Plastyczność mózgu i uczenie motoryczne po udarze. Aktualny stan wiedzy

• Neuroplastyczność ośrodkowego układu nerwowego po udarze mózgu.
• Organizacja ruchu przez OUN.
• Kontrola i ponowne uczenie się ruchu.

Title: Motor learning and brain plasticity after stroke. State of the art
Streszczenie: Wrodzona fizjologicznie i anatomicznie plastyczność mózgu to cecha układu nerwowego, która zapewnia zdolność do adaptacji, samonaprawy i zmienności. Plastyczność mózgu spełnia istotną funkcję w procesie odbudowy utraconych funkcji motorycznych po udarze mózgu, a zmiany plastyczne są istotne w procesie kompensacji uszkodzeń układu nerwowego.
Słowa kluczowe: neuroplastyczność, modele obliczeniowe, udar mózgu, neurorehabilitacja
Summary: Neural plasticity is a physiological and anatomical quality of the central nervous system (CNS) which provides the ability for adaptation, self-repair and variability. Brain plasticity plays a specific role in the motor functions learning after stroke, and the beneficial effects of neural plasticity are important in the process of the CNS compensation.
Keywords: neuroplasticity, computational models, stroke, neurorehabilitation

Funkcjonalna reorganizacja ośrodkowego układu nerwowego (OUN) po ogniskowym uszkodzeniu tkanki mózgowej u dorosłych naczelnych zależy w znaczącym stopniu od udziału nieuszkodzonej kory ruchowej oraz od wczesnej i intensywnej rehabilitacji kompleksowej aplikowanej zgodnie z możliwościami danego osobnika. Literatura naukowa donosi, że po uszkodzeniu tkanki mózgowej neurorehabilitacja skoncentrowana na treningu kończyny z deficytem motorycznym pobudza spontaniczne zmiany plastyczne w korze ruchowej i somatosensorycznej (1, 2). Określenie złożoności ruchów, jakie organizm ludzki może wykonać, jest procesem wymagającym informacji do podjęcia i utrzymania nagłych, skoordynowanych działań. Wszystkie te informacje muszą być przekształcane zgodnie z ich zadaniami na odpowiednie działania. Procesy występujące w OUN pozwalają na przekształcenie informacji potrzebnych do wykonywania czynności motorycznych, a proces przekształcania tych informacji jest możliwy poprzez tworzenie tzw. modeli wewnętrznych (3). Zatem odpowiedni układ modeli wewnętrznych może zapewnić wgląd do głębszego zrozumienia neuroplastyczności. 

Celem niniejszej pracy było dokonanie przeglądu podstaw teoretycznych nt. reorganizacji i funkcjonowania OUN po uszkodzeniu oraz jego adaptacji podczas wykonywania zadań ruchowych.

Neuroplastyczność ośrodkowego układu nerwowego po udarze mózgu

Plastyczność układu nerwowego jest zdolnością, która charakteryzuje się podatnością na trwałe zmiany strukturalne i funkcjonalne pod wpływem przetwarzanych informacji pochodzących z otoczenia zewnętrznego. Zjawisko plastyczności stanowi podłoże uczenia się i pamięci, zmian rozwojowych oraz zmian kompensacyjnych po uszkodzeniach mózgu. Chociaż pewien stopień zdrowienia po udarze mózgu jest wynikiem spontanicznej reorganizacji korowej, coraz więcej dowodów wskazuje na to, że intensywna stymulacja poprzez terapię jest niezbędna w celu zwiększenia poprawy ruchowej (4). Jak wykazano w wielu badaniach z udziałem zwierząt oraz ludzi, różne zmiany OUN zarówno na poziomie molekularnym, jak i połączeń synaptycznych występują w związku z interakcją ze środowiskiem zewnętrznym (5). Układ nerwowy jest podatny na naturalne zmiany rozwojowe oraz na doświadczalne, czyli nabyte w trakcie życia. Umiejętność reorganizacji zostaje zachowana także u osób dorosłych, będąca odpowiedzią w momencie uszkodzenia OUN lub konieczności dostosowania się do określonego otoczenia. Przykładami są mechanizmy „samonaprawy” i reorganizacji połączeń neuronalnych, takie jak stosowanie połączeń alternatywnych, funkcjonalnie zgodnych, lecz anatomicznie różniących się od tych chorych, czyli połączeń wcześniej istniejących, lecz funkcjonalnie uśpionych (6). Niektóre badania sugerują, że komunikacja między obszarami homologicznymi pierwotnej kory ruchowej (M1) odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu ruchu pojedynczej kończyny. Badania kory ruchowej u pacjentów po udarze mózgu donoszą o wzroście aktywności w obszarze M1 i nieprawidłowym hamowaniu w części uszkodzonej, wynikające z aktywności między półkulami mózgu (7). Nie jest jednak jasne, czy te zmiany pobudliwości korowej są wynikiem nieużywania niedowładnej kończyny czy nadmiernym używaniem kończyny zdrowej (8). Ogólnie odkrycia te wysuwają hipotezę, że zmniejszenie pobudliwości zdrowej półkuli może przyczynić się do poprawy funkcji motorycznych niedowładnej kończyny po udarze mózgu (9). 

Strukturalne i metaboliczne obrazowanie mózgu oraz elektrofizjologiczne badania pierwszorzędowej kory ruchowej zostały użyte w celu udokumentowania reorganizacji nerwowej po udarze mózgu. Po obu stronach, uszkodzonej i przeciwległej do lokalizacji uszkodzenia mózgowego, pierwszorzędowej kory ruchowej i grzbietowej kory przedruchowej zostały zidentyfikowane obszary, które mogą ulegać neuroplastyczności. Dowody dotyczące nerwowej reorganizacji po udarze mózgu mogą prowadzić do rozwoju nowych interwencji wspierających rehabilitację poudarową. Badania z wykorzystaniem neuroobrazowania i technik neurofizjologicznych w celu identyfikacji zmian zarówno aktywności metabolicznej, jak i połączeń anatomicznych w mózgu wskazują, że niepierwszorzędowe obszary motoryczne mogą znacząco wpływać na poprawę ruchu niedowładnej kończyny po udarze mózgu (10). Potencjalne zwiększenie skuteczności terapii poudarowej ma także leczenie farmakologiczne, które oddziałuje na system neuroprzekaźników mogąc pobudzać neuroplastyczność. Wykazano, że zastosowanie amfetaminy zwiększa uwalnianie dopaminy i noradrenaliny, co może mieć działanie terapeutyczne po urazie mózgu (11, 12). Ponadto leki, które zwiększają aktywność układu cholinergicznego odpowiedzialnego za modulowanie aktywności neuronalnej w korze mózgowej, są również testowane pod kątem polepszenia rehabilitacji poudarowej (11). 

Terapie, które bezpośrednio stymulują obwodowy układ nerwowy lub ośrodkowy układ nerwowy, mogą zwiększać neuroplastyczność podczas rehabilitacji poudarowej i pomagać w przezwyciężaniu deficytów ruchowych u osób po udarze mózgu. Na przykład urządzenia do elektrostymulacji mięśni i nerwów obwodowych mogą pomagać w wykonywaniu ruchu niedowładnej kończyny. Ponadto stymulacja obwodowego układu nerwowego może wpływać na centralny układ nerwowy poprzez drogi aferentne (13). 

Obrazowanie mózgu technikami metabolicznymi ujawnia niezwykle wysoki poziom aktywności w korze ruchowej przeciwległej do lokalizacji uszkodzenia mózgowego u pacjentów po udarze. Funkcjonalna rola tej aktywności jest nieznana, jednak elektrofizjologiczne dane wskazują na to, że hamowanie pomiędzy półkulami mózgu uszkodzonej M1 przez zdrową M1 jest wyjątkowo trwałe podczas ruchu niedowładnej strony ciała. Te dane potwierdzają hipotezę, że międzypółkulowe oddziaływanie może być czynnikiem wpływającym na rehabilitację poudarową. W kilku badaniach wykazano poprawę funkcji kończyny oraz wzrost wartości testów u pacjentów w podostrym i przewlekłym stadium udaru mózgu, którzy poddani zostali stymulacji mającej na celu zmniejszenie pobudliwości w przeciwległej do uszkodzenia M1 (14). Jednakże na zdolność do odzyskania czynności ruchowych po udarze silny wpływ ma integralność szybkich dróg ruchowych wychodzących z M1 do neuronów rdzenia kręgowego (15). Biorąc pod uwagę, że naturalne zmiany rozwojowe mózgu utrzymują się niezależnie od wieku osoby, zmiany warunków otoczenia mogą zmieniać struktury kory mózgowej, także w przypadku stanu przewlekłego po udarze mózgu (16).

Powyższe odkrycia wskazują na potencjalną plastyczność czynnościową kory mózgowej osób dorosłych i sugerują, że program rehabilitacyjny może wpływać na ten proces. 

Przeczytaj wszystkie artykuły z kategorii WARTO WIEDZIEĆ -> TUTAJ

Organizacja ruchu przez OUN

Jednym z głównych celów nauki o układzie nerwowym, wykorzystującej podejście obliczeniowe, jest tworzenie dzięki dowodom eksperymentalnym teorii dotyczących procesów w OUN umożliwiających ciągłą transformację informacji podczas zachowań ruchowych. W tym momencie należałoby się zastanowić, w jaki sposób następuje kontrola tak dużej ilości informacji w czasie rzeczywistym oraz nagła ich zmiana w wyniku prostego bodźca, który to modyfikuje zachowanie ruchowe. Zdolność wytwarzania złożonych zadań ruchowych nie może być kontrolowana przez prosty proces sprzężenia zwrotnego w gromadzeniu informacji czuciowej i następowego wywoływania tej informacji w razie potrzeby. Kontrola ruchu poprzez biologiczne sprzężenie zwrotne jest zbyt powolna, aby dostarczać informacji niezbędnych do podjęcia i utrzymania nagłych, skoordynowanych działań (17). Biorąc pod uwagę, że w organizmie ludzkim jest około 600 mięśni, z których każdy może znajdować się w stanie skurczu lub rozkurczu, otrzymamy serię kombinacji określoną 2600 (18). 

Wszystkie te informacje muszą być przekształcane zgodnie z ich zadaniami na odpowiednie działania. Ten proces przekształcania informacji prawdopodobnie jest możliwy poprzez tworzenie tzw. modeli wewnętrznych, które przedstawiają i opisują dynamikę i ruch ciała w otoczeniu. Termin „model wewnętrzny” podkreśla pewien aspekt, który mówi o tym, że informacje zarówno docierające, jak i pochodzące z systemu czuciowo-ruchowego są przekształcane w OUN oraz że modele wewnętrzne powstają ad hoc poprzez określone procedury, modelując impulsy aferentno-eferentne (3, 18). W omawianym kontekście model wewnętrzny odnosi się do mechanizmów nerwowych, które naśladują cechy aferentnej i eferentnej części układu ruchu (3, 17). Ponieważ każda informacja jest dwukierunkowa i przetwarzana w dwie podstawowe strategie OUN, rozróżniamy dwa różne modele. Pierwszym z nich jest wewnętrzny model przewidujący (ang. Forward Internal Model), przedstawiający wewnętrzną informację czuciową pochodzącą z aktywności ruchowej. Podstawowym zadaniem tych modeli jest przewidywanie zachowania się ciała w otaczającym środowisku. Wewnętrzny model przewidujący przekształca polecenie ruchowe w odpowiednią czynność. Taki model jest w stanie przewidywać odpowiedź sensoryczną, którą aktywują polecenia ruchowe, a także oczekiwany rezultat w wyniku danego polecenia, oraz oszacować pozycję i szybkość w czasie rzeczywistym poruszającego się segmentu ciała (3). Drugi model, określany jako wewnętrzny model przeciwstawny (ang. Inverse Internal Model), reprezentuje działania wewnętrzne związane z żądaną modyfikacją otoczenia. Ten model jest w stanie zmieniać oczekiwane zachowanie motoryczne na odpowiednie polecenie ruchowe, które to są obliczane wraz z informacjami zebranymi z otaczającego środowiska, aby uzyskać oczekiwaną trajektorię ruchu (3, 17).