Пластичность развития — это общий термин, относящийся к изменениям в нейронных связях 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 изменения нейронов и синаптических связей в результате процессов развития. Ребенок создает большинство этих связей с рождения до раннего детства. Существует три основных метода, с помощью которых это может происходить по мере развития мозга, [ необходима ссылка ], но критические периоды определяют, когда могут сформироваться длительные изменения. Пластичность развития также может использоваться вместо термина фенотипическая пластичность , когда организм на эмбриональной или личиночной стадии может изменять свой фенотип на основе факторов окружающей среды. [2] Однако основное различие между ними заключается в том, что фенотипическая пластичность, испытываемая во взрослом возрасте, может быть обратимой, тогда как черты, которые считаются пластичными в плане развития, закладывают основы во время раннего развития, которые сохраняются на протяжении всей жизни организма. [3]
В процессе развития центральная нервная система получает информацию через эндогенные или экзогенные факторы , а также через опыт обучения. При получении и хранении такой информации пластичная природа центральной нервной системы позволяет адаптировать существующие нейронные связи для размещения новой информации и опыта, что приводит к пластичности развития. Эта форма пластичности, которая возникает во время развития, является результатом трех преобладающих механизмов: синаптической и гомеостатической пластичности и обучения. [ необходима цитата ]
Основной принцип синаптической пластичности заключается в том, что синапсы подвергаются зависимому от активности и избирательному усилению или ослаблению, чтобы можно было сохранить новую информацию. [4] [5] Синаптическая пластичность зависит от множества факторов, включая порог пресинаптического стимула в дополнение к относительным концентрациям молекул нейротрансмиттера. Синаптическая пластичность давно известна своей ролью в хранении памяти и, как полагают, 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 в этапах развития. Например, первоначальное перепроизводство синапсов во время развития является ключом к пластичности, которая происходит в зрительной и слуховой коре. [7] В экспериментах, проведенных Хьюбелем и Визелем , зрительная кора котят демонстрирует синаптическую пластичность при уточнении нейронных связей после визуальных входов. Соответственно, при отсутствии таких входов во время развития, поле зрения не развивается должным образом и может привести к аномальным структурам и поведению. [8] Кроме того, исследования показывают, что это первоначальное перепроизводство синапсов во время периодов развития обеспечивает основу, с помощью которой могут быть сформированы многие синаптические связи, что приводит к большей синаптической пластичности. Точно так же, как синапсы изобилуют во время развития, существуют также механизмы совершенствования , которые помогают в созревании синапсов в нейронных цепях. Этот регуляторный процесс позволяет усилить важные или часто используемые синаптические связи, одновременно уменьшая количество слабых связей. [9]
Для поддержания баланса существуют гомеостатические элементы управления, регулирующие общую активность нейронных цепей, в частности, путем регулирования дестабилизирующих эффектов процессов развития и обучения, которые приводят к изменению синаптической силы. Гомеостатическая пластичность также помогает регулировать длительные возбуждающие реакции, которые приводят к снижению всех синаптических реакций нейрона. [10] Недавно было выявлено множество путей, связанных с гомеостатической пластичностью, хотя до сих пор нет четкого молекулярного механизма. Синаптическое масштабирование — это один из методов, который служит своего рода ауторегуляцией, поскольку нейроны могут распознавать собственную частоту импульсации и замечать изменения; зависимые от кальция сигналы контролируют уровни рецепторов глутамата в синаптических участках в ответ. Гомеостатические механизмы могут быть локальными или сетевыми. [11]
В то время как синаптическая пластичность считается побочным продуктом обучения, обучение включает взаимодействие с окружающей средой для получения новой информации или поведения; синаптическая пластичность просто представляет собой изменение силы или конфигурации нейронных цепей. [12] Обучение имеет решающее значение, поскольку существует значительное взаимодействие с окружающей средой, когда потенциал для получения новой информации является наибольшим. В значительной степени завися от избирательного опыта, нейронные связи изменяются и укрепляются способом, который является уникальным для этого опыта. [13] Экспериментально это можно увидеть, когда крысы выращиваются в среде, которая допускает достаточное 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 приобретении информации и заметно демонстрируется, когда дети развивают один язык вместо другого. Другим примером такой пластичности, зависящей от опыта, которая имеет решающее значение во время 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 является одним из важнейших событий в развивающемся эмбрионе. Дифференциация предшественников стволовых клеток в специализированные нейроны приводит к формированию синапсов и нейронных цепей, что является ключом к принципу пластичности. [16] В течение этого поворотного момента в развитии последующие процессы развития, такие как дифференциация и специализация нейронов, очень чувствительны к экзогенным и эндогенным факторам. [17] Например, внутриутробное воздействие никотина было связано с неблагоприятными эффектами, такими как серьезные физические и когнитивные дефициты из-за препятствия нормальной активации ацетилхолиновых рецепторов. В недавнем исследовании была оценена связь между таким воздействием никотина и пренатальным развитием. Было установлено, что воздействие никотина на раннем этапе развития может иметь длительное и всеобъемлющее воздействие на нейронные структуры, лежащее в основе поведенческих и когнитивных дефектов, наблюдаемых у подвергшихся воздействию людей и животных. Кроме того, когда правильная синаптическая функция нарушается из-за воздействия никотина, общая цепь может стать менее чувствительной и восприимчивой к стимулам, что приводит к компенсаторной пластичности развития. [18] Именно по этой причине воздействие различных факторов окружающей среды в периоды развития может оказывать глубокое воздействие на последующее функционирование нейронов.
Начальные стадии развития нейронов начинаются рано у плода со спонтанной активации развивающегося нейрона. [19] Эти ранние связи слабы и часто перекрываются на конечных концах ветвей. [20] Молодые нейроны обладают полным потенциалом изменения морфологии в течение периода времени, классифицируемого как критический период для достижения усиленных и усовершенствованных синаптических связей. Именно в это время поврежденные нейронные связи могут быть функционально восстановлены. Большие изменения в длине и расположении этих нейронов могут происходить до тех пор, пока синаптическая схема не будет определена дополнительно. [21] Хотя организация нейронных связей начинается на самых ранних стадиях развития, уточнение, обусловленное активностью, начинается только при рождении, когда отдельные нейроны могут быть распознаны как отдельные сущности и начинают усиливаться в специфичности. [22] Постепенное сокращение изначально размытого аксонального ветвления происходит посредством конкурентных и фасилитационных механизмов, полагаясь на электрическую активность в синапсах; аксоны, которые активируются независимо друг от друга, как правило, конкурируют за территорию, тогда как аксоны, которые активируются синхронно, взаимно усиливают связи. [23] Пока эта архитектура не будет установлена, фокус сетчатки останется диффузным. Сохранение этих вновь образованных связей или их отсутствие зависит от поддержания электрической активности в синапсах. После усовершенствования сложные связи сужаются и усиливаются, чтобы активироваться только в ответ на определенные стимулы для оптимизации остроты зрения . [24] Эти механизмы могут работать со сбоями при введении токсинов, которые связываются с натриевыми каналами и подавляют потенциалы действия и, следовательно, электрическую активность между синапсами. [25]
Количественная оценка синаптических сетей в первую очередь проводилась посредством обнаружения ретинальных волн с использованием флуоресцентных индикаторов Ca 2+ . До рождения ретинальные волны, как видно, возникают в виде кластеров, которые распространяются через рефрактерную область. Было показано, что эти анализы предоставляют пространственно-временные данные о случайных всплесках потенциалов действия, производимых 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 нейроны и специфическую маркировку участков отдельных соединений. [28] Эксперименты с патч-клампом и кальциевой визуализацией часто проводятся на основе предварительных результатов этого анализа с целью обнаружения спонтанной нейронной активности. [29] Был разработан метод синаптической количественной оценки in vitro, который использует иммунофлуоресценцию для измерения синаптической плотности в различных клеточных культурах. [30]
Концепция критических периодов является широко принятой и важной темой в развитии, имеющей сильные последствия для пластичности развития. Критические периоды устанавливают временные рамки, в которых может осуществляться формирование нейронных сетей. В течение этих критических периодов развития пластичность возникает в результате изменений в структуре или функции развивающихся нейронных цепей. Такие критические периоды также могут зависеть от опыта, в случае обучения через новый опыт, 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 на примере развития зрительной коры в дополнение к приобретению языка в результате пластичности развития в течение критического периода. [8] [32] Менее известным примером, однако, остается критическое развитие дыхательного контроля в периоды развития. При рождении развитие нейронных цепей дыхательного контроля является неполным, требуя сложных взаимодействий 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 новорожденные часто получают значительное количество кислорода, что может пагубно повлиять на то, как развиваются нейронные цепи для контроля дыхания в критический период. Когда появляются стимулы или происходят события вне критического периода, любой потенциальный результат обычно не является долгосрочным. [33]
Другой менее известный элемент пластичности развития включает спонтанные всплески потенциалов действия в развивающихся нейронных цепях, также называемые спонтанной сетевой активностью. Во время раннего развития нейронных связей возбуждающие синапсы подвергаются спонтанной активации, что приводит к повышению внутриклеточного уровня кальция, который сигнализирует о начале многочисленных сигнальных каскадов и процессов развития. Например, до рождения нейронные цепи в сетчатке подвергаются спонтанной сетевой активности, которая, как было обнаружено, вызывает образование ретиногеникулярных связей. [34] Спонтанная сетевая активность развития также проявляется в правильном формировании нервно-мышечных цепей . [35] Считается, что спонтанная сетевая активность устанавливает каркас для последующего обучения и получения информации после первоначального установления синаптических связей во время развития.
Норма реакции, или норма реакции , представляет собой модель фенотипической пластичности, которая 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 организменной вариации фенотипа в ответ на многочисленные обстоятельства окружающей среды. Графическое представление норм реакции обычно имеет параболическую форму, которая представляет собой вариацию пластичности в популяции. [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 различные фенотипы в ответ на различные условия окружающей среды. В отличие от норм реакции, которые производят непрерывный диапазон фенотипов, полифенизмы позволяют возникать отдельному фенотипу из изменяющихся условий окружающей среды. [37] Пример полифенизма можно увидеть у флоридского муравья-плотника, Camponotus floridanus . Для развивающегося эмбриона муравья множество сигналов окружающей среды может в конечном итоге определить морфологию взрослого муравья. Для флоридских муравьев-плотников конечный фенотип и поведение определяются морфологией; развивающиеся муравьи могут стать либо второстепенными рабочими, либо основными рабочими, либо королевами муравьев. Хотя полифенизм муравьев был задокументирован, все еще необходимы исследования для определения молекулярных механизмов индукции каждого уникального фенотипа. [38]
Экологические сигналы как в материнской, так и в эмбриональной среде могут приводить к изменениям в эмбрионе. Эмбриональное развитие является чувствительным процессом и может зависеть от сигналов от хищников [39] , света [40] и/или температуры. [41] Например, у дафний новорожденные, подвергавшиеся воздействию сигналов хищников, демонстрировали более высокую экспрессию генов, связанных с пищеварением, репродуктивной функцией и защитой. Была выдвинута гипотеза, что это увеличение экспрессии генов позволит дафниям защищать себя, и что увеличение роста приведет к большим инвестициям в будущее потомство. Последующие поколения демонстрировали похожую картину, несмотря на то, что не подвергались воздействию каких-либо сигналов хищников, что предполагает 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] Несколько видов, включая аллигаторов и черепах , имеют температурно-зависимое определение пола , где пол организма зависит от температуры окружающей среды в течение критического термочувствительного периода. Активная область исследований включает механизмы температурного определения пола, которые, как предполагалось, связаны с метилированием определенных генов. [41]