Кортикальное переназначение - Cortical remapping

Кортикальное переназначение, также называемый корковая реорганизация, это процесс, посредством которого существующий корковая карта подвергается воздействию стимула, приводящего к созданию «новой» корковой карты. Каждая часть тела связана с соответствующей областью мозга, которая создает корковая карта. Когда что-то нарушает кортикальные карты такие как ампутация или изменение нейрональных характеристик, карта больше не актуальна. В той части мозга, которая отвечает за ампутированную конечность или нейронные изменения, будут доминировать смежные области коры, которые все еще получают ввод, таким образом создавая переназначенную область.[1] Повторное отображение может происходить в сенсорной или моторной системе. Механизм для каждой системы может быть совершенно разным.[2] Кортикальное переназначение в соматосенсорная система происходит, когда произошло снижение сенсорного ввода в мозг из-за деафферентация или ампутация, а также увеличение сенсорной информации в какой-либо области мозга.[1] Переназначение двигательной системы получает более ограниченную обратную связь, которую трудно интерпретировать.

Изображение кортикальной карты собаки Дэвидом Феррье

История

Локализация

Уайлдер Пенфилд, нейрохирург, одним из первых составил карту кортикальные карты человеческого мозга.[3] При проведении операций на головном мозге находящимся в сознании пациентам Пенфилд касался сенсорной или моторной карты мозга пациента, расположенной на кора головного мозга с помощью электрического зонда, чтобы определить, может ли пациент заметить определенное ощущение или движение в определенной области своего тела. Пенфилд также обнаружил, что сенсорные или моторные карты были топографическими; области тела, прилегающие друг к другу, вероятно, будут смежными на картах коры головного мозга.[3]

Благодаря работе Пенфилда научное сообщество пришло к выводу, что мозг должен быть фиксированным и неизменным, потому что определенная область мозга соответствует определенной точке на теле. Однако этот вывод был оспорен Михаил Мерзенич, которого многие называют «ведущим мировым исследователем пластичность мозга." [3]

Пластичность

В 1968 году Мерцених и два нейрохирурга, Рон Пол и Герберт Гудман, провели эксперимент по определению воздействия на мозг большого количества периферические нервы у обезьян-подростков руки были порезаны и снова начали восстанавливаться.[3][4][5] Они знали, что периферическая нервная система может восстанавливаться, и иногда во время этого процесса нейроны случайно «перестраиваются». Эти «провода» случайно подключатся к другому аксону, стимулируя не тот нерв. Это привело к ощущению «ложной локализации»; когда пациента коснулись определенной области тела, это прикосновение фактически ощущалось на другой части тела, чем ожидалось.

Чтобы лучше понять это явление в мозгу, они использовали микроэлектроды для микрокарта кортикальная карта руки обезьяны. Периферические нервы были разрезаны и сшиты близко друг к другу, чтобы наблюдать признаки пересечения аксонных «проводов» во время регенерации. Через семь месяцев кортикальная карта рук обезьян была переназначена, и было обнаружено, что карта оказалась в основном нормальной, без «пересечения проводов», как ожидалось. Они пришли к выводу, что если кортикальная карта могла «нормализоваться» при нерегулярной стимуляции, то мозг взрослого человека должен быть пластик.

Этот эксперимент помог вызвать сомнения относительно научной «истины» о том, что мозг взрослого человека неизменен и не может продолжать изменяться за пределами критический период, особенно Мерцених. Позже в своей карьере Мерцених провел эксперимент, который выявил существование переназначения коры и нейропластичности. Мерцених и его коллега нейробиолог, Джон Каас, отрежь срединный нерв руки обезьяны, которая доставляет ощущения в середину руки, чтобы увидеть, как будет выглядеть карта срединного нерва, когда все входы будут отключены через два месяца.[6] При повторном нанесении на карту руки было обнаружено, что при прикосновении к середине руки в месте расположения срединного нерва не происходило никакой активности. Но когда стороны руки обезьяны были затронуты, активность была обнаружена в месте расположения срединного нерва на карте. Это означало, что кортикальное переназначение произошло в срединном нерве; нервы, которые соотносились с внешней стороной руки обезьяны, переназначили себя, чтобы захватить «корковое пространство», которое теперь стало доступным из-за отключения срединного нерва.[3][6]

Сенсорная система

Переназначение сенсорной системы потенциально может самоорганизовываться из-за пространственно-временной структуры входных данных.[2] Это означает, что место и время ввода имеют решающее значение для переназначения сенсорной системы. Исследование Грегга Реканзоне демонстрирует это, выясняя, может ли обезьяна различать стимул высокочастотных и низкочастотных вибраций, подаваемый на кончик ее пальца в определенном месте. Со временем обезьяна научилась определять различия в частоте вибрации. Когда палец был нанесен на карту, карта оказалась деградированной и неочищенной. Поскольку стимулы были сделаны в фиксированном месте, все было возбуждено и, следовательно, выбрано, что привело к грубой карте. Эксперимент был проведен снова, за исключением того, что местоположение высоких и низких колебаний варьировалось в разных частях кончика пальца обезьяны. Как и прежде, обезьяна со временем улучшилась. Когда обезьяна изменила карту пальца, было обнаружено, что грубая карта, сделанная ранее, была заменена элегантной картой кончика пальца, показывающей все разные места, где стимуляция имела место в разных местах кончика пальца.[7] Это исследование показало, что в течение определенного периода времени карта может быть создана на основе локализованного стимула, а затем изменена стимулом с переменной местоположением.

Доли головного мозга

Двигательная система

Переназначение двигательной системы, по сравнению с переназначением сенсорной системы, получает более ограниченную обратную связь, которую трудно интерпретировать.[2] Глядя на карты моторной системы, вы обнаруживаете, что последний путь движения, который происходит в моторной коре, на самом деле не активирует мышцы напрямую, а вызывает снижение активности моторных нейронов. Это означает, что существует вероятность того, что переназначение в моторной коре может происходить из-за изменений в стволе мозга и спинном мозге, местах, с которыми сложно экспериментировать из-за затрудненного доступа.[2]

Исследование, проведенное Анке Карл, помогает продемонстрировать, почему двигательная система может зависеть от сенсорной системы в отношении кортикального переназначения. Исследование обнаружило сильную связь между моторным и соматосенсорным изменением кортикального слоя после ампутации и фантомной болью в конечностях. В исследовании предполагается, что соматосенсорная кора реорганизация может повлиять на пластичность двигательной системы, потому что стимуляция соматосенсорной коры вызывает долгосрочное потенцирование в моторной коре. Исследование пришло к выводу, что реорганизация моторной коры может быть только вспомогательной по отношению к корковым изменениям соматосенсорной коры.[8] Это помогает понять, почему обратная связь с двигательной системой ограничена и ее трудно определить для переназначения коры.

Заявление

Кортикальное картирование помогает людям восстановить функции после травмы.

Фантомные конечности

Фантомные конечности это ощущения, которые испытывают инвалиды, из-за которых кажется, что их ампутированная конечность все еще на месте.[9] Иногда инвалиды могут испытывать боль от фантомных конечностей; это называется фантомная боль в конечностях (PLP).

Считается, что фантомная боль в конечностях вызвана функциональной реорганизацией коры головного мозга, которую иногда называют неадаптивная пластичность первичной сенсомоторной коры. Регулировка этой корковой реорганизации может помочь облегчить PLP.[10] Одно исследование научило людей с ампутированными конечностями в течение двухнедельного периода определять различные модели электрических стимулов, применяемых к их культе, чтобы помочь уменьшить их PLP. Было обнаружено, что тренировка снижает PLP у пациентов и обращает вспять корковую реорганизацию, которая произошла ранее.[10]

Однако недавнее исследование Тамар Р. Макин предполагает, что вместо того, чтобы вызывать PLP из-за неадаптивной пластичности, он может быть вызван болью.[11] Гипотеза дезадаптивной пластичности предполагает, что как только афферентный вход теряется в результате ампутации, области коры, граничащие с одной и той же областью ампутации, начнут вторгаться и захватывать эту область, воздействуя на первичную сенсомоторную кору, по-видимому, вызывая PLP. Макин теперь утверждает, что хронический PLP может фактически «запускаться» «восходящими ноцицептивными входами или нисходящими входами из связанных с болью областей мозга» и что кортикальные карты ампутации остаются нетронутыми, в то время как «межрегиональная связь» остается неизменной. искаженный.[11]

Гладить

Механизмы, задействованные в Инсульт восстановление отражает те, которые связаны с пластичностью мозга. Тим Х. Мерфи описывает это так: «Механизмы восстановления после инсульта основаны на структурных и функциональных изменениях в цепях мозга, которые имеют тесную функциональную связь с цепями, затронутыми инсультом». [12]

Нейропластичность после инсульта активируется новыми структурными и функциональными цепями, которые формируются путем переназначения коры. Инсульт возникает, когда кровоток в мозг недостаточен, вызывая изнурительные неврологические нарушения. Ткань, которая окружает инфаркт (поврежденная область инсульта) имеет уменьшенный кровоток и называется полутень. Хотя дендриты в полутени были повреждены в результате инсульта, они могут восстановиться во время восстановления кровотока (реперфузии), если сделать это в течение нескольких часов или нескольких дней после инсульта из-за временной чувствительности. Благодаря реперфузии в периинфарктной коре (находящейся рядом с инфарктом) нейроны могут помочь в активном структурном и функциональном ремоделировании после инсульта.[12]

Начальные стадии коркового развития

Корковое переназначение зависит от активности и соперничает. Восстанавливающиеся периинфарктные области с плохими цепями конкурируют со здоровой тканью за пространство кортикальной карты. An in vivo Исследование Мерфи было проведено с использованием мышей, чтобы помочь идентифицировать последовательность и кинетику переназначения кортикального слоя вокруг инфаркта после инсульта. Исследование показало, что через восемь недель после инсульта в сенсорной коре передних конечностей мыши «выжившая» часть смогла быстро передать усиленные сенсорные сигналы моторной коре, что привело к изменению сенсорной функции. Мыши, перенесшие инсульт, переназначили ответы, которые длились дольше и распространялись дальше от моторной коры, чем у контрольной. Это означает, что восстановление сенсомоторных функций после инсульта и ремоделирования коры предполагает изменения во временном и пространственном распространении сенсорной информации.[12]

Модель восстановления после инсульта, предложенная Мерфи, предполагает: гомеостатические механизмы (нейроны получают должное количество синаптических входов) в начале восстановления после инсульта. Это возобновит активность в пораженных инсультом областях за счет структурных и функциональных изменений схемы. Зависит от активности синаптическая пластичность затем может усилить и усовершенствовать схемы, если не будет убрана часть сенсорных и моторных схем. Области мозга с частичной функцией могут восстановить свои схемы в течение нескольких дней или недель за счет переназначения.[12]

Изменение коркового слоя после инсульта сопоставимо с первоначальным развитием мозга. Например, переназначение, которое происходит при восстановлении моторики после инсульта, похоже на то, как ребенок учится умелым движениям. Хотя это очень важная информация о разработке планов восстановления для пациентов с инсультом, важно помнить, что схема пациента, перенесшего инсульт, сильно отличается от схемы развивающегося мозга и может быть менее восприимчивой.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Sterr, A .; Мюллер М. М .; Эльберт Т .; Rockstroh B .; Пантев С .; Тауб Э. (1 июня 1998 г.). «Перцепционные корреляты изменений кортикального представления пальцев у слепых многоязычных читателей Брайля». Журнал неврологии. 18 (11): 4417–4423. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.18-11-04417.1998.
  2. ^ а б c d Виттенбург, Г. Ф. (февраль 2010 г.). «Опыт, изменение коркового слоя и выздоровление при заболеваниях головного мозга». Нейробиология болезней. 37 (2): 252–258. Дои:10.1016 / j.nbd.2009.09.007. ЧВК  2818208. PMID  19770044.
  3. ^ а б c d е Дойдж, доктор медицины, Норман (2007). Мозг, который сам себя меняется. Группа пингвинов. С. 45–92.
  4. ^ Р.Л., Пол; Х. Гудман; М.М. Мерцених (1972). «Изменения в входе механорецепторов в области 1 и 3 Бродмана постцентральной области руки Macaca-mulatta после перерезки и регенерации нерва». Исследование мозга. 39 (1): 1–19. Дои:10.1016/0006-8993(72)90782-2.
  5. ^ Р.Л., Пол; Х. Гудман; М.М. Мерцених (1972). «Представление медленно и быстро адаптирующихся кожных механорецепторов руки в областях 3 и 1 Бродмана Macaca-mulatta». Исследование мозга. 36 (2): 229–49. Дои:10.1016/0006-8993(72)90732-9. PMID  4621596.
  6. ^ а б Merzenich, M. M .; Kaas, J. H .; Wall, J .; Nelson, R.J .; Sur, M .; Феллеман, Д. (январь 1983 г.). «Топографическая реорганизация соматосенсорных областей коры 3b и 1 у взрослых обезьян после ограниченной деафферентации». Неврология. 8 (1): 33–55. CiteSeerX  10.1.1.520.9299. Дои:10.1016/0306-4522(83)90024-6. PMID  6835522.
  7. ^ Recanzone, G.H .; М. М. Мерзенич; В. М. Дженкинс; К. А. Грайски; Х. Р. Динсе (май 1992 г.). «Топографическая реорганизация представления руки в области коры головного мозга 3b совы обезьяны, обученной задаче частотной дискриминации». Журнал нейрофизиологии. 67 (5): 1031–1056. Дои:10.1152 / ян.1992.67.5.1031. PMID  1597696.
  8. ^ Карл, Анке; Нильс Бирбаумер; Вернер Люценбергер; Леонардо Г. Коэн; Герта Флор (май 2001 г.). «Реорганизация моторной и соматосенсорной коры при ампутации верхних конечностей и фантомной боли в конечностях». Журнал неврологии. 21 (10): 3609–3618. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.21-10-03609.2001. ЧВК  6762494. PMID  11331390.
  9. ^ Рамачандран, В.С .; Уильям Хирштейн (март 1998 г.). «Восприятие фантомных конечностей. Лекция Д.О. Хебба». Мозг. 121 (9): 1603–1630. Дои:10.1093 / мозг / 121.9.1603. PMID  9762952.
  10. ^ а б Дитрих, Кэролайн; Катрин Уолтер-Уолш; Сандра Прейсслер; Гюнтер О. Хофманн; Отто В. Витте; Вольфганг Х. Р. Мильтнер; Томас Вайс (январь 2012 г.). «Протез с сенсорной обратной связью уменьшает фантомную боль в конечностях: доказательство принципа». Письма о неврологии. 507 (2): 97–100. Дои:10.1016 / j.neulet.2011.10.068. PMID  22085692.
  11. ^ а б Флор, Герта; Мартин Диерс; Джамила Андох (июль 2013 г.). «Нейронная основа фантомной боли в конечностях». Тенденции в когнитивных науках. 17 (7): 307–308. Дои:10.1016 / j.tics.2013.04.007. PMID  23608362.
  12. ^ а б c d е Murphy, T. H .; Д. Корбетт (декабрь 2009 г.). «Пластичность при восстановлении после инсульта: от синапса к поведению». Обзоры природы Неврология. 10 (12): 861–872. Дои:10.1038 / nrn2735. PMID  19888284.

дальнейшее чтение