Оценка синаптических изменений как основы нейропластичности - с точки зрения нейрофизиологии

Теоретически пережитый опыт может изменить мозг путем изменения существующих нейронных систем или формирования новых. В реальности обладающий пластичностью мозг использует обе стратегии.

а) Изменение существующих нейронных систем. Самый простой способ обнаружить синаптические изменения состоит в том, чтобы выявить общие изменения в морфологии дендритов. Дендритные шипики по своей природе представляют собой выросты на мембране нейронов, обеспечивающие увеличение площади поверхности для образования синапсов.

Клетки с небольшим количеством дендритов или без дендритов могут принимать ограниченное количество сигналов, в то время как клетки со сложно организованными дендритами могут принимать десятки и даже тысячи сигналов.

То есть, чем больше дендритов, тем больше синаптических соединений. Соответственно, изменение структуры дендритов подразумевает изменения синаптической организации. В сложно организованных нейронах, таких как пирамидные клетки, 95% синапсов располагаются на дендритах. Отслеживание происходящих изменений в строении дендритов позволяет оценить синаптические изменения.

Дендриты очень изменчивы по форме. Дэйл Первис и его коллеги (Dale Purves; Purves & Voyvodic, 1987) пометили клетки ганглиев дорсальных корешков у живых мышей, применив краситель, позволяющий визуализировать дендриты. Затем они исследовали те же клетки с интервалом от нескольких дней до нескольких недель и зафиксировали очевидные качественные изменения сложности дендритной структуры (рис. ниже).

Рисунок 1. Пластичность на уровне дендритов. Частичная реконструкция дендритного дерева трех нейронов спинального ганглия мыши через 3 месяца демонстрирует произошедшие изменения: удлинение и сокращение определенных дендритных ветвей.

Можно предположить, что усиление ветвления дендритов приводит к образованию большего числа синапсов, а утрата дендритных ветвей приводит к потере синапсов.

Результаты исследования Первиса позволяют сделать очевидный вывод: морфологии нейронов не свойственна статичность — они меняют свою структуру под воздействием сменяющих друг друга переживаний. В процессе поиска нейронных коррелятов памяти исследователи могут воспользоваться преимуществами такой способности нейронов меняться и использовать ее для изучения изменений морфологии дендритов, коррелирующих с определенным опытом, например с обучением выполнению какого-либо задания.

О чем нам говорят изменения морфологии дендритов? Давайте рассмотрим некий отдельно взятый нейрон, который увеличивает площадь своей поверхности, чтобы создать больше синаптических соединений. Новые синапсы могут обеспечивать как дополнительные соединения с нейронами, уже связанными с данным нейроном, так и соединения между ранее не связанными друг с другом нейронами. Примеры таких отличных друг от друга типов синапсов представлены на рис. 2.

Рисунок 2. Воздействие опыта на дендриты. А. Три синаптических входа в дендрит пирамидного нейрона. Каждый аксон образует синапс с отдельным дендритным шипиком. Б. В случае образования множественных головок дендритных шипиков возможно следующее: имеющиеся аксоны могут разделиться и образовать соединения с двумя головками шипика или могут образоваться новые аксоны или коллатерали (обозначены пунктирной линией), которые образуют соединения с новыми головками. В. Отдельно взятый дендритный шипик может образовывать множественные синапсы

Новые синапсы могут возникать как в результате роста новых терминалей аксонов, так и в результате образования синапсов вдоль аксонов, когда они проходят мимо дендритов (рис. 2, А и Б). В обоих случаях новые синапсы обеспечивают изменения локальных или региональных нейронных систем, а не формирование новых связей между отдаленными зонами головного мозга. В полностью созревшем мозге новые связи между расположенными далеко друг от друга областями формируются с трудом — им преграждает путь плотное сплетение клеток, волокон и кровеносных сосудов.

б) Формирование новых нейронных сетей. Еще 30 лет назад было принято считать, что в мозге взрослых млекопитающих не образуются новые нейроны. Ученых заставило пересмотреть эту точку зрения неожиданное открытие, сделанное в 1970-х гг.: в мозге певчих птиц, таких как канарейки, образуются новые нейроны, позволяющие им производить пение во время брачного периода. Исследователи обнаружили, что в мозге взрослых млекопитающих также могут появляться новые нейроны.

Это открытие было сделано в результате введения животным химического вещества под названием бромдезоксиуридин (БДУ) — его поглощают делящиеся клетки, из которых образуются новые клетки, в том числе и нейроны. Когда это соединение вводят в организм взрослой крысы, клетки, находящиеся в фазе деления, встраивают его в свою ДНК. При последующем анализе специфическое окрашивание позволяет идентифицировать новые нейроны.

Основанный на применении БДУ метод позволил получить достаточное количество доказательств способности мозга млекопитающих, в том числе мозга приматов, формировать новые нейроны, которым предстоит занять свое место в обонятельной луковице, гиппокамповой формации и, по-видимому, даже в неокортексе лобных и височных долей (Eriksson et al., 1998; Gould et al., 1999).

Нейрогенез у взрослых может усиливать нейропластичность, прежде всего связанную с процессами обучения и запоминания, хотя причины этого пока не установлены. Например, Элизабет Гульд и ее коллегам (Elizabeth Gould, 1999) удалось продемонстрировать, что в гиппокампе образуется больше новых нейронов, когда животные обучаются выполнению заданий на эксплицитную память.

Создается впечатление, что пережитый опыт способствует появлению таких новых нейронов. Удивительный пример усиления нейрогенеза под воздействием опыта описан в работах Кэтрин Вулетт и Элеонор Магуайр (Katherine Woollett, Eleanor Maguire, 2011). Как уже было сказано в отдельной статье на сайте (просим вас пользоваться формой поиска по сайту выше), у лондонских таксистов, которые должны выучить расположение примерно 25 000 хаотично расположенных улиц Лондона и сдать экзамен, наблюдается увеличение задних областей гиппокампа по сравнению с нормой.

Исследователи захотели определить, было ли это увеличение следствием прохождения 4-летнего курса подготовки к экзамену или уже присутствовало у водителя-кандидата на момент начала курса обучения.

Вулетт и Магуайр получали анатомические МРТ-изображения мозга будущих таксистов до и после обучения, а затем сравнивали мозг успешно сдавших экзамен (n = 39) с мозгом проваливших экзамен кандидатов (n = 20). МРТ-изображения продемонстрировали увеличение объема гиппокампа у успешно сдавших экзамен водителей. У проваливших экзамен кандидатов какие-либо изменения отсутствовали.

Позднее Вулетт и Магуайр установили, что после выхода таксистов на пенсию их гиппокампы уменьшались в объемах — это показывает, что изменения в данной структуре были связаны с ее активным использованием.

- Читать далее "Обогащенная среда и нейропластичность - с точки зрения нейрофизиологии"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 21.11.2023