Česká a slovenská psychiatrie

Česká a slovenská psychiatrie

Časopis
Psychiatrické společnosti ČLS JEP
a Psychiatrickej spoločnosti SLS

souborný článek / review article

MECHANISMY ADAPTACE CNS NA PŮSOBENÍ POSTNATÁLNÍ ZÁTĚŽE

MECHANISMS OF CNS ADAPTATION TO THE EXPOSITION OF POSTNATAL DISTRESS

Jindřich Mourek, Jaroslav Pokorný

Fyziologický ústav 1. LF UK, Praha

Práce byla podpořena grantem P-34/LF1/7.

SOUHRN

Mourek J, Pokorný J. Mechanismy adaptace CNS na působení postnatální zátěže

Nepříznivé podmínky pro vývoj v perinatálním období (zátěž v podobě malnutrice, hypoxie) mají četné klinické důsledky, které jsou velmi dobře popsány i na základě experimentálních modelů. V mozku mezi ně patří ztráty neuronů v integračních okruzích mozkové kůry, redukce jejich dendritických větví, změny počtu synapsí i stupně myelinizace axonů. Tyto strukturální změny mají funkční důsledky, hlavně v oblasti kognitivních funkcí. Vývoj jedince v  kriticky nepříznivých podmínkách však nemusí vždy znamenat jednoznačné poškození, zhoršení či ochuzení výsledného fenotypu. Může také znamenat vytvoření "alternativního fenotypu", který reprezentuje pro dané podmínky optimální přizpůsobení a který může být spojen i s lepšími vyhlídkami na přežití.

Klíčová slova: postnatální zátěž, vývoj mozku, vývoj fenotypu

SUMMARY

Mourek J, Pokorný J. Mechanisms of CNS adaptation to the exposition of postnatal distress

Perinatal distress (malnutrition, hypoxia etc.) has many clinical effects and it is well characterized in experimental animal models. Among the principal effects in the brain belongs the selective loss of neurons in integrative circuits of the cerebral cortex, reduction of dendritic branches and synapses or myelin impairment. Such structural changes have serious functional consequences, including impairment of cognitive functions. Development of an individual in such conditions does not always mean an impairment, harm or impoverishment of the resulting phenotype. It can represent formation of an "alternative phenotype" which enables optimal adjustment to given conditions and it can have better prospects for the survival.

Key words: postnatal distress, brain development, phenotype shaping


ÚVOD

Dnešní mimořádný zájem o problematiku dlouhodobých důsledků - dokonce děditelných - a negativně působících zásahů na raných etapách vývoje byl podložen dlouholetou předvídavou "přípravou". Jestliže v dnešních dnech autoři pátrají po následcích výpadku např. mateřské péče (rodičů), pak nutno zdůraznit, že tento problém se v širším kontextu rodil již v padesátých letech minulého století. Zvláště výrazný vývojový aspekt tohoto výzkumu byl právě v  institucích České republiky (Fyziologický ústav 1. lékařské fakulty, Fyziologický ústav Akademie věd, Ústav pro péči o matku a dítě (ÚPMD), Fyziologický a patofyziologický ústav lékařské fakulty v Plzni).

Originální výsledky právě zmíněných pracovišť pak daly základ mimořádně významným - v mezinárodním rozměru - sympoziím (Symposia Neuroontogenetica I. až V.) s prezentací a přítomností absolutních špiček badatelů v této problematice.

V padesátých letech minulého století interpretační snahy důsledků zásahů do vývoje (např. krátkodobé nebo trvalé časné odstavy mláďat od matky) vyzněly v  tom smyslu, že se jedná především o vliv nedostatečného přívodu energetických a substrátových zdrojů vedoucí k trvalému poškození organismu.1,2

Současný pohled na formování fenotypu předpokládá přímý vliv faktorů prostředí (epigenetickými faktory) na expresi genetické informace (s určitou variabilitou jednotlivých genů). Znamená to, že i faktory dříve považované za jednoznačně negativní (malnutrice, hypoxie) mohou vývoj jedince modulovat tak, aby byl v daných konkrétních podmínkách optimálně adaptován.3

DŮSLEDKY PERINATÁLNÍ HYPOXIE

Perinatální mozková hypoxie je relativně častým klinickým fenoménem s řadou vážných důsledků ve vývoji postiženého jedince. U člověka i v experimentu vede ke změnám komplexity a následně integrační aktivity neuronálních okruhů mozku.

Opakované působení hypoxie během postnatálního období života laboratorních potkanů vedlo v našich pokusech k významným změnám mikrostruktury hipokampu (redukci počtu interneuronů, počtu a délky dendritických větví principálních neuronů, snížení hustoty synapsí). Tyto změny byly v dalším vývoji napraveny jen částečně.4 Analýza spontánního ECoG a interhemisferické vyvolané odpovědi u obdobných experimentálních skupin ukázala, že ve vývoji zvířat dochází ke zpožďování, které v některých funkčních prvcích přetrvává do dospělosti.5,6 V  podobně koncipovaných pokusech byl, kromě strukturálních změn v hipokampu, nalezen i kognitivní deficit (poruchy paměti).7 Klinický výzkum potvrdil možnost porušení kognitivních funkcí v důsledku perinatální hypoxie i u lidí. Navíc ukázal, že perinatální hypoxie významně více poškozuje verbální a  rozpoznávací složky deklarativní paměti než paměť procedurální,8 tj. poškozuje více složky vývojově mladší a složitější.

Jako velmi významné lze hodnotit nálezy, které ukazují možnost transgeneračního přenosu důsledků hypoxie. Poruchy chování vzniklé v důsledku experimentální hypoxie se projevily i v následující generaci zvířat.9

Ne vždy se však mohou důsledky hypoxie hodnotit jako jednoznačně negativní. Například perioda prenatální hypoxie snižuje v experimentu citlivost na postnatální hypoxickou příhodu.5 Ostatně již Trojan10 ukázal pozitivní efekt adaptace na mírnou chronickou hypoxii. Podobně ambivalentní může být důsledek hypoxie ve vývoji lipidového metabolismu. 2 Perioda hypoxie v časném vývoji zvyšuje odolnost proti stresu, umožňuje déle odolávat stářím indukovaným změnám v mozku a prodlužuje výkonnost kognitivních funkcí.11,12

DŮSLEDKY PERINATÁLNÍ MALNUTRICE

V důsledku nutričního nedostatku se zpožďuje funkční, metabolický a  strukturální vývoj a jsou narušeny i jeho regulační mechanismy.2,13 Příkladem mohou být mláďata matek krmených v době březnosti i laktace nízkoproteinovou dietou. Byl u nich popsán pomalejší motorický vývoj a prokázány změny struktury neuronálních okruhů mozečku.14 U krys s deficitní výživou v  postnatálním období byly prokázány strukturální změny pyramidových buněk a  změny počtu excitačních synapsí v oblasti CA1 hipokampu spojené s poruchami učení a paměti.15

Změny jednotlivých prvků neuronálních okruhů mají důsledky i na úrovni integračních funkcí. Integrační okruhy mozkové kůry a hipokampu krys, vystavených po narození některému typu nutriční deprivace, mají nižší kapacitu, která vyplývá z omezené funkce inhibičních interneuronů.16,17,18 Poškození interneuronů perinatální malnutricí (neuronů lokálních okruhů, mikroneuronů) je nalézáno i u člověka, kde je dáváno do kontrastu s minimálním poškozením makroneuronů (principálních neuronů), vznikajících v časnějších stadiích embryonálního vývoje.19 U zvířat vystavených podvýživě v období vývoje (feeding frustration) byl v dospělosti váhový úbytek mozku nižší než úbytek váhy celého těla. Zdá se, že mozek je před vlivy malnutrice relativně chráněn.20

U člověka je podvýživa v období raného vývoje spojována s různým stupněm intelektuálního poškození, kognitivními poruchami a poruchami pozornosti. S  podvýživou v perinatálním období jsou však spojovány i vážnější neurologické a psychiatrické poruchy, je popisován vyšší výskyt záchvatových onemocnění, bipolární i unipolární deprese a schizofrenie.18

Negativní důsledky perinatální nutriční deprivace se mohou projevit i v následující generaci. Epigenetické mechanismy dědičnosti jsou předpokládány už v jedné z prvních studií tohoto typu, kde byl popsán důsledek periody hladovění na konci 2. světové války na potomky matek narozených po tomto období (The Dutch Hunger Winter Families Study).21

Úroveň a kvalita výživy v období růstu má nepochybně vliv i na délku života. Ukazuje se, že dlouhodobá mírná restrikce potravinových zdrojů, včetně restrikce v postpubertálním období vývoje, může mít na délku života pozitivní účinek. I tyto důsledky se mohou projevit v následující generaci.22

OCHUZENÉ PROSTŘEDÍ, SOCIÁLNÍ DEPRIVACE, STRES V RANÉM OBDOBÍ ŽIVOTA

Sociálně emoční deprivace, stres a emoční trauma v časném dětství jsou známé faktory, které přinášejí celoživotní "jizvy" v chování člověka. Experimentální analýza tohoto jevu na zvířecích modelech prokázala změny ve funkci prefrontálních laloků a limbických okruhů s  výslednými poruchami emočních projevů, učení i paměti.23 V obdobně koncipovaných pokusech vedla negativní emoční a sociální zkušenost v časném období vývoje ke změnám hustoty dendritických trnů v senzorických oblastech mozkové kůry, i v jejích frontálních lalocích.24,25

Pokusy na zvířatech ukázaly, že expozice traumatizující stresové situaci během prvních dvou týdnů života (separace mláďat od matky) vede u mláďat myší v  dospělosti ke změnám chování, které lze označit jako antisociální, neofobické, rizikové.26,27 Tyto modely chování se přenášely i na potomstvo 2. a 3. generace, na samce i na samice, bez ohledu na kvalitu mateřské péče, kterou sama mláďata v dalších generacích dostávala. Příčinou je pravděpodobně metylace některých genů (stress-related genes) v mozcích a zárodečných buňkách těchto zvířat.28

Podrobné experimentální studie ukazují na úzký vztah mezi stresovými situacemi ve vývoji a alterujícími vlivy zvýšené hladiny kortikosteronu, které jsou zvláště výrazné v hipokampu a prefrontálních lalocích mozkové kůry.29 Prokazují např. změny velikosti hipokampu, či přesněji zánik části neuronální populace této významné integrační struktury.30,31

U člověka je tradičně traumatická zkušenost v dětství spojována se zvýšeným rizikem vzniku psychopatologických projevů v dospělosti, dokonce s možností transgeneračního přenosu. Podobně uspořádané experimentální studie na myších však ukázaly i určité pozitivní důsledky. Chování dospělých zvířat bylo cílenější s vyšší úrovní flexibility.32

DISKUSE

Cesta, kterou postnatální zátěžové faktory mohou ovlivnit funkční i  strukturální vztahy mezi neurony, se již hledá velmi dlouho. Vedle dosud předpokládaných způsobů (chyběni esenciálních stavebních molekul, poruchy aktivace růstových faktorů nebo adhezivních molekul) se uvažovalo např. o  změnách hladiny kortikosteronu (zvýšení po zátěži).33 Kortikosteron je znám svým negativním působením na neurony, zvláště v hipokampu, na jejich dendritické větvení a hustotu denritických trnů.34

V posledních letech se však stále více objevují nálezy ukazující, jak faktory prostředí ovlivňují genovou expresi. Zprostředkujícím mechanismem mohou být nejen různé signální molekuly, ale i např. změny mikroprostředí mozku. V  průběhu hypoxie by tak mohla být ovlivněna exprese proteinu CREB (cAMP response-element-binding protein), jaderného faktoru kappa B (NF-kappa B), případně hypoxií indukovatelného faktoru 1 (HIF-1), které jsou součástí změn citlivosti na opakovanou hypoxii (preconditioning). Zatímco CREB a NF-kappa B jsou součástí mechanismů řídících synaptickou plasticitu, přežívání nezralých neuronů a gliových buněk, HIF-1 má pozitivní účinek jen v případě hypoxického preconditioningu. Jednou z jeho cílových molekul je erythropoietin, který je považován za silný neuroprotektivní faktor. Je však velmi pravděpodobné, že v  reakci na hypoxii, na její opakované působení, a zvláště na další komplexní zátěžové faktory, hrají úlohu i jiné mechanismy.

Mezi mechanismy, které jsou součástí epigenetické regulace, vystupuje do popředí úloha některých typů microRNA (miRs).35 Nejednoznačnost vztahu mezi stresorem a výsledky z pohledu adaptace nervových funkcí je dána modalitou, rozsahem a intenzitou působení zátěžových faktorů na jedné straně, a  strukturální a vývojovou citlivostí na druhé straně. Při značném zjednodušení můžeme říci, že aktivace epigenetických regulačních pochodů dospělého mozku vyvolává většinou reverzibilní změny, zatímco v období vývoje dochází k  takovým neuroplastickým změnám, které ve svých důsledcích zvyšují zranitelnost pro vznik neuropsychických onemocnění, případně snižují kognitivní potenciál ve stáří.36

"Opoždění vývoje" a jeho kvalitativní změny, popisované autory v šedesátých a  sedmdesátých letech minulého století, můžeme tak nyní interpretovat mnohem komplexněji. Vějíř tehdy zmiňovaných faktorů, skrývajících se pod pojmem "mateřská péče" zahrnoval v experimentu shromaždování mláďat do hnízda (tepelný komfort, adekvátní stimulace různé povahy, včetně čichové). Patří sem tzv "lízání", které je nutné pro vyvolání defekace i urinace. Představuje ale i imunologickou ochrannou složku a kožní stimulaci. Zásahy spojené s omezením kojení jsou spojeny nejen s nutričními důsledky, ale i změnou signální interakce mezi matkou a mláďaty. Mléko totiž obsahuje velký počet signálních molekul (např. některé nenasycené mastné kyseliny, imunoglobuliny, cytokiny), které průkazně zvyšující expresi některých genů jak v gastrointestinálním traktu, tak imunitním systému.37 Rovněž přítomnost vhodných donorů methylových skupin může mít zásadní vliv na metylaci cytosinu (nebo příslušných histonů) atd.38

Konečně pro fyziologický vývoj má zásadní význam také adekvátní stimulace (fyziologické stimulační pole). Do tohoto komplexu musíme započítat nejen zrakové, sluchové či taktilní, tepelné a vestibulární stimuly, ale rovněž chuťové a pachové. Současně platí i to, že tento vějíř podnětů musí mít "homeostatický" charakter, tj. musí být adekvátní, jak v použité intenzitě, tak v dané modalitě, a to ve vztahu k danému stupni vývoje. Nálezy o narušené kognici či paměti z šedesátých let minulého století26,39,40 byly v  současnosti mnohokráte potvrzeny.

Fenotyp jedince vyrůstajícího v podmínkách "negativně" působících faktorů zevního prostředí nese jisté znaky "poškození" (menší tělesná výška, kognitivní deficit, atd.). Ukazuje se však, že takový jedinec může být v  některých směrech fyzicky i psychicky odolnější, mít dobrou procedurální paměť (pracovní schopnosti), a snad i delší dobu života s vyšší odolností proti projevům stárnutí (citace viz výše).

Česká a slovenská psychiatrie

Hypoteticky lze předpokládat, že zmíněné "negativní" faktory indukují vznik komplexních a vzájemně provázaných změn - vznikne tzv. "alternativní fenotyp", který je optimalizován na úspěšné přežití ve skromnějších podmínkách. Vzhledem k možnému transgeneračnímu přenosu takového fenotypu si lze představit, že ve stabilním společenském systému tak vzniknou jakési "kasty" s determinovaným společenským a ekonomickým zařazením. Připomíná to fantaskní svět Aldouse Huxleye (1894-1963), popsaný v knize Brave New World41 (Překrásný nový svět) s  jeho společností rozdělenou na kasty alfa až ypsilon s různou kognitivní úrovní, pracovním zařazením, přístupem k informacím i zábavě. Brave New World vychází z modelu anglické společnosti 19. století a z dnešního pohledu je těžko akceptovatelný. Jakákoliv sociální "předurčenost" je totiž dnes vnímána silně negativně. Nicméně z pohledu tisíciletí lidského vývoje v podmínkách trvale omezených zdrojů potravy, s častými chorobami, limitovanou mateřskou péčí atd. byl takový pragmatický model adaptace relativní výhodou jak pro daného jedince, tak pro společnost, která ho mohla snáze zařadit do své struktury (obr. 1).

ZÁVĚR

Hypoxie (podobně jako malnutrice, stres) v období vývoje přináší strukturální změny neuronálních okruhů mozku, které mají funkční důsledky, včetně alterace kognitivních funkcí.

Vývoj jedince v těchto podmínkách však nemusí vždy znamenat jen poškození, zhoršení či ochuzení daného fenotypu. Výsledné změny nemusejí být důsledkem náhodných a dílčích procesů, mohou být součástí programu "alternativního fenotypu". Ten představuje optimální a komplexní přizpůsobení se daným podmínkám, které může být ve svém výsledku pragmaticky spojeno i s lepšími vyhlídkami na přežití.

LITERATURA


Celá stať v dokumentu PDF
Čes a slov Psychiatr 2016;112(1): 44 -48

Zpět