Изследване на невронните механизми на невропластичността и тяхната роля в ученето и паметта

Въведение

Човешкият мозък притежава изключителна способност да се адаптира към нова информация, преживявания и околна среда. Тази способност се дължи на феномена, известен като невропластичност — ключов процес, който позволява мозъкът да променя своята структура и функция през целия живот. Разбирането на невронните механизми, които стоят в основата на невропластичността, е от съществено значение за разкриване на начините, по които учим, запаметяваме и възстановяваме когнитивните си функции след травма или заболяване.

Дефиниция на невропластичността

Невропластичността е способността на централната нервна система да се модифицира като отговор на външни или вътрешни стимули. Това включва промени в синаптичната сила, реорганизация на невронни мрежи, както и растеж на нови неврони и синапси. С други думи, мозъкът не е статичен орган — той непрекъснато се самообновява и преустройва. Това се случва заради много сложни механизми на отделните неврони, които можем да си представим като преструктуриране на важен път или създаване на нова магистрала, за да стигаме по-бързо до дестинациите си. По същия принцип, невроните ни създават все по-добри и по-добри пътища, през които невротрансмитери като допамина да стигат до местата, в които са търсени и нужни.

Значение на невропластичността за ученето и паметта

Ученето и паметта са динамични процеси, които разчитат именно на невропластичността. Създаването на нови връзки между невроните и подсилването на съществуващите пътища са основните методи, чрез които нова информация се кодира, съхранява и извлича. Без тази способност, ученето би било невъзможно, а паметта — краткотрайна и нестабилна. С други думи, пластичността на мозъка ни позволява да запаметяваме, защото мозъкът физически се променя, когато научаваме нови неща, сякаш създаваме нова папка в компютъра.

Аргумент 1: Клетъчни механизми на невропластичността

На клетъчно ниво, невропластичността се изразява най-вече чрез дълготрайна потенциация (LTP) и дълготрайна депресия (LTD). Потенциацията представлява устойчиво увеличаване на силата на сигнала между два неврона след висока честота на стимулация, докато депресията води до нейното намаляване. Тези два процеса служат като биологична основа на запомнянето и забравянето. Колкото по-голяма стимулация получаваме докато четем нещо или колкото повече пъти това четене се повтаря, толкова по-вероятно е да запомним информацията. Обратното също важи - ако сме разсеяни или просто не отделяме нужното време за запомняне на информация, то силата на сигнала между невроните отслабва и връзката между тях се разпада.

Експерименти с хипокампа на гризачи показват, че потенциацията е основен механизъм за пространствено и епизодично учене. Учените са подложили гризачи и зайци на шокова терапия и са забелязали, че с времето реакциите в мозъка на животните стават все по-бързи при едни и същи външни стимули, което означава, че мозъкът и създал по-ефикасен път за реакция като научава по-добре знаците за идващата болка. (Bliss & Lømo, 1973).

Аргумент 2: Молекулярни пътища, свързани с невропластичността

На молекулярно ниво, множество сигнални пътища и невротрансмитери играят ключова роля в невропластичните процеси. Глутаматът, основният възбуждащ невротрансмитер, активира определени рецептори, които стартират едно голямо домино от вътреклетъчни събития, водещи до укрепване на синапсите (връзката между два неврона). Например калциевите йони, които навлизат чрез NMDA рецепторите, активират ензими като CaMKII и PKA, които улесняват експресията на гени, необходими за синаптичната промяна (Malenka & Bear, 2004).

Това може да звучи доста сложно, но може да бъде казано и илюстрлирано по много лесен начин - молекулите, които изграждат мозъка ни и клетките му, могат да игрпаят роля в създаването на по-ефикасни пътища и по този начин да засилват пластичността на мозъка. Тези молекули могат биха могли да играят ролята на асфалта - колкото повече от тях се включват в процеса, толкова по-дебел става той и съответно много по-дълготраен и устойчив на променливи стимули.

Аргумент 3: Структурни промени в мозъка

Невропластичността не се изчерпва само с функционални промени — тя включва и структурни трансформации. Установено е, че ученето води до образуване на нови дендритни шипчета, увеличаване на синаптичната плътност и дори неогенеза (раждане на нови неврони) в определени мозъчни региони като хипокампа. Това означава, че мозъкът буквално се развива докато учим или се занимаваме със стимулиращи неща. Фактът, че развиваме не само знанията си, а караме целия си мозък да работи по по-добър начин само потвърждава поговорката, че мозъкът е мускул и като всеки друг мчускул, трябва да го използваме, за да не го загубим.

Функционалната магнитно-резонансна томография (вид машина за изследване на мозъка) е показала, че интензивното обучение води до измерими промени в обема на сивото вещество, тоест повече мозъчни клетки, които да използваме. Става явно, че можем да използваме над 100% от мозъка си, защото докато се упражняваме и учим, ние активно създаваме повече мозък. (Draganski et al., 2006).

Аргумент 4: Невропластичност през различните етапи на живота

Въпреки че най-интензивна в детството, невропластичността остава активна през целия живот. В зряла възраст тя се проявява по-бавно, но съществуват доказателства, че постоянната когнитивна активност, физическите упражнения и социалната ангажираност могат да поддържат и дори засилват невропластичните процеси.

Важно е да продължаваме да учим и да се развиваме през целия си живот, особено, когато става по-трудно, защото тогава имаме най-голяма нужда от упражнения за мозъка си. Има и начини, по които да задвижим пластичността си като добра почивка, обръщане на внимание на грешките си и поставяне на определени цели - всички тези неща всъщност помагат на мозъка ни да се ориентира към нещата, които трябва да подобри, и на нас да се доближим до истинските си цели и да поддържаме прогреса си.

При пациенти с мозъчни инсулти или травми, терапиите, насочени към стимулиране на невропластичността, водят до възстановяване на изгубени функции или възвръщане на нормалната функция на мозъка (Kolb & Gibb, 2014).

Обобщение на ключовите моменти

Невропластичността е основополагащ механизъм за ученето, паметта и възстановяването на мозъчната функция. Тя включва клетъчни процеси като LTP и LTD, молекулярни пътища, зависещи от глутамат и калций, както и структурни промени в синапсите и невроните. Въпреки че се променя с възрастта, тя никога не изчезва напълно.

Значение за образованието и терапията

Познаването на невропластичността има дълбоки последици за образователните методи и терапевтичните подходи. Индивидуализирани програми за обучение, когнитивна рехабилитация и терапии, стимулиращи сензомоторната активност, могат значително да подобрят резултатите при различни групи — от ученици до възрастни пациенти с неврологични увреждания.

Източници

• Bliss, T. V., & Lømo, T. (1973). Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. The Journal of Physiology, 232(2), 331–356.

• Malenka, R. C., & Bear, M. F. (2004). LTP and LTD: An embarrassment of riches. Neuron, 44(1), 5–21.

• Draganski, B., et al. (2006). Temporal and spatial dynamics of brain structure changes during extensive learning. The Journal of Neuroscience, 26(23), 6314–6317.

• Kolb, B., & Gibb, R. (2014). Searching for the principles of brain plasticity and behavior. Cortex, 58, 251–260.

• Zatorre, R. J., Fields, R. D., & Johansen-Berg, H. (2012). Plasticity in gray and white: neuroimaging changes in brain structure during learning. Nature Neuroscience, 15(4), 528–536.