Kortikální přemapování - Cortical remapping

Kortikální přemapování, označovaný také jako kortikální reorganizace, je proces, kterým existující kortikální mapa je ovlivněn podnětem vedoucím k vytvoření „nové“ kortikální mapy. Každá část těla je spojena s odpovídající oblastí v mozku, která vytváří a kortikální mapa. Když se něco stane narušit kortikální mapy jako je amputace nebo změna neuronálních charakteristik, mapa již není relevantní. V části mozku, která má na starosti amputovanou končetinu nebo neuronální změny, budou dominovat sousední kortikální oblasti, které stále přijímají vstup, čímž se vytvoří přemapovaná oblast.[1] K přemapování může dojít v senzorickém nebo motorickém systému. Mechanismus pro každý systém může být zcela odlišný.[2] Kortikální přemapování v somatosenzorický systém se stane, když došlo ke snížení senzorického vstupu do mozku v důsledku deaferentace nebo amputace, stejně jako zvýšení smyslového vstupu do oblasti mozku.[1] Přemapování motorového systému dostává omezenější zpětnou vazbu, kterou lze obtížně interpretovat.

Kortikální mapové znázornění psa od Davida Ferriera

Dějiny

Lokalizace

Wilder Penfield, neurochirurg, byl jedním z prvních, kdo zmapoval kortikální mapy lidského mozku.[3] Při provádění mozkových operací u pacientů s vědomím se Penfield dotýkal buď pacientovy smyslové nebo motorické mozkové mapy, která se nachází na mozková kůra, s elektrickou sondou k určení, zda by si pacient mohl všimnout konkrétního pocitu nebo pohybu v určité oblasti na těle. Penfield také zjistil, že senzorické nebo motorické mapy byly topografické; oblasti těla přiléhající jeden k druhému by pravděpodobně přiléhaly na kortikálních mapách.[3]

Vzhledem k Penfieldově práci dospěla vědecká komunita k závěru, že mozek musí být fixovaný a neměnný, protože specifická oblast mozku odpovídá určitému bodu na těle. Tento závěr však zpochybnil Michael Merzenich, kterému mnozí říkají „přední světový výzkumník plasticita mozku." [3]

Plasticita

V roce 1968 provedli Merzenich a dva neurochirurgové, Ron Paul a Herbert Goodman, experiment ke stanovení účinků na mozek po velkém svazku periferní nervy u dospívajících opic byly ruce podříznuty a začaly se znovu regenerovat.[3][4][5] Věděli, že periferní nervový systém se může regenerovat sám, a někdy se během toho procesu neurony „přetočily“ náhodou. Tyto „dráty“ by se náhodně připojily k jinému axonu a stimulovaly tak špatný nerv. To vedlo k pocitu „falešné lokalizace“; když se pacient dotkl určité oblasti těla, tento dotek byl skutečně cítit na jiné části těla, než se očekávalo.

Pro lepší pochopení tohoto jevu v mozku použili mikroelektrody mikromapa opičí kortikální mapa jeho ruky. Periferní nervy byly proříznuty a sešity těsně vedle sebe, aby bylo možné sledovat známky křížení axonových „drátů“ během regenerace. Po sedmi měsících byla kortikální mapa rukou opic přemapována a bylo zjištěno, že mapa vypadala jako v zásadě normální, bez očekávaného „křížení drátu“. Došli k závěru, že kortikální mapa byla schopna se „normalizovat“, když byla stimulována nepravidelným vstupem, že mozek dospělého musí být plastický.

Tento experiment pomohl inspirovat zpochybňování vědecké „pravdy“, že mozek dospělého je fixovaný a nemůže se dále měnit mimo kritické období, zejména od Merzenicha. Později v jeho kariéře provedl Merzenich experiment, který zdůraznil existenci kortikální přeměny a neuroplasticity. Merzenich a kolega neurolog, Jon Kaas, snížit střední nerv opičí ruky, která dodává pocit do středu ruky, aby viděla, jak by vypadala střední nervová mapa, kdyby byl po dvou měsících přerušen veškerý vstup.[6] Když byla ruka přemapována, bylo zjištěno, že při dotyku středu ruky nedošlo k žádné aktivitě v místě středního nervu. Ale když se dotkly boků opičí ruky, byla na mapě nalezena aktivita ve středním nervovém umístění. To znamenalo, že kortikální přemapování nastalo u středního nervu; nervy, které korelovaly s vnějšími stranami opičí ruky, se přemapovaly, aby převzaly „kortikální nemovitost“, která byla nyní k dispozici kvůli odpojení středního nervu.[3][6]

Senzorický systém

Přemapování senzorického systému se může potenciálně samoorganizovat kvůli časoprostorové struktuře vstupu.[2] To znamená, že umístění a načasování vstupu je rozhodující pro přemapování v senzorickém systému. Studie Gregga Recanzoneho to dokazuje tím, že se zjistilo, zda by opice dokázala rozlišit mezi stimulem vysokofrekvenčních a nízkofrekvenčních vibrací dodávaných ke špičce prstu na pevném místě. Postupem času se opice zlepšila v identifikaci rozdílů ve frekvenci vibrací. Když byl prst mapován, bylo zjištěno, že mapa je degradovaná a nerafinovaná. Protože podněty byly prováděny na pevném místě, vše bylo vzrušeno, a proto bylo vybráno, což vedlo k hrubé mapě. Experiment byl proveden znovu, kromě toho, že umístění vysokých a nízkých vibrací se měnilo v různých částech prstu opice. Stejně jako dříve se opice postupem času zlepšovala. Když byl opičí prst přemapován, bylo zjištěno, že hrubá mapa z minulosti byla nahrazena elegantní mapou prstu ukazující všechna různá místa, kde došlo ke stimulaci na různých místech prstu.[7] Tato studie ukázala, že po určitou dobu bylo možné vytvořit mapu z lokalizovaného podnětu a poté ji změnit podnět s proměnnou polohy.

Cerebrum laloky

Systém motoru

Přemapování motorického systému ve srovnání s přemapováním senzorického systému dostává omezenější zpětnou vazbu, kterou lze obtížně interpretovat.[2] Při pohledu na mapy motorického systému zjistíte, že poslední dráha pohybu v motorické kůře ve skutečnosti neaktivuje svaly přímo, ale způsobuje sníženou aktivitu motorických neuronů. To znamená, že existuje možnost, že přemapování v motorické kůře může pocházet ze změn v mozkovém kmeni a míše, místech, na kterých je obtížné experimentovat kvůli obtížnému přístupu.[2]

Studie provedená Anke Karl pomáhá ukázat, proč může být motorický systém závislý na smyslovém systému, pokud jde o kortikální přemapování. Studie zjistila silné spojení mezi motorickým a somatosenzorickým kortikálním remapováním po amputaci a fantomové bolesti končetin. Studie to předpokládala somatosenzorická kůra reorganizace může ovlivnit plasticitu motorického systému, protože stimulace somatosenzorické kůry vyžaduje dlouhodobé potenciace v motorické kůře. Studie dospěla k závěru, že reorganizace motorické kůry může být pouze doplňkem kortikálních změn v somatosenzorické kůře.[8] To pomáhá podporovat, proč je zpětná vazba k motorickému systému omezená a obtížně určitelná pro kortikální přemapování.

aplikace

Kortikální přemapování pomáhá jednotlivcům získat zpět funkci po zranění.

Fantomové končetiny

Fantomové končetiny jsou pocity pociťované po amputaci, díky nimž se cítí, že jejich amputovaná končetina stále existuje.[9] Někdy mohou po amputaci pociťovat bolest fantomové končetiny; tomu se říká fantomová bolest končetin (PLP).

Fantomová bolest končetin je považována za způsobenou funkční kortikální reorganizací, někdy nazývanou maladaptivní plasticita, primární senzomotorické kůry. Úprava této kortikální reorganizace má potenciál pomoci zmírnit PLP.[10] Jedna studie učila amputované osoby po dobu dvou týdnů identifikovat různé vzorce elektrických stimulů aplikovaných na jejich pařez, aby pomohla snížit jejich PLP. Bylo zjištěno, že trénink snížil PLP u pacientů a zvrátil kortikální reorganizaci, která dříve proběhla.[10]

Nedávná studie Tamara R. Makina však naznačuje, že místo toho, aby PLP byla způsobena maladaptivní plasticitou, může být ve skutečnosti vyvolána bolest.[11] Hypotéza maladaptivní plasticity naznačuje, že jakmile dojde ke ztrátě aferentního vstupu z amputace, kortikální oblasti hraničící se stejnou amputační oblastí začnou napadat a převzít tuto oblast, což ovlivní primární senzomotorickou kůru, což zřejmě způsobí PLP. Makin nyní tvrdí, že chronická PLP může být ve skutečnosti „spouštěna“ „nociceptivními vstupy zdola nahoru nebo vstupy shora dolů z oblastí mozku souvisejících s bolestí“ a že kortikální mapy amputace zůstávají nedotčené, zatímco „meziregionální konektivita“ je zkreslené.[11]

Mrtvice

Mechanismy zapojené do mrtvice zotavení zrcadlí ty, které souvisejí s plasticitou mozku. Tim H. Murphy to popisuje jako: „Mechanismy obnovy mrtvice jsou založeny na strukturálních a funkčních změnách v mozkových obvodech, které mají blízký funkční vztah k těm obvodům postiženým mrtvicí.“ [12]

Neuroplasticita po cévní mozkové příhodě je umožněno novými strukturálními a funkčními obvody, které se vytvářejí kortikální přemapováním. K cévní mozkové příhodě dochází, když do mozku nedostatečně proudí krev, což způsobuje oslabující neurologické poškození. Tkáň, která obklopuje infarkt (mrtvice poškozená oblast) má snížený průtok krve a nazývá se polostín. Ačkoli dendrity v penumbře byly poškozeny v důsledku cévní mozkové příhody, mohou se zotavit během obnovy průtoku krve (reperfúze), pokud jsou provedeny během několika hodin až několika dnů po cévní mozkové příhodě v důsledku časové citlivosti. V důsledku reperfúze v periinfarktové kůře (nacházející se vedle infarktu) mohou neurony pomoci s aktivní strukturální a funkční remodelací po cévní mozkové příhodě.[12]

Počáteční fáze kortikálního vývoje

Kortikální přemapování je závislé na činnosti a konkurenceschopné. Obnovující se oblasti perinfarktu, které mají špatné obvody, soutěží se zdravou tkání o prostor kortikální mapy. An in vivo studie Murphyho byla provedena s použitím myší, aby se pomohlo identifikovat sekvenci a kinetiku periinfarktového kortikálního přemapování po cévní mozkové příhodě. Studie ukázala, že osm týdnů po cévní mozkové příhodě v senzorické kůře předních končetin myši byla „přežívající“ část schopna okamžitě přenášet vylepšené smyslové signály do motorické kůry, což vedlo k přemapování senzorické funkce. Myš, která zažila mrtvici, přemapovala reakce, které trvaly déle a šířily se dále od motorické kůry, než u kontrolní skupiny. To znamená, že zotavení senzomotorických funkcí po přestavbě mozkové mrtvice a kůry naznačuje změny v časovém a prostorovém šíření senzorických informací.[12]

Model pro zotavení po mrtvici navržený Murphym zahrnuje začátek homeostatické mechanismy (neurony dostávají správné množství synaptického vstupu) na začátku zotavení po mrtvici. Tím se obnoví aktivita v oblastech postižených mrtvicí prostřednictvím změn strukturálních a funkčních obvodů. Závisí na činnosti synaptická plasticita pak může posílit a vylepšit obvody, když jsou ušetřeny některé senzorické a motorické obvody. Oblasti mozku s částečnou funkcí mohou mít své obvody obnovené během několika dní až týdnů přemapováním.[12]

Kortikální přemapování po cévní mozkové příhodě je srovnatelné s počátečním vývojem mozku. Například přemapování, ke kterému dochází při zotavení motoru po mrtvici, je podobné jako u kojence, který se učí pohybové vzorce. Ačkoli se jedná o velmi důležité informace o vývoji plánů obnovy pacientů s mozkovou příhodou, je třeba mít na paměti, že obvody pacienta s mozkovou příhodou jsou zcela odlišné od obvodů vyvíjejícího se mozku a mohou být méně vnímavé.[12]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Sterr, A .; Muller M. M .; Elbert T .; Rockstroh B .; Pantev C .; Taub E. (1. června 1998). „Percepční koreláty změn v kortikální reprezentaci prstů u nevidomých čteček Braillova písma s více prsty“. Journal of Neuroscience. 18 (11): 4417–4423. doi:10.1523 / JNEUROSCI.18-11-04417.1998.
  2. ^ A b C d Wittenburg, G. F. (únor 2010). „Zkušenosti, kortikální přemapování a zotavení z onemocnění mozku“. Neurobiologie nemocí. 37 (2): 252–258. doi:10.1016 / j.nbd.2009.09.007. PMC  2818208. PMID  19770044.
  3. ^ A b C d E Doidge, M.D., Norman (2007). Mozek, který se sám mění. Penguin Group. str. 45–92.
  4. ^ R.L., Paul; H. Goodman; M.M. Merzenich (1972). "Změny ve vstupu mechanoreceptorů do Brodmannsových oblastí 1 a 3 postcentrální oblasti ruky Macaca-mulatta po nervovém řezu a regeneraci". Výzkum mozku. 39 (1): 1–19. doi:10.1016/0006-8993(72)90782-2.
  5. ^ R.L., Paul; H. Goodman; M.M. Merzenich (1972). „Zastoupení pomalu a rychle se adaptujících kožních mechanoreceptorů ruky v Brodmannových oblastech 3 a 1 Macaca-mulatta“. Výzkum mozku. 36 (2): 229–49. doi:10.1016/0006-8993(72)90732-9. PMID  4621596.
  6. ^ A b Merzenich, M. M .; Kaas, J. H .; Wall, J .; Nelson, R. J .; Sur, M .; Felleman, D. (leden 1983). "Topografická reorganizace somatosenzorických kortikálních oblastí 3b a 1 u dospělých opic po omezené deaferentaci". Neurovědy. 8 (1): 33–55. CiteSeerX  10.1.1.520.9299. doi:10.1016/0306-4522(83)90024-6. PMID  6835522.
  7. ^ Recanzone, G. H .; M. M. Merzenich; W. M. Jenkins; K. A. Grajski; H. R. Dinse (květen 1992). „Topografická reorganizace ručního zastoupení v kortikální oblasti opic 3b sovy trénovaných v úkolu frekvenční diskriminace“. Journal of Neurophysiology. 67 (5): 1031–1056. doi:10.1152 / jn.1992.67.5.1031. PMID  1597696.
  8. ^ Karl, Anke; Niels Birbaumer; Werner Lutzenberger; Leonardo G. Cohen; Herta Flor (květen 2001). „Reorganizace motorické a somatosenzorické kůry u amputací horní končetiny a bolesti fantomových končetin“. The Journal of Neuroscience. 21 (10): 3609–3618. doi:10.1523 / JNEUROSCI.21-10-03609.2001. PMC  6762494. PMID  11331390.
  9. ^ Ramachandran, V.S .; William Hirstein (březen 1998). „Vnímání fantomových končetin Přednáška D.O. Hebba“. Mozek. 121 (9): 1603–1630. doi:10.1093 / mozek / 121.9.1603. PMID  9762952.
  10. ^ A b Dietrich, Caroline; Katrin Walter-Walsh; Sandra Preißlerová; Gunther O. Hofmann; Otto W. Witte; Wolfgang H. R. Miltner; Thomas Weiss (leden 2012). „Protéza senzorické zpětné vazby snižuje fantomovou bolest končetin: Důkaz principu“. Neurovědy Dopisy. 507 (2): 97–100. doi:10.1016 / j.neulet.2011.10.068. PMID  22085692.
  11. ^ A b Flor, Herta; Martin Diers; Jamila Andoh (červenec 2013). "Nervový základ fantomové bolesti končetin". Trendy v kognitivních vědách. 17 (7): 307–308. doi:10.1016 / j.tics.2013.04.007. PMID  23608362.
  12. ^ A b C d E Murphy, T. H .; D. Corbett (prosinec 2009). Msgstr "Plasticita během obnovy mrtvice: od synapse k chování". Recenze přírody Neurovědy. 10 (12): 861–872. doi:10.1038 / nrn2735. PMID  19888284.

Další čtení