About Effects of Exercise and Stochastic Resonance on

CHRISTIAN T. HAAS I DIETMAR SCHMIDTBLEICHER
O
efektach
ćwiczeń
i
rezonansu
stochastycznego
na
neuroplastyczność
i
neuroprotekcję.
Słowa kluczowe: Ćwiczenia, rezonans stochastyczny, rehabilitacja, ochrona, czynniki
neurotropowe.
1. Wprowadzenie
Znanymi efektami braku aktywności fizycznej są m.in. bóle dolnej części pleców,
osteoporoza, cukrzyca lub choroby układu sercowo-naczyniowego. Brak aktywności
fizycznej
jest
jednym
z
najbardziej
charakterystycznych
aspektów
społeczeństwa
uprzemysłowionego. Nie jest zaskoczeniem, Ŝe samodzielnie wykonywane ćwiczenia
fizyczne zapobiegają lub leczą powyŜsze choroby. Szczególnie umiarkowany trening
wytrzymałościowy ma korzystny wpływ na układ sercowo-naczyniowy oraz na skład ciała,
redukując ryzyko wystąpienia otyłości, wylewu lub cukrzycy. Regularne ćwiczenia siłowe
zapobiegają osłabieniu mięśni, sarkopenii i zmniejszają bolesność w dolnej części pleców.
Co więcej mogą zwiększyć gęstość mineralną kości, przez co zmniejszyć ryzyko
osteoporozy i związanych z nią złamań. Liczne badania przeprowadzone w ciągu ostatnich
dwóch dekad wykazały, Ŝe aktywność fizyczna moŜe takŜe zmniejszyć nasilenie procesów
degeneracyjnych u osób starszych, jak równieŜ w przypadku występowania zaburzeń
neurodegeneracyjnych (Vaynman i Gomez-Pinilla 2005 r., Mattson i Magnus 2006 r.).
Wymienione efekty neuroprotekcyjne są w znacznym stopniu powiązane z ekspresją
czynników neurotropowych i mają znacznie szersze działanie niŜ tylko zwiększanie siły
mięśni lub poprawianie krąŜenia krwi. Mimo, Ŝe aktywność fizyczna przynosi wiele korzyści,
wiele osób starszych, a tym bardziej pacjentów, nie moŜe samodzielnie wykonywać ćwiczeń
w
związku
z
zaburzeniami
kontroli
postawy
i
niepewnością
motoryczną,
bólem
neuropatycznym, niedowładem itp. Aby przerwać ten zaklęty krąg, dana osoba musi
przezwycięŜyć upośledzenia motoryczne i wygenerować wymuszoną aktywność nerwowomięśniową, w celu przeciwdziałania procesom degeneracji nerwów. W przypadku takiego
podejścia, rezonans stochastyczny moŜe odegrać kluczową rolę.
2. Struktura degeneracji nerwów i neuroplastyki.
W nowoczesnych społeczeństwach uprzemysłowionych przewidywana długość Ŝycia
wydłuŜyła się w ciągu ostatnich dekad (Booth i wsp. 2000 r., Mattson i Magnus 2006 r.).
Postęp w tym zakresie jest po części zasługą lepszych metod leczenia chorób układu
sercowo-naczyniowego i nowotworów. Jednocześnie odsetek chorób neurodegeneracyjnych,
takich jak choroba Alzheimera (AD) lub choroba Parkinsona (PD) zwiększył się.
Zastanawiające jest, Ŝe pomimo początkowych róŜnic w strukturach patologicznych obydwu
zaburzeń i przypisywaniu im róŜnych mechanizmów wyzwalających chorobę (np. zmutowane
geny, stres oksydacyjny, neurotoksyny środowiskowe, DNA lub przypadkowe uszkodzenia),
Wydawcy: Giessing / Fröhlich (2007) BieŜące wyniki badań na temat treningu siłowego
postępy obydwu chorób przebiegają według efektu domina i skupione są na degeneracji
nerwów (Mattson i Magnus 2006). Spadek neurogenezy, związany z wiekiem, odgrywa
kluczową rolę w procesie utraty komórek nerwowych. Jednak, zmniejszona aktywność
fizyczna, charakterystyczna w przypadku wymienionych chorób oraz społeczeństw
uprzemysłowionych, moŜe nasilać procesy degeneracji nerwów nawet w większym stopniu.
(Booth i wsp. 2000 r., Mattson i Magnus 2006 r., Vaynman i Gomez-Pinilla 2005 r.). Po
przeprowadzeniu badań na zwierzętach stało się oczywiste, Ŝe zmniejszona aktywność
fizyczna lub unieruchomienie, moŜe znacząco zmienić funkcjonowanie aktywności mięśni.
Po długim okresie unieruchomienia, odsetek wolnokurczliwych włókien mięśniowych ulega
spadkowi, tym samym odsetek szybkokurczliwych włókien względnie wzrasta (Otis i wsp.
2003 r., Roy i wsp. 1991 r., Dupont-Veerstegten i wsp. 1998 r.). W skutek powyŜszego,
względna ilość motoneuronów alfa, z niskim progiem pobudliwości, ulega zmniejszeniu,
przez co samowolne wygenerowanie bodźca ponadprogowego staje się coraz trudniejsze.
Powstaje zaklęty krąg postępującego braku aktywności i problemów z wygenerowaniem
bodźca aktywującego mięśnie i nie jest zaskoczeniem, Ŝe przeŜywalność nerwów i
aktywność motoryczna są ze sobą ściśle powiązane oraz, Ŝe zaleŜą od, i są wynikiem
procesów neuroplastycznych.
Ludzki układ nerwowy jest wysoce plastyczny, aby być w stanie dostosować się do
zmieniających się warunków środowiskowych. Niektóre formy plastyczności objawiają się
spontanicznie, inne potrzebują dni, tygodni lub nawet miesięcy. Po uszkodzenie nerwów
obwodowych lub centralnych, nienaruszone komórki nerwowe szybko zaczynają reagować
na okoliczne bodźce. JeŜeli te komórki będą nieprzerwanie otrzymywać bodźce z nowych
źródeł, powstaną silne połączenia nerwowe (Ziemann i wsp. 2001 r.). Taka forma procesów
neuroplastycznych
jest niezbędna dla
przeprowadzenia restrukturyzacji schematów
powstawania sygnałów, w celu kompensacji urazu lub zmian fizjologicznych wywołanych
chorobą. Tym samym neuroplastyczność zaleŜy od, jak i prowadzi do, modyfikacji schematu
aktywności sieci nerwowych, szczególnie w obszarach korowych. Jednak funkcjonalność
schematów aktywności obszarów korowych, nie ma charakteru liniowego. U zdrowych
osobników ma miejsce skrzyŜowanie dróg nerwów, np. gdy poruszamy lewą kończyną,
aktywna jest prawa półkula. Jako przeciwieństwo podać moŜna wiele dowodów na fakt, Ŝe
aktywność obszaru korowego po tej samej stronie świadczy o odzyskiwaniu sprawności
motorycznej osób po wylewie lub chorych na SM, i tym samym ten domniemanie
patologiczny schemat aktywności jest korzystny dla tych pacjentów i świadczy o duŜej
neuroplastyczności (Small i wsp. 2002 r., Saini i wsp. 2004 r.). Podobną strukturę moŜna
zaobserwować w sieciach nerwowych kontrolujących ruch. Aby odciąŜyć korę mózgową,
ruch jest przypisany w duŜym stopniu do ośrodkowego generatora wzorca oddechowego
(CPG). Po aktywowaniu ta sieć nerwowa autonomicznie generuje rytmiczne bodźce
HASS I SCHMIDTBLEICHER: EFEKTY ĆWICZEŃ I REZONANSU STOCHASTYCZNEGO strona 105-108
aktywujące mięśnie. U zdrowych osobników CPG w kręgosłupie aktywowane są przez
sygnał skurczowy pochodzący z obszarów korowych, podczas gdy w przypadku uszkodzeń
rdzenia kręgowego, powtarzana stymulacja obwodowa moŜe pobudzić funkcję CPG (Dietz i
wsp. 1995 r., Wernig i wsp. 1995 r., 1998 r., Edgerton i wsp. 2001 r., De Leon i wsp. 1999 r.,
Colombo i wsp. 2001 r.).
Ogólnie neuroplastyczność i związane z nią modyfikacje w schematach aktywności
nerwowej są wysoce nieliniowe i w związku z tym waŜne jest by poznać mechanizm tych
zmian. Opierając się na wymienionej wyŜej literaturze sądzić moŜna, Ŝe ćwiczenia motoryki i
uwalnianie czynników neurotropowych odgrywają kluczową rolę w tym procesie.
3. Ćwiczenia i uwalnianie czynników neurotropowych.
Wiele dowodów wskazuje, Ŝe liczba i siła synaps w sieciach neuronów i obszarach
korowych są zaleŜne od ćwiczeń (Ziemann i wsp. 2001 r.). Prawdopodobne jest, Ŝe w
procesach neuroplastycznych znaczenie ma uwalniany neurotransmiter. Co więcej, istnieją
mocne dowody, Ŝe aktywność nerwowa jest niezbędna dla przeŜycia neuronów zarówno w
mózgu, jaki i w układzie obwodowym. NiezaleŜnie czy choroba ma swój początek w wyniku
uszkodzeń genetycznych czy na skutek czynników środowiskowych, następują zmiany w
schemacie aktywności neuronów i synaps. Powoduje to upośledzenie uwalniania czynnika
neurotropowego, co skutkuje kaskadową śmiercią komórek.
Czynniki neurotropowe naleŜą do grupy białek i wiąŜą się pierwotnie z receptorami kinazy
tyrozynowej (trk) i z receptorami neurotropiny p75 (p75NR). Aktywność presynaptyczna
wzmaga syntezę i ekspresję czynników neurotropowych w posynaptycznej części synapsy.
Aktywowane receptory posynaptyczne generują ogromną liczbę sygnałów modyfikujących
kodowanie genetyczne w jądrze komórkowym (Bear 2001 r., Vaynman i Gomez-Pinilla
2005 r., Lu 2003 r.). Dzięki temu moŜna uniknąć zaprogramowanej genetycznie śmierci
komórki i zapewnić przetrwanie komórkom nerwowym. Pomimo prowadzonej obecnie
dyskusji na temat wiązania neurotropowych czynników z receptorem p75NR, jako
czynnikiem wzmagającym śmierć komórek nerwowych, przypuszcza się, Ŝe uwalnianie
czynnika neurotropowego ma w przewaŜającym stopniu korzystny efekt biologiczny
(przeŜywalność komórek nerwowych, tworzenie nowych połączeń nerwowych), poniewaŜ
czynniki neurotropowe mają znacznie silniejsze powinowactwo do receptorów kinazy
tyrozynowej niŜ do receptorów p 75NR (Ang i wsp. 2003 r.).
Wiele róŜnych komórek w układzie nerwowym, jak równieŜ umiejscowionych obwodowo,
produkuje czynniki neurotropowe. Jednak mimo takich samych mechanizmów działania
róŜnych czynników neurotropowych (np. NGF - czynnik wzrostowy nerwów, NT3-5 neurotropina 3-5, BDNF - czynnik neurotropowy pochodzenia mózgowego, GDNF glejopochodny czynnik neurotropowy), róŜnią się one pod względem miejsca uwalniania i
określonej funkcjonalności, takiej jak wraŜliwość na egzogenny bodziec stymulujący.
Wydawcy: Giessing / Fröhlich (2007) BieŜące wyniki badań na temat treningu siłowego
Wiedza na temat funkcji czynników neurotropowych oparta jest na wielu badaniach z
udziałem ludzi i zwierząt. W przypadku choroby Parkinsona, odkryto w zeszłym roku dwie
rzeczy. Udowodniono, Ŝe podkorowe wlewy GDNF lub przeszczepy komórek śródmózgowia
płodowego do prąŜkowia zwiększały dostępność dopaminy (DA) przez około miesiąc po
zabiegu (Lindvall 1999 r., Brooks 2003 r., Döbrössy i Dunnett 2003 r.). Jest to o tyle waŜne,
Ŝe odpowiedni poziom dopaminy w jądrze ogoniastym jest niezbędny do poprawnego
wykonania zadań wymagających orientacji przestrzennej. W wyniku większej zdolności do
uwalniania dopaminy, następuje wzmocnienie aktywności dodatkowego ośrodka ruchowego,
w chorobie Parkinsona zwykle hipoaktywnego. Prowadzi to do nieswoistego, lecz klinicznie
istotnego, obniŜenia objawów motorycznych. W przypadku ALS (stwardnienie boczne
zanikowe), grupa badawcza BDNF (1999 r.) w badaniu wieloośrodkowym wykazała, Ŝe
wysokie dawki BDNF zwiększają odsetek przeŜywalności w porównaniu do placebo.
Korzystne efekty odnotowano równieŜ u pacjentów z bólem neuropatycznym (Boucher i wsp.
2000). Mimo, Ŝe nie rozumiemy w pełni etiologii wiemy, Ŝe kluczową rolę odgrywają
uszkodzenia nerwów obwodowych i związane z tym błędy kodowania bodźców
sensorycznych oraz zaburzenia w schematach aktywności, to dowiedziono, Ŝe wlewy GDNF
nie tylko zapobiegają, ale takŜe odwracają zjawisko nietypowych rozładowań oraz bolesnych
odczuć (Boucher i wsp. 2000 r.). Jednak, nawet jeśli wlewy z czynników neurotropowych
wydają się wysoce skuteczne w wielu chorobach, np. Rosenblad i wsp. (1999 r.)wykazali na
podstawie badania na zwierzętach, Ŝe GDNF zapewnił ochronę ponad 90% neuronów
dopaminowych, z kolei Brooks (2003 r.) postawił tezę, Ŝe miejscowe wlewy z GDNF wydają
się być bezpieczne, to wciąŜ trudno sobie wyobrazić taką procedurę u ludzi, jako rutynową.
Fumagali i wsp. (2006 r.) wskazali na róŜne trudności w przypadku podawanie BDNF z
zewnętrz: ze względu na duŜy rozmiar cząsteczek neurotropiny, przekroczenie bariery krewmózg jest utrudnione a tempo przekraczania niskie. Co więcej, BDNF moŜe się rozproszyć w
nieprzewidywalny sposób i nie dotrzeć do zamierzonych neuronów. Z kolei wysokie dawki
BDNF mogą zwiększać ryzyko wystąpienia padaczki. Wnioski wyŜej wymienionych autorów
są takie, Ŝe podawanie czynników neurotropowych z zewnątrz ludziom, daje słabe efekty.
Dowiedziono, Ŝe ćwiczenia, jako rozwiązanie alternatywne, mogą pobudzać wydzielanie
czynników neurotropowych (Vaynman i Gomez-Pinilla 2005 r.). Kilka doświadczeń
przeprowadzonych na zwierzętach dowiodło, Ŝe zwiększona aktywność fizyczna spowalnia
postęp wielu rodzajów chorób neurodegeneracyjnych. W badaniach na zwierzętach
dotyczących choroby Parkinsona, postęp choroby jest zazwyczaj symulowany poprzez
zastosowanie myszy lub szczurów poddanych działaniu neurotoksyny. W takich modelach,
podkorowe wlewy neurotoksyn (6-OHDA lub MPTP) wywołują duŜą utratę komórek
nerwowych prąŜkowia, zwykle w ciągu kilku tygodni. Jednak zwierzęta, które były zmuszone
do ruchu lub biegu oraz do uŜywania kończyn z niedowładem, miały złagodzone objawy
HASS I SCHMIDTBLEICHER: EFEKTY ĆWICZEŃ I REZONANSU STOCHASTYCZNEGO strona 105-108
motoryczne a takŜe niŜszy odsetek śmierci komórek (np. Cohen i wsp. 2003 r., Tillerson i
wsp. 2002 r.). Autorzy postawili tezę, Ŝe bodziec treningowy zauwaŜalnie zwiększył
ekspresję czynników neurotropowych, które zmniejszają wraŜliwość komórek prąŜkowia i
zmniejszają odsetek śmierci komórek. Döbrössy i Dunnett (2003 r.) przeprowadzili ciekawe
badania dowodzące, Ŝe trening motoryczny prowadzi do poprawy kontroli motorycznej w
stopniu zbliŜonym do efektu przeszczepu komórek oraz, Ŝe trening moŜe takŜe wzmocnić
efekty przywracania czynności po przeszczepach nerwów.
Kolejne badanie na zwierzętach dowiodło, Ŝe ćwiczenia spowalniają patogenne kaskady
nerwowe u myszy z chorobą Alzheimera (Lazarov i wsp. 2005 r.). Wiele innych badań
opisuje korzystne efekty terapeutyczne czynników neurotropowych, wydzielanych pod
wpływem ćwiczeń, w przypadku depresji, urazów rdzenia kręgowego lub mózgu (RussoNeustadt i wsp. 1999 r., Hutchinson i wsp. 2004 r., Chen and von Bartheld 2004 r.).
Mimo, Ŝe ekspresja czynników neurotropowych jest regulowana przez aktywność
neuroelektryczną, to funkcje uwalniania są skomplikowane i nie są skorelowane liniowo z
ruchem samym w sobie. PoniewaŜ niedawno odkryto, Ŝe ekspresja BDNF wpływa na proces
uczenia się i zapamiętywania, prawdopodobne jest, Ŝe warunki treningu (zmienność, stopnie
trudności) są skorelowane z ekspresją czynników neurotropowych (Lu 2003 r., Gomez-Pinilla
i wsp. 2001 r., Kesslak i wsp. 1998 r.). Tym samym dowiedziono, Ŝe zróŜnicowane warunki
środowiskowe zapobiegają degeneracji nerwów u zwierząt poddawanych działaniu
neurotoksyn (Bezard i wsp. 2003 r., Fahert i wsp. 2005 r.) oraz, Ŝe zarówno warunki
treningu, jak i stymulacji powinny ulegać zmianie. Na tej samej zasadzie odkryto, Ŝe
schematyczna stymulacja elektryczna jest znacznie lepsza od prostej depolaryzacji (Lu
2003 r., Balkowiec i Katz 2002 r.).
Eksperymenty przeprowadzone przez Hutchinsona i wsp. (2004 r.) oraz przez Gomez-Pinilla
i wsp. (2002 r.), skupiające się na moŜliwości regeneracji nerwów w przypadku uszkodzeń
rdzenia kręgowego, wykazały związek funkcji uwalniania z szybkością wykonywanych
ruchów. Na przykład, stanie nie wpływa na uwalnianie czynników neurotropowych, a
pływanie wpływa w bardzo umiarkowanym stopniu. W przeciwieństwie do tego, bieganie
okazało się wysoce skuteczne w kwestii ekspresji czynników neurotropowych. Jednak wielu
pacjentów neurologicznych nie jest w stanie wykonywać ćwiczeń samowolnie (np. biegać) i
brakuje im silnej stymulacji sensorycznej, przez co ekspresja czynników neurotropowych nie
jest wystarczająca, aby pobudzać rozrost neurytów, regenerację nerwów i zapobiegać
dalszemu postępowi choroby. W takim przypadku pacjent moŜe zrezygnować z
samowolnych cykli aktywacyjnych na rzecz symulacji bodźców sensorycznych, szczególnie
aktywujących neurony aferentne wrzeciona nerwowo-mięśniowego. Dokładniejsze badanie
na temat funkcji uwalniania czynników neurotropowych oraz neuronów aferentnych
wrzeciona nerwowo-mięśniowego przeprowadził Chen i wsp. (2002 r.). Okazało się, Ŝe u
Wydawcy: Giessing / Fröhlich (2007) BieŜące wyniki badań na temat treningu siłowego
zmutowanych myszy (EGr3-/-), które tracą funkcję wrzeciona nerwowo-mięśniowe po
urodzeniu, pojawiają się objawy motoryczne charakterystyczne dla choroby Parkinsona takie
jak ataksja czy drŜenie. Autorzy wysnuli tezę, Ŝe brak neuronów aferentnych wrzeciona
upośledza uwalnianie czynnika neurotropowego i przez to rozpoczyna się kaskada śmierci
komórek.
Smith i wsp. (1995 r. a,b) poddał analizie funkcje czynników neurotropowych z innej
perspektywy. Unieruchomiono zwierzęta w róŜnym stopniu, następnie zmierzono stopień
zahamowania wydzielania czynników neurotropowych. Dowiedziono, Ŝe unieruchomienie
znacząco upośledza wydzielanie BDNF, jednak stopień upośledzenia nie ma charakteru
liniowego. Oznacza to, Ŝe długotrwałe unieruchomienie nie upośledzało w jeszcze większym
stopniu wydzielania BDNF. Co więcej, uwalnianie NT-3 nie zostało upośledzone na skutek
unieruchomienia, a nawet nieznacznie podniosło się w niektórych obszarach. Interpretacja
powyŜszych wyników jest niezwykle trudna, poniewaŜ unieruchomienie ma takŜe skutki
psychologiczne, a stres psychologiczny takŜe moŜe wpływać na wydzielanie czynników
neurotropowych. Radak i wsp. (2006 r.) przeanalizowali działanie czynników neurotropowych
na podstawie okresów przerwy w treningu. Wykazali, Ŝe ekspresja BDNF związana z
treningiem, jest moŜliwa do odwrócenia i, Ŝe przerwa w treningu obniŜa poziom neurotropin.
Ying i wsp. (2005 r.) zbadali wpływ ćwiczeń na ekspresję BDNF u zwierząt po zabiegu
hemisekcji. Odkryli, Ŝe bieganie moŜe kompensować obniŜenie poziomu BDNF po zabiegu
hemisekcji, a poziom BDNF jest silnie skorelowany z odzyskiwaniem zdolności ruchowych.
Molteni i wsp.(2004 r.) przedstawili podobne efekty regeneracyjne ćwiczeń, na ilość zwojów
korzeni grzbietowych nerwów rdzeniowych.
W
podsumowaniu
napisano,
Ŝe
ćwiczenia
pobudzają
wydzielanie
czynników
neurotropowych, które chronią komórki nerwowe i zwiększają potencjał regeneracyjny.
Szczególnie bieganie, zmienne środowisko i schematyczna stymulacja mają korzystne
efekty. Jednak wadą takiego podejścia jest fakt, Ŝe wiele pacjentów ma upośledzoną
zdolność do samodzielnego wykonywania ćwiczeń. MoŜliwym wyjściem z tej sytuacji jest
pominięcie metod samodzielnej aktywności. W takim przypadku rezonans stochastyczny
moŜe odegrać kluczową rolę.
4. Rezonans stochastyczny.
Rezonans stochastyczny (SR) jest wyjątkowym zjawiskiem obecnym w wielu nieliniowych
systemach dynamicznych, włącznie z układem nerwowym (Gammaitoni i wsp. 1998 r.).
Pierwszy przedstawił go Benzi w 1980 r., który opisał i wyjaśnił okresowe zmiany klimatu w
epokach lodowcowych (Benzi i wsp. 1981 r., 1982 r.). W trakcie ostatniej dekady SR
przyciągnął uwagę licznych przedstawicieli dziedzin nauki zajmujących się badaniami układu
nerwowego. Podstawowe funkcje mają bardzo silne podstawy, które moŜna sprawdzić
matematycznie. W najbardziej ogólnej formie SR charakteryzuje się rodzajem wartości
HASS I SCHMIDTBLEICHER: EFEKTY ĆWICZEŃ I REZONANSU STOCHASTYCZNEGO strona 105-108
progowej lub bariery oraz co najmniej dwoma źródłami sygnału. Ogólnie, jedno źródło jest
sygnałem spójnym, inne źródło o tej samej modalności jest przypadkowym elementem i/lub
sygnałem (szumem) stochastycznym. Powiązanie z nauką o układzie nerwowym wynikło ze
względu na naturalne zachowanie komórek nerwowych objawiające się osiąganiem
stochastycznych szczytów. Z jednej strony to zjawisko jest w rzeczywistości generowane
przez właściwości membrany i inne mechanizmy komórkowe, w celu pobudzania rozwoju
układu nerwowego. Z drugiej strony jest to skutkiem bombardowania synaptycznego w
obrębie sieci nerwowej (Katz i Shatz 1996 r., Kenet i wsp. 2003 r., Azouz i Gray 1998 r.). Ze
względu na funkcję stochastyczną, zewnętrzna stymulacja za pomocą słabych sygnałów, na
którą nakłada się szum, zaczyna zachowywać się tak jakby rezonowała, np. bodźce
stymulujące są wzmacniane i mogą osiągnąć wartości nadprogowe (ryc. 1). Zastosowanie
słabych sygnałów mechanicznych moŜe być istotne w rehabilitacji poniewaŜ, u pacjentów i
osób starszych układ nerwowo-mięśniowy, jak równieŜ tkanka kostna mogą nie być
przygotowane na duŜe obciąŜenia i mogą wystąpić naderwania, złamania i inne urazy.
Action potencial spikes – szczyty potencjałów czynnościowych
Electrical activity- aktywność elektryczna
Sinus- simusoida
Threshold – wartość progowa
Rycina 1: Symulacja aktywności synaptycznej i szczytowania w prostym modelu komórki
nerwowej. Podczas gdy stymulacja za pomocą bodźców sinusoidalnych prowadzi do
aktywności komórki poniŜej wartości progowej (○), to SR generuje ponadprogową aktywność
(▲), która powiązana jest ze szczytami potencjału czynnościowego.
Nawet jeśli SR moŜe jedynie zmienić stopień wzbudzenia neuronów, to Destexhe i Marder
(2004 r.) twierdzą, Ŝe moŜna takŜe w ten sposób pobudzać neuroplastyczność. Fallon i wsp.
wykazali, Ŝe receptory skórne, a szczególnie mięśniowe, są wysoce podatne na zaszumione,
nałoŜone bodźce stymulujące (Fallon i wsp. 2004 r., Fallon i Morgan 2005 r.). Jak
Wydawcy: Giessing / Fröhlich (2007) BieŜące wyniki badań na temat treningu siłowego
dowiedziono wyŜej, aktywacja tych czujników jest powiązana z uwalnianiem czynników
neurotropowych i neuroplastycznością. Funkcjonalne powiązanie między SR a uwalnianiem
czynników neurotropowych jest uzasadnione takŜe z ewolucyjnego punktu widzenia. Czym
bardziej zmienne i zaszumione są warunki środowiskowe, tym większa jest potrzeba
neuroplastyczności, która zaleŜy od uwalniania czynników neurotropowych, w celu
umoŜliwienia szybkiej i odpowiedniej kontroli motorycznej oraz adaptacji kognitywnej. Co
więcej, Balkowiec i Katz (2002 r.) wykazali w eksperymencie przeprowadzonym in-vitro, Ŝe
elektryczna stymulacja o przebiegu sinusoidalnym komórek nerwowych skutkuje słabym lub
umiarkowanym wydzielaniem BDNF, podczas gdy stymulacja fal theta [ang. theta-burststimulations](takie sygnały są charakterystyczne dla kolorowych, zaszumionych elementów)
generuje najwyŜszy poziom wydzielania, nawet 10-krotnie większy niŜ w przypadku fali o
przebiegu sinusoidalnym w zakresie theta.
Jednak, nawet jeśli funkcje SR mogą zostać zidentyfikowane na poziomie cząsteczkowym
oraz w pojedynczej komórce nerwowej, to mogą one wpływać na wykrywanie sygnałów i
przypisywanie im wag, komplikując tym samym kontrolę sensoryczno-motoryczną. KaŜdy
mechanizm kontroli wymaga określonego zestawu informacji. W przypadku kontroli
motorycznej informacje na temat pozycji kończyny i warunków środowiskowych są
niezbędne, w celu dalszego przetwarzania informacji, podjęcia właściwej decyzji i
przechowywania informacji. Mimo, Ŝe wykrycie sygnału jest początkiem tego kręgu,
wszystkie pozostałe decyzje i procesy zaleŜą od zdolności do wykrycia zewnętrznego
bodźca stymulującego z odpowiednią czułością i odpowiednio wcześnie. Jednak owa
zdolność jest często upośledzona u pacjentów neurologicznych (np. z chorobą Parkinsona
lub neuropatią) i dlatego mechanizmy, które umoŜliwiają poprawną detekcję zewnętrznych
bodźców mają pierwszorzędowe znaczenie. JeŜeli brakuje nam odpowiednich informacji na
temat warunków otoczenia, to nasza zdolność do wyboru ruchu dostosowanego do sytuacji
jest ograniczona. Kilka badań dowiodło, Ŝe dodanie odpowiednich ilości wpływów
stochastycznych do sygnałów stymulujących (SR), zwiększa ich wykrywalność. „Rezonans
stochastyczny (SR) jest nieliniowym efektem kooperatywnym, polegającym na polepszeniu
wykrywalności lub wzmocnieniu informacji zawartej w niektórych odpowiedziach, poprzez
dodanie przypadkowego procesu lub „szumu” do słabego sygnału lub bodźca stymulującego”
(Ward i wsp. 2002, 91). Liu i wsp. (2002 r.) osiągnęli o 34% lepszą wykrywalność sygnałów
SR, w porównaniu do fal sinusoidalnych, u pacjentów neuropatycznych. Wells i wsp.
(2005 r.) i Khaodhiar i wsp. (2003 r.) osiągnęli podobne wyniki u osób młodych, starszych i
osób z neuropatią. Jednak funkcje SR nie ograniczają się do przetwarzania sensorycznego.
W wielu innych eksperymentach, oczywistym było, Ŝe mechaniczna stymulacja z nałoŜonymi
przypadkowymi i stochastycznymi elementami, moŜe obniŜać nasilenie objawów i
optymalizować kontrolę motoryki u pacjentów z chorobami neurodegeneracyjnymi i
HASS I SCHMIDTBLEICHER: EFEKTY ĆWICZEŃ I REZONANSU STOCHASTYCZNEGO strona 105-108
zaburzeniami ruchu (np. Haas i wsp. 2006 r., Turbanski i wsp. 2005 r., Schuhfried i wsp.
2005 r.). Szczególnie waŜne są postępy związane z treningiem kontroli postawy (rycina 2.)
jako, Ŝe zaburzenia w tym obszarze są charakterystyczne dla wielu chorób układu
nerwowego i są ściśle powiązane z ograniczeniem mobilności i obniŜeniem jakości Ŝycia.
Postural control (pre)- kontrola postawy (przed)
Postural control (post)- kontrola postawy (po)
Stochastic rezonans stimulus – Rezonans stochastyczny Bodziec stymulujący
Signal detection- wykrycie sygnału
Interpolation – interpolacja
Extrapolation – ekstrapolacja
Kontrola motoryki
Rycina 2: Model efektów treningu z rezonansem stochastycznym (SR). Część stochastyczna
stymulacji wzmacnia wykrywalność sygnałów, przypadkowy element wzmacnia moŜliwość
interpolacji i ekstrapolacji.
PoniewaŜ z leczenia za pomocą SR odnoszą korzyści róŜni pacjenci z róŜnymi zaburzeniami
(MS, PD, ALS, SCI), prawdopodobne jest, Ŝe zostanie opracowany podstawowy mechanizm
kontroli postawy. Poza efektami na poziomie korowym oraz w sposobie funkcjonowania
neuroprzekaźników, moŜna przypuszczać, Ŝe przypadkowe i zaszumione części stymulacji
SR nieprzerwanie zmuszają do nadawanie wag bodźcom sensorycznym, co poprawia
Wydawcy: Giessing / Fröhlich (2007) BieŜące wyniki badań na temat treningu siłowego
selekcje informacji i oszacowanie maksymalnego prawdopodobieństwa napływających
komend (Halford i wsp. 1998 r.). „Innymi słowy, zwiększanie szumu (zwiększanie zaburzeń)
w sygnale wejściowym, moŜe skutkować większym uporządkowaniem w sygnale
wyjściowym. Ta zaskakująca cecha nieliniowych układów stochastycznych zwana jest
rezonansem stochastycznym (SR)” (Xiao 1998 r., 133).
Piśmiennictwo:
Ang, E. T., Wong, P. T. H., Moochhalla, S. & Ng, Y. K. (2003). Neuroprotection associated
with running: Is it a result of increased endogenous neurotrophic factors?
Neuroscience, 118, 335–345.
Azouz, R. & Gray,‘C.M. (1999). Cellular Mechanisms Contributing to Response Variability of
Cortical Neurons In Vivo. Journal of Neuroscience, 19,2209–2223.
Balkowiec, A. & Katz, D.A. (2002). Cellular mechanisms regulating activity-dependent
release of native brain-derived neurotrophic factor from hippocampal neurons.
Journal of Neuroscience, 22, 10399-10407.
Benzi, R., Sutera, A. & Vulpiani, A. (1981). The mechanism of stochastic resonance. J Physi,
A 14, L453-457.
Benzi, R., Parisi, G., Sutera, A. & Vulpiani, A. (1982). Stochastic resonance in climatic
change. Tellus 34, 10-16.
Bezard, E., Dovero, S., Belin, D., Duconger, S., Jackson-Lewis, V., Przedborski, S. et al.
(2003). Enriched environment confers resistance to 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6tetrahydropyridine and cocaine: involvement of dopamine transporter and trophic
factors. Journal of Neuroscience, 23, 10999–11007.
Booth, F.W., Gordon, S.E., Carlson, C.J. & Hamilton, M.T. (2000). Waging war on modern
chronic diseases: primary prevention through exercise biology. Journal of Applied
Physiology, 88, 774-787.
Boucher, T.J., Okuse, K., Bennett, D.L., Munson, J.B., Wood, J.N. & McMahon, S.B. (2000).
Potent analgesic effects of GDNF in neuropathic pain states. Science, 6/290,124-7.
Brooks, D.J. (2003). PET Studies on the Function of Dopamine in Health and Parkinson's
Disease. Annals of the New York Academy of Science., 991, 22 - 35.
Chen, H.-H., Toutelotte, W.G., Frank, E. (2002). Muscle Spindle-Derived Neurotrophin 3
regulates synaptic connectivity between Muscle Sensory and Motor Neurons. Journal
of Neuroscience, 22, 3512-3519
Chen, J. & von Bartheld, C. (2004). Role of Exogenous and Endogenous Trophic factors in
Regulation of Extracellular Muscle Strength during development. Investigative
Ophthalmology and Visual Science, 10, 3538-3545.
HASS I SCHMIDTBLEICHER: EFEKTY ĆWICZEŃ I REZONANSU STOCHASTYCZNEGO strona 105-108
Cohen, A.D., Tillersson, J.L., Smith, A.D., Schallert, T. & Zigmond, M.J. (2003).
Neuroprotective effects of prior limb use in 6-hydrxydopamine-treated rats: possible
role of GDNF. Journal of Neurochemistry, 85, 299-305.
Colombo, G., Joerg, M., Schreiber, R. & Dietz V. (2001). Treadmill training of paraplegic
patients with a robotic orthesis. Journal of Rehabilitation Research and Development,
37 (6), 693-700.
De Leon, R.D., Hodgson, J.A., Roy, R.R. & Edgerton, V.R. (1999). Retention of hindlimb
stepping ability in adult spinal cats after cessation of step training. Journal of
Neurophysiology, 81, 85-94.
Destexhe, A. & Marder, E. (2004) Plasticity in single neuron and circuit computations. Nature
431, 789-795.
Dietz, V., Colombo, G. Jensen, L. & Baumgartner, L. (1995). Locomotor capacity of spinal
cord in paraplegic patients. Annals of Neurology, 37, 574-82.
Döbrössy, M.D. & Dunenett, S.B. (2003). Motor training effects on recovery of function after
striatal lesions and striatal grafts. Experimental Neurology 1, 184, 274-254.
Dupont-Versteegden, E.E., Houle, J.D., Gurley, C.M. & Peterson, C.A. (1998). Early changes
in muscle fibre size and gene expression in response to spinal cord transection and
exercise. American Journal of Physiology and Cell Physiology, 275, C1124-C1133.
Edgerton, V.R., De Leon, R.D., Harkema, S.J., Hodgson, J.A., London, N., Reinkensmeyer,
D.J., Roy R.R., Talmadge, R.J., Tillakarante, N.J., Timoszyk, W. & Tobin, A.
(2001).Topical review: Retraining the injured spinal cord. Journal of Physiology,
533,1, 15-22.
Faherty, C.J., Raviie Shepherd, K., Herasimtschuk, A. & Smeyne, R.J. (2005). Environmental
enrichment in adulthood eliminates neuronal death in experimental Parkinsonism.
Brain Research Molecular Brain Research, 134, 170–179.
Fallon, J.B., Carr, R.W. & Morgan, D.L. (2004). Stochastic Resonance in Muscle Receptors.
Journal of Neurophysiology., 91, 2429-2436.
Fallon, J.B., Morgan, D.L. (2005). Fully tuneable stochastic resonance in cutaneous
receptors.
Journal of Neurophysiology 94(2), 928-33.
Fumagalli, F., Racagni, G. & Riva, M.A. (2006). Shedding light into the role of BDNF in the
pharmacotherapy of Parkinson’s disease. Pharmacogenomics Journal ,6, 95-104.
Gammaitoni, L., Hänggi, P., Jung, P. & Marchesoni, F. (1998). Stochastic Resonance.
Review of Modern Physics. 1, 224- 287.
Gómez-Pinilla, F., Soa A.V. & Kesslak, J. P. (2001). Spatial learning induces neurotrophin
receptor and synapsin I in the hippocampus. Brain Research, 904, 13-19.
Wydawcy: Giessing / Fröhlich (2007) BieŜące wyniki badań na temat treningu siłowego
Gómez-Pinilla, F., Ying, Z., Roy, R.R. Molteni,R. & Edgerton, V.R. (2002). Voluntary Exercise
Induces a BDNF-Mediated Mechanism That Promotes Neuroplasticity. Journal of
Neurophysiology, 88, 2187 – 2195.
Haas, C.T., Kessler, K., Turbanski, S., Schmidtbleicher, D. (2006). The effects of random
wholebody-vibration
on
symptom
structure
in
Parkinson’s
disease.
NeuroRehabilitation 1, 29-36.
Halford, G.S., Wilson, W.H. & Phillips, S. (1998). Processing capacity defined by relational
complexity: implications for comparative, developmental, and cognitive psychology.
Behavioral and Brain Sciences. 21(6), 803-31.
Hutchison, K.J., Gomez-Pinilla, F., Crowe, M.J., Ying, Z. & Basso, D.M. (2004). Three
exercise paradigms differentially improve sensory recovery after spinal cord contusion
in rats. Brain, 127, 1403 – 1414.
Katz, L. C. & Shatz C. J. (1996). Synaptic Activity and the Construction of Cortical Circuits.
Science 15, 274, 1133 – 1138.
Kenet, T., Bibitchkov, D., Tsodyks, M., Grinvald, A. & Arieli, A. (2003). Spontaneously
emerging cortical representations of visual attributes. Nature 425, 954-956.
Kesslak, J.P., So, V., Choi, J., Cotman, C.W. & Gomez-Pinilla F. (1998). Learning
upregulates brain-derived neurotrophic factor messenger ribonucleic acid: a
mechanism
to
facilitate
encoding
and
circuit
maintenance?
Behavioral
Neuroscience,112(4),1012-9.
Khaodhiar, L., Niemi, J.B., Earnest, R., Lima, C., Harry, J.D. & Veves, A. (2003). Enhancing
Sensation in Diabetic Neuropathic Foot with mechanical Noise, Diabetes Care. 26,
3280 - 3283.
Lazarov, O., Robinson, J., Tang, Y.P., Hairston, I., Korade-Mirnics, Z., Lee, V,M., Hersh,
L.B., Sapolsky RM, Mirnics K & Sisodia, S.S. (2005). Environmental Enrichment
Reduces Aß Levels and Amyloid Deposition in Transgenic Mice. Cell, 120, 701-713.
Lindvall, O. (1999). Cerebral implantation in movement disorders: state of the art. Movement
Disorders, 14, 201-205.
Liu, W., Lipsitz, L.A, Montero-Odasso M., et al. (2002). Noise-Enhanced Vibrotactile
Sensitivity in Older Adults, Patients With Stroke, and Patients With Diabetic
Neuropathy. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation., 83, 171-176.
Lu, B. (2003). BDNF and Activity-Dependent Synaptic Modulation. Learning & Memory, 10,
86-98.
Mattson, M.P. & Magnus, T. (2006). Ageing and neuronal vulnerability. Nature Reviews, 7,
278-294.
Molteni, R., Wu, A., Vaynman, S., Ying, Z., Barnard, R.J. & Gomez-Pinilla F. (2004). Exercise
reverses the harmful effects of consumption of a high-fat diet on synaptic and
HASS I SCHMIDTBLEICHER: EFEKTY ĆWICZEŃ I REZONANSU STOCHASTYCZNEGO strona 105-108
behavioral plasticity associated to the action of brain-derived neurotrophic factor.
Neuroscience, 123, 2, 429-40.
Otis, J.S., Roy, R.R., Edgerton,V.R. & Talmadge, R.J. (2004). Adaptations in metabolic
capacity of rat soleus after paralysis. Journal of Applied Physiology, 96, 584 – 596.
Radak, Z., Toldy, A., Szabo, Z., Siamilis, S., Nyakas, C., Silye, G., Jakus, J. & Goto, S.
(2006). The effects of training and detraining on memory, neurotrophins and oxidative
stress markers in rat brain. Neurochemistry International, 49(4), 387-92.
Rosenblad, C., Kirik, D., Devaux, B., Moffat, B., Phillips, H.S., Bjorklund, A. (1999).
Protection and regeneration of nigral dopaminergic neurons by neurturin or GDNF in
a partial lesion model of Parkinson's disease after administration into the striatum or
the lateral ventricle. European Journal of Neuroscience, 11, 5,1554-66.
Roy, R.R., Baldwin, K.M. & Edgerton, V.R. (1991). The plasticity of skeletal muscle: effects of
neuromuscular activity. Exercise and Sport Science Reviews, 19, 269-312.
Russo-Neustadt, A., Beard, R.C. & Cotman, C.W. (1999). Exercise, Antidepressant
Medications, and Enhanced Brain Derived Neurotrophic Factor Expression.
Neuropschopharmacology 5, 679-682.
Saini, S. De Stefano, N., Smith, S., Guidi, L., Amato, M.P., Federico, A. & Matthews, P.M.
(2004). Altered cerebellar functional connectivity mediates potential adaptive plasticity
in patients with multiple sclerosis. Journal of Neurology, Neurosurgery and
Psychiatry, 75, 840-846.
Schuhfried, O., Mittermaier, C., Jovanovic, T., Pieber, K. & Paternostro-Sluga, T. (2005).
Effects of whole-body vibration in patients with multiple sclerosis: a pilot study.
Clinical Rehabilitation, 19, 834-842.
Small, S.J., Hustik, P. & Noll, D.C. (2002). Cerebellar hemispheric activation ipsilateral to the
paretic hand correlates with functional recovery after stroke. Brain, 125, 1544-57.
Smith, MA, Makino, S., Kim, S.Y. & Kvetnansky R. (1995). Stress increases brain-derived
neurotropic factor messenger ribonucleic acid in the hypothalamus and pituitary.
Endocrinology,136(9), 3743-50.
Smith, M.A., Makino, S., Kvetnansky, R & Post RM. (1995). Stress and glucocorticoids affect
the expression of brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3 mRNAs in the
hippocampus. Journal of Neuroscience, 15,1768-77.
The BDNF study group (1999). A controlled trial of recombinant methionyl human BDNF in
ALS. Neurology, 52, 1427-33.
Tillerson, J.L., Cohen, A.D., Caudle, W.M., Zigmond, M.J., Schallert, T. & Miller, G.W. (2002).
Forced Nonuse in Unilateral Parkinsonian Rats Exacerbates Injury. Journal of
Neuroscience, 22, 6790-6799.
Wydawcy: Giessing / Fröhlich (2007) BieŜące wyniki badań na temat treningu siłowego
Turbanski, S., Haas, C.T. & Schmidtbleicher, D. (2005). Effects of random whole-bodyvibration on postural stability in Parkinson’s Disease. Research in Sports Medicine,
13, 243-257.
Vaynman, S. & Gomez-Pinilla F. (2005). License to Run: Exercise Impacts Functional
Plasticity in the Intact and Injured Central Nervous System by Using Neurotrophins.
Neurorehabilitation and Neural Repair, 19,4, 283-295.
Ward, L.W., Neiman, A. & Moss, F. (2002). Stochastic resonance in psychophysis and in
animal behavoir. Biological Cybernetics 87, 91-101.
Wells, C., Ward, L.M., Chua, R. & Inglis, J.T. (2004). Touch Noise Increases Vibrotactile
Sensitivity in Old and Young. Psychological Science, 16/4, 313-320.
Wernig, A., Müller, S., Nanassy, A. & Cagol, E. (1995). Laufband therapy based on ‘rules of
spinal locomotion’ is effective in spinal cord injured persons, European Journal of
Neuroscience, 7, 4, 823-829.
Wernig, A., Nanassy, A., Muller & S. (1998). Maintenance of locomotor abilities following
laufband (treadmill) therapy in para- and tetraplegic persons: follow up studies. Spinal
Cord, 36, 744-749.
Xiao, J., Hu, G., Liu, H. & Zhang, Y. (1998). Frequency sensitive stochastic resonance in
periodically forced and globally coupled systems. European Physical Journal, B 5,
133-138.
Ying, Z., Roy, R.R., Edgerton, V.R & Gomez-Pinilla, F. (2005). Exercise restores levels of
neurotrophins and synaptic plasticity following spinal cord injury. Exp Neurol, 193(2),
411-9.
Ziemann, U., Muellbacher, W., Hallett, M., & Cohen, L.G. (2001). Modulation of practicedependent plasticity in human motor cortex. Brain, 124, 1171-1181.
HASS I SCHMIDTBLEICHER: EFEKTY ĆWICZEŃ I REZONANSU STOCHASTYCZNEGO strona 105-108