В обзоре представлен анализ исследований отечественных и зарубежных авторов, посвященный современным представлениям о нейропластичности нервной системы. Рассматриваются морфологические подходы в изучении проблемы нейрогенеза, нейропротекции и нейропластичности, феномен синаптической пластичности, являющейся частью нейропластичности и участвующей в процессах восприятия, обработки и анализа сигналов, определяя формы адаптивного поведения. Обсуждается тема физиологических механизмов нейропластичности, рассматриваемой в качестве основы психических процессов и социально-профессиональной адаптации. Согласно ряду исследований предметная и информационная насыщенность окружающей среды, социальное окружение и характер отношений между членами социальной группы, когнитивная и физическая активность, обучение новым формам поведения и приобретение профессиональных знаний могут оказывать значительное влияние на физиологические механизмы нейропластичности, тем самым увеличивая эффективность адаптации. Изучение нейропластичности является важным для понимания функционирования нервной системы, что в свою очередь позволит создавать новые подходы к терапии нервных болезней и реабилитации пациентов, повысить качество жизни больных.

На сегодняшний день результаты исследований нейронаук, а также клинические исследования доказали, что существующее ранее представление о постоянстве организации нервной системы в пренатальном периоде и раннем онтогенезе были ошибочны. Доказано, что на всех стадиях своего функционирования нервная система способнa к изменениям – начиная с изменений синаптической проводимости, лежащей в основе памяти, оканчивая неонейрогенезом, который был открыт относительно недавно [19]. Область феноменов, характеризующих способность нервной системы реорганизовывать свою структуру в ответ на воздействие среды, получила название нейропластичность [24].
Цель исследования – провести обзор литературных данных отечественных и зарубежных авторов, посвященный современным представлениям о нейропластичности.
Понятие нейропластичность включает в себя способность нервной системы к восстановлению при различных патологических состояниях, этот многоуровневый процесс состоит из нескольких компонентов: количественных нейрональных перестроек, трансформации нейрональных связей, реакции глиальных элементов, изменений структуры и функции нейрона, а также систем жизнеобеспечения нейрона, включая нейроглию и регуляцию кровообращения головного мозга.
Впервые представление о нейропластичности ввёл A. Бете (1934 г.), когда описывал операцию по сшиванию сухожилия сгибaтеля запястного сустава с периферическими концами парализованного разгибателя пальцев. Под пластичностью нервной системы Бете понимал её приспособляемость к изменившимся условиям среды за счёт изменения периферической афферентации.
Сам термин «нейропластичность» впервые встречается у J. Konorski при характеристике феномена синаптического спрутинга как постоянного процесса разрушения и образования межнейронных связей [12]. В 2008 году на 4-м международном конгрессе, посвящённом данной проблеме, была выработана единая точка зрения, рассматривающая нейропластичность как составляющую единого, постоянно протекающего фундаментального биологического процесса, который условно подразделяется на нейрогенез, нейропротекцию и нейропластичность.
В настоящий момент под нейрогенезом понимается многоступенчатый регулируемый процесс, который состоит из этапа трансформации мультипотентных нейрональных клеток – предшественников, их миграции, дифференциации и интеграции сформировавшихся нейронов в существующую нейрональную сеть.
В многочисленных исследованиях показано, что формирование новых нейронов и нейроглии из клеток прогениторов происходит на всех стадиях онтогенеза, благодаря этому восполняется число погибших в результате патологических процессов или в течении жизни клеток мозга.
Нейрогенез на этапах постнатального развития происходит в нейрогенных регионах мозга [11, 23]. Обращают внимание на два основных региона: субгранулярную зону зубчатой извилины гиппокампа и субвентрикулярную зону боковых желудочков (субэпендиму) [2, 15]. Регуляция нейрогенеза осуществляется внутренними молекулярно – генетическими факторами и внешними факторами среды. Внутренние факторы контроля постнатального нейрогенеза реализуется с помощью различных факторов роста, нейромедиаторов и гормонов. Так эксперименты на животных показали, что стимулирует нейрогенез внутрижелудочковое введение: мозгового нейротрофического фактора BDNF (brain derived neurotrophic factor) в полосатом теле, таламусе, перегородке, субвентрикулярной зоне гиппокампа, ольфакторной зоне;
фактора роста нервов NGF (nerve growth factor) в субвентрикулярной зоне; фактора роста фибробластов FGF-2 (fibroblast grown factor 2) в зубчатой извилине [13, 26].
Понятие нейропротекции подразумевает под собой непрерывное приспособление нейрона к новым функциональным условиям, представляющим из себя сумму всех механизмов, направленных против повреждающих факторов [22].
К примерам нейропластичности можно отнести увеличение определённых структур мозга, связанных с профессиональной деятельностью. У переводчиков – это увеличение левой височной доли, у музыкантов – первичной моторной зоны, височной доли и передней части мозолистого тела, у таксистов, чья профессиональная деятельность связана с пространственным ориентированием, размеров гиппокампа [22].
В настоящее время известно, что нейропластичность лежит в основе обучения и памяти.
Процесс нейропластичности обеспечивает работу мозга человека в течение всей жизни. Она обнаруживается на всех уровнях организации нервной системы [14].
Ряд авторов выявили, что информационная насыщенность среды (обогащенная среда), которая включает в себя социальное окружение и образовательные элементы, также оказывает влияние на физиологические механизмы нейропластичности [27, 28]. Под обогащенной подразумевается среда, содержащая разнообразные социальные и несоциальные стимулы, которые влияют на различные стороны развития и функции головного мозга. Среда является индуктором силы синаптических контактов и долговременной потенциации, которые лежат в основе долговременной памяти.
Основу этих процессов составляет интенсификация синтеза основных нейротрофических факторов (BDNF, NGF, GDNF), усиление экспрессии синаптических белков – синаптофизина и синаптотагмина, увеличение экспрессии NMDA- (N-methyl-D-aspartate receptor) и AMPA- (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor) рецепторов, снижение уровней провоспалительных цитокинов (TNF-α – tumor necrosis factor, IL-1 – interleukin-1) и хемокинов, а также возрастание секреции ацетилхолина и селективное усиление экспрессии серотониновых рецепторов [18]. Пребывание в обогащенной среде интенсивно влияет на ветвление нейритов и формирование синапсов в коре, уменьшает интенсивность апоптоза, усиливает локальный кровоток и нейрогенез в гиппокампе, в котором наблюдается возрастание числа астроцитов и увеличение толщины его слоев. За счет этого происходит повышение интенсивности научения, распознавания стимулов и улучшение памяти, а также наблюдается увеличение поисковой активности и снижение уровня тревожности [30].
Это влияние осуществляется за счет сенсорной, моторной, эмоциональной и когнитивной стимуляции, что свидетельствует о неразрывной взаимосвязи между социальной средой и нейропластичностью. Следовательно, нейрогенез является ключевым фактором в регуляции когнитивных и эмоциональных процессов высшей нервной деятельности, психической деятельности, которые влияют на обеспечение адаптации организма к условиям внутренней и внешней среды, где происходит освоение опыта и приобретение профессиональных знаний, умений и навыков.
Большой вклад в учение о нейропластичности внесли канадский нейрофизиолог Дональд Хебб, представивший положительное влияние на процесс нейропластичности обогащения окружающей среды, а также Терье Ломо и Тим Блисс, открывшие феномен долговременной потенциации, которая является одной из форм синаптической пластичности, повышающей эффективность синаптической передачи и являющейся основой большинства форм обучения и памяти [14].
Синаптическая пластичность является основным компонентом нейропластичности. Она обеспечивает структурную и функциональную адаптацию нейронных сетей к изменениям, связанным с обучением новым формам поведения и памятью, с влиянием факторов окружающей среды и патологическими процессами, происходящими в головном мозге [16]. Синаптическая пластичность участвует в процессах восприятия, обработки и анализа сигналов, когнитивных и эмоциональных психических процессов, интеллекта, определяя формы адаптивного поведения. Выделяют следующие виды пластичности синапсов:
эволюционную, обеспечивающую работу и развитие сверхсложных мультимодульных сетей, которые способные осуществлять высшие психические функции; онтогенетическую, обеспечивающую приспособление организма к внешней и внутренней средам; физиологическую, которая обеспечивает активацию функциональных систем; реактивную, проявляющуюся краткосрочной активацией синапсов после патологического воздействия на них различных факторов (ишемия, гипоксия, токсины); адаптационную, обеспечивающую появлением новых функциональных систем мозга в процессе адаптации организма к окружающей среде; репаративную, способствующую восстановлению функциональных систем мозга после их повреждения, что характеризуется активацией сохранившихся синапсов до неосинаптогенеза и роста нервных отростков [6].
Одним из видов синаптической пластичности является долговременная потенциация синаптического проведения, которая лежит в основе усиления синаптической передачи между двумя нейронами при осуществлении передачи информации в мозге. Долгосрочное потенцирование синапсов (long-term potentiation, LTP) – это важнейший нейрофизиологический механизм формирования энграмм декларативной памяти и научения. В LTP выделяют раннюю и позднюю фазы, которые лежат в основе кратковременной и долговременной памяти. Ранняя фаза длится около 30 минут после стимуляции.
Поздняя фаза может длиться несколько дней, недель и даже месяцев, так как она требует экспрессии генов и белков. Синаптическая пластичность возрастает или ослабевает под воздействием различных факторов, среди которых регулирующим является активность нейронов.
Многообразие синаптических контактов объясняет разнообразие феноменов нейропластичности [25]. Ключевую роль в этом процессе выполняют интернейроны, они участвуют в регуляции энергетического метаболизма, влияют на число и активность нейронов, а также модулируют активность синаптической передачи. Нейроглия участвует в координации нейрональной миграции из субвентрикулярной зоны интернейронов в кору [20, 25]. Клетки нейроглии выполняют еще одну немаловажную функцию, они участвуют в выведении из нейронов отходов жизнедеятельности в спинномозговую жидкость. И именно в ночное время эта система во много раз активнее, чем во время бодрствования [9].
При различных патологических состояниях, оказывающих влияние на нервную систему, после латентного периода запускаются эндогенные реакции, которые направлены на прерывание и подавление механизмов, приводящих к повреждению мозга. Локальное повреждение мозга вызывает активацию процессов реактивной и репаративной нейропластичности. Реактивная нейропластичность является ответом на патологическое воздействие сохранившихся нейронов, а при репаративной присоединяются все компенсаторно-восстановительные механизмы [17]. Процессы нейропротекции и нейропластичности, являются последовательными реакциями, которые регулируются нейротрофическими факторами [21].
Исследование механизмов нейропластичности на сегодняшний день позволило определить её основные структурно-функциональные составляющие как в норме, так и при патологии. К ним можно отнести: реорганизацию функциональной системы, синаптогенез, спраутинг аксонов и дендритов, ремиелинизацию, гипервозбудимость корковых нейронов, феномен долговременной потенциации, нейрогенез, феномен обогащения окружающей среды [25, 29].
К сожалению, не все процессы нейрогенеза изучены, поэтому оценивать состояние нейрогенеза при различных патологических состояниях довольно сложно.
Сегодня известен ряд неинвазивных способов, с помощью которых можно стимулировать процессы нейропластичности, они используются как для улучшения реабилитации после травм, так и для интенсификации процессов обучения. К примеру, это использование медикаментов, влияющих на механизмы долговременной потенциации [4], транскраниальная электростимуляция, транскраниальная стимуляция постоянным током [3], аудиовизуальная стимуляция (АВС) [20], идеомоторная тренировка [9], методы биоуправления, транскраниальная магнитная стимуляция.
В ряде работ показано, что основные нейронные механизмы, опосредующие реальное выполнение действий, задействуются также и при их мысленном представлении [9, 29]. Также найден ряд электрофизиологических коррелятов мысленного выполнения движений [27, 28].
Особое внимание уделяется нейропротективной терапии при цереброваскулярной патологии и нейродегенеративных заболеваниях [5, 8, 21]. Также немаловажно значение нейропластичности в патогенезе аффективных расстройств.
Актуальным на сегодняшний день является изучение механизмов нейропротекции и влияние соответствующих лекарственных препаратов на поврежденные участки нервной системы. Использование таких препаратов позволяет частично стимулировать процессы пластичности при ишемии головного мозга.
Введение NGF в эксперименте было признано успешной стратегией терапии сосудистых поражений мозга и нейродегенераций, которая сохраняет подвергающиеся дегенерации нейроны и усиливает функции сохранившихся нейронов [7, 10]. Вышеупомянутые эксперименты позволили опровергнуть ранее устоявшееся предположение о том, что человеческие нейроны не могут регенерировать.
Знание нейропластичности имеет огромное значение для понимания механизмов протекания патологических процессов в нервной системе, а также для прогноза восстановления нарушенных функций. На данный момент интенсивно исследуются эндогенные факторы, которые увеличивают продолжительность жизни клетки, стимулируют ее рост и формируют новые межнейрональные связи [1].
Можно предположить ближайшие открытия в области нейропластичности: совершенствование метода транскраниальной магнитной стимуляции и других нейрореабилитационных технологий, внедрение в клиническую практику новых лекарственных средств – факторов роста и др., развитие нейротрансплантации [8], а также изучение гипотезы о возможной трансформации и идентификации нейрона [9].
Заключение. Изучение нейропластичности является важным для понимания функционирования нервной системы. Она выражается изменением структуры и функций нейронной системы. В основе этих перестроек лежат нейрогенез с последующей интеграцией в нейрональную сеть с изменением электровозбудимости нервных клеток и синаптической пластичностью. Стоит также отметить, что процессы нейропластичности наблюдаются не только в пренатальном периоде, но и на всех последующих этапах онтогенеза. Эти процессы происходят на протяжении всей жизни. Физиологические механизмы нейропластичности лежат в основе интегративных функций мозга, когнитивных и психических процессов, психической деятельности и интеллекта, все они обеспечивают адаптацию организма к окружающей среде. Насыщенность окружающей среды, социальное окружение и характер отношений между членами социальной группы, также когнитивная и физическая активность влияют на механизмы нейропластичности. В результате воздействия этих факторов происходит возрастание структурно – функциональной сложности нейронных сетей мозга, что увеличивает разнообразие реакций организма без выхода его систем из зоны оптимума функционирования, а также повышается адаптация и устойчивость к развитию патологических состояний.

Литература

1. Ahlenius H, Visan V, Kokaia M, Lindvall O, Kokaia Z. Neural stem and progenitor cells retain their potential for proliferation and differentiation into functional neurons despite lower number in aged brain. J Neurosci. 2009;29(14):44084419.
https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.6003-08.2009 2. Aimone JB, Wiles J, Gage FH. Potential role for adult neurogenesis in the encoding of time in new memories. Nat Neurosci. 2006;9(6):723-727.
https://doi.org/10.1038/nn1707 3. Antal A, Terney D, Kühnl S, Paulus W. Anodal transcranial direct current stimulation of the motor cortex ameliorates chronic pain and reduces short intracortical inhibition. J Pain Symptom Manage.
2010;39(5):890-903.
https://doi.org/10.1016/j.jpainsymman.2009.09.023 4. Azari N, Seitz R. Brain Plasticity and Recovery from Stroke: What has changed in the brain of a stroke patient who re- covers the ability to move a once-disabled limb? American Scientist.
2000;5(88):426–431.
5. Bornstein NM. Time is brain-stroke, TIA is an emergency condition. Second joint congress of GCNN and SSNN, 2009.
6. Bütefisch CM. Plasticity in the human cerebral cortex: lessons from the normal brain and from stroke. Neuroscientist. 2004;10(2):163-173.
https://doi.org/10.1177/1073858403262152 7. Carleton A, Petreanu LT, Lansford R, Alvarez-Buylla A, Lledo PM. Becoming a new neuron in the adult olfactory bulb. Nat Neurosci. 2003;6(5):507518. https://doi.org/10.1038/nn1048 8. Castellani RJ. Neuropathology is neuroprotection in degenerative diseases. Second joint congress of GCNN and SSNN, 2009.
9. Eriksson PS, Perfilieva E, Björk-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, et al. Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nat Med. 1998;4(11):1313-1317.
https://doi.org/10.1038/3305 10. Gascon E, Vutskits L, Zhang H, Barral-Moran MJ, Kiss PJ, Mas C, et al. Sequential activation of p75 and TrkB is involved in dendritic development of subventricular zone-derived neuronal progenitors in vitro. Eur J Neurosci. 2005;21(1):6980.
https://doi.org/10.1111/j.1460-9568.2004.03849.x 11. Kempermann G, Jessberger S, Steiner B, Kronenberg G. Milestones of neuronal development in the adult hippocampus. Trends Neurosci.
2004;27(8):447-52.
https://doi.org/10.1016/j.tins.2004.05.013 12. Konorski J. Conditioned Reflexex and Neuron Organisaition. – Cambridge Universiti Press, 1948.
13. Kosslyn SM, Ganis G, Thompson WL. Neural foundations of imagery. Nat Rev Neurosci.
2001;2(9):635–642.
https://doi.org/10.1038/35090055 14. Kostandi M. Neuroplasticity. – M: Publishing group “Point”, Alpina Publisher, 2017.
15. Lledo PM, Alonso M, Grubb MS. Adult neurogenesis and functional plasticity in neuronal circuits.
Nat Rev Neurosci. 2006;7(3):179–193.
https://doi.org/10.1038/nrn1867 16. Malenka RC, Nicoll RA. Long-term potentiation a decade of progress? Science.
1999;285(5435):1870-1874.
https://doi.org/10.1126/science.285.5435.1870 17. Marrone DF, LeBoutillier JC, Petit TL. Changes in synaptic ultrastructure during reactive synaptogenesis in the rat dentate gyrus. Brain Res.
2004;1005(1-2):124-136.
https://doi.org/10.1016/j.brainres.2004.01.041 18. Meng FT, Zhao J, Ni RJ, Fang H, Zhang LF, Zhang Z, et al. Beneficial effects of enriched environment on behaviors were correlated with decreased estrogen and increased BDNF in the hippocampus of male mice. Neuro Endocrinol Lett.
2015;36(5):490-497.
19. Ming GL, Song H. Adult neurogenesis in the mammalian brain: significant answers and significant questions. Neuron. 2011;70(4):687-702.
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2011.05.001 20. Molholm S, Ritter W, Murray MM, Javitt DC, Schroeder CE, Foxe JJ. Multisensory auditory-visual interactions during early sensory processing in humans: a high-density electrical mapping study. Brain Res Cogn Brain Res.
2002;14(1):115-128.
https://doi.org/10.1016/s0926-6410(02)00066-6 21. Muresanu DE. Neurotrophic factors – from bed to bench in dementia treatment; a short overview of some original data. Second joint congress of GCNN and SSNN; 2009.
22. Muresanu DF. Neuroprotection and neuroplasticity – a holistic approach and future perspectives. J Neurol Sci. 2007;257(1-2):38-43.
https://doi.org/10.1016/j.jns.2007.01.041 23. Ozen I, Boix J, Paul G. Perivascular mesenchymal stem cells in the adult human brain: a future target for neuroregeneration? Clin Transl Med.
2012;1(1):30.
https://doi.org/10.1186/2001-1326-1-30 24. Pascual-Leone A, Amedi A, Fregni F, Merabet LB.
The plastic human brain cortex. Annu Rev Neurosci. 2005;28:377-401.
https://doi.org/10.1146/annurev.
neuro.27.070203.144216 25. Pekna M, Pekny M, Nilsson M. Modulation of neural plasticity as a basis for stroke rehabilitation.
Stroke. 2012;43(10):2819-2828.
https://doi.org/10.1161/STROKEAHA.112.654228 26. Pencea V, Bingaman KD, Wiegand SJ, Luskin MB. Infusion of brain-derived neurotrophic factor into the lateral ventricle of the adult rat leads to new neurons in the parenchyma of the striatum, septum, thalamus, and hypothalamus. J Neurosci. 2001;21(17):6706–6717.
https://doi.org/10.1523/ JNEUROSCI.21-17-06706.2001 27. Snyder JS, Cameron HA. Could adult hippocampal neurogenesis be relevant for human behavior?
Behav Brain Res. 2012;227(2):384-90. https://doi.
org/10.1016/j.bbr.2011.06.024 28. Snyder JS, Soumier A, Brewer M, Pickel J, Cameron HA. Adult hippocampal neurogenesis buffers stress responses and depressive behaviour. Nature. 2011;476(7361):458-61.
https://doi.org/10.1038/nature10287 29. Weder B, Knorr U, Herzog H, Nebeling B, Kleinschmidt A, Huang Y, et al. Tactile exploration of shape after subcortical ischaemic infarction studied with PET. Brain. 1994;117(3):593-605.
https://doi.org/10.1093/brain/117.3.593 30. Weiller C, Chollet F, Friston KJ, Wise RJ, Frackowiak RS. Functional reorganization of the brain in recovery from striatocapsular infarction in man.
Ann Neurol. 1992;31(5):463-472.
https://doi.org/10.1002/ana.410310502