgane postavljene v kompleksnih okoljih, je prehodno povečanje dendritične dolžine v prefrontalnem korteksu, ki se lahko vidi po štirih dneh kompleksnega bivališča, vendar je izginilo po 14 dneh. Nasprotno pa po štirih dneh ni opaznih sprememb v senzorični skorji, vendar so jasne in na videz trajne spremembe po 14 dneh (Comeau et al., 2010).

Možnost, da obstajajo različne kronične in prehodne spremembe v cerebralnih nevronih, odvisne od izkušenj, je skladna z genetskimi raziskavami, ki kažejo, da obstajajo različni geni, izraženi akutno in kronično kot odziv na kompleksna okolja (npr. Rampon et al., 2000). Razlika v tem, kako so prehodne in trdovratne spremembe v nevronskih mrežah povezane z vedenjem, ni znana.

5. Spremembe, odvisne od izkušenj, medsebojno delujejo

Ljudje imajo doživljenjsko izkušnjo, ki se začne prednastavljivo in se nadaljuje do smrti. Te izkušnje medsebojno delujejo. Na primer, pri laboratorijskih podganah smo pokazali, da če so živali izpostavljene psihomotornim stimulansom bodisi kot mladiči ali kot odrasle osebe, imajo poznejše izkušnje precej oslabljen (ali včasih tudi odsoten) učinek. Na primer, kadar podganam dajemo metilfenidat kot nedorasle ali amfetamine kot odrasle in nato kasneje postavimo v kompleksna okolja ali usposobimo na učne naloge, se kasneje spremenijo izkušnje odvisne spremembe. Presenetljivo je, da čeprav zdravila ne kažejo nobenega očitnega neposrednega učinka na senzorične kortikalne regije, predhodna izpostavljenost preprečuje pričakovane spremembe v teh regijah (npr. Kolb, Gibb in Gorny, 2003a). Te interakcije z izkušnjami z drogami pa niso enosmerne. Ko so breje podgane dobile blagi stresor za minute 20 dvakrat na dan v obdobju največje možganske nevrogeneze v potomcih (embrionalni dnevi 12 – 18), njihovi potomci kažejo spremembe, povezane s stresom, v gostoti hrbtenice v prefrontalnem skorjem brez učinkov, povezanih z drogami (Muhammad & Kolb, v tisku a). Ni jasno, zakaj je popolna odsotnost učinkov, povezanih z drogami, ali kaj to pomeni za odvisnost, vendar kaže, da izkušnje vplivajo na učinke na možgane.

7. Plastične spremembe so odvisne od starosti

Na splošno se domneva, da bodo razvijajoči se možgani bolj odzivni na izkušnje kot odrasli ali starajoči se možgani. To je vsekakor pravilno, vendar je še ena pomembna gubica: v možganih so kakovostno različne spremembe v odgovor na to, kar se zdi, da je ista izkušnja v različnih starostnih obdobjih. Na primer, ko smo podgane, odrasle ali starejše podgane postavili v kompleksno okolje, so vse skupine pokazale velike sinaptične spremembe, vendar so bile presenetljivo drugačne. Natančneje, medtem ko smo pričakovali povečanje gostote hrbtenice kot odziv na kompleksna stanovanja, je to veljalo le za odrasle in starajoče se podgane. Podgane, ki so bile postavljene v okolju, ko so mladiči pokazali a zmanjša v gostoti hrbtenice (Kolb et al., 2003a). Podoben padec gostote hrbtenice je bil ugotovljen v poznejših študijah, v katerih so novorojenčkom podgano dali taktilno stimulacijo z mehko krtačo za 15 minut, trikrat na dan v prvih desetih dneh življenja, vendar ne, če je stimulacija v odrasli dobi (Gibb, Gonzalez, Wagenest in Kolb, 2010; Kolb & Gibb, 2010). Starostno odvisna narava sinaptičnih sprememb je očitno pomembna za razumevanje, kako izkušnje spreminjajo možgane.

8. Ni vsa plastičnost dobra

Čeprav je splošna bistvo literature, da plastične spremembe v možganih podpirajo izboljšane motorične in kognitivne funkcije, plastične spremembe lahko vplivajo tudi na vedenje. Dober primer so spremembe, ki jih povzroča zdravilo, ki se kažejo kot odziv na psihomotorične stimulanse (npr. Robinson & Kolb, 2004). Smiselno je predlagati, da lahko nekatera maladaptivna obnašanja odvisnikov od drog nastanejo zaradi sprememb v prefrontalni morfologiji živčevja. Obstaja veliko drugih primerov patološke plastičnosti, vključno s patološko bolečino (Baranauskas, 2001), patološki odziv na bolezen (\ tRaison, Capuron in Miller, 2006), epilepsija (Teskey, 2001), shizofrenija (Black et al., 2004) in demenca (Mattson, Duan, Chan in Guo, 2001).

Čeprav ni veliko študij o patološki plastičnosti v možganih v razvoju, je očiten primer motnja spektra fetalnega alkohola. Drug primer so učinki hudega prenatalnega stresa, za katerega se je pokazalo, da izrazito zmanjšuje kompleksnost nevronov v prefrontalnem korteksu (npr. Murmu et al., 2006) in lahko vplivajo na normalne kognitivne in motorične funkcije tako v razvoju kot tudi v odrasli dobi (npr. Halliwell, 2011). Čeprav so mehanizmi, na katerih temeljijo te spremembe, slabo razumljeni, je znano, da lahko zgodnji postnatalni stres spremeni izražanje genov v možganih (Weaver et al., 2004; Weaver, Meaney in Szf, 2006).

Dejavniki, ki vplivajo na razvoj možganov

Ko so raziskovalci začeli preučevati spremembe, ki so odvisne od izkušenj v razvoju možganov v 1950 in 1960, je bila naravna predpostavka, da bodo spremembe v razvoju možganov očitne le kot odgovor na precej velike spremembe v izkušnjah, kot so dvig v temi. V zadnjih 20 letih je postalo jasno, da lahko tudi precej neškodljive izkušnje močno vplivajo na razvoj možganov in da je obseg izkušenj, ki lahko spremenijo razvoj možganov, veliko večji, kot so nekoč verjeli (glej Tabela 2). Poudarili bomo nekatere najbolj preučene učinke.

Tabela 2. 

Dejavniki, ki vplivajo na razvoj in delovanje možganov

1. Senzorične in motorične izkušnje

Najenostavnejši način za manipulacijo izkušenj po starostih je primerjava možganske strukture pri živalih, ki živijo v standardnem laboratorijskem kletku, z živalmi, ki se nahajajo v zelo osiromašenih okoljih ali tako imenovanih obogatenih okoljih. Vzgoja živali v prikrajšanih okoljih, kot so v temi, tišini ali socialni izolaciji, očitno zavira razvoj možganov. Na primer, pasji mladički, ki so vzgojeni sami, kažejo širok razpon vedenjskih nepravilnosti, vključno z virtualno neobčutljivostjo na boleče izkušnje (Hebb, 1949). Podobno je vzgoja tako raznolikih živali, kot so opice, mačke in glodalci, v mraku močno motila razvoj vizualnega sistema. Morda so najbolj znane študije prikrajšanosti Weisel in Hubel (1963) ki so zaprli en vek mačk in kasneje pokazali, da je bila ob odprtju očesa trajna izguba vida (ambliopija) (npr. Giffin in Mitchell, 1978). Šele v zadnjem času pa so raziskovalci obravnavali nasprotni pojav, namreč dajanje živali obogatenim vizualnim izkušnjam, da bi ugotovili, ali bi se lahko vid izboljšal. V eni elegantni študiji, Prusky et al. (Prusky, Silver, Tschetter, Alam in Douglas, 2008) uporabili novo obliko vizualne stimulacije, pri kateri so podgane postavili v virtualni optokinetični sistem, v katerem so se navpične črte različnih prostorskih frekvenc gibale mimo živali. Če so oči odprte in usmerjene proti gibljivi rešetki, je za živali, vključno s človekom, nemogoče, da bi se izognili sledenju gibljivih linij, če je prostorska frekvenca znotraj zaznavnega območja. Avtorji so živali namestili v aparaturo približno dva tedna po dnevu odpiranja oči (postnatalni dan 15). Pri testiranju vidne ostrine v odrasli dobi so živali pokazale okrepitev vidne ostrine glede 25% v primerjavi z živalmi brez zgodnjega zdravljenja. Lepota Pruskyjeve študije je, da izboljšana vizualna funkcija ni temeljila na specifičnem usposabljanju, na primer pri učenju problema, ampak se je pojavljalo naravno kot odziv na izboljšan vizualni vnos.

Poskušali smo izboljšati taktilno izkušnjo z uporabo postopka, ki ga je najprej pripravil Schanberg in polje (1987). V teh študijah so otrokom podganam dali taktilno stimulacijo z majhno krtačo za 15 minut trikrat na dan za dneve 10 – 15, ki se začnejo ob rojstvu. Ko so dojenčki preučevali v odrasli dobi, so pokazali izboljšano zmogljivost motorjev in prostorsko učenje ter spremembe sinaptične organizacije po možganski skorji (npr. Kolb & Gibb, 2010). Čeprav natančen mehanizem delovanja taktilne stimulacije ni znan, smo pokazali, da taktilna stimulacija vodi v povečanje produkcije nevrotrofnega faktorja, fibroblastnega rastnega faktorja 2 (FGF-2) v koži in možganih (Gibb, 2004). Znano je, da ima FGF-2 vlogo pri normalnem razvoju možganov in lahko stimulira okrevanje po perinatalni možganski poškodbi (npr. Comeau, Hastings in Kolb, 2007). Ekspresija FGF-2 se prav tako poveča kot odziv na različna zdravljenja, vključno z obogatenimi stanovanji in psihoaktivnimi zdravili, ki obe stimulirajo plastične spremembe v možganih (glej spodaj).

Drug način za izboljšanje senzoričnih in motoričnih funkcij je, da se živali postavijo v zapletena okolja, v katerih je živalim omogočena interakcija s spreminjajočim se senzoričnim in družbenim okoljem ter da se ukvarjajo z veliko večjo motorično aktivnostjo kot redna kletka. Takšne študije so odkrile velik razpon nevronskih sprememb, povezanih s to obliko »obogatitve«. To vključuje povečanje velikosti možganov, debelino skorje, velikost nevrona, dendritično razvejanost, gostoto hrbtenice, sinapse na nevron, glijne številke in kompleksnost ter vaskularno arborizacijo (npr Greenough & Chang, 1989; Siervaag & Greenough, 1987). Velikosti teh sprememb ne smemo podcenjevati. Na primer, v naših lastnih študijah o vplivu nastanitve mladih podgan za 60 dni v obogatenih okoljih zanesljivo opazujemo spremembe v skupni teži možganov po vrstnem redu 7 – 10% (npr. Kolb, 1995). To povečanje telesne mase odraža povečanje števila glije in krvnih žil, velikosti nevronske some, dendritičnih elementov in sinaps. Težko bi bilo oceniti skupno število povečanih sinaps, vendar je verjetno v vrstnem redu 20% v skorji, kar je izredna sprememba. Pomembno je, da čeprav takšne študije kažejo spremembe, odvisne od izkušenj, v vsaki starosti, sta dve nepričakovani gubici. Prvič, odrasli podgani v kateri koli starosti kažejo veliko povečanje dendritične dolžine in gostote hrbtenice v večini možganske skorje, medtem ko mladiči podgane kažejo podobno povečanje v dendritični dolžini a zmanjša v gostoti hrbtenice. Mlade živali kažejo kvalitativno drugačno spremembo porazdelitve sinaps na piramidnih nevronih v primerjavi s starejšimi živalmi (Kolb et al., 2003a). Drugič, ko so bile noseče matere v kompleksnih okoljih osem ur na dan pred nosečnostjo in nato v celotnem triletnem obdobju brejosti, je analiza odraslih možganov njihovih otrok pokazala: zmanjša v dendritični dolžini in povečanje v gostoti hrbtenice. Tako ne obstaja le učinek prenatalna izkušnje, vendar je bil učinek kvalitativno drugačen od izkušenj bodisi v obdobju mladostništva ali odraslosti. Zanimivo je, da vse spremembe v odzivu na kompleksna stanovanja vodijo do okrepljenih kognitivnih in motoričnih funkcij.

V teh študijah so tri jasna sporočila. Prvič, širok razpon senzoričnih in motoričnih izkušenj lahko povzroči dolgotrajne plastične spremembe v možganih. Drugič, ista izkušnja lahko različno spreminja možgane v različnih starostih. Tretjič, med razvojem sinaptične plastičnosti in obnašanja ni preproste povezave. Vsekakor pa je gotovo, da imajo te zgodnje izkušnje močan učinek na možgansko organizacijo tako med razvojem kot tudi v odrasli dobi.

2. Psihoaktivne droge

Že dolgo je znano, da je zgodnja izpostavljenost alkoholu škodljiva za razvoj možganov, vendar je bilo pred kratkim dokazano, da lahko druge psihoaktivne droge, vključno z zdravili na recept, dramatično spremenijo razvoj možganov. Robinson in Kolb (2004) Ugotovili so, da je izpostavljenost psihomotornim stimulansom v odrasli dobi povzročila velike spremembe v strukturi celic v PFC in nucleus accumbens (NAcc). Natančneje, ker so ta zdravila (amfetamin, kokain, nikotin) povzročila povečanje dendritične dolžine in gostote hrbtenice v medialnem prefrontalnem korteksu (mPFC) in NAcc, je prišlo bodisi do zmanjšanja teh ukrepov v orbitalni frontalni skorji (OFC), ali v nekaterih primerih , ni sprememb. Kasneje so pokazali, da skoraj vsak razred psihoaktivnih zdravil povzroča spremembe v PFC in da so učinki v obeh predfarnih regijah dosledno različni. Glede na to, da so možgani, ki se razvijajo, pogosto izpostavljeni psihoaktivnim zdravilom, bodisi v maternici ali med postnatalnim razvojem, smo vprašali, kakšne učinke bodo imela ta zdravila na razvoj kortikalnega sistema.

Naše prve študije so proučevale učinke amfetamina ali metilfenidata, ki so bili dani v mladostniškem obdobju (npr. Diaz, Heijtz, Kolb in Forssberg, 2003). Obe zdravili sta spremenili organizacijo PFC. Dendritične spremembe so bile povezane z nenormalnim igralnim obnašanjem pri podganah, zdravljenih z zdravilom, saj so pokazale zmanjšano iniciacijo igranja v primerjavi s igralkami, ki so bile zdravljene s fiziološko raztopino soli, kot tudi oslabljeno delovanje testa delovnega spomina. Tako se zdi, da psihomotorični stimulansi spreminjajo razvoj PFC, kar se kaže v vedenjskih anomalijah na prefrontalnem vedenju, ki je kasneje v življenju.

Otroci so lahko izpostavljeni tudi zdravilom na recept v maternici ali poporodno. Tri najpogosteje predpisane skupine zdravil so antipsihotiki, antidepresivi in ​​anksiolitiki. Vsi trije imajo dramatične učinke na razvoj skorje. Frost, Cerceo, Carroll in Kolb (2009) analizirali dendritično arhitekturo pri odraslih miših, zdravljenih z paradigmatskimi tipičnimi (haloperidol) ali atipičnimi (olanzapin) antipsihotičnimi zdravili, v razvojnih fazah, ki ustrezajo stopnjam fetusa (postnatalni dnevi 3-10) ali fetalnih in zgodnjih otroških (postnatalnih dni 3-20) pri ljudeh. Oba zdravila sta povzročila zmanjšanje dendritične dolžine, dendritične kompleksne razvejanosti in gostote hrbtenice v obeh medialnih prefrontalnih in orbitalnih skorjih. V poznejši študiji, ki je uporabljala podgane, so avtorji pokazali prizadetost nevropsiholoških nalog, povezanih s PFC, kot je delovni spomin.

V vzporednih sklopih študij smo preučili vpliv prenatalne izpostavljenosti diazepamu ali fluoksetinu pri podganah (Kolb, Gibb, Pearce in Tanguay, 2008). Oba zdravila vplivata na možganski in vedenjski razvoj, vendar na nasprotne načine. Prenatalna diazepam je povečala dendritično dolžino in gostoto hrbtenice v piramidnih celicah parietalne skorje, kar je bilo povezano z izboljšanimi motoričnimi funkcijami. V nasprotju s tem je fluoksetin zmanjšal dendritične ukrepe in to je bilo povezano z motnjami pri prostorskem učenju v odrasli dobi.

Dodatno vprašanje je, ali lahko zgodnja izpostavljenost psihoaktivnim zdravilom spremeni plastičnost možganov pozneje v življenju. Pred tem smo pokazali, da če se odraslim podganam da amfetamin, kokain ali nikotin in nato kasneje dajo v kompleksna okolja, je bila blokirana nevronska plastičnost (Hamilton & Kolb, 2005; Kolb, Gorny, Samaha in Robinson, 2003b). V kasnejši študiji smo dali mlajšim podganam metilfenidat, nato pa smo v odrasli dobi te živali postavili v kompleksna okolja in znova ugotovili, da je zgodnja izpostavljenost zdravilu blokirala pričakovane spremembe v korteksu, ki so odvisne od izkušenj (Comeau & Kolb, 2011). Poleg tega smo v vzporedni študiji pokazali, da je izpostavljenost mladostnemu metilfenidatu poslabšala uspešnost na nevropsiholoških nalogah, občutljivih na prefrontalno delovanje.

Skratka, izpostavljenost obema zdravil na recept in zlorabi drog močno vpliva na prefrontalni razvoj in na prefrontalno povezano vedenje. Zdi se, da so ti učinki dolgotrajni ali trajni in lahko vplivajo na plastičnost možganov v odrasli dobi. Nepričakovani resni učinki zdravil na recept na možgane in vedenjski razvoj so nedvomno pomembni pri razvoju možganov pri človeku. Jasno je, da ni preprosto zahtevati, ali je treba nosečim materam z resno depresijo, psihozo ali anksioznimi motnjami predpisati zdravila, glede na to, da so ti vedenjski pogoji verjetno vplivali na razvoj možganov pri dojenčku in še posebej v obsegu, v katerem so patološke matere interakcije dojenčkov. Vendar pa raziskave kažejo, da je treba takšna zdravila uporabljati v tako nizki učinkoviti dozi, kot jo je mogoče uporabiti, in ne le za njihove "pomirjujoče" učinke na mater z blago anksioznostjo.

3. Gonadni hormoni

Najočitnejši učinek izpostavljenosti gonadnim hormonom med razvojem je diferenciacija genitalij, ki se začne prednatalno. V tem primeru proizvodnja moškega testosterona vodi do razvoja moških genitalij. Kasneje v življenju tako estrogen kot tudi testosteron vplivata na receptorje v mnogih delih telesa, vključno z možgani. MRI študije razvoja človeških možganov so pokazale velike razlike v stopnji razvoja možganov obeh spolov (O'Hare & Sowell, 2008). Natančneje, celotni volumen možganov doseže asimptote pri ženskah okoli starosti 11 in 15 pri moških in ženskah. Toda v možganih obstaja več spolnega dimorfizma kot stopnja zorenja. Na primer, Kolb in Stewart (1991) pri podganah so pokazali, da imajo nevroni v mPFC večja dendritična polja pri moških in da imajo nevroni v OFC večje celice pri samicah. Te razlike so izginile, ko so bile živali pri rodu gonadektomirane. Podobno, Goldstein et al. (2001) je opravil celovito oceno volumna 45 različnih možganskih regij z MRI skeniranjem zdravih odraslih oseb. Obstajajo razlike v volumnu glede na celotni možganski volumen, kar še posebej velja za PFC: samice imajo relativno večji volumen dorsolateralne PFC, medtem ko imajo samci relativno večji volumen OFC. Ta spolni dimorfizem je povezan z relativno visokimi regionalnimi nivoji spolnih steroidnih receptorjev v zgodnjem življenju pri laboratorijskih živalih. Tako se pojavlja pri ljudeh in laboratorijskih živalih, da gonadni hormoni spreminjajo kortikalni razvoj. To je še posebej pomembno, če menimo, da so učinki drugih izkušenj, kot so izpostavljenost kompleksnim bivališčem ali psihomotoričnim stimulansom, tudi spolno dimorfni. Zdi se verjetno, da lahko številne druge razvojne izkušnje različno spremenijo ženske in moške možgane, čeprav je nekaj raziskav dejansko naredilo to primerjavo.

4. Odnosi med starši in otroki

Dojenčki, ki so rojeni v nezrelem stanju, se soočajo z velikim izzivom v zgodnjem življenju. Odvisni so od svojih staršev in se morajo naučiti prepoznati, zapomniti in raje skrbeti za svoje skrbnike. Čeprav zdaj vemo, da se mlade živali (in celo živali pred rojstvom) lahko naučijo več, kot je bilo prej priznano (glej pregled s strani Hofer & Sullivan, 2008), ni dvoma, da so odnosi med starši in otroki kritični in da imajo ključno vlogo pri razvoju možganov. Razlike v vzorcih interakcij med materjo in otrokom lahko sprožijo dolgoročne razvojne učinke, ki trajajo tudi v odrasli dobi (Myers, Brunelli, Squire, Shindledecker in Hofer, 1989). Študije glodalcev so na primer pokazale, da je čas, ki ga preživijo v stiku, količina materinega lizanja in negovanja ter čas, ki ga matere porabijo v zelo spodbudnem položaju z visokim obokom, v korelaciji z različnimi somatskimi in vedenjskimi razlikami. V zadnjem desetletju Meaney in njegovi kolegi (npr Cameron et al., 2005) so pokazale, da interakcije med materjo in dojenčkom pri glodalcih sistematično spreminjajo razvoj odziva na hipotalamično-nadledvični stres in različne čustvene in kognitivne oblike vedenja v odrasli dobi. Te spremembe so povezane s spremembami v receptorjih za kortikosterone s hipokampalnimi celicami, ki jih spremljajo spremembe v izražanju genov (Weaver et al., 2006).

Vendar učinki variacij v materinski oskrbi niso omejeni na hipokampus in so lahko zelo razširjeni. Na primer, Fenoglio, Chen in Barum (2006) pokazale, da je povečana skrb za mater v prvem tednu življenja povzročila trajne spremembe v signalnih poteh celic v hipotalamusu in amgidali (glej tudi pregled Fenoglio, Bruson in Barum, 2006).

Ne poznamo podobnih študij, ki obravnavajo neokortikalno in še posebej prefrontalno plastičnost kot odziv na razlike v interakcijah med materjo in otrokom, vendar se takšne spremembe zdijo verjetne. Pokazali smo, na primer, da je vsakodnevna ločitev mater, ki je bila uporabljena za povečanje interakcij med materjo in otrokom v Fenoglio et al. (2006) dendritične dolžine in gostote hrbtenice pri mPFC in OFC pri odraslih podganah (\ tMohammad & Kolb, 2011).

5. Vzajemni odnosi

Znano je, da so odnosi med vrstniki vplivali na vedenje odraslih od študij Harlowa (npr. Harlow & Harlow, 1965). Eden najmočnejših medsebojnih odnosov je igra, za katero se je izkazalo, da je pomembna za razvoj socialne kompetence odraslih (npr. Pellis & Pellis, 2010). Prednji lobi ima bistveno vlogo pri obnašanju igre. Poškodbe dojenčkov mPFC in OFC ogrožajo igralno vedenje, čeprav na različne načine (npr. Pellis et al., 2006). Glede na takšne rezultate smo domnevali, da bi se razvoj in nadaljnje delovanje obeh prefrontalnih regij različno spreminjalo, če bi se igralno vedenje manipuliralo v razvoju. Tako so mladoletnim podganam omogočili, da se igrajo z odraslimi podganami 1 ali 3 ali z drugimi mladiči 1 ali 3. Z odraslimi živalmi ni bilo praktično nobene igre, vendar je bilo vedenje za igro večje, če so bile prisotne bolj mlade živali. Analiza celic v PFC je pokazala, da so se nevroni OFC odzvali na število prisotnih vrstnikov in ne na to, ali se je pojavila ali ne, medtem ko so se nevroni mPFC odzvali na količino iger, ne pa na število kontspecifikov (Bell, Pellis in Kolb, 2010). V seriji študij smo kasneje pokazali, da različne zgodnje izkušnje spreminjajo vedenje pri podganah, vključno s prenatalnim stresom, postnatalno taktilno stimulacijo in mladostniško izpostavljenostjo metilfenidatu (npr. Mohammad, Hossain, Pellis in Kolb, 2011) in v vsakem primeru obstajajo nepravilnosti v prefrontalnem razvoju. Morda bo tukaj pomembna lekcija, ko bomo upoštevali razmere, v katerih igra otrok pri otrocih ni normalna, kot na primer pri avtizmu ali motnjah hiperaktivnosti pri pomanjkanju pozornosti (ADHD). Nenormalnosti v vedenju igrajo lahko vplivajo na prefrontalni razvoj in poznejše obnašanje odraslih.

6. Zgodnji stres

V preteklih letih je bilo zbranih ogromno literature, ki prikazuje učinke stresa na možgane in obnašanje pri odraslih, vendar je bila v zadnjem času pomembna vloga perinatalnega stresa pri dojenčkih. Zdaj je znano, da tako gestacijski kot tudi otroški stres predisponirajo posameznike za različna neprilagojena vedenja in psihopatologije. Na primer, prenatalni stres je dejavnik tveganja za razvoj shizofrenije, ADHD, depresije in odvisnosti od drog (Anda et al., 2006; van den Bergh & Marcoen, 2004). Eksperimentalne študije z laboratorijskimi živalmi so potrdile te ugotovitve s splošnimi rezultati, da je perinatalni stres pri glodalcih in primatih razen človeka povzročil vedenjske nepravilnosti, kot so zvišan in dolgotrajen odziv na stres, zmanjšano učenje in spomin, pomanjkanje pozornosti, spremenjeno raziskovanje vedenje, spremenjeno socialno in igralno vedenje ter povečana prednost za alkohol (npr Weinstock, 2008).

Plastične spremembe v sinaptični organizaciji možganov perinatalno stresnih živali pa so manj preučene, učinki pa so povezani s podrobnostmi stresne izkušnje. Na primer, Murmu et al. (2006) poročali, da je zmerna prenatalna napetost v tretjem tednu nosečnosti povzročila zmanjšano gostoto hrbtenice in dendritično dolžino pri mPFC in OFC odraslega degusa. V nasprotju, Mohammad & Kolb (2011) ugotovili, da je blagi prenatalni stres v drugem tednu nosečnosti zmanjšal gostoto hrbtenice v mPFC, vendar ni imel učinka na OFC in povečala gostoto hrbtenice pri NAcc odraslih podgan. Analiza dendritične dolžine je pokazala nekoliko drugačen vzorec, saj je bilo povečanje dendritične dolžine v mPFC in NAcc, vendar zmanjšanje OFC. Zanimivo, Mychasiuk, Gibb in Kolb (2011) ugotovili, da je blag stres med drugim gestacijskim tednom povečal gostoto hrbtenice pri mPFC in OFC, ko so bili možgani pregledani pri mladih podganah in ne pri odraslih podganah. Te študije skupaj kažejo, da razlike v času prenatalnega stresa in starosti, ko se pregledajo možgani, povzročajo različne plastične spremembe v nevronskih vezjih. Vendar pa je jasno, da se učinki prenatalnega stresa razlikujejo od učinkov stresa pri odraslih. Na primer, Liston et al. (2006) prvič je pokazala, da je stres pri odraslih povzročil zmanjšanje dendritične razvejenosti in gostote hrbtenice v mPFC, vendar povečanje OFC.

Zavedamo se le ene študije, ki obravnava učinke zgodnjega postnatalnega stresa (ločitev mater) na sinaptično organizacijo v odraslih možganih. Tako Mohammad & Kolb (2011) Ugotovili so, da so pri mPFC, OFC in NAcc pri odraslih podganah pri matičnih bolnikih povečali gostoto hrbtenice. Kaj je treba še ugotoviti, bodisi zaradi stresa pred rojstvom ali dojenčkom, je to, kako se te razlike v sinaptičnih spremembah nanašajo na kasnejše vedenje ali kako plastični nevroni bodo kot odziv na druge izkušnje, kot so kompleksna stanovanja, igre ali odnosi med dojenčki in starši. Tovrstne študije bodo zagotovo najbolj pomembne pri prihodnjih študijah.

7. Črevesna flora

Takoj po rojstvu se sesalci hitro naselijo z različnimi avtohtonimi mikrobi. Ti mikrobi vplivajo na razvoj mnogih telesnih funkcij. Na primer, mikrobiota črevesa ima sistemske učinke na delovanje jeter (npr. Björkholm et al., 2009). Ker je med perinatalnim obdobjem znana povezava med nevrorazvojnimi motnjami, kot sta avtizem in shizofrenija ter okužbe z mikrobiološkimi patogeni (npr. Finegold et al., 2002; Mittal, Ellman in Cannon, 2008), Diaz Heijtz et al. (v tisku) spraševali, ali bi takšne okužbe lahko spremenile razvoj možganov in vedenjskega Imajo. Avtorji so primerjali meritve motoričnega vedenja in možganov pri miših, ki so se razvili z ali brez normalne črevesne mirkrobiote. Avtorji so ugotovili, da črevesne bakterije vplivajo na signalne poti, promet nevrotransmiterjev in produkcijo sinaptičnih proteinov v skorji in striatumu pri razvijajočih se miših in te spremembe so bile povezane s spremembami motoričnih funkcij. To je vznemirljiva ugotovitev, ker zagotavlja vpogled v način, kako lahko okužbe med razvojem spremenijo razvoj možganov in posledično obnašanje odraslih.

8. Diet

Obstaja obsežna literatura o učinkih beljakovinskih in / ali kalorično omejenih diet v možganskem in vedenjskem razvoju (npr. Lewis, 1990), vendar je veliko manj znano o učinkih okrepljene prehrane na razvoj možganov. Na splošno se domneva, da telo bolje zdravi, ko je dobilo dobro prehrano, zato je smiselno napovedati, da bi razvoj možganov lahko olajšali z vitamini in / ali mineralnimi dodatki. Prehransko dopolnilo s holinom v perinatalnem obdobju povzroča različne spremembe v vedenju in možganih (Meck & Williams, 2003). Na primer, perinatalno dopolnilo s holinom povzroči večji prostorski spomin v različnih prostorskih navigacijskih preskusih (npr. Meck & Williams, 2003; Tees, & Mohammadi, 1999) in poveča ravni živčnega rastnega faktorja (NGF) v hipokampusu in neokorteksu (npr. Sandstrom, Loy in Williams, 2002). Halliwell, Tees in Kolb (2011) je opravil podobne študije in ugotovil, da je dodatek holina povečal dendritično dolžino preko možganske skorje in hipokampalnega CA1 piramidnega nevrona.

Halliwell (2011) je preučil tudi učinke dodajanja dodatka vitamina / minerala hrani podgan v laktaciji. Odločila se je za uporabo prehranskega dodatka, za katerega so poročali, da izboljšuje razpoloženje in agresivnost pri odraslih in mladostnikih z različnimi motnjami (Leung, Wiens & Kaplan, 2011) in zmanjšana jeza, stopnja aktivnosti in socialni umik v avtizmu s povečanjem spontanosti (Mehl-Madrona, Leung, Kennedy, Paul in Kaplan, 2010). Analiza odraslega potomstva podgan v obdobju laktacije, ki je dobivala isti dodatek, je pokazala povečanje dendritične dolžine nevronov v mPFC in parietalnem korteksu, vendar ne v OFC. Poleg tega je bila prehrana učinkovita pri odpravljanju učinkov blagih prenatalnih stresov na zmanjšanje dendritične dolžine pri OFC.

O učinkih prehranskih omejitev in dopolnjevanja na razvoj nevronskih mrež in vedenja je še veliko. Oba postopka spreminjata razvoj možganov, vendar kot v mnogih drugih dejavnikih, o katerih smo razpravljali tukaj, nimamo jasne slike o tem, kako bodo zgodnje izkušnje vplivale na kasnejše izkušnje, kot so psihoaktivne droge, za spremembo možganov in vedenja.

Sklepi

Naše razumevanje narave normalnega razvoja možganov je napredovalo daleč v preteklih letih, vendar smo šele začeli razumeti nekatere dejavnike, ki modulirajo ta razvoj. Razumevanje te modulacije bo bistveno za nas, da bomo lahko začeli razkrivati ​​uganke nevrorazvojnih motenj in začeti zgodnje zdravljenje, da bi blokirali ali spremenili patološke spremembe. Očiten zaplet je, da izkušnje niso singularni dogodki, ampak, ko gremo skozi življenje, izkušnje medsebojno vplivajo tako, da spremenijo obnašanje in možgane, proces, ki se pogosto imenuje metaplastičnost.

Ko smo razpravljali o različnih spremembah v razvijajočih se možganih, ki so odvisne od izkušenj, smo uporabili »razvojne možgane«, kot da bi bili enkrat. To očitno ni tako in ni dvoma, da bomo sčasoma ugotovili, da obstajajo kritična okna časa, v katerih so možgani v razvoju bolj (ali manj) odzivni kot v drugih časih. Poleg tega je verjetno, da bodo različne možganske regije pokazale različna kritična okna. Ugotovili smo, na primer, da če je poškodovana motorna skorja v zgodnji adolescenci, je slab rezultat v primerjavi z isto poškodbo v pozni adolescenci (Nemati & Kolb, 2010). Zanimivo pa je, da obratno velja za poškodbe prefrontalnega korteksa. Razvrščanje kritičnih oken, odvisnih od področja, bo izziv za naslednje desetletje.

Tu smo se osredotočili na ukrepe sinaptične plastičnosti, vendar se vsekakor zavedamo, da lahko plastične spremembe v možganskih organizacijah preučujemo na mnogih drugih ravneh. Konec koncev se bo v ekspresiji genov našel temeljni mehanizem sinaptične spremembe. Težava je v tem, da je verjetno, da bodo izkušnje, ki spremenijo vedenje, bistveno povezane s spremembami v desetih ali stotinah genov. Izziv je identificirati spremembe, ki so najbolj povezane z opazovanimi vedenjskimi spremembami.

Zahvale / navzkrižja interesov

Zahvaljujemo se NSERC in CIHR za njihovo dolgoročno podporo študijam, ki so povezane z našim delom, obravnavanim v tem pregledu. Zahvaljujemo se tudi Cathy Carroll, Wendy Comeau, Dawn Danka, Grazyna Gorny, Celeste Halliwell, Richelle Mychasiuk, Arif Muhammad in Kehe Xie za njihove številne prispevke k študiji.

Reference

  • Anda RF, Felitti VJ, Bremner JD, Walker JD, Whitfield C, Perry BD, Giles WH. Trajni učinki zlorabe in s tem povezanih neželenih izkušenj v otroštvu. Konvergenca dokazov iz nevrobiologije in epidemiologije. Evropski arhiv psihiatrije in klinične nevroznanosti. 2006, 256: 174 – 186. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Baranauskas G. Plastična bolečina v hrbtenjači. V: Shaw CA, McEachern J, uredniki. Proti teoriji nevroplastičnosti. Philadelphia, PA: Psihologija Press; 2001. 373 – 386.
  • Bell HC, Pellis SM, Kolb B. Izkušnje z mladoletnimi vrstniki in razvoj orbitofrontalne in medialne prefrontalne skorje. Vedenjsko raziskovanje možganov. 2010, 207: 7 – 13. [PubMed]
  • Black JE, Kodish IM, Grossman AW, Klintsova AY, Orlovskaya D, Vostrikov V, Greenough WT. Patologija piramidnih nevronov plasti V v prefrontalnem korteksu bolnikov s shizofrenijo. American Journal of Psychiatry. 2004, 161: 742 – 744. [PubMed]
  • Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR. Nova meja za razvojno vedenjsko nevroznanost. V: Blumberg MS, Freeman JH, Robinson SR, uredniki. Oxfordski priročnik za razvojno vedenjsko nevroznanost. New York, NY: Oxford University Press; 2010. 1 – 6.
  • Björkholm B, Bok CM, Lundin A, Rafter J, Hibberd ML, Pettersson S. Intestinalna mikrobiota uravnava ksenobiotski metabolizem v jetrih. PLoS ONE. 2009; 4: e6958. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Cameron NM, Champagne FA, Carine P, Fish EW, Ozaki-Kuroda K, Meaney M. Programiranje individualnih razlik v obrambnih odzivih in reproduktivnih strategijah pri podganah z različnimi skrbmi za mater. Nevroznanost in Biobehavioral Reviews. 2005, 29: 843 – 865. [PubMed]
  • Comeau W, Hastings E, Kolb B. Diferencialni učinek pre-in postnatalnega FGF-2 po medialni prefrontalni kortikalni poškodbi. Vedenjsko raziskovanje možganov. 2007, 180: 18 – 27. [PubMed]
  • Comeau WL, McDonald R, Kolb B. Spremembe, ki jih povzročajo učenje v prefrontalnem kortikalnem vezju. Vedenjsko raziskovanje možganov. 2010, 214: 91 – 101. [PubMed]
  • Comeau W, Kolb B. Mladostniška izpostavljenost metilfenidatu blokira poznejšo plastičnost, ki je odvisna od izkušenj. 2011. Rokopis v predložitvi.
  • Diaz Heijtz R, Kolb B, Forssberg H. Ali lahko terapevtski odmerek amfetamina med pred adolescenco spremeni vzorec sinaptične organizacije v možganih? European Journal of Neuroscience. 2003, 18: 3394 – 3399. [PubMed]
  • Diaz Heijtz R, Wang S, Anuar F, Qian Y, Björkholm B, Samuelsson A, Pettersson S. Normalna črevesna mikrobiota modulira razvoj in vedenje možganov. Zbornik Nacionalne akademije znanosti (ZDA) (v tisku). [PMC brez članka] [PubMed]
  • Eriksson PS, Perfi lieva E, Björk-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH. Nevrogeneza pri hipokampusu odraslega človeka. Naravna medicina. 1998, 4: 1313 – 1317. [PubMed]
  • Fenoglio KA, Brunson KL, Baram TZ. Nevroplastičnost hipokampusa, ki jo povzroča stres v zgodnjem življenju: funkcionalni in molekularni vidiki. Meje v nevroendokrinologiji. 2006, 27: 180 – 192. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Fenoglio KA, Chen Y, Baram TZ. Nevroplastičnost hipotalamično-hipofizno-nadledvične osi v začetku življenja zahteva ponavljajoče se pridobivanje regij, ki uravnavajo stres. Journal of Neuroscience. 2006, 26: 2434 – 2442. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Finegold SM, Molitoris D, Song Y, Liu C, Vaisanen ML, Bolte E, Kaul A. Študije gastrointestinalne mikroflore pri poznem nastopu avtizma. Klinične infekcijske bolezni. 2002, 35 (dodatek 1): S6 – S16. [PubMed]
  • Frost DO, Cerceo S, Carroll C, Kolb B. Zgodnja izpostavljenost haloperidolu ali olanzapinu povzroči dolgotrajne spremembe dendritične oblike. Synapse. 2009, 64: 191 – 199. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Gibb R. Perinatalne izkušnje in okrevanje po poškodbi možganov. 2004. Neobjavljena doktorska disertacija, Univerza v Lethbridgeu, Kanada.
  • Gibb R, Gonzalez CLR, Wegenast W, Kolb B. Taktilna stimulacija olajša okrevanje po poškodbi skorje pri odraslih podganah. Vedenjsko raziskovanje možganov. 2010, 214: 102 – 107. [PubMed]
  • Giffin F, Mitchell DE. Stopnja okrevanja vida po zgodnji monokularni deprivaciji pri mladičih. Journal of Physiology. 1978, 274: 511 – 537. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Goldstein JM, Seidman LJ, Horton NJ, Makris N, Kennedy DN, Cainess VS, Tsuang MT. Normalni spolni dimorfizem človeških možganov pri odraslih se ocenjuje s slikanjem z magnetno resonanco in vivo. Možganska skorja. 2001, 11: 490 – 497. [PubMed]
  • Gould E, Tanapat P, Hastings NB, Shors TJ. Nevrogeneza v odrasli dobi: možna vloga pri učenju. Trendi v kognitivni znanosti. 1999, 3: 186 – 192. [PubMed]
  • Greenough WT, Black JE, Wallace CS. Izkušnje in razvoj možganov. Razvojna psihobiologija. 1987, 22: 727 – 252. [PubMed]
  • Greenough WT, Chang FF. Plastičnost strukture in vzorca sinaps v možganski skorji. V: Peters A, Jones EG, uredniki. Cerebralni korteks, Vol 7. New York, NY: Plenum Press; 1989. 391 – 440.
  • Gregg CT, Shingo T, Weiss S. Nevralne matične celice prednjega možganja sesalcev. Simpozij Društva eksperimentalne biologije. 2001, 53: 1 – 19. [PubMed]
  • Halliwell CI. Ukrepi zdravljenja po prenatalnem stresu in neonatalni kortikalni poškodbi. 2011. Neobjavljena doktorska disertacija, Univerza v Lethbridgeu, Kanada.
  • Halliwell C, Tees R, Kolb B. Predtalno zdravljenje s holinom izboljša okrevanje pred perinatalno frontalno poškodbo pri podganah. 2011. Rokopis v predložitvi.
  • Hamilton D, Kolb B. Nikotin, izkušnje in plastičnost možganov. Vedenjska nevroznanost. 2005, 119: 355 – 365. [PubMed]
  • Harlow HF, Harlow MK. Ljubni sistemi. V: Schier A, Harlow HF, Stollnitz F, uredniki. Obnašanje nečloveških primatov. Vol. 2. New York, NY: Akademski tisk; 1965.
  • Hebb DO. Organizacija vedenja. New York, NY: McGraw-Hill; 1949.
  • Hofer MA, Sullivan RM. Proti nevrobiologiji navezanosti. V: Nelson CA, Luciana M, uredniki. Priročnik za razvojno kognitivno nevroznanost. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. 787 – 806.
  • Jacobs B, Scheibel AB. Kvantitativna dendritična analiza Wernickejevega področja pri ljudeh. I. Spremembe v življenjski dobi. Journal of Comparative Neurology. 1993, 327: 383 – 396. [PubMed]
  • Kempermann G, Gage FH. Nove živčne celice za odrasle možgane. Scientific American. 1999; 280 (5): 48-53. [PubMed]
  • Kolb B. Plastičnost in vedenje možganov. Mahwah, NJ: Erlbaum; 1995.
  • Kolb B, Cioe J, Comeau W. Kontrastni učinki motoričnih in vizualnih učnih nalog na dendritično arborizacijo in gostoto hrbtenice pri podganah. Nevrobiologija učenja in spomina. 2008, 90: 295 – 300. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R. Taktilna stimulacija olajša funkcionalno okrevanje in dendritične spremembe po neonatalni medialni frontalni ali posteriorni parietalni leziji pri podganah. Vedenjsko raziskovanje možganov. 2010, 214: 115 – 120. [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Gorny G. Spremembe v dendritnem vrtnarju in gostoti hrbtenice v neokorteksu, odvisne od izkušenj, se razlikujejo glede na starost in spol. Nevrobiologija učenja in spomina. 2003a, 79: 1 – 10. [PubMed]
  • Kolb B, Gorny G, Li Y, Samaha AN, Robinson TE. Amfetamin ali kokain omejujeta sposobnost kasnejših izkušenj za spodbujanje strukturne plastičnosti v neokorteksu in jedru accumbens. Zbornik Nacionalne akademije znanosti (ZDA) 2003b, 100: 10523 – 10528. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Kolb B, Gibb R, Pearce S, Tanguay R. Prenatalna izpostavljenost zdravilom na recept spreminja okrevanje po zgodnji poškodbi možganov pri podganah. Društvo za abstrakti nevroznanosti. 2008; 349: 5.
  • Kolb B, Morshead C, Gonzalez C, Kim N, Shingo T, Weiss S. Ustvarjanje novih kortikalnih tkiv in funkcionalno okrevanje po poškodbi možganske kapi motorne skorje podgan. Dnevnik cerebralnega krvnega pretoka in presnove. 2007, 27: 983 – 997. [PubMed]
  • Kolb B, Stewart J. Spolne razlike v dendritičnih vejah celic v prefrontalnem korteksu podgan. Journal of Neuroendocrinology. 1991, 3: 95 – 99. [PubMed]
  • Kolb B, IQ. Osnove človeške nevropsihologije. 6th edition. New York, NY: Worth; 2009.
  • Leung BM, Wiens KP, Kaplan BJ. Ali prenatalna dopolnitev mikrohranil izboljša duševni razvoj otrok? Sistematični pregled. BCM Nosečnost Porod. 2011, 11: 1 – 12. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Lewis PD. Prehrana in anatomski razvoj možganov. V: van Gelder NM, Butterworth RF, Drujan BD, uredniki. (Mal) Prehrana in možgani dojenčkov. New York, NY: Wiley-Liss; 1990. 89 – 109.
  • Liston C, Miller MM, Godwater DS, Radley JJ, Rocher AB, Hof PR, McEwen BS. Stresom povzročene spremembe v prefrontalni kortikalni dendritični morfologiji napovedujejo selektivne okvare pri zaznavnem spreminjanju pozornosti. Journal of Neuroscience. 2006, 26: 7870 – 7874. [PubMed]
  • Mattson MP, Duan W, Chan SL, Guo Z. V: K teoriji nevroplastičnosti. Shaw CA, McEachern J, uredniki. Philadelphia, PA: Psihologija Press; 2001. 402 – 426.
  • Meck WH, Williams CL. Metabolično vtiskanje holina po njegovi razpoložljivosti med nosečnostjo: posledice za spomin in obdelavo pozornosti skozi celotno življenjsko dobo. Nevroznanost in Biobehavioral Reviews. 2003, 27: 385 – 399. [PubMed]
  • Mehl-Madrona L, Leung B, Kennedy C, Paul S, Kaplan BJ. Mikrohranila v primerjavi s standardnim upravljanjem zdravil pri avtizmu: naturalistična študija primera. Journal of Child Adolescent Psychopharmacology. 2010, 20: 95 – 103. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Mittal VA, Ellman LM, Cannon TD. Interakcija genskega okolja in kovarijazija pri shizofreniji: vloga porodniških zapletov. Bilten o shizofreniji. 2008, 34: 1083 – 1094. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Muhammad A, Hossain S, Pellis S, Kolb B. Taktilna stimulacija med razvojem zmanjša senzibilizacijo amfetamina in spremeni morfologijo nevronov. Vedenjska nevroznanost. 2011, 125: 161 – 174. [PubMed]
  • Muhammad A, Kolb B. Blagi prenatalni stres modulira vedenje in nevronsko gostoto hrbtenice, ne da bi vplival na senzibilizacijo amfetamina. Razvojna nevroznanost (v tisku). [PubMed]
  • Muhammad A, Kolb B. Spremenjeno obnašanje materine ločitve in nevronska gostota hrbtenice brez vpliva na senzibilizacijo amfetamina. Vedenjsko raziskovanje možganov. 2011, 223: 7 – 16. [PubMed]
  • Murmu M, Salomon S, Biala Y, Weinstock M, Braun K, Bock J. Spremembe gostote hrbtenice in dendritične kompleksnosti v prefrontalnem korteksu pri potomcih mater, izpostavljenih stresu med nosečnostjo. European Journal of Neuroscience. 2006, 24: 1477 – 1487. [PubMed]
  • Mychasiuk R, Gibb R, Kolb B. Prenatalni stražnik opazovalca povzroča nevroanatomske spremembe v prefrontalnem korteksu in hipokampusu potomcev v razvoju. Raziskave možganov. 2011, 1412: 55 – 62. [PubMed]
  • Myers MM, Brunelli SA, Squire JM, Shindledecker R, Hofer MA. Materinsko obnašanje SHR podgan v razmerju do krvnega tlaka potomcev. Razvojna psihobiologija. 1989, 22: 29 – 53. [PubMed]
  • Nemati F, Kolb B. Poškodba motorične skorje ima različne vedenjske in anatomske učinke pri mladih podganah in mladostnikih. Vedenjska nevroznanost. 2010, 24: 612 – 622. [PubMed]
  • O'Hare ED, Sowell ER. Slikanje razvojnih sprememb sive in bele snovi v možganih. V: Nelson CA, Luciana M, uredniki. Priročnik za razvojno kognitivno nevroznanost. Cambridge, MA: MIT Press; 2008. 23 – 38.
  • Pellis SM, Hastings E, Takeshi T, Kamitakahara H, Komorowska J, Forgie ML, Kolb B. Učinki poškodbe orbitalne frontalne skorje na modulacijo obrambnih odzivov pri podganah v igrivih in neigranih družbenih kontekstih. Vedenjska nevroznanost. 2006, 120: 72 – 84. [PubMed]
  • Pellis S, Pellis V. Razigrani možgani. New York, NY: Publikacije Oneworld; 2010.
  • Prusky GT, Silver BD, Tschetter WW, Alam NM, Douglas RM. Plastičnost, ki je odvisna od izkušenj, omogoča odpiranje vida, ki je odvisen od vida skorje. Journal of Neuroscience. 2008, 28: 9817 – 9827. [PubMed]
  • Raison C, Capuron L, Miller AH. Citokini pojejo blues: vnetje in patogeneza depresije. Trendi v imunologiji. 2006, 27: 24 – 31. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Rampon C, Jiang CH, Dong H, Tang YP, Lockart DJ, Schultz PG, Hu Y. Učinki obogatitve okolja na izražanje genov v možganih. Zbornik Nacionalne akademije znanosti (ZDA) 2000, 97: 12880 – 12884. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Robinson TE, Kolb B. Strukturna plastičnost, povezana z mamili. Nevrofarmakologija. 2004; 47 (dodatek 1): 33 – 46. [PubMed]
  • Sandstrom NJ, Loy R, Williams CL. Prenatalno dopolnilo s holinom poveča ravni NGF v hipokampusu in frontalni skorji mladih in odraslih podgan. Raziskave možganov. 2002, 947: 9 – 16. [PubMed]
  • Schanberg SM, Field TM. Stres senzorične deprivacije in dodatna stimulacija pri podganah in nedonošenčkih. Razvoj otroka. 1987, 58: 1431 – 1447. [PubMed]
  • Sirevaag AM, Greenough WT. Multivariatni statistični povzetek ukrepov za sinaptično plastičnost pri podganah, izpostavljenih kompleksnim, socialnim in individualnim okoljem. Raziskave možganov. 1987, 441: 386 – 392. [PubMed]
  • Tees RC, Mohammadi E. Učinki neonatalne prehranske dopolnitve s holinom na prostorsko in konfiguracijsko učenje odraslih in spomin pri podganah. Razvojna psihobiologija. 1999, 35: 226 – 240. [PubMed]
  • Teskey GC, Monfils MH, Silasi G, Kolb B. Neokortikalno kaljenje je povezano z nasprotnimi spremembami v dendritični morfologiji v neokortikalni plasti V in striatumu iz neokortikalne plasti III. Synapse. 2006, 59: 1 – 9. [PubMed]
  • Teskey GC. Uporaba prižiganja za modeliranje nevroplastičnih sprememb, povezanih z učenjem in spominom, nevropsihiatričnimi motnjami in epilepsijo. V: Shaw CA, McEachern JC, uredniki. Proti teoriji nevroplastičnosti. Philadelphia, PA: Taylor in Francis; 2001. 347 – 358.
  • van den Bergh BR, Marcoen A. Visoka maternična anksioznost dojenčka je povezana s simptomi ADHD, zunanjimi težavami in anksioznostjo pri 8- in 9-letnikih. Razvoj otroka. 2004, 75: 1085 – 1097. [PubMed]
  • Weaver ICG, Cervoni N, Champagne FA, D'Alessio AC, Sharma S, Seckl JR, Dymov S, Szf M, Meaney MJ. Epigenetsko programiranje po materinskem obnašanju. Narava Nevroznanost. 2004, 7: 847 – 854. [PubMed]
  • Weaver ICG, Meaney M, Szf M. Učinki na materino oskrbo mater na transkriptomu in obnašanje pri mladičih, ki so povezani z anksioznostjo, ki so reverzibilni v odrasli dobi. Zbornik Nacionalne akademije znanosti (ZDA) 2006, 103: 3480 – 3486. [PMC brez članka] [PubMed]
  • Weinstock M. Dolgoročne vedenjske posledice prenatalnega stresa. Nevroznanost in Biobehavioral Reviews. 2008, 32: 1073 – 1086. [PubMed]
  • Wiesel TN, Hubel DH. Enocelični odzivi v striatni skorji mladičev, ki so na enem očesu brez vida. Journal of Neurophysiology. 1963, 26: 1003 – 1017. [PubMed]