Пластичность развития — это общий термин, обозначающий изменения нейронных связей во время развития в результате взаимодействия с окружающей средой, а также нейронных изменений, вызванных обучением. [1] Подобно нейропластичности или пластичности мозга, пластичность развития специфична для изменений в нейронах и синаптических связях в результате процессов развития. Большую часть этих связей ребенок создает от рождения до раннего детства. Есть три основных метода, с помощью которых это может происходить по мере развития мозга, но критические периоды определяют, когда могут сформироваться устойчивые изменения. Пластичность развития также может использоваться вместо термина « фенотипическая пластичность» , когда организм на эмбриональной или личиночной стадии может изменять свой фенотип в зависимости от факторов окружающей среды. [2] Однако основное различие между ними заключается в том, что фенотипическая пластичность, наблюдаемая во взрослом возрасте, может быть обратимой, тогда как черты, которые считаются пластичными с точки зрения развития, закладывают основы на раннем этапе развития, которые сохраняются на протяжении всей жизни организма. [3]
Во время развития центральная нервная система получает информацию посредством эндогенных или экзогенных факторов, а также в результате обучения. При приобретении и хранении такой информации пластическая природа центральной нервной системы позволяет адаптировать существующие нейронные связи для приспособления к новой информации и опыту, что приводит к пластичности развития. Эта форма пластичности, возникающая в процессе развития, является результатом трех преобладающих механизмов: синаптической и гомеостатической пластичности и обучения. [ нужна цитата ]
Основной принцип синаптической пластичности заключается в том, что синапсы подвергаются избирательному усилению или ослаблению в зависимости от активности, чтобы можно было сохранить новую информацию. [4] [5] Синаптическая пластичность зависит от множества факторов, включая порог пресинаптического стимула, а также относительную концентрацию молекул нейромедиаторов. Синаптическая пластичность уже давно связана с ее ролью в хранении памяти и считается, что она играет ключевую роль в обучении. [6] [5] Однако в периоды развития синаптическая пластичность имеет особое значение, поскольку изменения в сети синаптических связей могут в конечном итоге привести к изменениям основных этапов развития. Например, первоначальное перепроизводство синапсов во время развития является ключом к пластичности, которая возникает в зрительной и слуховой коре. [7] В экспериментах, проведенных Хьюбелом и Визелем , зрительная кора котят демонстрирует синаптическую пластичность при совершенствовании нейронных связей после зрительных сигналов. Соответственно, при отсутствии таких воздействий во время развития поле зрения не развивается должным образом и может привести к аномальным структурам и поведению. [8] Более того, исследования показывают, что первоначальное перепроизводство синапсов в периоды развития обеспечивает основу, с помощью которой могут формироваться многие синаптические связи, что приводит к большей синаптической пластичности. Точно так же, как во время развития синапсов много, существуют механизмы очистки , которые способствуют созреванию синапсов в нервных цепях. Этот регуляторный процесс позволяет укрепить важные или часто используемые синаптические связи, одновременно уменьшая количество слабых связей. [9]
Чтобы поддерживать баланс, существуют гомеостатические средства контроля, которые регулируют общую активность нейронных цепей, в частности, регулируя дестабилизирующие эффекты процессов развития и обучения, которые приводят к изменениям синаптической силы. Гомеостатическая пластичность также помогает регулировать длительные возбуждающие реакции, которые приводят к снижению всех синаптических реакций нейрона. [10] В последнее время с гомеостатической пластичностью связаны многочисленные пути, хотя четкого молекулярного механизма до сих пор нет. Синаптическое масштабирование — это один из методов, который служит своего рода авторегуляцией, поскольку нейроны могут распознавать свою собственную скорость срабатывания и замечать изменения; кальций-зависимые сигналы в ответ контролируют уровни глутаматных рецепторов в синаптических участках. Гомеостатические механизмы могут быть локальными или общесетевыми. [11]
Хотя синаптическая пластичность считается побочным продуктом обучения, обучение предполагает взаимодействие с окружающей средой для приобретения новой информации или поведения; синаптическая пластичность представляет собой просто изменение силы или конфигурации нейронных цепей. [12] Обучение имеет решающее значение, поскольку существует значительное взаимодействие с окружающей средой, и именно тогда потенциал для получения новой информации наиболее велик. Поскольку нейронные связи во многом зависят от выборочного опыта, они изменяются и укрепляются уникальным для этого опыта способом. [13] Экспериментально это можно увидеть, когда крыс выращивают в среде, которая обеспечивает широкое социальное взаимодействие, что приводит к увеличению веса мозга и толщины коры. Напротив, обратная ситуация наблюдается после выращивания в среде, лишенной взаимодействия. [14] Кроме того, обучение играет значительную роль в избирательном усвоении информации и особенно ярко проявляется, когда дети развивают один язык вместо другого. Другим примером такой зависимой от опыта пластичности, которая имеет решающее значение в процессе развития, является возникновение импринтинга . Это происходит в результате того, что маленький ребенок или животное подвергается воздействию нового стимула и быстро реализует определенное поведение в ответ. [15]
Формирование нервной системы — одно из важнейших событий в развивающемся эмбрионе. Дифференцировка предшественников стволовых клеток в специализированные нейроны приводит к образованию синапсов и нервных цепей, что является ключом к принципу пластичности. [16] В этот ключевой момент развития последующие процессы развития, такие как дифференциация и специализация нейронов, очень чувствительны к экзогенным и эндогенным факторам. [17] Например, воздействие никотина внутриутробно было связано с побочными эффектами, такими как серьезные физические и когнитивные нарушения, из-за препятствия нормальной активации рецептора ацетилхолина. В недавнем исследовании была оценена связь между таким воздействием никотина и внутриутробным развитием. Было установлено, что воздействие никотина на раннем этапе развития может оказывать длительное и всеобъемлющее воздействие на нейрональные структуры, лежащие в основе поведенческих и когнитивных дефектов, наблюдаемых у людей и животных, подвергшихся воздействию никотина. Кроме того, когда правильная синапсическая функция нарушается из-за воздействия никотина, вся схема может стать менее чувствительной и восприимчивой к раздражителям, что приводит к компенсаторной пластичности развития. [18] Именно по этой причине воздействие различных факторов окружающей среды в периоды развития может оказать глубокое влияние на последующее функционирование нейронов.
Начальные стадии развития нейронов начинаются у плода на ранних стадиях со спонтанной активации развивающегося нейрона. [19] Эти ранние соединения слабы и часто перекрываются на конечных концах беседок. [20] Молодые нейроны обладают полным потенциалом изменения морфологии в течение периода времени, который считается критическим периодом для достижения усиленных и усовершенствованных синаптических связей. Именно за это время поврежденные нейрональные связи могут функционально восстановиться. Большие изменения в длине и расположении этих нейронов могут происходить до тех пор, пока синаптическая схема не будет окончательно определена. [21] Хотя организация нейронных связей начинается на самых ранних стадиях развития, совершенствование, вызванное деятельностью, начинается только с рождения, когда отдельные нейроны можно распознать как отдельные сущности и начать повышать специфичность. [22] Постепенное сокращение первоначально размытых аксональных ветвей происходит посредством конкурентных и облегчающих механизмов, основанных на электрической активности в синапсах; аксоны, которые активируются независимо друг от друга, имеют тенденцию конкурировать за территорию, тогда как аксоны, которые активируются синхронно, взаимно усиливают связи. [23] Пока эта архитектура не установлена, фокус сетчатки остается диффузным. Сохранение этих вновь образованных связей или их отсутствие зависит от поддержания электрической активности синапсов. После уточнения сложные связи сужаются и усиливаются, чтобы срабатывать только в ответ на определенные стимулы для оптимизации остроты зрения . [24] Эти механизмы могут работать со сбоями из-за введения токсинов, которые связываются с натриевыми каналами и подавляют потенциалы действия и, следовательно, электрическую активность между синапсами. [25]
Количественная оценка синаптических сетей в основном проводилась посредством обнаружения волн на сетчатке с использованием флуоресцентных индикаторов Ca 2+ . До рождения волны на сетчатке возникают в виде кластеров, распространяющихся через рефрактерную область. Было показано, что эти анализы предоставляют пространственно-временные данные о случайных всплесках потенциалов действия, возникающих в рефрактерный период. [26] Другой анализ, недавно разработанный для оценки глубины нейронных связей, использует транснейрональное распространение бешенства. [27] Этот метод отслеживания использует миграцию нейротропного вируса через тесно связанные между собой нейроны и специфическую маркировку сайтов различных связей. [28] Эксперименты по фиксации патчей и визуализация кальция часто проводятся на основе предварительных результатов этого анализа с целью обнаружения спонтанной активности нейронов. [29] Был разработан метод количественного определения синапсов in vitro, который использует иммунофлуоресценцию для измерения синаптической плотности в различных клеточных культурах. [30]
Концепция критических периодов является широко распространенной и важной темой в развитии, имеющей серьезные последствия для пластичности развития. Критические периоды устанавливают временные рамки, в которых может осуществляться формирование нейронных сетей. В эти критические периоды развития пластичность возникает в результате изменений в структуре или функции развивающихся нейронных цепей. Такие критические периоды также могут зависеть от опыта, в случае обучения посредством нового опыта, или могут быть независимыми от опыта окружающей среды и полагаться на биологические механизмы, включая эндогенные или экзогенные факторы. [31] Некоторые из наиболее распространенных примеров этого можно увидеть в развитии зрительной коры головного мозга в дополнение к овладению языком в результате пластичности развития в критический период. [8] [32] Однако менее известным примером остается критическое развитие респираторного контроля в периоды развития. При рождении развитие нейронных цепей, контролирующих дыхание, является неполным и требует сложного взаимодействия как со стороны окружающей среды, так и внутренних факторов. Экспериментальное воздействие гипероксических условий на двухнедельных котят и крыс полностью устраняет реакцию каротидных хеморецепторов на гипоксию , что приводит к нарушению дыхания. Это имеет важное клиническое значение, поскольку новорожденным часто дают значительное количество кислорода, что может пагубно повлиять на развитие нейронных цепей, отвечающих за контроль дыхания в критический период. Когда стимулы появляются или переживания происходят вне критического периода, любой потенциальный результат обычно не является продолжительным. [33]
Другой менее известный элемент пластичности развития включает в себя спонтанные всплески потенциалов действия в развивающихся нейронных цепях, также называемые спонтанной сетевой активностью. На раннем этапе развития нервных связей возбуждающие синапсы подвергаются спонтанной активации, что приводит к повышению внутриклеточного уровня кальция, что сигнализирует о начале многочисленных сигнальных каскадов и процессов развития. Например, до рождения нейронные цепи сетчатки подвергаются спонтанной сетевой активности, которая, как было обнаружено, вызывает образование ретиногенекулярных связей. [34] Спонтанная сетевая активность развития также проявляется в правильном формировании нервно-мышечных цепей . [35] Считается, что спонтанная сетевая активность создает основу для последующего обучения и приобретения информации после первоначального установления синаптических связей во время развития.
Норма реакции или норма реакции — это образец фенотипической пластичности, который описывает, как один генотип может производить множество различных фенотипов в ответ на различные условия окружающей среды. [2] Кроме того, норма реакции может быть графическим представлением изменений фенотипа организма в ответ на многочисленные обстоятельства окружающей среды. Графическое представление норм реакции обычно имеет параболическую форму, которая отражает изменение пластичности среди населения. [36] Кроме того, нормы реакции позволяют организмам оценивать потребность в различных фенотипах в ответ на величину сигнала окружающей среды. [2]
Полифенизм относится к способности одного генотипа производить множество фенотипов в ответ на различные условия окружающей среды. В отличие от норм реакции, которые производят непрерывный диапазон фенотипов, полифенизмы позволяют возникновению отдельного фенотипа в результате изменения условий окружающей среды. [37] Пример полифенизма можно увидеть у муравья-плотника из Флориды Camponotus floridanus . Для развивающегося эмбриона муравья множество сигналов окружающей среды могут в конечном итоге определить морфологию взрослого муравья. Для муравьев-плотников Флориды конечный фенотип и поведение определяются морфологией; Развивающиеся муравьи могут стать второстепенными рабочими, крупными рабочими или муравьиной королевой. Хотя полифенизм муравьев документально подтвержден, исследования все еще необходимы для определения молекулярных механизмов индукции каждого уникального фенотипа. [38]
Экологические сигналы как в материнской, так и в эмбриональной среде могут привести к изменениям в эмбрионе. Эмбриональное развитие — чувствительный процесс, на него могут влиять сигналы хищников, [39] света, [40] и/или температуры. [41] Например, у дафний новорожденные, подвергшиеся воздействию сигналов хищника, демонстрировали более высокую экспрессию генов, связанных с пищеварением, репродуктивной функцией и защитой. Была выдвинута гипотеза, что это увеличение экспрессии генов позволит дафниям защитить себя и что увеличение роста приведет к большим инвестициям в будущее потомство. Последующие поколения демонстрировали аналогичную картину, несмотря на то, что не подвергались никаким сигналам хищников, что позволяет предположить наследование эпигенетических факторов экспрессии . [39] Чувствительность организма к свету во время развития может быть полезна для прогнозирования того, какой фенотип может быть наиболее полезным в будущем, на основе листвы зрелого организма. [40] Некоторые виды, в том числе аллигаторы и черепахи , определяют пол в зависимости от температуры , при этом пол организма зависит от температуры окружающей среды в решающий термочувствительный период. Активная область исследований связана с механизмами определения пола по температуре, которые, как предполагается, связаны с метилированием определенных генов. [41]