文摘
在产后的发展过程中,感官体验调节皮质发展,诱导大量的所有组件大脑皮层的变化。大部分的皮质的变化从而诱导发生的关键时期,当皮质神经元的功能和结构属性尤其容易受到改变。虽然experience-mediated感官发展特定课程的时间为每个系统,产后发展作为一个整体,如果一个皮层区域失去正常的感官输入在早期阶段,它将重组nondeprived感官的跨通道可塑性的过程,不仅提高性能在剩下的感官剥夺,而且通过大脑允许剥夺皮质修复过程输入来自其他感官和皮质,维护模块配置。本文总结了我们当前的理解感官系统开发,特别集中在视觉系统。它要表达的感觉增强和感官剥夺影响生理和解剖水平和描述了使用丰富的环境作为一种工具来重建失去大脑区域加强其他活跃的感觉。最后,策略应用human-deprived感觉恢复特性进行了研究,讨论跨通道的有利和不利影响可塑性在假体植入和感官替代设备。
1。介绍
出生后,感官体验调节内在发展项目塑造功能和解剖大脑皮层结构和功能基因表达活动模式系统(1- - - - - -4]。产后神经系统响应与外界刺激开发和巩固大脑连接。大脑回路是特别容易受到这些刺激在一个特殊的时间窗口称为关键时期(3]。这一时期后,大脑成熟和修改更加困难。这个自然过程可以被这些刺激的损失(不足)不同的感官系统,如视觉系统(5),躯体感觉系统(6),或听觉系统7]。剥夺感觉输入在产后发展导致轴突的一个主要障碍,神经回路的树突和突触连接模式(6,8,9]。experience-mediated调优的主要监管机构感官系统的兴奋和抑制的平衡(10,11]。尽管experience-mediated感官发展特定课程的时间为每个系统,产后发展作为一个整体,如果一个皮层区域失去正常的感官输入在早期阶段,它将重组nondeprived感官在跨通道可塑性的过程12,13]。
本文的目的是对细节的跨通道效应可以链接不同的知觉的皮层。特别审查丰富的环境在不同感官的影响,特别专注于视觉系统和这个环境视觉剥夺了动物的影响。丰富的环境是一种工具与神经保护效应在许多脑部疾病和感官系统恢复的影响。通过这个环境有更深一层的认识,可以设计更好的策略起到跨通道作用以补充缺失的感觉幸免的。
2。视觉系统开发
在产后的发展过程中,特定的视觉皮层中神经元之间的联系以及它的输入和输出,最终导致功能网络。这个过程是在两个阶段完成,因为环境经验调节基因预先确定的路线图来塑造功能和解剖大脑皮层结构和功能(2,3,14]。体验施加影响大脑的三个主要元素;增加每个神经元突触的数量和大小(15),神经活动(16,17),代谢需求(18,19];增加astroglial人口(20.];导致血管网络的变化(5,15,21]。
视觉系统的结构遵循感官系统的基本轮廓。它是一个等级系统,有一个敏感的受体,一些中间站,大脑皮层的特定区域。这一事实是一个通路在深度和伟大的每个组件的可访问性使其感觉系统的系统选择的大多数研究或大脑皮层22]。
视觉体验的影响始于眼睛打开,在大鼠发生在产后第二周生活(23]。在这个关键时刻,一个重大重组的所有视觉系统由视觉刺激开始感受到;特别是在所谓的关键时期(最大的突触重组时期由于经验)。
这一时期存在于许多物种,人类果蝇(24),为每个大脑特定区域和大脑皮层experience-mediated重组之后,感觉功能达到成熟度(3,25]。关闭完成关键时期建立了解剖和功能的现象。形成的结构性因素,如perineuronal网(神经元)(26,27)和myelin-related蛋白(28)抑制轴突发芽。另一方面,兴奋和抑制性信号之间的功能变化,如皮层gaba ergic抑制由小清蛋白阳性的中间神经元(29日),调整关键时期终止。脆弱性的确切时间剥夺大脑皮层的视觉刺激是非常重要的,对于理解视觉皮质的正常发展。已经表明,对单眼阻塞开始在产后生活的第三周,山峰的第四和第五周期间产后生活,并开始减少产后生活的第五周结束后(30.]。
尽管直到最近时期人们认为大脑失去可塑性关键期的结束后剩余的固定在成年后,现在我们认为成年人的大脑保持一定程度的可塑性来应对不断变化的环境中生活(14),像一个扩展的关键时期。在众多的研究中,人们已经发现,一些干预措施可促进成年啮齿动物的可塑性,包括环境浓缩(31日],视觉剥夺[32),以前的单眼剥夺相同的眼睛(33),酶促降解细胞外基质(26],刺激组蛋白乙酰化作用[34),抗抑郁药氟西汀(35]。
最好的年龄相关性皮层可塑性的研究模型眼优势(OD),通过单眼剥夺(MD)。双目视觉皮层神经元响应来自双眼却由输入侧眼(在啮齿动物),和单眼剥夺诱发眼优势转变双目神经元向开放的眼睛。眼优势最为明显,在年幼的动物在产后发展(P25),减少了在年轻的成年人(P95),并没有完全成熟的动物超过110天的年龄(36]。
迄今为止,大多数研究和努力都集中在年轻的动物,但过去几年的研究开辟了一个新窗口为成人可塑性的研究及其治疗的应用程序。
3所示。感官剥夺
修改属性的感觉皮质的消除其自然感觉输入(不足)作为模型为研究大脑可塑性重建本身和他的能力,表现出一系列令人印象深刻的跨通道可塑性。
3.1。视觉系统不足
虽然外部经验的影响发生在中枢神经系统,大多数研究在感官剥夺视觉皮层上执行。缺乏视觉体验从出生延误正常的成熟和保持视觉皮层处于不成熟状态(20.,30.]。特别是视觉连接不巩固。他们保持塑料关闭后的生理和视力不发展关键时期(26]。视觉系统组织促进研究其结构通过路径的中断在不同阶段,通过输入使用侵入性方法的不足,如眼睑缝合(30.,37)和单边/双边摘出术(38),或非侵入性的,如暗饲养(博士)5,26,39,40]。而暗饲养避免任何手术操作和叶皮层处于不成熟状态,可以修改后续视觉体验(41],眼睑缝合手术操作和动物需要接受视觉刺激与漫射光槽的眼睑缝合导致异常双眼交互在皮质纹状皮层和不可逆转的发展缺陷生理学(42]。摘出术是最侵入性技术,影响生理和结构层面的动物和更大程度上的效果并不比黑暗独自抚养(43]。另一方面,外科手术或侵入性技术允许我们只有闭上一只眼睛(如右眼),这样我们可以看到单眼剥夺和补偿效果的影响在侧皮质,而暗饲养不允许这个事实,被剥夺的双边。
消除暗饲养视觉刺激,改变生理和形态在大脑的主要组件3,神经元,星形胶质细胞和血管。剥夺视觉体验降低synapse-neuron比率(43)和改变脑源性神经营养因子(BDNF)信号影响视觉皮层神经元的正常发展44]。星形胶质细胞的数量也受到影响。星形密度降低视觉和躯体感觉皮层(20.,40,45和星形胶质细胞的成熟是受限制的46]。血管,neurogliovascular单元的第三个元素,也缺乏视觉刺激的影响。有一个延迟成熟的视觉皮层微血管模式。在产后发展包括关键时期,血管密度降低大鼠饲养在黑暗中是由于突触活动减少和降低能源需求需要一个低利率的血液供应来满足需求在大脑皮层5,47]。血管面积也减少,神经元的数量小,所有相关的皮质活动减少(48]。对大脑血管化的影响反映在主要的血管生成因子,血管内皮生长因子(VEGF)。临危的时期大鼠视觉皮层,博士和控制动物显示出类似的VEGF蛋白值,而在关键时期两组之间的差异被发现,以减少蛋白表达翻译在一个较低的血管密度在视觉剥夺了动物39]。
3.2。其非感官剥夺
感官剥夺另一个广泛使用的系统是躯体感觉皮质。触觉信息来自胡须中扮演着重要角色的感知环境的啮齿动物(6,49,50]。啮齿动物的主要特征主要somatosensorial皮层(S1)是第四层包含一个独特的地形表示每个面部须叫一桶,这是组织形成离散的细胞构筑的单位(8,51,52]。这种皮质组织允许的评价的影响操纵单一的胡须。须地图建立的关键时期,延伸在第一产后一周,因此先于视觉或听觉关键时期(53]。可塑性somatosensorial皮层遵循相同的生化途径的其他感官(53,54),也表现为发展关键时期,平衡,和兴奋和抑制性突触修剪的55]。枯竭的感官活动须削减引发躯体感觉桶皮质的形态和生理改变时执行操作的关键时期(6,56- - - - - -58]。虽然效果和时间的S1剥夺对神经元结构和功能已被广泛研究[59),其余的S1皮质的元素得到了更少的关注。关于血管化,功能磁共振成像研究显示神经与血管的模式耦合后须活动分享最特征的视觉皮层中发生了什么,在毛细血管密度较高(最活跃的地区60- - - - - -62年]。在缺血的动物模型,增加缺血性损伤后须刺激增加了血管化的桶皮质移植血管生成因素如VEGF (63年),因此,显示类似血管影响知觉的活动增加我们在视觉皮层(之前报道39]。
其他感官的研究也主要集中在神经元的结构和功能。研究气味的影响与视觉或听觉剥夺效应相似或躯体感觉系统(6,64年]。然而,并不局限于神经元,影响嗅觉剥夺也减少了astroglial组织网络(65年]。
4所示。丰富的环境
第一个方法的影响环境的发展可以追溯到19世纪的拉马克和达尔文【66年,67年]。后者报道,啮齿动物在自然有更大的大脑,国内的笼子里。在本世纪末,卡哈尔和培育先进的学习在突触可塑性的影响68年,69年]。
研究experience-induced修改大脑形态进行研究已经完成了在实验室环境中,环境条件可以被修改(70年]。
虽然研究的起源的影响环境浓缩(EE)可以追溯到几个世纪以前,第一个系统研究可以归因于1947年唐纳德·赫布提问到,当他描述了老鼠带进他的家和照顾宠物执行解决问题的测试比在(笼子里养的老鼠71年]。Rosenzweig Krech,班纳特和钻石,他群门徒加州大学伯克利分校环境浓缩的概念定义为复杂的无生命的和社会刺激的结合。从他们的第一个研究,丰富的环境不断实现笼子比标准的不同颜色和形状的玩具,隧道,材料建造鸟巢,和一个避难所,后者最近被描述为一个环境浓缩(图的必要元素1)。已经修改这些对象(最好的时间表已经建立每隔两天)和食物的位置也被定期改变。其他元素有实质性影响社会互动,以便更广泛的笼子里允许饲养更多的动物交换社会刺激和锻炼,被迫或自愿,在啮齿动物通常实现免费获取一个练习轮或跑步机(72年,73年]。一些作者怀疑是否应该包括体育锻炼。然而,随着体育锻炼本身导致大脑的变化,最丰富的环境模式,从赫,决定把它。
(一)
(b)
环境浓缩增加感官、认知和运动刺激和促进活化,信号,大脑和神经可塑性领域,如感官的视觉皮层(74年- - - - - -76年),听觉皮层(77年),或躯体感觉皮质78年)或非感觉像海马体(79年),杏仁孔(80年),基底神经节(81年,82年),和小脑皮质(83年]。
浓缩诱发效应从细胞、分子、基因水平的行为。在解剖水平,初步研究表明,环境浓缩增加皮质重量和厚度84年,85年]。后的作品表明,EE树突分支和长度增加,树突棘的数量,和一些神经突触的数量大小86年,87年]。EE也增加海马神经发生,由VEGF (88年),抑制细胞凋亡(89年),有很强的可塑性的神经连接的影响,尤其是在视觉皮层(23,90年]。其他元素的皮层,描述了类似的结果。星形形态学改变是由于接触到丰富的环境(74年,91年),而视觉皮层星形胶质细胞的大小和密度(92年,93年)和躯体感觉皮质增加(40]。除了oligodendroglial密度也增加(92年)和相同的发生与血管密度(18,39,94年]。
大多数这些变化在细胞水平上是一致的变化在突触功能相关基因的表达和细胞可塑性。浓缩angioneurins的水平增加,影响神经和血管细胞的分子过程(95年]。Angioneurins包括分子首先被描述为血管生长因子,如原型angioneurin VEGF (39)和分子第一次描述了神经营养因子如神经生长因子(神经生长因子)96年],脑源性神经营养因子(BDNF) [90年,97年],neurotrophin-3 (NT-3) [98年]。同时,它增加突触蛋白的表达和诱导表达的变化的子单元NMDA和AMPA受体(99年]。
除了这些在细胞和分子水平增加,最近的研究报道视觉系统发展的加速度环境富集的结果。丰富环境中饲养动物诱发早期的眼睛打开和电生理反应如视力的早期发展(23]。
最后但并非最不重要,在丰富环境中饲养改善学习和记忆(79年,One hundred.),由于衰老而降低认知障碍(101年,102年[],减少焦虑,增加探索性活动103年]。最近的研究概述环境浓缩的持续时间的重要性,与持久性相关的对行为的影响(104年,105年]。
这广泛的影响所EE在整个大脑做出这种环境一个有用的工具来提高他们的大脑紊乱的影响。增强的感觉、认知和身体刺激能够挂载对神经退行性神经反应过程,创伤性侮辱,或其他形式的成人神经功能障碍。EE延迟性认知障碍和抑郁行为与亨廷顿氏舞蹈症(高清)106年),对啮齿动物神经退行性神经疾病像帕金森病模型107年),或者能够改善行为异常在精神疾病的啮齿动物模型,像精神分裂症108年]。
5。从感官剥夺复苏
大脑有很大程度的感官剥夺后重组。一个共同特征是提高性能的补偿跨通道可塑性在剩下的感觉当一个人被剥夺了109年,110年]。在感官可塑性地图,输入从感官剥夺削弱和收缩而幸免或丰富信号加强和扩大11,111年]。跨通道可塑性意味着不仅nondeprived的生理变化,如更高的活动系统,而且招聘的贫困地区补偿感官(112年]。
这个过程也出现在自然界中,发生在盲老鼠已经减少视觉区域和扩大剩余的感觉的113年]。虽然跨通道可塑性通过补偿失去的感觉中起着重要的作用,它可以明显阻碍疗法针对恢复失去意义,皮质致力于它已经“占领”nondeprived系统。
原则上,大多数研究的恢复知觉的剥夺视觉皮层已经开发出来,但由于交叉可塑性,其影响不限于剥夺系统,和他们中的大多数显示效果的皮层。可能最著名的方法来补偿知觉的剥夺环境浓缩,也用于许多脑部疾病的影响进行补偿。如前所述,饲养在完全黑暗从出生对视觉皮层的发展有重大影响,主要是在关键时期。这些影响可以被更改或修改如果动物dark-reared在复杂的环境中。第一项研究对预防暗饲养效果的环境浓缩是由Bartoletti et al。104年),表明环境浓缩促进整合的视觉皮层连接,dark-reared老鼠,视力的发展和恢复黑暗饲养的影响硫酸软骨素蛋白聚糖发展组织在视觉皮层在perineuronal网。除了浓缩的成熟的影响皮层连接,老鼠饲养在黑暗中富集的影响在大脑的两个主要的元素,分析了血管,星形胶质细胞(40,114年]。在我们的第一个研究结合这个补偿系统中,我们观察到的影响EE没有运动轮dark-reared老鼠血管系统的分析视觉皮质。浓缩无法恢复剥夺效应对大鼠的血管密度在黑暗中长大。富集的影响,在结构层面(血管密度)和分子水平上(VEGF蛋白的水平),并不足以补偿育种在黑暗中产生的效果,两组的值,(博士)和黑暗暗饲养在丰富环境的笼子里(DR-EE)相似,低于对照组(39]。这些结果仍如果我们应用相同的范式研究星形胶质细胞密度(40]。当锻炼是包括作为浓缩(DR-EE-Ex)的一部分,恢复效果观察。DR-EE-Ex环境剥夺了视觉系统和提高躯体感觉(黑暗力量动物用胡须来补偿缺乏视觉刺激)和电机系统。补偿作用之间存在不同的感官系统。没有视觉兴奋,增加电机和somatosensorial系统的刺激是反映在视觉皮层,星形胶质细胞的密度的DR-EE-Ex组高于博士组和对照组(图2)[40]。
另一个常用的方法来补偿的影响知觉的剥夺是脑源性神经营养因子、神经生长因子等外源性神经营养因子管理从而显示其关键作用的experience-mediated发展知觉的系统和控制发作和时机的关键时期115年- - - - - -117年]。外生BDNF政府补偿的影响知觉的剥夺,前面提到的运动对视觉剥夺的补偿效应可以解释的事实锻炼移植脑源性神经营养因子,从而有助于恢复失去知觉的系统。在系统除了视觉,BDNF政府还补偿至少部分的影响知觉的剥夺,在耳聋后的听觉系统(118年]。
大多数的研究跨通道可塑性已经完成了在人类早期失明者。这个过程让我们集成信息收到不同的感官来精心设计一个复杂的反应(119年]。在先天或早期失明者,有一个激活的枕叶皮层响应触觉或听觉的输入,可以通过增加blood-oxygenation-level-dependent反应(粗体显示)120年]。此外,视觉剥夺枕叶皮质区保持高度的组织和特异性,在处理空间信息的区域nonblind人类保持特定的功能和处理空间信息从百叶窗的听觉系统(121年]。因此,没有感觉,超越皮质区域属于剥夺了一个维持其模块化的结构。一旦枕叶皮层重组过程从非可视的感官输入,将类似的行为。例如,枕叶皮质的损伤会影响nondeprived意义上,如失读症盲文先天失明的病人的中风,模仿在no-blinds枕中风的影响(122年]。
除了视觉系统、听觉系统是主要剥夺系统之一。研究表明,听觉剥夺会导致听觉区域的招聘视觉功能(123年)或躯体感觉功能(124年]。同样,听觉刺激激活视觉皮层的早期视觉剥夺小鼠可以(125年),双边无核的啮齿动物有一个扩大somatosensorial皮层(126年]。
跨通道somatosensorial之间的交互和其他感觉的系统,如听觉系统还显示,复苏的影响策略知觉的剥夺剥夺系统不仅限制(59]。
潜在的可能是,从听觉剥夺复苏更接近实际应用在人类比其他的系统。完整的知觉的剥夺人类频繁患有先天性耳聋和听觉神经往往是功能,治疗使用人工耳蜗植入有中度的成功,尤其是应用在听觉关键时期如果他们结合听觉浓缩通过增加亲子互动(127年,128年]。有时发生在残疾儿童,压力产生的聋孩子听父母可能会导致一种无意识的语言交互的枯竭,因此,减少早期人工耳蜗植入的有利影响。
某种意义上说,不如上述研究是触觉。身体按摩和多种感觉的刺激都包含在新生儿护理在人类新生儿由于他们对新生儿体重的影响。早期的一个例子跨通道的影响触觉浓缩在开发期间,Guzzetta et al。129年)表明,按摩影响视觉系统的成熟,加速视力发展,在人类婴儿和老鼠幼崽。这一效应是由过度产生IGF的整个大脑。视觉系统是没有直接刺激但按摩效果有跨通道的影响在这个意义上的发展。
作为跨通道可塑性可能妨碍了复苏的原始功能,策略旨在促进恢复性可塑性也应该涉及跨通道的输入干扰的减少(130年),这可能被视为一种副作用跨通道的可塑性。
极大的兴趣的另一个点是感官替代设备的发展,可能剥夺系统传递信息(主要是视觉)通过触摸或声音等其他来源(131年]。跨通道可塑性是电触觉刺激了舌头的先天失明的(132年]。尽管使用neuroprostheses恢复患者的视力已经调查(133年),结果一直远离令人信服的耳蜗植入物,由于缺少结果和高度的侵袭性(134年]。另一点使用假肢的疑问是,发生在耳蜗植入,枕叶皮质区已经从其他的感官已经重新输入一个空格。相比之下,感觉替换设备可以受益于增加跨通道可塑性的知识和提供一个便宜,微创,和更有效的恢复工具。事实上,最近的实验结果表明,重新接线的枕叶皮质区维护大多数nonblind皮质的模块化特性,如空间处理的专业化(121年),提供了更好的衬底从幸免感官传达复杂的视觉体验。
6。结论
缺乏感官输入环境在产后早期发展会导致严重的后果,可以恢复重新激活大脑皮层可塑性等生理战略环境浓缩,剥夺了输入,或药理生成管理解决方案。尽管时间进程的关键时期为每个感官系统,在开发特定experience-mediated大脑发育是一个独特的事件。感官剥夺的一个主要特点是跨通道可塑性过程导致的补偿性upregulation nondeprived感官,甚至入侵剥夺的皮层区域。因此,康复可以妥协的感官输入之前剥夺感必须在跨通道与感官电路neoformed可塑性。总之,所有的恢复策略对感官剥夺的影响必须考虑到皮质属于剥夺感有一个新成立的感觉组织过程从异位的感官输入;因此,神经隔离需要确保能够复活的意义上形成适当的神经回路。另一方面,跨通道可塑性提供了一个巨大的机会来开发感觉替换设备,可以使失明者获得视觉信息从幸免听觉或触觉感官。枕叶皮层的事实使功能性组织尽管缺乏视觉输入,当发生空间处理,提供了一个高潜力的视觉恢复的非可视输入。