1. No category

Hjärnans Plasticitet
Lars Nyberg
Strålningsvetenskaper &
Integrativ Medicinsk Biologi
Umeå Universitet
http://www.umeabrainimaging.com
Plasticitet
”capacity of the nervous system to change”
• Utvecklingsförändringar
– Hjärnan utvecklas till ca 20 års ålder
– Baseras på formering av nya förbindelser
mellan celler – eller eliminera befintliga
• Stark genetisk styrning – i samspel med miljö
• Färdigutvecklad hjärna
– Vuxna hjärnan/CNS utmärks av stabilitet
• Men: Hjärnan plastisk hela livet (inlärning/minne)
• Modifiering av befintliga förbindelser
– Studerat i relation till träning -- och skada
Avbilda hjärnans struktur och funktion:
Magnetkamera (MRI / fMRI)
sMRI: Hjärnområden (storlek)
(grå substans)
DTI: Förbindelser
(vit substans)
fMRI: Funktionella nätverk
fMRI och DTI kan belysa mekanismer för plasticitet och läkning
efter TBI (Traumatic Brain Injury)
Se också Hunter et al (2012) J NeuroTrauma
Strukturell plasticitet:
Erfarenhet påverkar hjärnans arkitektur
(delområden och förbindelser)
Motoriska (& sensoriska) cortex
Vänster hand – höger motor cortex
Höger hand – vänster motor cortex
Kontralateral aktivering hand-motorcortex
vid rörelse av vänster hands fingrar
Kobayashi et al
(2003) NeuroImage
Plasticitet - Expertis
Violinister har större kortikal
somatosensorisk representation för
VÄNSTER hand (minst för tummen), men
inte för höger hand.
Samband med NÄR man började spela.
(finns likartade mönster i auditiva cortex)
Även expertiseffekt på vit substans
- störst effekt i barndom
- påverkan på myelinisering
Hippocampus – viktig hjärnregion för minne
och spatial förmåga (“hitta vägen”)
Om man måste hitta vägen mycket – påverkas hippocampus?
Hippocampus
Hjärnplasticitet kopplat
till att lära nytt språk
Fig. 1.
Studera militärtolkar som lär nytt
språk på 10 mån (300-500 ord/ vecka)
-- longitudinell studie
A
M
id
d
le
F
r
o
n
ta
lG
y
r
u
s
(
M
F
G
)
Ökad kortikal tjocklek i språkareor i
vänster (språkdominant) hemisfär
In
fe
r
io
rF
r
o
n
ta
lG
y
r
u
s
(
IF
G
)
S
u
p
e
r
io
rT
e
m
p
o
r
a
lG
y
r
u
s
(
S
T
G
)
B
C
R
ig
h
tH
ip
p
o
c
a
m
p
u
s
(
R
H
C
)
4
7
0
0
4
7
0
0
4
6
0
0
4
6
0
0
4
5
0
0
Interpreters
Controls
m
m
³
m
m
³
L
e
ftH
ip
p
o
c
a
m
p
u
s
(
L
H
C
)
4
5
0
0
4
4
0
0
4
4
0
0
4
3
0
0
4
3
0
0
*
Hjärnplasticitet kopplat till att lära ny
motorisk färdighet -- longitudinell studie
Träna att jonglera i 3 månader
påverkar hjärnans struktur
(rörelse-sensitiva områden)
Draganski et al (2004) Nature
och hjärnans förbindelser
Scholz et al (2009) Nature Neuroscience
Alltså: erfarenhet påverkar vuxna hjärnans
struktur (områden & förbindelser) = plasticitet
Forskningsintensivt område (bättre förstå underliggande mekanismer)
Effekter av skallskada på hjärnans struktur
-- och plasticitet
TBI påverkar vitsubstansförbindelser i stora delar av hjärnan
20 Moderat-svår skada; 8 mild
Kinnunen et al, (2011) Brain
Red = TBI < controls
Återhämtning efter TBI korrelerar med vitsubstansförändringar
(Sidaros et al, 2008, Brain)
Påverkan på vitsubstans efter TBI
12 v post-trauma, svår TBI, N=30
Normalisering av vitsubstans efter 12 mån
N=22; effekt ffa för de med god recovery
(- ingen effekt kontroller)
“the observed FA increase over time
may represent axonal regrowth at
late stages following severe TBI”
Centrum
semiovale
Post. Internal capsule
Funktionell plasticitet:
Erfarenhet påverkar hjärnans aktiveringsmönster
Uppgifts-fMRI: Jämföra uppgift- och kontrollbetingelse (Ogawa et al., 1992, PNAS)
Uppgifts-fMRI: Kognitiv träning
– Våra studier visar att kognitiv träning medför
förbättrad prestation och förändringar av
hjärnans aktiveringsmönster:
– Dahlin et al (2008) Science
• Funktionella nätverk (fMRI)
– Bäckman, Nyberg et al (2011) Science
• Dopaminsystemet (PET)
Selektiva träningseffekter – begränsad transfer
(jfr. Owen et al., 2010, Nature)
- man blir bättre på det man tränar men svag generalisering
(ingen påverkan prestation eller hjärnaktivitet)
Motorisk träning
Komplex motorik
”Tryck med rätt finger
på vänster hand så
snabbt du kan enligt den
sekvens som visas”
Höger motorkortex aktiveras då enkla
handrörelser utförs med vänster hand
1 2
Utan träning
3
13214
4
Efter en veckas träning
Nyberg et al (2006, Neuropsychologia)
Aktiveringsmönster efter stroke
Bilateralt aktiveringsmönster då
strokepatienter utförde enkla
handrörelser (dorsal premotor)
Mönstret liknade det som kontroller
uppvisade då de utförde mer komplexa
fingerrörelser (jfr., otränat stadium i
Nyberg et al., 2006)
Johansson-Berg et al (2002)
Utvidgat aktiveringsmönster efter TBI
• Barn ca 13 år (moderat till svår skada)
• Utförde koordinerade hand-fot rörelser
• Efter skallskada aktiverades fler områden
• Gemensamt för TBI-grupp var påverkan på
vitsubstansförbindelser (diffuse axonal injury)
• Skador => uppgiften krävde mer kontroll
• Liknande fynd i studie av vuxna TBI patienter:
• Extra kortikal aktivering under minnesuppgift
förknippades med ökad svårighet – inte
omorganisation – samt vitsubstanspåverkan
(Caeyenberghs et al., 2009)
(Turner et al., 2011, Frontiers Neurosci)
Ökad aktivering – bra eller dåligt?
• Återhämtning kopplad till grad av över-aktivering
(Ward et al., 2003, Brain)
– Bättre prognos för strokepatienter med mindre
överaktivering
Önskvärt att återfå/normalisera aktiveringsmönstret (Pascual-Leone et
al, 2006)
Kan träning/intervention normalisera aktiveringsmönstret?
Uppmärksamhetsträning efter skallskada
ACC – “uppmärksamhetsregion”
Nedsatt ACC-aktivitet före träning
Träning => ökad ACC-aktivering och förbättrad prestation
=> plasticitet
Vilo-FMRI:
Studera samvariation i olika nätverk - deltagarna har ingen specifik uppgift
(Biswal et al., 1995, MRM)
Studying the brain in health
and disease through the organization
of its intrinsic activity … does so with
an approach that can be applied
without the constraints imposed by
task performance because nothing is
required of the subject other than
the ability to remain still in a scanner.
(Raichle, TiCS, 2010)
Vilo-fMRI: Effekt av skallskada
‘Akuta’ effekter på flertalet nätverk
(ökningar och minskningar)
Stor vilo-fMRI effekt => stor TBI effekt
på vit substans
Sharp et al (2011)
Brain
Normalisering över tid
Mätning av vilo-fMRI hos patienter med svår
skallskada (GCS 3-8) efter 3 och 6 månader
30 patienter, mild TBI (GCS=14)
Stevens et al (2012), Brain Im Beh
“over the course of recovery, the network
begins to approximate what is observed in
healthy adults”
Faktorer som främjar plasticitet:
Fysisk aktivitet
Nature Reviews, Neuroscience (2008)
När fysisk träning introduceras
efter skada viktig faktor
Sammanfattning
o Träning / erfarenhet påverkar hjärnans struktur och funktion
o Transfer efter specifik träning är vanligen mycket begränsad
o Fysisk aktivitet = faktor som främjar hjärnplasticitet
o Hjärnskada påverkar hjärnans vita substans (förbindelser) vilket i
sin tur påverkar hjärnans aktiveringsmönster
o Inte omorganisation - utan områden som typiskt engageras då
uppgiften blir svårare aktiveras ”tidigare” vid skada => kompensation
o Återhämtning efter skada förknippas med vitsubstansförändring
(axonal regrowth?) och normalisering av funktionella responser
o Positiva fynd om hjärnans anpassningsförmåga efter skada
o Framtida interventionsstudier med fler patienter och transfer test.
Tack!