Gamle hjerner, nye ferdigheter: I en ny studie fant et team av forskere fra Champalimaud Foundation overraskende plastisitet i synet hos voksne.
Akkurat som små barn, som kan lære språk veldig raskt i sine første leveår, har vårt visuelle system også en «kritisk periode” i løpet av de første leveårene der det skjer en rask utvikling.
Etter denne perioden blir endringer vanskeligere, etter det gamle ordtaket: «Gammelt esel, lærer ikke språk«.
Faktisk er mange behandlinger designet for å gjenopprette synet, for eksempel de som brukes for medfødt grå stær eller «lat øye», er kun effektive opp til 7 år guddom.
Med fremveksten av flere etablerte og nye teknikker for å gjenopprette synet hos voksne, inkludert genterapi, bioniske øyne og kirurgi, er det viktig å forstå om den voksne hjernen kan behandle nye signaler visuelle elementer.
«Hvis den voksne hjernen ikke har denne plastisiteten eller tilpasningsevnen,» bemerker han Noam Shemesh, forskere ved Champalimaud Foundation og hovedforfatter av den nye studien, publisert forrige uke i tidsskriftet Biology. «Behandlinger rettet mot øynene kan vise seg ubrukelig hvis hjernen ikke er i stand til å tolke informasjonen som mottas»
Interessant, legger forskeren til, det finnes flere eksempler i naturensom fugler som med jevne mellomrom etablerer nye forbindelser i hjernen, eller mennesker selv som observerer et kort vindu av plastisitet etter et slagsom viser at tilpasning hos voksne er mulig under visse omstendigheter.
«Det sentrale spørsmålet i studien var å undersøke om den voksne pattedyrhjernen fortsatt har evnen til det reorganisere, og endre, selv etter den kritiske utviklingsperioden har passert, sier Shemesh.
En vitenskapelig og teknisk nyhet
Ved hjelp av et teknologisk gjennombrudd oppdaget forskere at når gnagere holdt i mørket siden fødselen ble utsatt for lys for første gang i voksen alder – lenge etter at den kritiske perioden var over – hjernen deres har gjennomgått betydelig omorganisering og tilpasningavslører en grad av bemerkelsesverdig plastisitet.
Disse funnene gir ikke bare bevis på at den voksne hjernen fortsetter å være det svært plastisk, som trosser tidligere tro på stivheten i den voksne hjernen, men åpner også nye perspektiver for utvikling av visuelle rehabiliteringsbehandlinger.
Som Noam Shemesh sier, var veien til disse åpenbaringene full av tekniske hindringer.
«Joana Carvalhovår hovedforsker, møtte mange utfordringer og til og med tvil fra noen av verdens ledende laboratorier, som vurderte deres umulig prosjekt»forklarer forskeren i en pressemelding publisert på EurekAlert.
«Men Joanas utholdenhet ga resultater. Uten din besluttsomhet og kreativitet, ville vi aldri ha nådd dette punktet. Det er Joana som fortjener all ære«, innrømmer Shemesh.
Den portugisiske forskeren måtte overvinne enestående vanskeligheters av å plassere en skjerm innenfor det begrensede rommet til en gnager MR-skanner for å oppnå projisere bilder på det samme.
«På grunn av plass- og materialbegrensninger, assosiert med det ultrahøye magnetfeltet», observerer Joana Carvalho, «viste tidligere studier på gnagere kun lysglimt. Metoden vår lar oss trekke ut informasjon mer detaljert enn enkle intermitterende visuelle stimuli.»
Opplevelsen
Med sitt nye funksjonelle magnetiske resonansbildeoppsett (fMRI) presenterte teamet dyr med komplekse, standardiserte stimuli og ikke-invasivt kartlagte hjerneegenskaper som tidligere kun var tilgjengelige gjennom invasive teknikker.
«Til å begynne med», forklarer Joana Carvalho, «bestod utfordringen i å projisere bilder i et avgrenset rom og full av hindringerfor å sikre at musen kunne se dem uten hindringer.»
Det ekstremt høye magnetiske feltet til MR, som er i stand til å løfte et tog, utgjorde en annen betydelig hindring.
«Vi måtte omgå disse begrensningene, ved å bruke speil og spesialisert maskinvare, for å få bildene dit de var nødvendige. Det hjalp at rottene ble bedøvet, som reduserte bevegelser til et minimumnemlig spontane øyebevegelser”, bemerker forskeren.
Etter å ha overvunnet disse utfordringene, satte forskerne ut for å utforske den voksne hjernens tilpasningsevne til visuelle signaler.
For å gjøre dette brukte de en modell der gnagere ble oppdratt i mørket, fra fødsel til voksen alder, lenge etter den kritiske perioden med plastisitetog dermed sikret at hjernen til disse dyrene ennå ikke hadde gjennomgått nøkkelprosessene som er nødvendige for visuell spesialisering.
Dyrene ble deretter eksponert for lys for første gang inne i MR-maskinen. Dette faktum tillot forskerne ikke bare å observere hjernens respons på dens første kontakt med visuelle stimuli, men også å studere hvordan dette kunne tilpasse seg denne sene eksponeringensom tillot oss å få to grunnleggende innsikter.
Når dyrene ble eksponert for lys for første gang under den første MR-skanningen, ble hjernen deres svarte ikke organisert visuell informasjon.
I stedet reagerte nervecellene hans i forskjellige områder på et bredt spekter av rekke stimuli, fra det mest til det minst detaljerte. Videre er størrelsen på mottakelig felt av nevroner – det spesifikke området av synsfeltet som de reagerer på – var også større hos de synsdempede musene sammenlignet med kontrollgruppen.
Til sammen antyder disse resultatene at visuelle nerveceller fra lysberøvede rotter manglet spesialisering.
Etter eksponering for lys, dyrenes hjerner begynte å endre seg. Selv i løpet av en uke ble visuelle responser mer organiserte, slik at nabonevroner begynte å reagere på nærliggende posisjoner i synsfeltet og celler begynte å vise større spesifisitet.
De mottakelige feltene til nevroner de ble også mindre og mer selektiv med tanke på plass. Etter en måned lignet dyrenes hjerner veldig på hjernen til den friske kontrollgruppen.
«Overraskende nok,» sier Shemesh, «på mindre enn en måned, ble strukturen og funksjonen til det visuelle systemet til syn-berøvede dyr lik den til kontroller. Selv om plastisitet er observert hos menneskerdens tolkning fortsetter å være svært vanskelig”.
«Det vi ser her hos gnagere, som gir innsikt i hjernemekanismer som ikke kan oppnås i menneskelige studier, er et fenomen som ikke har blitt observert før: storskala plastisitet i den voksne hjernen gjennom hele synsbanen, og ikke bare lokalisert i et bestemt hjerneområde, som vist i tidligere studier, legger han til.
Tidligere studier har brukt teknikker som f.eks elektrofysiologi og bildebehandling kalsium, som fokuserer på isolerte hjerneregioner og ikke tillater et globalt syn på det visuelle systemet.
Disse invasive metoder – selv om de gir direkte avlesninger av nevral aktivitet – kan de føre til påvisning av endringer som ikke er relatert til ekte plastisitet, på grunn av det faktum at de potensielt introduserer forvirrende faktorer, og på grunn av vanskeligheten med å overvåke de samme cellene til forskjellige tider.
Selv om den mangler spesifisiteten til en enkelt celle og indirekte reflekterer neuronal aktivitet, letter funksjonell IMR langsgående, ikke-invasiv måling av visuelle områder i sin helhet, med veldig høy oppløsning.
«Som et resultat var en av de spennende tingene vi var i stand til å observere», avslører Joana Carvalho, «at en del av den visuelle veien kalt superior colliculus ser ut til å ta lengre tid å tilpasse seg hos dyr med synsdeprivasjonsammenlignet med andre områder, for eksempel cortex.»
– Det er noe vi ønsker å utforske videre. Dette understreker også viktigheten av et integrert syn på hele systemet, i samme dyr, over flere tidsperioder, avslutter han.
Kliniske implikasjoner og fremtidsperspektiver
«Vi er nå i en posisjon til å begynne å utforske om det er mulig å forutsi hvilke dyr som kan ha forbedret eller forverret syn basert på MR-responsene til synssystemet deres,» bemerker Shemesh.
«Hos dyr med synsproblemer, vil vi gjerne finne ut hvilke som vil ha mest nytte av visse terapeutiske intervensjoner. For tiden er det vanskelig for leger å avgjøre fra en MR-skanning om en pasients hjerne vil reagere på en gitt behandling, noe som fører til unødvendig lidelse og bortkastet tid, forklarer han.
«Gjennom preklinisk avbildning kan vi begynne å spore behandlingsresponser hos mus, noe som ikke bare kan utdype vår forståelse av behandlingseffekter, men også akselerere utviklingstakten av behandling hos mennesker, samt veiledning av leger om nødvendige tester for deres pasienter”.
Teknikkene til denne studien kan utvides til andre modeller av dyresykdommer, inkludert f.eks. Parkinsons sykdomsom også studeres i Pre-Clinical MRI Laboratory.
Når dere kjenner hverandre subtile og tidlige visuelle problemer ved Parkinsons sykdom kan metoden brukes til å spore forskjeller i visuelle systemresponser over tid, og muligens avsløre ny kunnskap om sykdomsprogresjon og behandlingsalternativer i dyremodeller.
«I pre-klinisk sammenheng kan denne teknikken bidra til å identifisere det ideelle tidspunktet for kirurgiske prosedyrer. visuell restaurering og rehabiliteringøke effektiviteten av behandlinger som retinal stamcelletransplantasjon”, avslutter Shemesh.
