Wzbogacenie środowiska - Environmental enrichment

Nie mylić z wzbogaceniem behawioralnym .
Gryzoń nie jest stymulowany przez środowisko w drucianej klatce, co negatywnie wpływa na jego mózg, zwłaszcza na złożoność połączeń synaptycznych

Wzbogacenie środowiska to stymulacja mózgu przez jego fizyczne i społeczne otoczenie. Mózgi w bogatszym, bardziej stymulującym środowisku mają wyższy wskaźnik synaptogenezy i bardziej złożone altany dendrytyczne , co prowadzi do zwiększonej aktywności mózgu. Efekt ten ma miejsce przede wszystkim podczas neurorozwoju , ale w mniejszym stopniu również w wieku dorosłym. Wraz z dodatkowymi synapsami dochodzi również do zwiększonej aktywności synaps, co prowadzi do zwiększenia rozmiaru i liczby komórek podtrzymujących energię glejową . Wzbogacenie środowiska poprawia również unaczynienie naczyń włosowatych , zapewniając neuronom i komórkom glejowym dodatkową energię. Włókien nerwowych (neurony, komórki glejowe, kapilar, w połączeniu), rozpręża się, zagęszczenie kory. Badania nad mózgami gryzoni sugerują, że wzbogacenie środowiska może również prowadzić do zwiększonego tempa neurogenezy .

Badania na zwierzętach pokazują, że wzbogacenie środowiska może pomóc w leczeniu i rekonwalescencji licznych dysfunkcji związanych z mózgiem, w tym choroby Alzheimera i tych związanych ze starzeniem się , podczas gdy brak stymulacji może zaburzać rozwój poznawczy. Co więcej, badania te sugerują również, że wzbogacenie środowiska prowadzi do większego poziomu rezerwy poznawczej , odporności mózgu na skutki stanów takich jak starzenie się i demencja .

Badania na ludziach sugerują, że brak stymulacji opóźnia i upośledza rozwój poznawczy. Badania pokazują również, że osiąganie i angażowanie się w wyższe poziomy edukacji, środowiska, w których ludzie uczestniczą w trudniejszych czynnościach stymulujących funkcje poznawcze, skutkują większą rezerwą poznawczą.

Wczesne badania

Donald O. Hebb w 1947 odkrył, że szczury hodowane jako zwierzęta domowe lepiej radziły sobie w testach rozwiązywania problemów niż szczury hodowane w klatkach. Jego badania nie dotyczyły jednak mózgu ani nie wykorzystywały standaryzowanych, zubożałych i wzbogaconych środowisk. Badania nad tym po raz pierwszy zostały zapoczątkowane w 1960 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley przez Marka Rosenzweiga , który porównał pojedyncze szczury w normalnych klatkach i te umieszczone w klatkach z zabawkami, drabinami, tunelami, kółkami do biegania w grupach. Okazało się, że dorastanie w wzbogaconych środowiskach wpływa na aktywność enzymu cholinesterazy . Praca ta doprowadziła w 1962 roku do odkrycia, że ​​wzbogacenie środowiska zwiększyło objętość kory mózgowej . W 1964 roku odkryto, że było to spowodowane zwiększoną grubością kory mózgowej oraz większą liczbą synaps i gleju .

Również od około 1960 r. Harry Harlow badał wpływ niedostatku matek i społeczeństwa na niemowlęta małp rezus (forma deprywacji bodźców środowiskowych). Udowodniło to znaczenie stymulacji społecznej dla normalnego rozwoju poznawczego i emocjonalnego.

Synapsy

Synaptogeneza

Szczury wychowywane ze wzbogaceniem środowiska mają grubszą korę mózgową (3,3-7%), która zawiera o 25% więcej synaps . Ten wpływ bogactwa środowiska na mózg występuje niezależnie od tego, czy jest doświadczany bezpośrednio po urodzeniu, po odsadzeniu, czy w okresie dojrzałości. Gdy liczba synaps wzrasta u dorosłych, ich liczba może pozostać wysoka, nawet gdy dorośli wracają do zubożałego środowiska na 30 dni, co sugeruje, że taki wzrost liczby synaps niekoniecznie jest tymczasowy. Jednak zaobserwowano, że wzrost liczby synaps ogólnie zmniejsza się wraz z dojrzewaniem. Stymulacja oddziałuje nie tylko na synapsy na neuronach piramidalnych (główne neurony wystające w korze mózgowej), ale także na gwiaździste (które są zazwyczaj interneuronami ). Może również wpływać na neurony poza mózgiem, takie jak siatkówka .

Złożoność dendrytów

Wzbogacenie środowiska wpływa na złożoność i długość altan dendrytów (na których tworzą się synapsy). Złożoność gałęzi dendrytów wyższego rzędu wzrasta w środowiskach wzbogaconych, podobnie jak długość gałęzi dystalnych u młodych zwierząt. Wzbogacenie środowiska chroni przed szkodliwym wpływem stresu na złożoność dendrytyczną.

Aktywność i zużycie energii

Zwierzęta w urozmaiconym środowisku wykazują oznaki zwiększonej aktywacji synaps. Synapsy bywają również znacznie większe. Oscylacje gamma mają większą amplitudę w hipokampie. To zwiększone zużycie energii znajduje odzwierciedlenie w gleju i miejscowym unaczynieniu naczyń włosowatych, które zapewnia synapsom dodatkową energię.

  • Liczba komórek glejowych na neuron wzrasta o 12-14%
  • Obszar bezpośredniej apozycji komórek glejowych z synapsami rozszerza się o 19%
  • Objętość jąder komórek glejowych dla każdej synapsy jest większa o 37,5%
  • Średnia objętość mitochondriów na neuron jest o 20% większa
  • Objętość jąder komórek glejowych dla każdego neuronu jest o 63% większa
  • Zwiększona gęstość naczyń włosowatych.
  • Kapilary są szersze (4,35 μm w porównaniu do 4,15 μm w grupie kontrolnej)
  • Krótsza odległość istnieje między jakąkolwiek częścią neuropila a kapilarą (27,6 μm w porównaniu do 34,6 μm)

Te zmiany związane z energią w neuropilu są odpowiedzialne za zwiększenie objętości kory mózgowej (wzrost liczby synaps sam w sobie nie przyczynia się do zwiększenia objętości).

Stymulacja uczenia motorycznego

Częścią efektu wzbogacenia środowiska jest zapewnienie możliwości nabywania umiejętności motorycznych . Badania nad szczurami uczącymi się umiejętności „akrobatycznych” pokazują, że taka aktywność uczenia się prowadzi do zwiększonej liczby synaps.

Transmisja matczyna

Wzbogacenie środowiska podczas ciąży ma wpływ na płód , na przykład przyspieszając jego rozwój siatkówki.

Neurogeneza

Wzbogacenie środowiska może również prowadzić do tworzenia neuronów (przynajmniej u szczurów) i odwrócić zarówno utratę neuronów w hipokampie, jak i upośledzenie pamięci spowodowane przewlekłym stresem. Jednak jego znaczenie zostało zakwestionowane dla efektów behawioralnych wzbogaconych środowisk.

Mechanizmy

Wzbogacone środowiska wpływają na ekspresję genów determinujących strukturę neuronów w korze mózgowej i hipokampie. Na poziomie molekularnym następuje to poprzez wzrost stężenia neurotrofin NGF , NT-3 , oraz zmiany w BDNF . To zmienia aktywację neuronów cholinergicznych , 5-HT i beta-adrenoliny . Innym efektem jest zwiększenie ilości białek takich jak synaptofizyna i PSD-95 w synapsach. Stwierdzono również, że zmiany w sygnalizacji Wnt naśladują u dorosłych myszy wpływ wzbogacenia środowiska na synapsy w hipokampie. Wzrost liczby neuronów może być powiązany ze zmianami w VEGF .

Rehabilitacja i odporność

Badania na zwierzętach sugerują, że wzbogacenie środowiska wspomaga powrót do zdrowia po niektórych zaburzeniach neurologicznych i zaburzeniach poznawczych. Są dwa główne obszary zainteresowania: rehabilitacja neurologiczna i rezerwa poznawcza , odporność mózgu na skutki narażenia na zagrożenia fizyczne, naturalne i społeczne. Chociaż większość z tych eksperymentów wykorzystywała zwierzęta, głównie gryzonie, naukowcy wskazali na dotknięte obszary mózgów zwierzęcych, do których mózgi ludzkie są najbardziej podobne, i wykorzystali swoje odkrycia jako dowód, aby pokazać, że ludzie mieliby porównywalne reakcje na wzbogacone środowisko. Testy przeprowadzone na zwierzętach mają zatem reprezentować symulacje ludzi dla poniższej listy warunków.

Rehabilitacja neurologiczna

Autyzm

Badanie przeprowadzone w 2011 roku doprowadziło do wniosku, że wzbogacenie środowiska znacznie poprawia zdolności poznawcze dzieci z autyzmem . Badanie wykazało, że u dzieci z autyzmem, które otrzymują stymulację węchową i dotykową wraz z ćwiczeniami stymulującymi inne sparowane modalności sensoryczne, klinicznie poprawiło się o 42 procent, podczas gdy u dzieci autystycznych, które nie otrzymały tego leczenia, klinicznie poprawiło się o zaledwie 7 procent. To samo badanie wykazało również, że nastąpiła znaczna poprawa kliniczna u dzieci autystycznych narażonych na wzbogacone środowisko sensomotoryczne, a zdecydowana większość rodziców zgłosiła, że ​​jakość życia ich dziecka była znacznie lepsza dzięki leczeniu. Drugie badanie potwierdziło jego skuteczność. Drugie badanie wykazało również, że po 6 miesiącach terapii wzbogacania sensorycznego 21% dzieci, które początkowo otrzymały klasyfikację autyzmu przy użyciu Harmonogramu Obserwacji Diagnostyki Autyzmu, poprawiło się do tego stopnia, że ​​chociaż pozostały na spektrum autyzmu, nie już spełniał kryteria klasycznego autyzmu. Żadna ze standardowych kontroli opieki nie osiągnęła równoważnego poziomu poprawy. Terapia z wykorzystaniem metodologii nosi tytuł Terapia Wzbogacania Sensorycznego .

Choroba Alzheimera

Dzięki wzbogaceniu środowiska naukowcy byli w stanie wzmocnić i częściowo naprawić deficyty pamięci u myszy w wieku od 2 do 7 miesięcy z cechami choroby Alzheimera . Myszy w wzbogaconych środowiskach radziły sobie znacznie lepiej w testach rozpoznawania obiektów i Morris Water Maze niż w standardowych środowiskach. Stwierdzono zatem, że urozmaicenie środowiskowe poprawia pamięć wzrokową i edukacyjną u osób z chorobą Alzheimera. Ponadto stwierdzono, że mysie modele choroby Alzheimera, które zostały wystawione na działanie wzbogaconego środowiska przed wystąpieniem amyloidu (w wieku 3 miesięcy), a następnie wróciły do ​​klatki domowej przez ponad 7 miesięcy, wykazywały zachowaną pamięć przestrzenną i zmniejszone odkładanie się amyloidu w wieku 13 miesięcy. Miesiące, kiedy mają wykazywać dramatyczne deficyty pamięci i obciążenie płytkami amyloidowymi. Odkrycia te ujawniają zapobiegawczy i długotrwały wpływ doświadczenia stymulującego wczesne życie na patologię podobną do choroby Alzheimera u myszy i prawdopodobnie odzwierciedlają zdolność wzbogaconego środowiska do skutecznego stymulowania rezerw poznawczych .

choroba Huntingtona

Badania wykazały, że wzbogacenie środowiska może pomóc złagodzić deficyty motoryczne i psychiatryczne spowodowane chorobą Huntingtona . Poprawia również utracone poziomy białka u osób z chorobą i zapobiega deficytom w prążkowiu i hipokampie w BDNF , zlokalizowanym w hipokampie. Te odkrycia skłoniły naukowców do zasugerowania, że ​​wzbogacenie środowiska może być możliwą formą terapii dla osób z chorobą Huntingtona.

Choroba Parkinsona

Wiele badań wykazało, że wzbogacenie środowiska dla dorosłych myszy pomaga złagodzić śmierć neuronów, co jest szczególnie korzystne dla osób z chorobą Parkinsona . Nowsze badanie pokazuje, że wzbogacenie środowiska szczególnie wpływa na szlak nigrostriatalny , który jest ważny dla kontrolowania poziomów dopaminy i acetylocholiny, krytycznych dla deficytów motorycznych. Ponadto stwierdzono, że wzbogacenie środowiska ma korzystny wpływ na społeczne implikacje choroby Parkinsona.

Udar mózgu

Badania przeprowadzone na zwierzętach wykazały, że osoby powracające do zdrowia w wzbogaconym środowisku 15 dni po udarze znacznie poprawiły funkcje neurobehawioralne. Ponadto ci sami badani wykazali większą zdolność uczenia się i większy zawał po interwencji niż ci, którzy nie byli w wzbogaconym środowisku. Stwierdzono zatem, że wzbogacenie środowiska miało znaczący korzystny wpływ na uczenie się i funkcje czuciowo-ruchowe zwierząt po udarze. Badanie z 2013 r. wykazało również, że wzbogacenie środowiskowe przynosi korzyści pacjentom powracającym do zdrowia po udarze. Badacze biorący udział w tym badaniu doszli do wniosku, że pacjenci po udarze we wzbogaconym środowisku w ośrodkach opieki wspomaganej znacznie częściej będą nawiązywać kontakty z innymi pacjentami w normalnych godzinach towarzyskich, zamiast przebywać w samotności lub spać.

Zespół Retta

Badanie z 2008 r. wykazało, że urozmaicenie środowiska było znaczące we wspomaganiu odzyskiwania koordynacji ruchowej i pewnej regeneracji poziomów BDNF u samic myszy w warunkach podobnych do zespołu Retta . W ciągu 30 tygodni samice myszy w urozmaiconym środowisku wykazywały lepsze zdolności koordynacji ruchowej niż te w standardowych warunkach. Chociaż nie byli w stanie mieć pełnej zdolności motorycznej, byli w stanie zapobiec poważniejszym deficytom motorycznym, żyjąc w wzbogaconym środowisku. Te wyniki w połączeniu ze zwiększonym poziomem BDNF w móżdżku doprowadziły naukowców do wniosku, że wzbogacone środowisko, które stymuluje obszary kory ruchowej i obszary móżdżku związane z uczeniem się motorycznym, jest korzystne w wspomaganiu myszy z zespołem Retta.

Niedowidzenie

Niedawne badanie wykazało, że dorosłe szczury z niedowidzeniem poprawiły ostrość wzroku dwa tygodnie po umieszczeniu we wzbogaconym środowisku. To samo badanie wykazało, że kolejne dwa tygodnie po zakończeniu wzbogacania środowiska szczury zachowały poprawę ostrości wzroku. Odwrotnie, szczury w standardowym środowisku nie wykazywały poprawy ostrości wzroku. Stwierdzono zatem, że wzbogacenie środowiskowe zmniejsza hamowanie GABA i zwiększa ekspresję BDNF w korze wzrokowej. W rezultacie wzrost i rozwój neuronów i synaps w korze wzrokowej uległy znacznej poprawie dzięki wzbogaconemu środowisku.

Deprywacja sensoryczna

Badania wykazały, że dzięki wzbogaceniu środowiska można skorygować skutki deprywacji sensorycznej . Na przykład można zapobiegać i rehabilitować zaburzenia widzenia znane jako „ciemne wychowanie” w korze wzrokowej. Ogólnie rzecz biorąc, wzbogacone środowisko poprawi, jeśli nie naprawi, systemy sensoryczne zwierząt.

Zatrucie ołowiem

Podczas rozwoju ciąża jest jednym z najbardziej krytycznych okresów dla narażenia na jakikolwiek ołów. Ekspozycja na wysoki poziom ołowiu w tym czasie może prowadzić do gorszych wyników w nauce przestrzennej. Badania wykazały, że wzbogacenie środowiska może odwrócić uszkodzenia hipokampa wywołane ekspozycją na ołów . Uczenie się i pamięć przestrzenna, które są zależne od długotrwałego wzmocnienia hipokampa, ulegają znacznej poprawie, ponieważ badani w ubogaconych środowiskach mieli niższy poziom koncentracji ołowiu w hipokampie. Odkrycia pokazały również, że wzbogacone środowisko skutkuje naturalną ochroną deficytów mózgu wywołanych ołowiem.

Przewlekłe urazy rdzenia kręgowego

Badania wykazały, że zwierzęta cierpiące na urazy rdzenia kręgowego wykazywały znaczną poprawę zdolności motorycznych nawet przy dużym opóźnieniu leczenia po urazie, gdy były narażone na wzbogacenie środowiska. Interakcje społeczne, ćwiczenia i nowości odgrywają główną rolę we wspomaganiu powrotu do zdrowia poszkodowanego pacjenta. Doprowadziło to do pewnych sugestii, że rdzeń kręgowy ma ciągłą plastyczność i należy dołożyć wszelkich starań, aby wzbogacone środowisko stymulowało tę plastyczność, aby wspomóc powrót do zdrowia.

Stres związany z deprywacją matek

Deprywacja matek może być spowodowana porzuceniem przez wychowującego rodzica w młodym wieku. U gryzoni lub naczelnych innych niż człowiek prowadzi to do większej podatności na choroby związane ze stresem. Badania sugerują, że wzbogacenie środowiska może odwrócić wpływ separacji matki na reaktywność na stres, prawdopodobnie poprzez wpływ na hipokamp, ​​ciało migdałowate i korę przedczołową.

Zaniedbywanie dzieci

U wszystkich dzieci opieka macierzyńska jest jednym z istotnych czynników wpływających na rozwój hipokampa, zapewniając podstawę stabilnego i zindywidualizowanego uczenia się i zapamiętywania. Nie dotyczy to jednak osób, które doświadczyły zaniedbania dziecka . Naukowcy ustalili, że poprzez wzbogacenie środowiska zaniedbane dziecko może częściowo otrzymać ten sam rozwój i stabilność hipokampa, choć nie na tym samym poziomie, co obecność rodzica lub opiekuna. Wyniki były porównywalne z wynikami programów interwencyjnych dla dzieci, co sprawia, że ​​wzbogacanie środowiska jest użyteczną metodą radzenia sobie z zaniedbaniem dzieci.

Rezerwa poznawcza

Starzenie się

Zmniejszona neurogeneza hipokampa jest cechą charakterystyczną starzenia . Wzbogacenie środowiska zwiększa neurogenezę u starszych gryzoni poprzez wzmacnianie różnicowania neuronów i przeżywania nowych komórek. W rezultacie osoby narażone na wzbogacenie środowiskowe starzały się lepiej ze względu na lepszą zdolność do zachowania swoich poziomów pamięci przestrzennej i uczenia się.

Prenatalna i okołoporodowa ekspozycja na kokainę

Badania wykazały, że myszy narażone na urozmaicenie środowiskowe są mniej dotknięte konsekwencjami narażenia na kokainę w porównaniu z myszami przebywającymi w standardowych środowiskach. Chociaż poziomy dopaminy w mózgach obu zestawów myszy były stosunkowo podobne, gdy obaj osobnicy byli narażeni na wstrzyknięcie kokainy, myszy we wzbogaconym środowisku były znacznie mniej wrażliwe niż te w standardowych środowiskach. Wywnioskowano zatem, że zarówno aktywujące, jak i nagradzające efekty są tłumione przez urozmaicenie środowiskowe, a wczesna ekspozycja na urozmaicenie środowiskowe może pomóc w zapobieganiu uzależnieniu od narkotyków .

Ludzie

Chociaż badania nad wzbogacaniem środowiska przeprowadzono głównie na gryzoniach, podobne efekty występują u naczelnych i prawdopodobnie wpływają na ludzki mózg. Jednak bezpośrednie badania nad ludzkimi synapsami i ich liczbą są ograniczone, ponieważ wymagają badania histologicznego mózgu. Stwierdzono jednak związek między poziomem wykształcenia a większą złożonością gałęzi dendrytycznych po usunięciu mózgu z sekcji zwłok.

Zlokalizowane zmiany kory mózgowej

MRI wykrywa zlokalizowaną ekspansję kory mózgowej po tym, jak ludzie uczą się złożonych zadań, takich jak czytanie lustrzane (w tym przypadku w prawej korze potylicznej ), żonglowanie trzema kulkami (obustronny obszar środkowo- skroniowy i lewa tylna bruzda śródciemieniowa ) oraz gdy studenci medycyny intensywnie sprawdzają badania (obustronnie w tylnej i bocznej korze ciemieniowej ). Można oczekiwać, że takie zmiany objętości istoty szarej będą łączyć się ze zmianami liczby synaps z powodu zwiększonej liczby komórek glejowych i rozszerzonego unaczynienia naczyń włosowatych, które jest niezbędne do wspierania ich zwiększonego zużycia energii.

Deprywacja instytucjonalna

Dzieci, które otrzymują zubożałą stymulację z powodu zamknięcia w łóżeczkach bez interakcji społecznej lub godnych zaufania opiekunów w sierocińcach o niskiej jakości, wykazują poważne opóźnienia w rozwoju poznawczym i społecznym. 12% z nich przy adopcji po 6. miesiącu życia wykazuje cechy autystyczne lub łagodnie autystyczne w wieku czterech lat. Niektóre dzieci w tak zubożałych sierocińcach w wieku dwóch i pół roku wciąż nie potrafią wypowiadać zrozumiałych słów, chociaż rok opieki zastępczej pozwolił takim dzieciom nadrobić zaległości w ich języku pod wieloma względami. Nadrabianie zaległości w innych funkcjach poznawczych występuje również po adopcji, chociaż problemy utrzymują się u wielu dzieci, jeśli nastąpi to po ukończeniu 6 miesięcy

Takie dzieci wykazują wyraźne różnice w ich mózgach, zgodne z badaniami na zwierzętach doświadczalnych, w porównaniu z dziećmi z normalnie stymulujących środowisk. Mają zmniejszoną aktywność mózgu w oczodołowej korze przedczołowej , ciele migdałowatym , hipokampie , korze skroniowej i pniu mózgu . Wykazali również mniej rozwinięte połączenia istoty białej między różnymi obszarami w ich korze mózgowej, szczególnie w pęczku haczykowatym .

Odwrotnie, wzbogacając doświadczenie wcześniaków z masażem przyspiesza maturating ich elektroencefalograficznego działalności i ich ostrości wzroku . Co więcej, podobnie jak w przypadku wzbogacania u zwierząt doświadczalnych, wiąże się to ze wzrostem IGF-1 .

Rezerwa poznawcza i odporność

Innym źródłem dowodów na wpływ stymulacji środowiskowej na ludzki mózg jest rezerwa poznawcza (miara odporności mózgu na zaburzenia poznawcze) oraz poziom wykształcenia danej osoby. Wykształcenie wyższe wiąże się nie tylko z bardziej wymagającym poznawczo doświadczeniem edukacyjnym, ale także koreluje z ogólnym zaangażowaniem osoby w czynności wymagające poznawczo. Im wyższy poziom wykształcenia dana osoba otrzymała, tym mniej skutków starzenia się, demencji, hiperintensywności istoty białej, zawałów mózgu określonych przez MRI, choroby Alzheimera i urazowego uszkodzenia mózgu. Ponadto starzenie się i demencja występują rzadziej u osób wykonujących złożone zadania poznawcze. Na spadek funkcji poznawczych osób z padaczką może mieć również wpływ poziom wykształcenia danej osoby.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki