CC BY
31
УДК 612.8:616-092.18-036.82:612.017
О. В. Погорелое, Ю.В. Букреееа, О.А. Гаееа , В.1. Пашкоеський , О.М. Толубаее , Е.К. Духоеенко
ОСНОВН1 ТЕОРЕТИЧН1, ПАТОФ1ЗЮЛОГ1ЧШ ТА ПРАКТИЧН1 АСПЕКТИ НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТ1
ДЗ «Днтропетровсъка медична академiя МОЗ Украти»
кафедра неврологИ' i офталъмологИ'
(зав. - д. мед. н., О.В. Погорелое)
вул. Дзержинсъкого, 9, Днтро, 49044, Украша
КЗ «Днтропетровсъка обласна клтчна лiкарня iM. I.I. Мечникова»
(голов. лжар - д. мед. н., проф. С.А. Риженко)
пл. Соборна, 14, Днтро, 49005, Украша
SE «Dnipropetrovsk medical academy of Health Ministry of Ukraine» Department of neurology and ophthalmology Dzerzhinsky str., 9, Dnipro, 49044, Ukraine e-mail: aleksei.pogorelov@gmail.com
«Dnipropetrovsk Regional Clinical Hospital named after I.I. Mechnikov» Soborna square, 14, Dnipro, 49005, Ukraine
Ключовi слова: нейропластичтстъ, нейрогенез, нейростювка, синапс, адаптащя, спраутинг, синаптична трансмiсiя, нейрореабiлiтацiя
Key words: neuroplasticity, neurogenesis, neuroretina, synapse, adaptation, sprouting, synapse transmission, functions recovery
Реферат. Основные теоретические, патофизиологические и практические аспекты нейропластичности. Погорелов А.В., Букреева Ю.В., Гавва Е.А., Пашковский В.И., Толубаев А.Н., Духовенко Е.К В статье приведены результаты аналитического обзора развития понятийного содержания термина «нейро-пластичность» и новые данные о патофизиологических, саногенетических, нейрофизиологических, био- и нейрохимических основах восстановительных процессов в нервной системе. Выделены ключевые механизмы данных процессов в рамках первичной и вторичной нейропластичности, адаптивной, дезадаптивной, реактивной и перекрестно-модальной форм нейропластичности. Очерчены особенности нейрогенеза и функциональной перестройки нейросетей в модально-специфических и регуляторно-значимых структурах мозга в норме и патогенезе. Приведены контраверсии взглядов на функциональные и морфологические аспекты нейропластических процессов. Рассмотрены и системно классифицированы прикладные методы изучения нейропластичности, включая клиническую диагностику с уточненными нейровизуализационными, нейрохимическими, нейрофизиологическими критериями и коэффициентами. Обозначены конкретные методы нейрореа-билитации и перспективные актуальные направления нейро-саногенеза с использованием физических, рефлекторных, нейропсихологических, поведенческих методов стимуляции мозга и фармакологической терапии.
Abstract. Main theoretical, pathophysiological and practical aspects of neuroplasticity. Pogorelov A.V., Bukreyeva Yu.V., Gavva O.A., Pashkovsky V.I., Tolubayev O.M., Dukhovenko E.K. Results of the state-of-the-art review of the "neuroplasticity" term development and new data about the sanogenetic, pathophysiological, neurophysiological, bio - and neurochemical bases of the nervous system recovery processes are given in this article. Key mechanisms of adaptive, desadaptive, responsive and cross modal forms of neuroplasticity within primary and secondary neuroplasticity are distinguished. The specific character of neurogenesis and functional reorganization of neuronets in specific regulatory structures of the brain in the norm and pathogenesis are outlined. Controversies about functional and morphological aspects of neuroplastic processes are presented. Application-oriented methods of neuroplasticity study are considered and systemically classified. Clinical diagnostics with the specified neu-rovisualization, neurochemical, neurophysiological criteria and coefficients is considered also. Specific methods of neurorehabilitation and perspective urgent directions of neuro- sanogenesis are designated using physical, reflex, neuropsychological, behavioural brain stimulation methods and pharmacological therapy.
Припущення про «пластичшсть» мозку вперше опублшовано психологом Вшьямом Джеймсом (The Principles of Psychology) в 1890 р.
[12], у 1920 р. дослщи Карла Лешлi надали дока-зи наявносп змш у нейронних структурах макак-резуав, у працях фiзiолога Сжи Конорського
(Konorski J., 1948) вперше використовуеться тер-мш «нейропластичшсть» (НП) [9]. До кшця XX сторiччя в rany3i нейронаук переважали погляди на статичшсть та незмiннiсть структур мозку тсля досягнення людиною дорослого вiкy. Вважалось, що стовбур та кора головного мозку не формують нових зв'язюв та не змiнюють свою структуру [3, 12]. Процеси навчання, пам'ят роз-глядались переважно в аспект зaкрiплення сфор-мованих зв'язкiв. Вивчення функцш гiпокaмпy, вiдповiдaльного за процеси фшсацп нейро-хiмiчних слiдiв пам'ят в корi головного мозку, забування та фiльтрaцiю шформаци, показали не тшьки фyнкцiонaльнy перебудову ще1 структури, але й наявшсть нейрогенезу в лiмбiчнiй системi, який, за деякими оцшками (Kirsty Spalding), ста-новить 700 нейрошв на добу [8]. На сьогодш незаперечною е не тшьки функщональна пла-стичнiсть мозку, але i морфологiчнa, в основi яко! лежить нейрогенез, тобто «нервовi клiтини вщновлюються». Вважають, що НП - це здатшсть нервово! системи до адаптацл пiд впливом умов зо-внiшнього i внyтрiшнього середовища, що реaлiзy-еться шляхом структурно-функщональних пере-будов, мае позитивний або негативний ефект [1, 3, 12]. Завдяки нейроплaстичностi забезпечуеться компенсaцiя i можливiсть вiдновлення втрачено! функцл при рiзних неврологiчних захворюваннях. Видiляють декшька типiв нейроплaстичностi:
1. Первинна нейропластичшсть - це процеси ремоделювання синаптичних зв'язкiв, спрямова-них на оптимiзацiю функцiонування нейрональ-них мереж у процесах фiлогенезу й онтогенезу.
2. Вторинна - компенсаторна функщональна актившсть мозку при церебральному ушкоджен-ш, що супроводжуеться порушенням функци.
Вторинна НП може бути роздшена на адап-тивну i дезадаптивну. Адаптивна нейропластич-нiсть мае позитивний ефект. Вщоме МРТ-дослщження [15] таксистiв Лондона виявило суттеве, порiвняно з водiями простих маршрупв, збiльшення дiлянок гiпокампу. НП також може мати негативний вплив (формування дшянок з патологiчною активнiстю при захворюваннях). За швидюстю процесу розрiзняють реактивну (безпосередня вiдповiдь нейронiв на патолопчну дiю) i репаративну (е тривалшим процесом, за-пускае компенсаторно-вщновш механiзми) ней-ропластичнiсть [4] (рис. 1). Якщо патологiчний осередок повнютю виключае дiездатнiсть структури, можлива активiзацiя структур, модально не пов'язаних з цiею конкретною функцiею - пе-рехресно-модальна НП [13, 16]. Наприклад, па-цiенти iз вродженою слiпотою мають пiдвищене слухове просторове орiентування за рахунок додатково! активiзацil дiлянок зорово! кори при звуковш стимуляци [8].
Нейропластичнiсть (функщональна i структурна)
Первинна (в процесах фшогенезу й онтогенезу)
Рис. 1. Блок-схема класифжаци типiв нейропластичностi та i'i механiзмiв
Описано тaкi мехашзми НП:
- змiнa функщонально1 активносп синaпсiв;
- змiнa кiлькостi, протяжност i конфпураци активних синаптичних зон;
- змiнa кшькосп шипикiв дендриту в синапсах;
- формування нових синапшв, пов'язане з аксональним або дендритним спраутингом (ре-генеративним, коллатеральним);
- тривале потенщювання або гальмування, що регулюе ефективнiсть синаптично1 передачу
17/ Том XXII/1
5
- змша порогу збудливосп потенщалзалежних мембранних кaнaлiв;
- компенсаторш можливостi метaболiзмy на мембранному i молекулярному рiвнях.
Нейроплaстичнiсть характеризуеться здат-нiстю нейронiв змiнювaти свою структуру, сво! функцп, кiлькiсть i типи нейротрaнсмiтерiв. Нaйбiльш високий потенцiaл пластичносп мае лiмбiчнa система i моторна кора твкуль великого мозку. Були вiдмiченi aктивнi процеси нейропластичност в дiлянкaх таламуса, стовбу-ра, ретикулярное' формацп, лiмбiчноl системи, а також у гтальних структурах [3, 7, 13, 14]. Методами вивчення нейропластичносп е магштно-резонансна томогрaфiя (МРТ), позитронно-ем> сiйнa томогрaфiя, однофотонна емiсiйнa томо-грaфiя, електрофiзiологiчнi дослiдження, транс-крaнiaльнa мaгнiтнa стимулящя, гiстологiчнi методи [9, 10]. У клшчнш прaктицi нервових хвороб для оцшки нейроплaстичностi зaстосовнi тaкi методики, як електроенцефaлогрaфiя (ЕЕГ), метод викликаних потенцiaлiв (ВП), зокрема когнiтивнi викликаш потенцiaли (КВП), сомато-сенсорнi викликаш потенщали (ССВП), функцю-нальна магшто-резонансна томогрaфiя (фМРТ) [8]. Перевагою методiв ВП е можливiсть з> ставлення компонент викликаних потенцiaлiв iз структурами мозку, що надае змогу оцшити нейроплaстичнi процеси в динaмiцi лшування (табл.).
Вторинна нейропластичнiсть як основа ефективного лiкування неврологiчних хворих
При ушкодженш мозку спостерiгaеться де-стрyкцiя синапшв i нейронiв, але активуються компенсаторно-вщновш процеси. Зрiлi нейрони втрачають здатшсть дiлитися, тому основним резервом вщновлення функцп нейронних мереж мозку е штенсивне використання нейронiв, що збереглися, реоргашзащя мiжнейронних взаемо-зв'язкiв i aктивaцiя нейрогли [3, 8, 14]. Завдяки тому, що одна й та ж функщя мае свое пред-ставництво в рiзних дшянках певно1 облaстi, iснyе можливiсть адаптаци мозку до ушкоджен-ня. Це вщбуваеться за рахунок феномену ло-кально1 гiперзбyдливостi, шляхом aктивiзaцil сусщшх "запасних" дiлянок. При великих пато-логiчних осередках процес вiдновлення функцш лише за рахунок aктивiзaцil "запасних" пред-ставництв виявляеться недостaтнiм. Тому не-обхiдне залучення iнших зон конкретно1 функцюнально1 мережi - як розташованих навко-ло вогнища ушкодження, так i вiддaлених зон шсшатерально1 пiвкyлi [7, 18]. На практищ вiдомi трyднощi при лiкyвaннi пащенпв з постiнсyльтними, посттравматичними aфaзiями,
коли результати штенсивних i скоординованих вщновних засобiв не мають передбачуваного результату, на вщмшу вiд реакцil зон пред-ставництва рухового стереотипу. Так, не вщ-буваеться достовiрного розширення або замi-щення зон мови, хоча виявлена часткова структуризацiя зони Брока i лiвоl надкраево! звивини, а також активащя зон недомiнантноl швкут [16, 17]. Вiрогiдно, НП у цих випадках мае сво! обмеження, залучення нейрональних сiткiвок для виконання особливих модально-специфiчних функцiй може в шдсумку виявитися принципово неможливим. Характер i механiзми таких обмежень е темою наступних дослiджень.
Нейропластичшсть як прикладне поняття в терапп неврологiчних хворих
Реабiлiтацiя, з урахуванням механiзмiв нейро-пластичностi, включае повторне виконання певних завдань, що призводить до закршлення необхiдного рухового стереотипу. За допомогою методiв функцiональноl нейровiзуалiзацil доведено, що спостереження пащентом за певним руховим актом призводить до активаци сенсо-моторних дшянок кори головного мозку, те ж саме вщбуваеться при спробах пащента уявляти руховий акт або ж при пасивному тренуванш [5, 16]. Досить перспективним вважаеться використання методу активних рух1в "iз супротивом". I навпаки, iммобiлiзацiя кiнцiвок здатна при-звести до зменшення зони И юркового пред-ставництва [1, 16]. Використовуеться метод транскрашально1 магштно1 стимуляцil (ТМС). При ТМС вщбуваеться активiзацiя або ж навпаки гальмування (залежно вiд частоти) певних зон кори головного мозку. ТМС здатна швидко i на довгий час активiзувати зону М1, що полегшуе вiдновлення моторних навичок у невролопчних пацiентiв i може бути використана для ней-рокогнiтивноl реабiлiтацil [4, 6, 12]. Високо-частотна електрична стимуляцiя (ВЕС) глибин-них ядер шро1 речовини головного мозку здатна модулювати функщю кiрково-пiдкiркових трак-тв, покращуючи рухову, когнiтивну i пове-дiнкову функцil при хворобi Паркшсона, дистонil, есенцiальному треморi, у випадках тяжко-курабельного кластерного головного болю, психiатричних захворюваннях, а також при резистентнш до лiкування ешлепсп [19]. Фармакологiчнi методи стимуляцil нейропластичносп включають переважно препарати ацетилхолшерпчно1 дil, антидепресанти, тi, що регулюють обмш речовин i мають перспективи розвитку, препарати, що модулюють ендогенну захисну активнiсть.
Основш методи i ix значення в д1агностищ нейропластичност1
Нейровiзуалазацiйнi
МРТ, КТ, фМРТ шдекси структурних симшммошемь вогнищев1 порушення дифузн1 порушення структурщ аномал1!
Значення в даагностищ Атроф1!, асиметрй, вентрикуло-кранiальний коефщгёнт, ступенi поперечно!', акс1ально! дислокацй, коефщкнт дифузй молекул води, товщина с1ро! речовини великих пшкуль, н1жок мозку, миме. Розм1р, характер, локал1зац1я, динам1ка Лейкоареоз, щ1льн1сть тканин, шше ГвдроцефалН, к1сти, дефекти розвитку структур мозку, мальформац1!
Електрофiзiологiчнi
ЕЕГ нормативн1 ритми патолог1чн1 ритми фокальн1, специф1чн1 феномени фармаколог1чн1, функц1ональн1 проби
Значення в даагностищ спiввiдношення потужностей, рiвень, лаб1льн1сть, !ншс локал1зац1я, характер, ст1йк1сть, 1нше локал1зац1я, характер, шше реакц1я адекватна, н1
ВП латентиостi, ампл1туди ввдгуку повторюван1сть показник1в стовбуров1, зоров1 ВП - реакц1я на фарм., функц. проби
Значення в даагностищ зниження, п1двищення, спiвв1диошення динам1ка зм1н деформацн, зм1ни часу, ампл1туд адекватна, н1
Когштивш ВП iM.litiiiiiciiiiii латентиостi Р300 подовження латентност1 N2 п1к N2 ампл1туда N2 / Р3
Значення в даагностищ порушення запам'ятовування та прийняття р1шень порушення сенсорно! штеграци когн1тивн1 об'см оперативно! пам'ят1
Нейропсихолог1чн1
Сфери даагностики моторна сенсорна емоц1йно-вольова п1знавальна, повед1нкова
Значення в даагностищ парези, плегй, 1нше зони мозку зони зм1н зони зм1н
Клш1чн1
Сфери даагностики рухова система координаторна система система чутливост1 вегетативна система
Значення в даагностищ м'язова сила, функцн уражено! к1нц1вки дискоординац1я гтестезн, корков1 с-ми автономна регуляц1я
Бiохiмiчнi
Показник NGF (nerve growth factor) — фактор росту нервш (лшвор, плазма) BDNF (brain-derived neurotrophic factor) VGF (nerve growth factor) — б1лок Меланокортини (альфа-меланостимулю-ючий, АКТ)
Значення в даагностищ пряма корелящя м1ж р1внем NGF 1 швидюстю в1дновлення нервово! тканини зб1льшус к1льк1сть 1 диференщащю нових нейрон1в та синапс1в щдвищення — емоц1йно-вольова та повед1нкова сфери. Зниження -когн1тивн1 порушення вплив на р1ст, диференц1ац1ю нейрон1в, проростання в1дростк1в, щ1льн1сть нейронних мереж
17/ Том XXII/1
7
ВИСНОВКИ
1. Щц нейропластичшстю (НП) нервово1 системи розумiють як функщональну адап-тацiйну спроможнiсть мозку, так i морфолопчну, тобто нейрогенез, при цьому обидва типи НП можливi в будь-якому вiцi.
2. НП може бути роздшена на адаптивну, що мае позитивний ефект, i дезадаптивну, при цьому обидва типи нейропластичносп потрiбно даагно-стувати в ктшчнш практицi нервових хвороб.
3. Вс методи оцiнки нейропластичносп (ней-ровiзуалiзацiйнi, електрофiзiологiчнi, клiнiчнi,
нейропсихолопчш, бiохiмiчнi) потребують дина-мiчного спостереження.
4. При лшуванш з використанням знань осо-бливостей нейропластичностi мае бути врахо-вана специфiчнiсть зони ураження, ефективнють як фiзичних, так i ментальних вправ, потреба включати в схеми реабiлiтацiï контрлатеральну гемюферу, пiцтримувати комплексний пiцхiц з використанням фiзичних, рефлекторних, нейро-психологiчних, поведшкових метоцiв стимуляцiï мозку та фармакологiчноï терапiï.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Боголепова А.Н. Проблема нейропластич-ности в неврологии / А.Н. Боголепова, Е.И. Чуканова // Журнал неврологии и психиатрии им. Корсакова -2010. - № 8. - С. 62 - 65.
2. Дзяк Л.А. Нейропластичность и вестибулярная дисфункция / Л.А. Дзяк, Е.С. Цуркаленко // Междунар. неврол. журнал. - 2006. - № 6. - С. 10.
3. Семченко В.В. Синаптическая активность головного мозга (фундаментальные и прикладные аспекты) / В.В. Семченко, С.С. Степанов, Н.Н. Бого-лепов. - Москва: Директ - медиа, 2014. - 499 с.
4. Chollet F. Pharmacologic approaches to cerebral aging and neuroplasticity: insights from the stroke model / F. Chollet // Dialogues Clin Neurosci. - 2013. - Vol. 15, N 1. - P. 67-76.
5. Cortical sensory plasticity in a model of migraine with aura / J.J. Theriot [et al.] // J. Neurosci. - 2012. -Vol. 32, N 44. - P. 54-61.
6. Dieterich D.C. Proteomics of the Synapse - A Quantitative Approach to Neuronal Plasticity / D.C. Dieterich, M.R. Kreutz // Mol. Cell. Proteomics. - 2016. -Vol. 15, N 2. - P. 368-381.
7. Dietz V. Neuronal plasticity after a human spinal cord injury: positive and negative effects / V. Dietz // Exp. Neurol. - 2012. - Vol. 235, N 1. - P. 110-115.
8. Dynamics of Hippocampal Neurogenesis in Adult Humans / L. Kirsty [et al.] // Cell. - 2013. - Vol. 153, N 6. - P. 1219-1227.
9. Froemke R.C. Plasticity of cortical excitatory -inhibitory balance / R.C. Froemke // Ann. Rev. Neurosci. - 2015. - Vol. 38. - P. 195-219.
10. Griesbach G.S. Cellular and molecular neuronal plasticity / G.S. Griesbach, D.A. Hovda // Handb. Clin. Neurol. - 2015. - Vol. 128. - P. 681-690.
11. Growth factors and synaptic plasticity in relapsing
- remitting multiple sclerosis / F. Mori [et al.] // Neu-romolecular Med. - 2014. - Vol. 16, N 2. - P. 490-498.
12. Hegde A.N. Proteolysis, synaptic plasticity and memory / A.N. Hegde // Neurobiol. Learn. Mem. - 2016.
- Vol. 7. - P. 11-18.
13. Hubener M. Neuronal plasticity: beyond the critical period / M. Hubener, T. Bonhoeffer // Cell. -
2014. - Vol. 159, N 4. - P. 727-737.
14. Microglia in neuronal plasticity: Influence of stress / J.C. Delpech [et al.] // Neuropharmacology. -
2015. - Vol. 96, Pt. A. - P. 19-28.
15. Navigation - related structural change in the hippocampi of taxi drivers / E.A. Maguire [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2000. - Vol. 97, N 8. - P. 43984340.
16. Neurorehabilitation: applied neuroplasticity / F. Khan [et al.] // J. Neurol. - 2016. - Vol. 24. - P. 1-13.
17. Neuroplasticity as a function of second language learning: anatomical changes in the human brain / P. Li [et al.] // Cortex. - 2014. - Vol. 58. - P. 301-324.
18. Pain and plasticity: is chronic pain always associated with somatosensory cortex activity and reorganization? / S.M. Gustin [et al.] // J. Neurosci. - 2012. -Vol. 32 (43). - P. 74-84.
19. Stogsdill J.A. The interplay between neurons and glia in synapse development and plasticity / J.A. Stogsdill, C. Eroglu // Curr. Opin. Neurobiol. - 2016. -Vol. 42. - P. 1-8.
20. Wefelmeyer W. Homeostatic Plasticity of Sub-cellular Neuronal Structures: From Inputs to Outputs / W. Wefelmeyer, C.J. Puhl, J. Burrone // Trends Neurosci.
- 2016. - Vol. 39, N 10. - P. 656-667.
REFERENCES
1. Bogolepova AN. [Problem of neuroplasticity in neurology]. Zhurn. nevrologii i psihiatrii. 2010;8:62-65. Russian.
2. Dzjak LA. [Neuroplasticity and vestibular dysfunction]. International neurologic journal. 2006;6(10). Ukrainian.
3. Semchenko VV. [Synaptic activity of the brain (fundamental and applied aspects)]. Moscow: Direkt -media. 2014;499. Russian.
4. Chollet F. Pharmacologic approaches to cerebral aging and neuroplasticity : insights from the stroke model. Dialogues Clin. Neurosci. 2013;15(1):67-76.
5. Theriot JJ, et al. Cortical sensory plasticity in a model of migraine with aura. J. Neurosci. 2012;32(44):54-61.
6. Dieterich DC, Kreutz MR. Proteomics of the Synapse - A Quantitative Approach to Neuronal Plasticity. Mol. Cell Proteomics. 2016;15(2):368-81.
7. Dietz V. Neuronal plasticity after a human spinal cord injury: positive and negative effects. Exp Neurol. 2012;235(1):110-5.
8. Kirsty L, et al. Dynamics of Hippocampal Neurogenesis in Adult Humans. Cell. 2013;153(6):1219-27.
9. Froemke RC. Plasticity of cortical excitatory - inhibitory balance. Annu. Rev. Neurosci. 2015;38:195-219.
10. Griesbach GS, Hovda DA. Cellular and molecular neuronal plasticity. Handb Clin Neurol. 2015;128:681-90.
11. Mori F, et al. Growth factors and synaptic plasticity in relapsing - remitting multiple sclerosis. Neuromolecular Med. 2014;16(2):490-8.
12. Hegde A.N. Proteolysis, synaptic plasticity and memory. Neurobiol Learn Mem. 2016;7:11-8.
13. Hübener M., Bonhoeffer T. Neuronal plasticity : beyond the critical period. Cell. 2014;159(4):727-37.
14. Delpech JC, et al. Microglia in neuronal plasticity: Influence of stress. Neuropharmacology. 2015;96:19-28.
15. Maguire EA, et al. Navigation - related structural change in the hippocampi of taxi drivers. Proc. Natl. Acad Sci U S A. 2000;97(8):4398-40.
16. Khan F. et al. Neurorehabilitation : applied neuroplasticity. J. Neurol. 2016;24:1-13.
17. Li P, et al. Neuroplasticity as a function of second language learning : anatomical changes in the human brain. Cortex. 2014;58:301-24.
18. Gustin SM, et al. Pain and plasticity: is chronic pain always associated with somatosensory cortex activity and reorganization? J. Neurosci. 2012;32(43):74-84.
19. Stogsdill JA, Eroglu C, Stogsdill JA. The interplay between neurons and glia in synapse development and plasticity. Curr Opin Neurobiol. 2016;42:1-8.
20. Wefelmeyer W, Puhl CJ, Burrone J. Homeo-static Plasticity of Subcellular Neuronal Structures : From Inputs to Outputs. Trends Neurosci. 2016;39(10):656-67.
CraTra Hagmm^a go pegaKmï 02.12.2016
♦
17/ TOM XXII/1
9
