Восстановление после черепномозговой травмы - с точки зрения нейрофизиологии

Нервной системе свойственен консерватизм в использовании связанных с поведенческими изменениями механизмов. Если нейробиологи хотят изменить мозг (например, после травмы или заболевания), им следует использовать методы, позволяющие вызвать пластические изменения, связанные с обучением, памятью и другими формами поведения.

Вспомните, как Г. М. не удалось восстановить память, несмотря на 55 лет тренировок по запоминанию информации. Г. М. просто не мог больше учиться — он утратил необходимые для обучения нейронные структуры. Однако другим людям удается восстановиться.

Бытует мнение, что в процессе восстановления после черепно-мозговой травмы человеку приходится заново осваивать утраченные навыки — учиться ходить, говорить или пользоваться пальцами. Но что на самом деле происходит в процессе восстановления? Частичное восстановление функций является обычным явлением после травмы головного мозга, но у человека с черепно-мозговой травмой или заболеванием мозга наблюдается утрата нейронов. В мозге могут отсутствовать структуры, необходимые для обучения или запоминания.

а) Донна и ее черепномозговая травма. Донна начала танцевать, когда ей было 4 года, - она была рождена для танцев. К моменту окончания школы ее навыков и подготовки было достаточно, чтобы пройти стажировку, а затем присоединиться к одной из ведущих танцевальных трупп. Донна отчетливо помнит тот день, когда ее выбрали на главную роль в «Щелкунчике». В детстве она была очарована костюмами, когда смотрела этот популярный рождественский балет, а теперь сама получила возможность танцевать в этих костюмах!

Рождение двоих детей вынудило ее прервать карьеру танцовщицы, но Донна не потеряла интерес к танцу. В 1968 г., когда оба ее ребенка пошли в школу, она снова начала танцевать в составе местной труппы. К ее удивлению, она по-прежнему могла выполнить большинство движений, хотя уже отвыкла от классической хореографии, которую когда-то досконально изучила. Тем не менее она быстро освоилась. Оглядываясь назад, Донна поняла, что ей не стоило так удивляться, ведь у нее всегда была отличная память.

В один из вечеров 1990 г., когда Донна ехала на велосипеде, ее сбил пьяный водитель. На Донне был шлем, но она все равно получила удар по голове, который привел к черепно-мозговой травме (ЧМТ). Несколько недель она находилась в коме. Когда Донна пришла в сознание, ее мысли путались, ей было трудно говорить и понимать других людей. У нее была очень плохая память. Из-за пространственной дезориентации она часто терялась. У Донны присутствовали разнообразные двигательные нарушения.

Кроме того, она с трудом узнавала всех, кроме членов своей семьи и ближайших друзей.

В течение следующих 10 месяцев Донна восстановила большую часть двигательных и речевых навыков, а ее пространственные способности значительно улучшились. Тем не менее она была вспыльчивой и легко впадала в уныние из-за того, что медленно выздоравливала — такие симптомы типичны для людей с черепно-мозговыми травмами. У Донны были периоды депрессии.

Донна также обнаружила в себе склонность внезапно впадать в панику во время выполнения простых задач. Однажды, в самом начале реабилитации, она пошла за покупками в крупный супермаркет и была выбита из колеи обилием вариантов заправки для салата. Она выбежала из магазина и смогла вернуться, чтобы продолжить покупки, только после того, как посидела снаружи и успокоилась.

Два года спустя Донна снова начала танцевать, но ей было трудно осваивать и запоминать новые движения. Ее эмоциональное состояние по-прежнему оставалось нестабильным, что стало тяжким бременем для ее семьи, хотя приступы уныния и вспышки гнева случались значительно реже. Спустя год они прекратились, и Донна начала жить обычной жизнью женщины среднего возраста.

Несмотря на это, некоторые изменения когнитивных функций сохранялись. Оказалось, что Донна не способна запоминать имена и лица новых людей. Она теряла концентрацию, если ей мешали отвлекающие факторы, такие как телевизор или радио. Она не могла танцевать так же, как до травмы, но усердно работала. Сложнее всего было сохранять равновесие при резких поворотах. Чтобы не рисковать, Донна ушла из группы, отказавшись от дела всей жизни.

Случай Донны показывает, что способность человеческого мозга непрерывно менять свою структуру и в конечном счете свою функцию, сохраняется на протяжении всей жизни. Исходя из того, что мы успели изучить в этой главе, мы можем выделить три метода, которые могли бы помочь Донне восстановиться после черепно-мозговой травмы: она могла бы найти новые способы решения проблем, реорганизовать головной мозг таким образом, чтобы делать больше с привлечением меньших ресурсов, или образовать новые нейроны, чтобы создать новые нейронные сети. Ниже мы коротко рассмотрим каждый из вариантов.

Мозг этих танцовщиц меняется под воздействием нового опыта и с развитием новых способностей. После аварии мозгу Донны пришлось измениться, чтобы она смогла вернуть утраченные способности. Однако ей не удалось восстановить присутствующую у этих молодых женщин способность к запоминанию новых танцевальных движений

б) Метод трехлапой кошки. Потеряв лапу, кошка быстро научается компенсировать ее отсутствие и восстанавливает подвижность. У кошки происходит восстановление функции — конечность утрачена, но изменения в поведении компенсируют ее отсутствие. Этот простейший способ восстановления после черепно-мозговых травм называют методом трехлапой кошки.

Этим можно объяснить многие случаи восстановления функций после ЧМТ. Давайте представим себе, что у праворукого человека случился инсульт, из-за которого он больше не может использовать правую руку. Не имея возможности писать пораженной рукой, человек начинает использовать левую руку. Такая поведенческая компенсация предполагает формирование нового навыка, в основе которого лежат некие изменения в нервной системе.

в) Метод формирования новых нейронных сетей. Второй способ восстановления после повреждения мозга состоит в том, чтобы дать мозгу возможность сформировать новые связи, позволяющие делать больше с привлечением меньших ресурсов. Такие изменения легче всего запустить благодаря процессам, аналогичным тем, которые мы рассматривали в контексте других форм пластичности. Мозг меняет нейронные связи, чтобы компенсировать потери.

Без лечения восстановление после черепно-мозговых травм идет не очень быстро. Выздоровление можно значительно ускорить, применив поведенческую или медикаментозную терапию, а также стимуляцию мозга, запускающую процесс образования новых связей в головном мозге.

Поведенческая терапия, такая как логопедические занятия, физиотерапия и музыкотерапия, может повышать мозговую активность, способствуя изменениям на нейронном уровне. Медикаментозная терапия предполагает введение пациенту препарата, который способен влиять на нейропластичность, например фактор роста нервов (NGF). Когда фактор роста нервов вводят животным с поврежденной в результате инсульта моторной корой, у них наблюдается улучшение двигательных функций («Эксперимент 4»), Поведенческие изменения коррелируют с резким увеличением интенсивности ветвления дендритов и плотности дендритных шипиков в интактных двигательных зонах.

Морфологические изменения коррелируют с улучшением двигательных функций, таких как вытягивание передней конечности, чтобы дотянуться до пищи, представленное в разд. «Эксперимент 2» (Kolb et al., 1997). Однако из-за того, что часть мозговой ткани по-прежнему отсутствует, процесс восстановления нельзя считать завершенным.

Теоретически мы можем ожидать, что любой препарат, стимулирующий образование новых связей, может помочь человеку восстановиться после повреждения мозга. Однако необходимо, чтобы формирование связей происходило в тех областях мозга, которые имеют отношение к утраченной функции. Например, препарат, стимулирующий образование синапсов в зрительной коре, не сможет ускорить восстановление функции руки. Нейроны зрительной коры не принимают непосредственного участия в управлении движениями.

Третья стратегия формирования новых нейронных цепей предполагает применение глубинной стимуляции мозга либо прямой электрической стимуляции окружающих зону поражения областей. Электрическая стимуляция необходима, чтобы повысить уровень возбуждения в оставшихся фрагментах поврежденных нейронных сетей. Глубинная стимуляция мозга позволяет привести мозг в более пластичное состояние, чтобы повысить эффективность реабилитационных методов. Обе стратегии проходят предварительные клинические испытания.

г) Эксперимент 2. Правда ли, что освоение точных движений меняет топографию моторной коры?

Выводы. Представительство пальца в коре головного мозга животного, выполнявшего более трудное задание, оказалось крупнее; это соответствует нейронным изменениям, необходимым для усвоения навыка.

Эксперимент 4. Стимулирует ли фактор роста нервов восстановление после инсульта и влияет ли он на нейронную структуру?

Выводы. Фактор роста нервов стимулирует рост дендритов и увеличение плотности дендритных шипиков как в здоровом, так и в поврежденном мозге. Такие нейронные изменения коррелируют с улучшением двигательных функций после инсульта.

д) Метод замены утраченных нейронов. Третий способ, позволяющий таким пациентам, как Донна, ускорить выздоровление, предполагает образование новых нейронов, объединяющихся в новые нейронные сети. Теория о том, что мозговую ткань одного животного можно пересадить другому животному, появилась 100 лет назад. Ткань, пересаженная из мозга зародыша, разрастается и образует некоторое количество связей в новом мозге. К сожалению, в отличие от пересаженного сердца или печени, пересаженная мозговая ткань плохо функционирует.

По-видимому, данная процедура больше всего подходит для ситуаций, когда требуется небольшое количество функциональных клеток, например при необходимости замены дофаминергических клеток у пациентов с болезнью Паркинсона или замены клеток супрахиазматического ядра для восстановления циркадных ритмов.

К 2004 г. дофаминергические клетки хирургическим способом пересадили в стриатум множеству пациентов с болезнью Паркинсона. Хотя болезнь не удалось победить полностью, у некоторых пациентов, в особенности у молодых, наблюдалось улучшение функционального состояния, в связи с чем применение данной процедуры можно считать оправданным. Тем не менее остается открытым вопрос этики, поскольку ткани для пересадки получают из абортированных человеческих эмбрионов.

P.S. Стриатум (полосатое тело) — область базальных ганглиев, состоит из хвостатого ядра и скорлупы.

Второй способ замены утраченных нейронов предполагает применение стволовых клеток взрослого организма. Ученые знают, что головной мозг взрослого способен образовывать нейроны. Задача состоит в том, чтобы заставить мозг образовывать нейроны после травмы. Брент Рейнольдс и Сэм Вайс (Brent Reynolds, Sam Weiss, 1992) совершили прорыв в таких исследованиях.

Клетки, выстилающие желудочки в мозге взрослых мышей, извлекли и поместили в среду для культивирования. Ученые продемонстрировали, что под воздействием определенных нейротрофических факторов клетки начинали делиться, образуя новые нейроны и глиальные клетки. Более того, при введении в желудочек живого животного нейротрофического фактора, прежде всего эпидермального фактора роста (EGF; от англ., epidermal growth factor), в субвентрикулярной зоне начинают образовываться клетки, которые мигрируют в стриатум и в конце концов дифференцируют в нейроны и глию.

Теоретически должна быть возможность использования нейротрофических факторов для стимуляции образования новых клеток в субвентрикулярной зоне поврежденного мозга. Если бы такие новые клетки могли мигрировать в зону поражения и обеспечивать регенерацию утраченной ткани (рис. ниже), это дало бы возможность восстановить хотя бы некоторые из утраченных функций. Однако восстановить можно не все утраченные формы поведения, поскольку новым нейронам необходимо образовать такие же связи с остальными областями головного мозга, какие были свойственны утраченными нейронами.

Как работают стволовые клетки. Слева: введение эпидермального фактора роста в боковой желудочек мозга крысы после коркового инфаркта (очаг виден справа вверху) индуцирует нейрогенез в субвентрикулярной зоне. Справа: стволовые клетки мигрировали в зону поражения и заполнили поврежденную область. При этом клеточная организация отличается от нормальной

Это непростая задача: связи должны быть сформированы во взрослом мозге, который уже содержит миллиарды связей. Тем не менее такое лечение может когда-нибудь стать возможным, а результаты доклинических исследований обнадеживают. Комбинации нейротрофических факторов эффективно стимулируют нейрогенез в субвентрикулярной зоне после черепно-мозговых травм. Например, как показано на рис. выше, слева, у животных сначала вызывают ишемический инсульт, а затем в течение 14 дней им вводят нейротрофические факторы внутрь желудочка мозга.

Как показано на рис. выше, справа, новые клетки мигрируют в зону поражения, где многие из них дифференцируются в незрелые нейроны.

Хотя новые клетки не очень хорошо встраиваются в мозг, они влияют на поведение и приводят к улучшению функционального состояния (Kolb et al., 2007). Механизм такого влияния недостаточно изучен. По-видимому, новые нейроны оказывают нейротрофическое действие на неповрежденные области коры, окружающие зону поражения. В настоящее время идут предварительные клинические испытания метода на человеке — у добровольцев не были выявлены какие-либо нежелательные эффекты.

е) Закрепление изученного. Прежде чем продолжить, проверьте себя.
1. Три способа компенсировать утрату нейронов -это ______ , ______ и ______ .
2. Существуют два способа применения метода электростимуляции для ускорения выздоровления после черепно-мозговой травмы — это ______ и ______ .
3. Эндогенные стволовые клетки можно использовать для улучшения функционального состояния, воздействуя на них ______ .
4. Чему нас может научить трехлапая кошка?

ж) Ответы на вопросы для самоконтроля:
1. В любом порядке: компенсация или обучение новым способам решения проблем; реорганизация мозга, чтобы делать больше с привлечением меньших ресурсов; замена утраченных нейронов.
2. В любом порядке: прямая электрическая стимуляция мозга; глубинная стимуляция мозга.
3. Нейротрофическим фактором или фактором роста нервов.
4. Улучшение функционального состояния после черепно-мозговой травмы в большей степени обусловлено компенсацией, чем восстановлением.

- Читать далее "Резюме по тому как мы учимся и запоминаем с точки зрения нейрофизиологии"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 21.11.2023