FUNKČNĚ-MORFOLOGICKÉ PROJEVY PLASTICITY NERVOVÉHO SYSTÉMU FUNCTIONAL AND STRUCTURAL MANIFESTATIONS OF THE NEURAL PLASTICITY Jaroslav Pokorný, Dana Marešová, Miloš Langmeier, Stanislav Trojan Fyziologický ústav 1. LF UK, Praha
SOUHRN Neuroplastické děje mohou být založeny na modulaci přenosu signálu na synapsích (např. výdeje transmiteru, aktivity receptorů na postsynaptické membráně, změn účinnosti přenosu v postsynaptickém oddílu) nebo mohou být podmíněny změnami vztahů mezi neurony (např. změnami počtu a druhu synapsí, smyslu zapojení jednotlivých prvků neuronálních okruhů). Výsledné změny se pak mohou nacházet v komunikaci mezi jednotlivými neurony (synaptická úroveň), v činnosti místních neuronálních okruhů (úroveň lokálních okruhů), nebo ve vztazích jednotlivých funkčních mozkových celků (multimodulární úroveň). Podstatou neuroplasticity mohou být změny stavby, prokazatelné morfologickými metodami, což se uplatňuje zejména za vývoje a v reakci na poškození (vznik a zánik neuronů, růst jejich výběžků a trnů, přebudování, případně vytváření nových synapsí). Jemnější metody však prokazují, že změny mohou být i na úrovni molekulární (aktivita enzymů, zejména aktivace proteosyntézy a změny ve tvorbě a výdeji mediátorů a modulátorů, aktivace receptorů, úprava aktivity iontových kanálů). Obě úrovně neuroplastických dějů se promítají do změn funkčních parametrů synaptického přenosu. Projevy plasticity mají proto obdobný základ, bez ohledu na příčinu, která je vyvolala, a na oddíl CNS, ve které probíhají. Klíčová slova: neuroplastické děje, synapse, neuronální okruhy, mozková centra, obnova
SUMMARY Neuroplastic mechanisms are based on a modulation of the signal transmission over synapses (e.g., the transmitter release, activity of postsynaptic receptors, efficiency changes in the transmission in the postsynaptic segment). They can be related to the interneuronal relations changes (e.g., number of certain types of synapses, significance of the wiring of different elements of the neuronal circuits). Resulting changes may occur in the communication between neurons (synaptic level), in the activity of the local neuronal circuits (level of local circuits) or in the relations between individual functional brain systems (multimodular level). Neuroplasticity might be based on structural changes, which can be revealed by morphological methods. Such forms of plasticity are more frequent during the development or as a reaction to injury (proliferation and decease of neurons, formation of their processes and spines, remodeling or formation of synapses). More specific methods have determined that these changes are located at the molecular level (enzyme activity, production and release of transmitters or modulators, receptor activation, modulation of ion
channels). Both levels of neuroplastic mechanisms bring about changes of functional parameters of the synaptic transmission. Manifestations of plasticity have probably the same basis, irrespectively of a cause, which triggered them, or the brain region where they were accomplished. Key words: neuroplastic mechanisms, synapses, neuronal circuits, brain centers, recovery
Úvod Funkce nervového systému je podmíněna optimální aktivitou neuronálních okruhů CNS a závisí nejen na vlastnostech jejich jednotlivých prvků, ale i na přesné organizací jejich vzájemných vztahů. Pro vznik, vývoj, udržování a případnou přestavbu či obnovu takovéto složité struktury je důležitá souhra působení specifických genetických programů a epigenetických faktorů, spočívajících ve vzájemné interakci buněk a v individuálních podmínkách vnitřního a zevního prostředí. Výsledná stabilita nervového systému je dána rovnováhou mezi tendencí udržet již vytvořené vztahy v neuronálních okruzích (rigidita) a požadavky na úpravu činnosti podle měnících se požadavků (plasticita). Plastické změny neuronálních systémů se uplatňují jak za fyziologických, tak i patologických situací a využívají obecných mechanizmů buněčné funkce. Jejich výsledek se může projevit na úrovni synaptické interakce, na úrovni spojů lokálních okruhů, na úrovni jednotlivých integračních oblastí a případně v kombinaci uvedených úrovní (Trojan Pokorný, 1999). Znalost podmínek pro uplatnění mechanismů neuroplasticity je nutným východiskem pro hledání strategií optimální rehabilitace i možností obnovy prostřednictvím neurotransplantace. Synaptická úroveň neuroplastických změn podmiňuje jak rychlé, tak dlouhodobé změny neuronální interakce. Možnost změny váhy synaptických spojů podle přenášeného signálu postuloval již Hebb před více než 50 lety (Hebb, 1947, 1949). Jiným příkladem synaptické úrovně neuroplastických změn je modulace synaptického přenosu navozená dlouhodobou postsynaptickou potenciací. V hipokampu i v mozkové kůře vyvolává perioda intenzivní elektrické stimulace (tetanická stimulace) dlouhodobě zvýšenou úroveň synaptického přenosu (long-term potentiation – LTP). Uvádí se, že tento neuroplastický děj má vztah k některým formám učení. LTP byla prokázána u pyramidových buněk oblasti CA1 hipokampu po tetanické stimulaci Schafferových kolaterál (Bliss a Collingridge, 1993). Podobné děje byly popsány i např. po elektrické stimulaci aferentních vláken neuronů zrakové kůry a dalších oddílů mozku (Grover a Teyler, 1990). Zvyšování dráždivosti po opakované stimulaci (fenomén kindlingu) je spojeno nejen s předpokládanými změnami dynamiky výdeje neurotransmiterů, změnami citlivosti receptorů a úrovně aktivace dějů v postsynaptickém útvaru, ale i změnami morfologickými (Mareš et al., 1981; Langmeier et al., 1983; Cavazos et al., 1994; Represa et al., 1993). Po opakované stimulaci senzomotorické kůry, která vede k prodlužování záchvatů, následná elektronmikroskopická analýza ukázala kvantitativní změny některých morfologických korových parametrů. Objem presynaptického elementu byl větší, stejně jako délka jeho aktivní zóny. Zvýšil se počet synaptických vezikul a změnila se jejich distribuce v presynaptickém oddílu. Projevy kindlingu jsou provázeny řadou dalších synaptických změn, např. úbytkem synapsí s neperforovanou synaptickou kontaktní zónou a zvýšením podílu synapsí perforovaných (Geinisman et al., 1988). Tyto nálezy potvrzují předpokládaný mechanizmus zvýšené účinnosti synaptického přenosu, spočívající ve změně dynamiky výdeje neurotransmiteru a současné úrovně aktivace postsynaptického útvaru. Významnou úlohu v neuroplastických mechanizmech má i nesynaptická interakce jednotlivých elementů nervové tkáně (neuronů, glie, buněk cév) uskutečňovaná výdejem, šířením a recepcí signálních molekul mimo synaptický kontakt. Umožňuje například vzájemné rozeznání buněčných elementů při vzniku neuronálních okruhů, řízení vnitřního prostředí nervové tkáně a je podmínkou obnovných procesů (Pokorný at el., 2002). Neuroplastické změny na úrovni lokálních okruhů mohou navazovat na změny synaptické. Při změně úrovně aferentní stimulace, např. při částečné denervaci, začnou degenerovat ty synapse, které ztrácejí
svá spojení, zatímco zbývající nepoškozené vstupy se zmnožují a tvoří nové neuronální okruhy (Parnavelas et al., 1974). Reaktivní synaptogeneze, stejně jako další projevy vyvolané změnami aferentní stimulace, nejsou pouze výrazem schopnosti obnovy, ale představují obecnou vlastnost nervové tkáně – schopnost upravit svoji činnost v souladu se změněnými podmínkami. Proto i zvýšení toku signálů v určitých neuronálních okruzích zanechává příslušné paměťové stopy (např. v průběhu učení, specifického tréninku nebo u zvířat žijících v komplexním prostředí). Funkční aktivita vede v některých případech i k doprovodnému zmnožení dendritických trnů a ke změnám jejich morfologických parametrů (Greenough a Volkmar, 1978; Mainen a Sejnowski, 1996). Přestavba neuronálních okruhů při změnách intenzity zpracovávaného signálu se netýká jen synapsí. Důsledky neuroplastických dějů lze pozorovat v celém receptivním segmentu, tedy i na dendritech. Stavba dendritického stromu bývá považována za velmi stabilní. Zdá se však, že i po ukončení vývoje může některá forma zvýšené stimulace vést v terminálních oblastech dendritů k růstu a větvení (sprouting – Parnavelas a Uylings, 1980). Takto navozené změny receptivního segmentu mohou mít závažné důsledky v integračních vlastnostech neuronů, a tím i v činnosti příslušných neuronálních okruhů (Barimega, 1995). Také u některých chorobných procesů je předpokládaným patogenním mechanizmem neuroplastický děj na úrovni neuronálních okruhů. Dramatickým příkladem této „aberantní plasticity“ je novotvorba větví axonů granulárních buněk vrůstajících do molekulární vrstvy dentata v důsledku opakované epileptiformní aktivity (Franck et al., 1995). Podobný mechanizmus by se mohl uplatnit i v případě rekurentní inhibice. Protože zpětné kolaterály mechových vláken tvoří synapse i s dendrity inhibičních GABAergních košíčkových buněk, jejich tlumivý efekt by mohl být takto posílen. Neuroplastické děje na úrovni jednotlivých integračních oblastí (multimodulární úroveň) zabezpečují nové vztahy mezi jednotlivými funkčními oblastmi mozku. Morfogenetickou funkci má přitom zřejmě přenos a zpracování signálů v okruzích lokálních spojů. Naznačují to změny korové reprezentace aferentních vstupů i eferentních drah při změnách intenzity a kvality prováděné integrační činnosti, jako výsledek procesu učení nebo v důsledku poškození jiné oblasti mozku (Kaas, 1991). Konáme-li například nějakou činnost vyžadující značnou zručnost, korová reprezentace zúčastněných svalů se může zvětšit, jak bylo prokázáno u houslistů v případě prstů levé a nikoliv pravé ruky (Elbert et al., 1995). Podobně je zvětšena senzorimotorická korová reprezentace „čtecích prstů“ u slepců používajících Braillova písma (Pascual-Leone a Torres, 1993). Neuronální okruhy jsou snáze upravovány během vývoje, kdy mohou reagovat např. na různé modality senzorických vstupů. Některé oblasti mozkové kůry se tak více či méně trvale „naladí“ na přenos a analýzu určitého typu senzorického signálu. Velmi charakteristicky nastává tato situace v období vývoje zrakové kůry. Experimentální studie potvrzují klinická pozorování mechanizmu vzniku dominance. Vizuální deprivace nebo restrikce zrakových podnětů (např. sešitím víček jednoho oka novorozených koťat – Hubel a Wiesel, 1976) vedla k poklesu účinnosti přenosu signálů na deprivované straně. Aktivační účinek signálů z deprivovaného oka na neurony zrakové kůry byl mnohem menší než z oka stimulovaného. Většina neuronů zrakové kůry tak preferovala signály z otevřeného oka (dominantní postavení tohoto oka). Ze skupiny deprivačních podnětů byl podrobně studován také vliv poruch výživy. Je to velmi komplexní podnět, který zpravidla zahrnuje více faktorů, než je pouze nedostatek stavebních, energetických či řídicích látek. Malnutricí navozené změny ve struktuře mozkové tkáně zahrnovaly strukturální změny na úrovni neuronálních okruhů (snížení počtu a délky dendritických větví, zmenšení tloušťky dendritů, snížení počtu dendritických trnů, délky a počtu větví axonů i hustoty synapsí - Bedi et al., 1980). Provázely je změny elementární funkce těchto okruhů (např. práh generalizované elektrické epileptické reakce, maxima výkonů jednotlivých frekvencí EEG spektra) a také změny komplexní integrační funkce mozku (některé parametry učení a paměti – Nováková, 1966; Pokorný, 1977). Indukce neuroplastických změn je pravděpodobně možná mnoha způsoby. Souvislost mezi kvalitou synaptické interakce a reorganizací neuronálních okruhů naznačuje úloha NMDA receptorů (Das a Gilbert, 1995). Blokádou těchto receptorů může být zabráněno projevům plasticity po změnách aferentní stimulace. Kromě uvedených glutamátergních synapsí mohou být pro neuroplastické mechanizmy důležité
i další neurotransmitery, jako je GABA, acetylcholin, dopamin, serotonin a noradrenalin (Kirkwood et al., 1999). Nejnověji se ukazuje i významná úloha NO a CO (Kara a Friedlander, 1998). Dalším krokem indukce neuroplastických změn může být aktivace konformace cytoskeletu (např. rychlá změna tvaru dendritických trnů – Fifkova a Morales, 1992), změny enzymatické aktivity (např. v úloze G-proteinů) nebo specifická změna biosyntetické aktivity buňky. Intracelulárním poslem je nejčastěji Ca2+, cAMP nebo fosforylázy (kinázy). Popsána je úloha transkripčního faktoru CREB (cyclic AMP responsive element binding protein). Fosforylace CREB indukuje transkripci genů pro syntézu specifických bílkovin a následně indukci např. novotvorby synapsí. Podobně se uplatňují i další transkripční faktory a tzv. „časné geny“ (trancription factors and early genes – cfos, zif 268, jun – Maitre, 1996). Změnou genové exprese nevznikají jen stavební molekuly pro neuroplastické děje na synapsích či pro nové neuronální okruhy. Důležitá je i tvorba molekul, které buněčnou interakci řídí. Patří sem molekuly umožňující rozeznávání buněk jejich vzájemnou adhezí, např. při vzniku nových synapsí (cadherins – Wheal et al., 1998). Ještě složitější úlohu mohou mít uvolňované a buňkami vzájemně předávané signální molekuly typu růstových faktorů. Tyto látky mají trofické účinky na nervové spoje, stimulují růst axonů a uplatňují se při růstu a diferenciaci nervové tkáně za vývoje i po poškození. Příkladem je Nerve Growth Factor (NGF – Levi-Montalcini, 1951), rodina těchto látek je však dnes již velmi rozvětvená a zahrnuje i faktory řídící apoptózu (Suzuki et Koike, 1999).
Klinické aspekty neuroplasticity Většina současného poznání neuroplastických mechanizmů je výsledkem experimentální práce. Také morfologický popis těchto dějů pochází téměř výhradně z prací na zvířatech. Klinické studie však přesvědčivě ukazují funkční koreláty neuroplastických změn. Ty prokazují, že jejich základem jsou rovněž děje na úrovni synapsí, neuronálních okruhů i vztahů mezi jednotlivými funkčními mozkovými celky. Dalším zdrojem klinických příznaků úpravy nervových funkcí může být regenerace nebo změna uspořádání cévní sítě, přinášející vyšší zásobení tkáně kyslíkem, živinami, případně zvýšení toku humorálních řídících faktorů. Hlavní příčinou poškození nervové tkáně u člověka jsou cévní poruchy, nádory a poranění hlavy. Mohou způsobovat různé kombinace motorických a senzorických dysfunkcí, afázie, výpadky paměti nebo poruchy inteligence. Intenzita těchto klinických symptomů závisí na rozsahu a lokalizaci léze i na intenzitě a účinnosti reparačních dějů. První příznaky úpravy se mohou objevit již v několika dnech po ústupu patogenetického procesu. Vyplývají nejčastěji ze zmenšování mozkového edému, nebo jsou výsledkem toho, že intaktní okolní struktury poškozenou či chybějící funkci převezmou. Jiné druhy mozkových poruch jsou obnovovány velmi pomalu. Je to pravděpodobně důsledek remodelace neuronálních okruhů, spočívající na strukturní přestavbě poškozené, případně jinak funkčně zatížené nervové tkáně. Tento typ neuroplastických změn neprobíhá stejně intenzivně ve všech oblastech mozku. Motorické dysfunkce se tak obnovují zpravidla dříve, než senzorické poruchy nebo afázie. Jedním z hlavních cílů výzkumu v oblasti neuroplastických dějů je vývoj strategie pro posílení těch pochodů v centrálním nervovém systému, které by zvýšily úroveň funkční obnovy. Existuje dostatek důkazů potvrzujících, že stav vnitřního prostředí nervového systému je jedním z hlavních činitelů, které určují úroveň regeneračního potenciálu. Má-li se zlepšit schopnost obnovy porušené nervové tkáně, je třeba modulovat aktivitu přirozených neuroplastických dějů. Cílem experimentální i klinické práce je proto identifikace klíčových faktorů vnitřního prostředí nervového systému a nalezení prostředků, které by umožnily zlepšit schopnost nervové tkáně vypořádat se s poruchami.
Práce je podporována grantem GAUK 24/2001/C/1.LF, GAUK 31/2001/C/1.LF, GAUK 32/2001/C/1.LF, GAČR 309/02/1238 a MSM 1111 00001.
prof. MUDr. Jaroslav Pokorný, DrSc. Fyziologický ústav 1. LF UK Albertov 5 128 00 Praha 2
Literatura Barimega M. Dendrites shed their dull image. Science 1995;287:200–201. Bedi KS. Thomas YM. Davies CA. Dobbing, J. Synapse-to-neuron ratios of the frontal and cerebellar cortex of 30-day-old and adult rats undernourished during early postnatal life. J Comp Neurol.1980; 193:49–62. Bliss TVP, Collingridge GL. A synaptic model of memory: long-term potentiation in the hippocampus. Nature, 1993;361,31–39. Cavazos JE, Das I, Sutula TP. Neuronal loss induced in limbic pathways by kindling: evidence for induction of hippocampal sclerosis by repeated brief seizures. J Neurosci 1994;14(5 Pt 2):3106-3121. Das A, Gilbert CD. Long-range horizontal connections and their role in cortical reorganization revealed by optical recording of cat primary visual cortex. Nature 1995;375:780–784. Elbert T, Pantev C, Wienbruch C, Rockstroh B, Taub E. Increased cortical representation of the fingers of the left hand in string players. Science 1995;270:305–307. Fifkova E. Morales M. Actin matrix of dendritic spines, synaptic plasticity, and long-term potentiation. Int Rev Cytol 1992;139:267–307. Franck JA, Pokorný J, Kunkel DD, Schwartzkroin PA. Physiological and morphologic characteristics of granule cell circuitry in human epileptic hippocampus. Epilepsia 1995;36(6): 543-558. Geinisman Y, Morrell F, deToledo-Morrell L. Remodeling of synaptic architecture during hippocampal „kindling“. Proc Natl Acad Sci USA, 1988;85:3260–3264. Greenough WT, Volkmar FR. Pattern of dendritic branching in occipital cortex of rats reared in complex environments. Exp Neurol 1978;40:491–504. Grover LM, Teyler TJ. Two components of long-term potentiation induced by different patterns of afferent activation. Nature 1990;347: 477–479. Hebb DO. The effects of early experience on problem solving at maturity. Am Psychol 1947;2:737–745. Hebbs DG. The Organization of Behavior. John Wiley & Sons Inc; 1949. Hubel DH, Wiesel TN. The period of susceptibility to the physiological effects of unilateral eye closure in kittens. J Physiol 1976;206, 419–436. Kaas JR. Plasticity of sensory and motor maps in adult mammals. Ann Rev Neurosci 1991;14:137–167. Kara P, Friedlander NIJ. Dynamic modulation of cerebral cortex synaptic function by nitric oxide. Prog Brain Res 1998;118:183–198.
Kirkwood A, Rozas C, Kirkwood J, Perez F. Bear ME Modulation of long-term synaptic depression in visual cortex by acetylcholine and norepinephrine. J Neurosci 1999;19:1599–1609. Langmeier M, Mareš J, Fischer J. Number of synaptic vesicles in rat cortex immediately after cessation of the self-sustained after-discharge during kindling. Epilepsia 1983;24:616–627. Mainen ZF, Sejnowski TJ. Influence of dendritic structure on firing pattern in model neocortical neurons. Nature 1996;382:363–366. Maitre M. Memory and synaptic plasticity. Ann Biol Clin (Paris) 1996;54(2):49–66. Mareš J, Mareš P, Trojan S, Langmeier M. Cortical self-sustained afterdischarges in the rat. Acta Univ Carol Med. Monographia, 104, Prague, 1981. Nováková V. The effect of starvation and thirst in early ontogeny in higher nervous activity in adult rats. Activ Nerv Super 1966;8:36–38. Parnavelas JG, Lynch G, Brecha N, Cotman CW, Globus A. Spine loss and regrowth in hippocampus following deafferentation. Nature 1974;248:71–73. Parnavelas JG, Uylings HBM. The growth of nonpyramidal neurons in the visual cortex of the rat: A morphometric study. Brain Res 1980; 193:337–382. Pascual-Leone A, Torres F. Plasticity of the sensorimotor cortex representation of the reading finger in Braille readers. Brain 1993; 116:39–52. Pokorný J, Kozler P, Trojan S. Úloha vnitřního prostředí nervové tkáně a hematoencefalické bariery v procesech reparační neuroplasticity. Čes Slov Neurol Neurochir 2002 (in press). Pokorný J. Důsledky potravové deprivace během postnatálního vývoje v bioelektrické aktivitě mozku krys. Čas lék čes 1977;116:757–761. Represa A, Jorquera I, Le Gal La Salle G, Ben Ari Y. Epilepsy induced collateral sprouting of hippocampal mossy fibers: does it induce the development of ectopic synapses with granule cell dendrites? Hipocampus 1993;3(3):257–268. Suzuki K, Koike T. Brain-derived neurotrophic factor suppresses programmed death of cerebellar granule cells through a posttranslational mechanism. Mol Chem Neuropathol 2002;30(1–2):101–24. Suzuki K, Koike T. Brain-derived neurotrophic factor suppresses programmed death of cerebellar granule cells through a posttranslational mechanism. Mol Chem Neuropathol 2002;30(1–2):101–24. Temple S, Alvarez-Buylla A. Stem cells in the adult mammalian central nervous system. Curr Opin Neurobiol 1999;9(1):135–41. Wheal HV, Chen Y, Mitchell J, Schachner M, Maerz W, Wieland H, Vanrossum D, Kirsch J. Molecular mechanisms that underlie structural and functional changes at the postsynaptic membrane during synaptic plasticity. Progr Neurobiol 1998;55(6):611–640.
