Artykuł poglądowy
Oddziaływania międzypółkulowe w procesach neuroplastycznych

Wstęp
Mózg ma 3 struktury łączące ze sobą obie półkule – spoidło przednie, spoidło hipokampalne i ciało modzelowate, czyli spoidło wielkie. To ostatnie jest niewątpliwie najważniejsze dla oddziaływań międzypółkulowych. Spoidło wielkie to największa struktura włóknista mózgu, która za pośrednictwem 200–800 mln aksonów łączy obie półkule i integruje ich funkcjonowanie. Zaburzenia w wielkości tej struktury obserwowano u pacjentów z autyzmem i schizofrenią (Egaas i wsp. 1995), niedorozwojem umysłowym (Schaefer i Bodenstreiner 1999), zespołem Downa (Wang i wsp. 1992), ADHD (Lyoo i wsp. 1996) i w rozwojowych zaburzeniach mowy (Presi i wsp. 2000). Aksony spoidła wielkiego wychodzą z neuronów piramidowych drugiej, trzeciej i piątej warstwy kory nowej. Mielinacja trwa długo, kończąc się w okresie dojrzewania (Hellige 1993), a wielkość spoidła rośnie aż do wieku dorosłego (Allen i wsp. 1991). Istnieją dane z doświadczeń na zwierzętach i obserwacji na pacjentach mówiące o tym, że czynniki środowiskowe (takie jak wzbogacone lub zubożone środowisko) mogą wpływać na liczbę włókien mielinowych i stopień mielinacji spoidła (Juraska i Kopcik 1998). Zakończenia aksonów spoidłowych tworzą synapsy pobudzeniowe na kolcach dendrytów neuronów piramidowych w homo- i heterotopowych obszarach przeciwstronnej półkuli. Spoidło zawiera 2 rodzaje włókien – włókna o dużej średnicy (do 3 µm) uczestniczą w połączeniach okolic czuciowo-ruchowych, natomiast cienkie włókna łączą okolice asocjacyjne (Pandya i Seltzer 1986). Różnice w liczbie włókien cienkich wydają się stanowić o różnicach w wielkości ciała modzelowatego. Połączenia spoidłowe są obfitsze w asocjacyjnych obszarach kory niż w pierwotnych korach czuciowych. Tam silne połączenia międzypółkulowe są tylko w niektórych obszarach topograficznych map zmysłowych. W korze wzrokowej z drugą półkulą połączona jest głównie reprezentacja pionowego południka pola widzenia, w korze somatosensorycznej – osi ciała i proksymalnych części kończyn, w korze ruchowej mało połączeń spoidłowych jest w dystalnych częściach kończyn. Reprezentacje czuciowe i ruchowe rąk i nóg, części ciała działających rozłącznie, mają nieliczne połączenia spoidłowe, co było interpretowane jako sposób na zapobieganie interferującym wpływom jednej kończyny na drugą. Ten brak obfitych połączeń pomiędzy niektórymi obszarami pierwszorzędowych pól czuciowych nadrabiany jest przez połączenia pomiędzy polami drugorzędowymi (Roullier i wsp. 1994). Przykładem jest pierwszorzędowa kora ruchowa mająca mało połączeń spoidłowych, ale wysyłająca dużo aksonów do kory przedruchowej (SMA), która ma obfite połączenia z drugą półkulą. Połączenia wewnątrzkorowe dotyczą na ogół tych samych obszarów w obu półkulach. I tak kora przedczołowa, która wysyła projekcje do kory przedruchowej tej samej półkuli, wysyła też połączenia przez spoidło do kory przedruchowej drugiej półkuli (Gazzaniga 1998). Spoidło przednie łączy obszary powierzchni oczodołowej płata czołowego, zawiera jednak włókna przewodzące informację słuchową i wzrokową. Część grzbietowa spoidła hipokampa zawiera włókna wychodzące z neuronów kory śródwęchowej i środkowej części zakrętu parahipokampalnego, a część brzuszna – włókna łączące przednie części hipokampa. Przecięcie spoidła wielkiego powoduje, że pomiędzy półkulami nie zachodzą interakcje ani w zakresie percepcji, ani kognitywne. Uszkodzeniom spoidła wielkiego towarzyszy apraksja (Geshwind 1965) oraz zmniejszona czasowa i przestrzenna koordynacja ruchów oburęcznych (Perilowski 1972; Zaidel i Sperry 1977). Dzięki operacjom chirurgicznym kończącym się niepełnym przecięciem, można było ustalić funkcje poszczególnych części spoidła. Tylna część, splenium, łączy kory wzrokowe i przenosi informację wzrokową. Włókna niosące informacją słuchową i dotykową znajdują się w części spoidła położonej bardziej z przodu. Przednia część spoidła jest zaangażowana w transfer informacji semantycznej. Należy jednak pamiętać, że stwierdzono znaczne przemieszanie się włókien spoidłowych z różnych okolic oraz że nie wszystkie włókna idą prosto do celu.
Badania fizjologiczne
Poniżej omówimy pewne aspekty oddziaływań międzypółkulowych związane z plastycznością mózgu, czyli zdolnością do trwałej zmiany odpowiedzi neuronalnej pod wpływem zmiennych bodźców środowiska, a zwłaszcza z uczeniem się oraz z kompensacją funkcji po centralnych i obwodowych uszkodzeniach układu nerwowego. Neurofizjologia oddziaływań międzypółkulowych nie jest do końca poznana. Z jednej strony jest bardzo wiele dowodów na to, że callosum pobudza drugą półkulę, np. uszkodzenie pierwszorzędowej kory somatosensorycznej u szczurów powoduje spadek reaktywności homotopowego obszaru w drugiej półkuli i znaczny (80%) spadek aktywności spontanicznej jego neuronów (rejestracje zewnątrzkomórkowe, Rema i Ebner 2003). Hamowanie aktywności kory somatosensorycznej szczura w jednej półkuli poprzez dokorowe iniekcje agonisty receptora GABAa, powoduje znaczny spadek reakcji neuronów na bodźce dotykowe w homotopowym obszarze drugiej półkuli, bez spadku aktywności spontanicznej (Li i wsp. 2005). Spoidło jest drogą synchronizacji generowanych w korze rytmów i aktywności oscylacyjnej. Przecięcie spoidła wielkiego wprowadzono do neurochirurgii po to, by zapobiec rozprzestrzenianiu się wyładowań epileptycznych do drugiej półkuli. Pobudzenie włókien spoidła może wywołać w korze zjawisko krótkotrwałego wzmocnienia synaptycznego, zależne od aktywności receptorów NMDA (Cisse i wsp. 2004). Pod względem anatomicznym spoidło jest nieomal czystą drogą pobudzeniową, nie stwierdza się udziału neuronów GABA-ergicznych w dorosłym mózgu albo wynosi on jedynie 2–4%. Z drugiej strony, jest wiele doniesień o hamującym wpływie oddziaływań międzypółkulowych. Bardzo dobrze znany jest np. fakt, że pobudzenie kory ruchowej za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej powoduje pobudzeniowe i hamulcowe potencjały w mięśniach przeciwstronnej kończyny oraz hamuje aktywność elektromiograficzną kończyny tożstronnej (Rothwell 1999). Dzieje się tak za pośrednictwem włókien spoidłowych, a nie zstępujących połączeń ze stymulowanej półkuli (efekt nie występuje u pacjentów z uszkodzeniami spoidła, natomiast jest obecny przy uszkodzeniach torebki wewnętrznej). W kilku zespołach badawczych zarejestrowano inny przykład hamowania, używając par impulsów TMS. Po bodźcu warunkującym, podanym do jednej półkuli, po 6–15 ms obserwuje się zmniejszenie odpowiedzi drugiej półkuli na zaaplikowany jej bodziec testowy (Ferbert i wsp. 1992; Gerloff i wsp. 1998). Ten efekt nazywany jest hamowaniem międzypółkulowym. Badania na zwierzętach pokazały, że interakcje pomiędzy reprezentacjami dłoni w korze ruchowej obu półkul mogą być zarówno pobudzeniowe, jak i hamujące, a obszary dające efekt pobudzeniowy mogą być niewielkie i otoczone obszarami dającymi efekt hamujący (Asanuma i Okamoto 1962; Matsunami i Hamada 1984). Widać więc, że wpływ aktywności włókien spoidłowych może, zależnie od okoliczności, być tak hamujący, jak pobudzeniowy. Należy także pamiętać, że charakter tych oddziaływań zmienia się w czasie – hamowanie międzypółkulowe, obserwowane podczas planowania ruchu zmniejsza się i zamienia w facylitację w momencie rozpoczęcia ruchu (Duque i wsp. 2005). Najważniejsze jest jednak to, że efekt przeciwstronnego hamowania lub pobudzenia zależy od okoliczności – ruchy o małej sile powodują wyhamowanie kontralateralnej kory motorycznej, natomiast ruchy o dużej sile – przeciwnie, dają efekt pobudzeniowy (Liepert i wsp. 2001; Foltys i wsp. 2003; aczkolwiek ten ostatni może także działać poprzez ipsilateralne drogi zstępujące, a nie przez włókna spoidła, patrz Sohn i wsp. 2004). Także zmęczenie wywiera na nie wpływ – hamowanie międzypółkulowe zastępowane jest przy zmęczeniu testowanej dłoni przez pobudzenie (Baumer i wsp. 2002). Pokazano, że ruchy złożone przynoszą więcej interakcji międzypółkulowych niż ruchy proste (Verstynen i wsp. 2004). W sferze zadań kognitywnych obserwuje się podobne zjawisko – proste zadania półkule mózgowe wykonują oddzielnie, natomiast przy skomplikowanych współpracują (Banich i Belger 1990). Postulowano, że interakcje międzypółkulowe są znacznie silniejsze podczas wykonywania złożonych zadań wymagających wzmożonej uwagi niż podczas wykonywania zadań prostych. Takie interakcje uważa się za generalną strategię podwyższania możliwości szacunkowych, porównawczych (Passarotti i wsp. 2002; Banich 1998). Gdy złożoność zadania wzrasta, za mniej wydajne uważa się przetwarzanie informacji w obrębie jednej półkuli w porównaniu z przetwarzaniem międzypółkulowym, bez względu na modalność prezentowanej informacji (dotykowa, słuchowa lub wzrokowa) (Passarotti i wsp. 2002; Weissman i Banich 2000). Oddziaływania międzypółkulowe zmieniają się też na skutek treningu, np. trening ruchowy (utrzymywanie stałej siły zaciskania) moduluje wpływ aktywności lewej kory ruchowej na pobudliwość prawej (Grosler i wsp. 2004). Nasze własne badania pokazały też wpływ etapu treningu (oraz – przypuszczalnie – modulacji uwagi, związanej ze stopniem nauczenia) na oddziaływania międzypółkulowe w korze somatosensorycznej. Badałyśmy aktywację mózgu myszy podczas treningu warunkowego, obrazując poziom metabolizmu energetycznego za pomocą autoradiografii 2-deoksyglukozy (metoda odpowiadająca mapowaniu aktywności mózgu za pomocą PET u ludzi). Podczas treningu bodziec bezwarunkowy (elektryczne drażnienie ogona) był związany z bodźcem warunkowym, jakim było jednostronne głaskanie wibryss. Wibryssy mają ściśle zlateralizowaną drogę czuciową do kory mózgowej, pobudzenie ipsilateralne odbywa się poprzez spoidło wielkie. Zauważyłyśmy, że podczas pierwszej sesji treningowej jednostronne pobudzenie wibryss aktywuje korę somatosensoryczną w obu półkulach mózgu, natomiast podczas trzeciej sesji pobudzenie jest już tylko kontralateralne (takie, jakie daje jednostronna stymulacja wibryss u zwierząt kontrolnych). Przypisujemy ten efekt nasileniu interakcji międzypółkulowych przez zwiększoną uwagę, związaną z początkiem treningu (Cybulska-Kłosowicz i Kossut 2006).
Międzypółkulowy transfer uczenia i pamięci
Obustronne interakcje międzypółkulowe zachodzące poprzez spoidło wielkie są niezbędne dla jednolitej i spójnej percepcji powierzchni ciała (Pidoux i Verley 1979), a ponadto potencjalnie ważną funkcją międzypółkulowych połączeń spoidłowych jest transfer wyuczonych asocjacji lub mówiąc bardziej ogólnie – uczenia – z jednej półkuli do drugiej. Już w 1924 r. Bykov zaobserwował, że psy ze zniszczonym spoidłem wielkim nie potrafią generalizować dotykowych reakcji warunkowych między obydwiema stronami ciała (Bykov 1924). W późniejszych badaniach pokazano, że zniszczenie spoidła wielkiego u kota uniemożliwia transfer uczenia różnicowania dotykowego między przednimi łapkami (Stamm i Sperry 1957).W podobnych eksperymentach przecięcie spoidła zaburzało transfer treningu u małp (Sperry 1958). Normalne szympansy, które bardzo długo uczyły się rozwiązywać złożone zadanie jedną łapą, natychmiast potrafiły wykonywać je drugą. Szympansy z przeciętym spoidłem nie umiały rozwiązywać zadania drugą łapą i wymagały oddzielnego uczenia drugą ręką (Myers i Henson 1960). Analogiczne wyniki uzyskano w badaniu przeprowadzonym na małpach Macaca mulatta (Ebner i Myers 1962). Semmes i Mishkin (1965) pokazali, że jednostronna lezja obszaru sensoryczno-motorycznego u małp zaburza zarówno ipsilateralne, jak i kontralateralne funkcje sensoryczne testowane w zadaniach różnicowania dotykowego. W badaniach przeprowadzonych na ludziach pokazano, że osoby, które nauczyły się wykonywać zadanie różnicowania palcem jednej ręki, potrafiły też prawidłowo wykonywać to zadanie przy użyciu odpowiadającego palca u drugiej ręki (Nagarajan i wsp. 1998; Sathian i Zangaladze 1998). Uzupełniono następnie dotychczasową wiedzę dowodząc precyzyjnej topografii w transferze uczenia w układzie dotykowym człowieka (Harris i wsp. 2001). Okazało się również, co ciekawe, że człowiek potrafi rozpoznawać palcem drugiej ręki bodźce szorstkości i ucisku wyuczone palcem innej ręki, jednakże nie potrafi tego robić dla bodźców wibracji (Harris i wsp. 2001). Pacjenci z przeciętym spoidłem wielkim oraz osoby bez spoidła (acallosal) wykazują poważne deficyty w zadaniach proceduralnego uczenia wzrokowo-motorycznego wymagających integracji informacji międzypółkulowej oraz w transferze takiego uczenia między rękami, bez względu na to, która ręka została użyta w początkowym uczeniu (Lassonde i wsp. 1995; de Guise i wsp. 1999; Chicoine i wsp. 2000). Wyniki badań wskazują na wzrost wydajności międzypółkulowego transferu uczenia w ontogenezie, choć najprawdopodobniej ze względu na różnice metodologiczne tych badań proponowany wiek, w jakim dzieci zaczynają umieć dokonywać tego transferu, jest różny (np. Chicoine i wsp. 2000; de Guise i Lassonde 2001). I tak np., według pracy de Guise i Lassonde (de Guise i Lassonde 2001) dzieci w wieku poniżej 12 lat, mimo że nie potrafią wykonywać zadania wymagającego międzypółkulowej integracji informacji, to jednak już w wieku 6 lat potrafią wykonywać zadania wymagające transferu uczenia z jednej półkuli do drugiej, a z kolei – zgodnie z wynikami autorów z tej samej grupy badawczej (Chicoine i wsp. 2000) – dzieci w wieku 6–7 lat nie potrafią dokonać transferu umiejętności wyuczonej jedną ręką do ręki drugiej. Transfer uczenia wykazano również na układzie sensorycznym szczurów. U zwierząt tych poszczególne wąsy (wibryssy) na pyszczku mają korowe reprezentacje w postaci zespołu komórek nerwowych, tzw. baryłek. Kora baryłkowa (zespół baryłek będących reprezentacjami wszystkich wibryss) w obydwu półkulach połączona jest projekcjami spoidła wielkiego w sposób homotopowy (Koralek i wsp. 1990; Olavarria i wsp. 1984). Harris i Diamond (Harris i Diamond 2000) zademonstrowali transfer uczenia między wibryssami symetrycznie zlokalizowanymi po obu stronach pyszczka szczura. Wykazano ponadto, że na drodze spoidłowych projekcji międzypółkulowych zachodzi korowa integracja bodźców ispi- i kontralateralnych, co jest niezbędne do rozwiązywania zadań różnicowania dotykowego, w których informacja pochodzi z wibryss po obu stronach pyszczka szczura (Schuler i wsp. 2001, 2002). Nasze badania przeprowadzone na myszach, pokazujące wzmożoną aktywację międzypółkulową w pierwszej sesji warunkowania, podczas początkowej fazy powstawania asocjacji sensorycznych, również wydają się świadczyć o zdolności przekazywania informacji i uczenia się między półkulami (Cybulska-Klosowicz i Kossut 2006). Na układzie wzrokowym także wykazano, że spoidło wielkie jest strukturą kluczową dla transferu informacji i uczenia z jednej półkuli do drugiej. Już w 1956 r. Myers zademonstrował, że przecięcie spoidła u kota wyklucza transfer uczenia między oczami: koty po komisurotomii uczone wykonywania zadania różnicowania wzrokowego jednym okiem nie umiały wykonywać tego zadania drugim okiem (Myers 1956). Ważną rolę spoidła w kontrolowaniu aktywności obu półkul w mediowaniu zachowania różnicowania i percepcji wzrokowej u kota potwierdzono wykonując lezje kory w jednej z półkul (Sprague i wsp. 1985). Międzypółkulową komunikację w układzie wzrokowym, zachodzącą przez spoidło, zademonstrowano również w badaniu przeprowadzonym na szczurach, a wg autorów wyniki ich badania sugerują zaburzenia transferu uczenia wskutek przecięcia spoidła (Crowne i wsp. 1994). Międzypółkulowy transfer różnicowania wzrokowo-lokomotorycznego w treningu warunkowania zademonstrowano na małpach (Eacott i Gaffan 1990). Autorzy donoszą, że transfer ten zachodzi poprzez przednią część spoidła, jednakże nie jest to jedyna możliwa droga dla przekazu informacji między półkulami w zastosowanym zadaniu. Trzeba zaznaczyć, że między małpami a człowiekiem istnieje istotna różnica pod względem międzypółkulowego transferu informacji wzrokowej: u małp, w przeciwieństwie do człowieka, transfer ten częściowo zachodzi poprzez anterior commissure (Gazzaniga 2000 – praca przeglądowa). Transfer uczenia będącego wynikiem jednoocznego treningu z oka trenowanego do nietrenowanego zademonstrowano u człowieka w zadaniu różnicowania pop-out (Schoups i Orban 1996), różnicowaniu kierunku (Schoups i wsp. 1995), różnicowaniu kierunku ruchu (Ball i Sekuler 1987), a pacjenci bez spoidła lub po zabiegu przecięcia spoidła wykazują deficyty w transferze uczenia zadań wymagających umiejętności wzrokowo-przestrzennych (Lassonde i wsp. 1995). Wyniki doświadczenia de Schonen i Bry dowodzą, że międzypółkulowy transfer doświadczeń wzrokowych u człowieka przechodzi zmianę w rozwoju w wieku ok. 19. tyg. życia postnatalnego; dopiero po tym czasie zachodzi transfer uczenia z jednej półkuli do drugiej. Według badaczy, mimo że spoidło wielkie jest w tym czasie jeszcze słabo zmielinizowane, to jednak najprawdopodobniej właśnie za pośrednictwem tej struktury odbywa się komunikacja międzypółkulowa, choć nie można całkowicie wykluczyć dróg podkorowych (Schonen i Bry 1987). Między układem dotykowym a wzrokowym wydaje się istnieć pewna różnica: podczas gdy w układzie dotykowym zachodzi transfer uczenia z trenowanego palca lub wibryssy gryzonia do odpowiadającego palca lub wibryssy po drugiej stronie ciała, to w układzie wzrokowym transfer uczenia nie zachodzi, gdy bodziec prezentowany jest do homotopowej pozycji w kontralateralnej półkuli (Dill i Fahle 1997).
Wpływ jednej półkuli na percepcje w drugiej
Stopień wpływu oddziaływań międzypółkulowych na proste percepcje zmysłowe zależy od stopnia lateralizacji wejścia czuciowego. W układach o dużej lateralizacji, takich jak układ somatosensoryczny, jest on wyraźnie widoczny. Stwierdzono, że w wykonywaniu zadania rozróżniania częstotliwości wibracji palcami jednej ręki przeszkadza słaby bodziec dotykający drugiej ręki. Najsilniejszy wpływ ma palec odpowiadający palcowi wykonującemu różnicowanie (Harris i wsp. 2001). Podobnie jest z lokalizacją słabego dotknięcia palców jednej ręki – słabe dotknięcie palców drugiej ręki zwiększa poziom błędnych odpowiedzi, także w sposób somatotopowy (Braun i wsp. 2005). Drażnienie elektryczne nerwu przyśrodkowego powoduje zakłócenia percepcji dotyku w drugiej ręce, a także zmniejszenie aktywacji kory somatosensorycznej w obrazie fMRI (Kastrup, inf. ustna). W układzie wzrokowym, gdzie lateralizacja dotyczy tylko fragmentu pola widzenia, a połączenia spoidłowe w pierwotnej korze wzrokowej łączą ze sobą reprezentacje pionowego południka pola widzenia w obu półkulach, dobra obuoczna integracja obszaru linii środkowej wymaga działania spoidła wielkiego (Saint-Amour i wsp. 2004). W układzie słuchowym lateralizacja jest niewielka. Informacja z obu uszu dociera do tych samych neuronów już na poziomie jąder oliwy. Obserwowane jest jednak zjawisko słyszenia rozdzielnousznego, które polega na tym, że gdy do obu uszu jednocześnie przekazywane są słowa, pierwsze słyszane jest słowo przekazywane do prawego ucha (Kimura 1967). Związane jest to z lokalizacją ośrodków mowy w lewej półkuli, silniejszą reprezentacją kontralateralnego wejścia i hamowaniem wywieranym przez półkulę dominującą dla mowy na korę słuchową prawej półkuli. Te oddziaływania, zachodzące poprzez spoidło wielkie, są obniżone u ludzi starszych, u których wielkość spoidła jest zmniejszona oraz u ludzi z mutacją genu PAX6, która wywołuje agenezę spoidła przedniego (mającego duży komponent włókien z kory słuchowej) i niedorozwój spoidła wielkiego (Bamiou i wsp. 2004).
Wpływ jednej półkuli na zmiany plastyczne w drugiej
Wpływ jednej półkuli na zmiany plastyczne w drugiej może być ważny w przypadku udaru mózgu. Uszkodzenie w obrębie obszaru ruchowego jednej półkuli powoduje, obserwowany w fMRI, wzrost aktywacji w kilku obszarach drugiej półkuli związanych z ruchem. Taki efekt może być wynikiem usunięcia międzypółkulowych oddziaływań hamujących. Badania przeprowadzone na zdrowych ochotnikach pokazały, jak destabilizujący efekt na działanie sieci wzajemnych oddziaływań w obrębie układu ruchowo-czuciowego ma eksperymentalne wyhamowanie jednego obszaru, powodując zakłócenia w równowadze systemu. W wyniku zastosowania funkcjonalnego mapowania mózgu (fMRI), po modyfikacji aktywności wybranej okolicy pola MI niskoczęstotliwościową przezczaszkową stymulacją magnetyczną wykazano, np. wyhamowanie reprezentacji dłoni w lewej pierwszorzędowej korze ruchowej, a jednocześnie wyraźny obustronny wzrost aktywacji grzbietowej kory przedruchowej i móżdżku, a także wzrost sygnału w lewym dodatkowym polu ruchowym i w zwojach podstawnych po lewej stronie. Spadki aktywacji zaobserwowano natomiast między innymi w prawej korze ruchowej i lewym brzusznym obszarze przedruchowym. Gdy po stymulacji przezczaszkowej osoby badane wykonywały ruchy palców, zauważono silny wzrost aktywności w korze przedruchowej niestymulowanej półkuli. Analiza matematyczna korelująca sygnały fMRI z różnych obszarów mózgu pokazała, że zmienia się siła połączeń pomiędzy poszczególnymi polami układu ruchowego. Tak silne efekty destabilizujące układ można wywołać lokalną, nieinwazyjną, krótkotrwałą zmianą pobudliwości niewielkiego obszaru kory. Należy przypuszczać, że w przypadku uszkodzenia mózgu są one znacznie silniejsze. Tego rodzaju przemapowania mogą stanowić podstawę szybkiej plastyczności kompensacyjnej po udarach. Jak wspomniano, po udarach jednostronnych obserwuje się często aktywację w półkuli bez udaru, zapewne na skutek zniesienia oddziaływań hamujących płynących z uszkodzonego obszaru (Cramer 2004). Taka wysoka aktywacja powoduje (poprzez włókna spoidłowe) jednocześnie silniejsze niż normalnie hamowanie w rejonie obszaru uszkodzonego, co może mieć korzystny wpływ, ograniczając toksyczną hiperpobudliwość. W późniejszym okresie po udarze zwiększona aktywność nieuszkodzonej półkuli na ogół słabnie i wpływy hamujące obszar wokół ogniska udaru zmniejszają się, co ułatwia zachodzenie zmian plastycznych. Niektórzy badacze uważają taki stan nadaktywności za przejaw plastyczności kompensacyjnej (patrz Chen 2002). Odmienne, zyskujące na popularności stanowisko twierdzi, że po udarze na skutek rywalizacji międzypółkulowej nadmierna aktywacja nieuszkodzonej półkuli może niekorzystnie wpływać na odzyskanie funkcji przez półkulę uszkodzoną (Cramer 2004; Serrien i wsp. 2004). Niektóre badania aktywacji mózgu techniką fMRI korelują nadaktywację nieuszkodzonej półkuli z długotrwałym upośledzeniem i nieodtwarzaniem funkcji w ocalałych obszarach uszkodzonej półkuli (Ward i wsp. 2003). Neurorehabilitacja wprowadza próby wyhamowania (za pomocą niskoczęstotliwościowej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej) homotopowych do uszkodzenia obszarów w drugiej półkuli i obserwuje wpływ takiego procesu na odzyskiwanie funkcji ruchowych i psychicznych (Naeser i wsp. 2005). Sugeruje się nawet, że uwolnienie od wpływów drugiej półkuli może wzmagać neuroplastyczność. Szczury z częściowym przecięciem spoidła wielkiego, zmuszone do używania tylko jednej łapy, po 18 dniach wykazywały rozrost rozgałęzień dendrytów i wzrost liczby kolców dendrytycznych neuronów piramidowych wastwy V kory ruchowej przeciwległej do używanej kończyny (Adkins i wsp. 2002). Takich zmian nie obserwowano w sytuacji, gdy wymuszano ruchy tylko jednej łapy (wtedy obserwowano przyrost liczby kolców dendrytycznych na neuronach II/III warstwy kory), lub gdy tylko przecięto spoidło wielkie (wtedy widziano tylko przyrost liczby kolców na neuronach V warstwy). Pokazuje to, że przecięcie spoidła wielkiego stymuluje rozrost neuronów i synaptogenezę w rejonie V warstwy kory, ale ogranicza synaptogenezę wywołaną przez wymuszone używanie łapy w II/III warstwie kory. Zupełnie odmienne wyniki uzyskała grupa Ebnera z Vanderbilt University. Jak wspomniano wyżej, jednostronne lezje kory somatosensorycznej w obszarze reprezentacji pyszczka u szczurów mają istotny wpływ na aktywność spontaniczną w homotopowym obszarze drugiej półkuli i na odpowiedzi tego obszaru na stymulację wibryss. Mają także wpływ na plastyczność w półkuli przeciwległej (Rema i Ebner 2003). Deficyty wywołane lezjami polegały na osłabieniu pobudliwości neuronalnej, zaburzeniach w odpowiedziach na bodźce dotykowe w półkuli przeciwległej do lezji (odpowiedzi neuronów wszystkich warstw korowych są poważnie osłabione przez długi czas). Osłabienie aktywności spontanicznej i aktywności wywołanej bodźcem sugeruje, że pewne mechanizmy kontrolujące pobudliwość korową oraz zdolność neuronów korowych do odpowiadania na bodźce sensoryczne, są istotnie zaburzone na skutek lezji. Znacznie zaburzona jest ponadto prosta forma plastyczności sensorycznej w drugiej półkuli. Jeśli przyciąć nieco wszystkie wibryssy z jednej strony pyszczka szczura, z wyjątkiem dwóch położonych obok siebie, to po pewnym czasie neurony w korowej reprezentacji jednej wibryssy odpowiadają nie tylko na sygnały ze swojej wibryssy, ale także z drugiej z pozostawionej na pyszczku pary. Mimo że połączenia spoidłowe w tym obszarze kory są słabe, taka zmiana plastyczna jest prawie niemożliwa po uszkodzeniu kory somatosensorycznej w drugiej półkuli. Być może istotne są tu połączenie biegnące nie pomiędzy obszarami pierwszorzędowej kory czuciowej, ale pomiędzy drugą reprezentacją somatosensoryczną w obu półkulach. Obserwacje te potwierdzono i uzupełniono badaniami, w których aktywność kory baryłkowej blokowano podając muscimol (agonistę recptora GABAa) (Rema i Ebner 2005). Wyniki wydają się świadczyć o tym, że między obszarami pierwszorzędowej kory sensorycznej w obu półkulach zachodzą interakcje w taki sposób, że zmiany w aktywności po jednej stronie są rejestrowane nieprzerwanie przez neurony w homologicznych obszarach półkuli przeciwległej. Wykazano także, że wskutek małych lezji korowych zachodzą funkcjonalne zmiany plastyczne w postaci modyfikacji map korowych zarówno w okolicach bezpośrednio sąsiadujących z obszarem lezji, jak i w półkuli kontralateralnej (Reinecke i wsp. 2003). Nasze badania nad reorganizacją kory mózgowej po ogniskowym udarze zlokalizowanym w korze somatosensorycznej wykazały, że wkrótce po udarze w półkuli nieuszkodzonej widoczna jest nadaktywacja, podczas gdy w półkuli z udarem poziom aktywacji funkcjonalnej jest bardzo obniżony. Po dłuższym czasie od udaru nadaktywacja nieuszkodzonej półkuli zanika, a pojawia się okołouszkodzeniowe pobudzenie wokół miejsca udaru i w sąsiednich obszarach kory somatosensorycznej (Jablonka i wsp. 2006). Bardzo interesujące doświadczenia pokazały istnienie międzypółkulowego transferu plastyczności w korze czuciowej (Calford i Tweedale 1990; Clarey i wsp. 1996). W badaniu przeprowadzonym na nietoperzach i makakach plastyczność, w formie ekspansji pola recepcyjnego (reorganizacji korowej) na skutek niewielkiego odnerwienia peryferycznego lub czasowej inaktywacji peryferycznej, wywołana w jednej półkuli, była natychmiast odzwierciedlona w półkuli przeciwległej. Jednocześnie neurony, które wykazywały plastyczność nie odpowiadały na ipsilateralną stymulację peryferyczną (Calford i Tweedale 1990). Wynik ten sugeruje, że drogi i mechanizmy pośredniczące w transferze plastyczności są ważne do utrzymywania równowagi lub do integracji między odpowiadającymi sobie polami korowymi. Wyniki kolejnego badania wskazują na to, że spowodowany iniekcją lidokainy czasowy brak dopływu informacji z palca do pierwszorzędowej kory somatosensorycznej w jednej półkuli powoduje międzypółkulową modulację aferentnej transmisji sensorycznej w przeciwległej korze somatosensorycznej (Shin i wsp. 1997).
Podsumowanie
Jak zaznaczyłyśmy, jedną z funkcji spoidła wielkiego jest integrowanie procesów zachodzących w obydwu półkulach, na przykład koordynowanie asynchronicznej kontroli motorycznej dwu rąk czy zapewnienie spójnego, jednolitego i całościowego widzenia, pomimo tego, że do każdego oka dopływają różne informacje. Oddziaływania międzypółkulowe są czymś więcej niż po prostu mechanizmem, przez który jedna półkula kopiuje doświadczenia i odczucia drugiej półkuli. Na podstawie procesów przetwarzania zachodzących w dwu półkulach w sposób odizolowany nie można przewidzieć efektu komunikacji między półkulami. Oddziaływania międzypółkulowe służą raczej modulowaniu zdolności szacunkowych, porównawczych mózgu i jego funkcjonowania w stanie uwagi. Poszczególne części spoidła pełnią różne funkcje przenosząc informacje o różnej modalności. Gęstość połączeń spoidłowych nie jest w mózgu jednolita – połączenia są bardziej obfite w asocjacyjnych obszarach kory niż w korach czuciowych. Wpływ aktywności włókien spoidłowych może być hamujący lub pobudzeniowy, w zależności od okoliczności, może też zmieniać się w czasie. Wpływ oddziaływań międzypółkulowych na proste percepcje zmysłowe jest tym większy, im większa lateralizacja wejścia czuciowego. Również w sferze procesów poznawczych obserwuje się różnice w sile oddziaływań międzypółkulowych – proste zadania półkule mózgowe wykonują oddzielnie, natomiast współpracują przy zadaniach skomplikowanych. Na drodze międzypółkulowych połączeń spoidłowych zachodzi transfer uczenia z jednej półkuli do drugiej między innymi dzięki temu, że zmiany w aktywności w jednej półkuli są rejestrowane nieprzerwanie przez neurony w homologicznych obszarach półkuli przeciwległej, między półkulami może zachodzić także transfer plastyczności. Struktura ta jest więc niezwykle ważna, wręcz niezbędna dla jednolitej i spójnej percepcji, także percepcji powierzchni ciała.
Piśmiennictwo
1. Adkins DL, Bury SD, Jones TA. Laminar-dependent dendritic spine alterations in the motor cortex of adult rats following callosal transection and forced forelimb use. Neurobiol Learn Mem 2002; 78: 35-52. 2. Allen LS, Richey MF, Chai YM i wsp. Sex differences in the corpus callosum of the living human being. J Neurosci 1991; 11: 933-942. 3. Asanuma H, Okuda O. Effects of transcallosal volleys on pyramidal tract cell activity of cat. J Neurophysiol 1962; 25: 198-208. 4. Ball K, Sekuler R. Direction-specific improvement in motion discrimination. Vision Res 1987; 27: 953-965. 5. Bamiou DE, Musiek FE, Sisodiya SM i wsp. Defective auditory interhemispheric transfer in a patient with a PAX6 mutation. Neurology 2004; 62: 489-490. 6. Banich MT. The missing link: the role of interhemispheric interaction in attentional processing. Brain Cogn 1998; 36: 128-157. 7. Banich MT, Belger A. Interhemispheric interaction: how do the hemispheres divide and conquer a task? Cortex 1990; 26: 77-94. 8. Baumer T, Munchau A, Weiller C i wsp. Fatigue suppresses ipsilateral intracortical facilitation. Exp Brain Res 2002; 146: 467-473. 9. Braun C, Hess H, Burkhardt M i wsp. The right hand knows what the left hand is feeling. Exp Brain Res 2005; 162: 366-373. 10. Bykov K. Versuche an Hunden mit Durrchschneiden des Corpus Callosum. Zbl Ges Neurol Psychiat 1924; 39: 199. 11. Calford MB, Tweedale R. Interhemispheric transfer of plasticity in the cerebral cortex. Science 1990; 249: 805-807. 12. Chen R, Cohen LG, Hallett M. Nervous system reorganization following injury. Neuroscience 2002; 111: 761-73. 13. Chicoine AJ, Proteau L, Lassonde M. Absence of interhemispheric transfer of unilateral visuomotor learning in young children and individuals with agenesis of the corpus callosum. Dev Neuropsychol 2000; 18: 73-94. 14. Cisse Y, Crochet S, Timofeev I i wsp. Synaptic enhancement induced through callosal pathways in cat association cortex. J Neurophysiol 2004; 92: 3221-3232. 15. Clarey JC, Tweedale R, Calford MB. Interhemispheric modulation of somatosensory receptive fields: evidence for plasticity in primary somatosensory cortex. Cereb Cortex 1996; 6: 196-206. 16. Cramer SC. Functional imaging in stroke recovery. Stroke 2004; 35 (11 supl. 1): 2695-2698. 17. Cramer SC. Changes in motor system function and recovery after stroke. Restor Neurol Neurosci 2004; 22: 231-238. 18. Crowne DP, Forsyth P, Fitzgerald J. Interocular transfer in the split-brain rat. Behavioral Neuroscience 1994; 108: 804-809. 19. Cybulska-Klosowicz A, Kossut M. Early phase of learning enhances communication between brain hemispheres. Eur J Neurosci 2006; 24: 1470-1476. 20. Dill M, Fahle M. The role of visual field position in pattern-discrimination learnin. Proc R Soc Lond B 1997; 264: 1031-1036. 21. Eacott MJ, Gaffan D. Interhemispheric transfer of visuomotor conditional learning via the anterior corpus callosum of monkeys. Behav Brain Res 1990; 38: 109-116. 22. Ebner FF, Myers RE. Corpus callosum and the interhemispheric transmission of tactual learning. J Neurophysiol 1962; 25: 380-91. 23. Egaas B, Courchesne E, Saitoh O. Reduced size of corpus callosum in autism. Arch Neurol 1995; 52: 794-801. 24. Ferbert A, Priori A, Rothwell JC i wsp. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. J Physiol 1992; 453: 525-546. 25. Gazzaniga MS. The split brain revisited. Sci Am 1998; 279: 50-55. 26. Gazzaniga MS. Cerebral specialization and interhemispheric communication. Does the corpus callosum enable the human condition? Brain 2000; 123: 1293-1326. 27. Gerloff C, Cohen LG, Floeter MK i wsp. Inhibitory influence of the ipsilateral motor cortex on responses to stimulation of the human cortex and pyramidal tract. J Physiol 1998; 510 (Pt 1): 249-259. 28. Geschwind N. Disconnexion syndromes in animals and man. I. Brain 1965; 88: 237-294. 29. Gorsler A, Zittel S, Weiller C i wsp. Modulation of motor cortex excitability induced by pinch grip repetition. J Neural Transm 2004; 111: 1005-1016. 30. de Guise W, de Pesce M, Foschi N i wsp. Callosal and cortical contribution to procedural learning. Brain 1999; 122: 1049-1062. 31. de Guise E, Lassonde M. Callosal contribution to procedural learning in children. Dev Neuropsychol 2001; 19: 253-272. 32. Harris JA, Diamond ME. Ipsilateral and contralateral transfer of tactile learning. Neuroreport 2000; 11: 263-266. 33. Harris JA, Harris IM, Diamond ME. The topography of tactile learning in humans. J Neurosci 2001; 21: 1056-1061. 34. Hellige JB, Bloch MI, Cowin EL i wsp. Individual variation in hemispheric asymmetry: multitask study of effects related to handedness and sex. J Exp Psychol Gen 1994; 123: 235-256. 35. Jabłonka J, Kossut M. Focal stroke in the barrel cortex of rats enhances ipsilateral response to vibrissal input. Acta Neurobiol Exp 2006 (in press). 36. Juraska JM, Kopcik JR. Sex and environmental influences on the size and ultrastructure of the rat corpus callosum. Brain Res 1998; 450: 1-8. 37. Kimura D. Speech lateralization in young children as determined by an auditory test. J Comp Physiol Psychol 1963; 56: 899-902. 38. Koralek KA, Olavarria J, Killackey HP. Areal and laminar organization of corticocortical projections in the rat somatosensory cortex. J Comp Neurol 1990; 299: 133-150. 39. Lassonde M, Sauerwein HC, Lepore F. Extent and limits of callosal plasticity: presence of disconnection symptoms in callosal agenesis. Neuropsychologia 1995; 33: 989-1007. 40. Lee L, Siebner HR, Rowe JB i wsp. Acute remapping within the motor system induced by low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation. J Neurosci 2003; 23: 5308-5318. 41. Li L, Rema V, Ebner FF. Chronic suppression of activity in barrel field cortex downregulates sensory responses in contralateral barrel field cortex. J Neurophysiol 2005; 94: 3342-3356. 42. Liepert J, Dettmers C, Terborg C i wsp. Inhibition of ipsilateral motor cortex during phasic generation of low force. Clin Neurophysiol 2001; 112: 114-121. 43. Lyoo IK, Noam GG, Lee CK i wsp. The corpus callosum and lateral ventricles in children with attention-deficit hyperactivity disorder: a brain magnetic resonance imaging study. Biol Psychiatry 1996; 40: 1060-1063. 44. Matsunami K, Hamada I. Effects of stimulation of corpus callosum on precentral neuron activity in the awake monkey. J Neurophysiol 1984; 52: 676-691. 45. Myers RE. Function of corpus callosum in interocular transfer. Brain 1956; 79: 358-363. 46. Myers RE, Henson CO. Role of corpus callosum in transfer of tactuokinesthetic learning in chimpanzee. Arch Neurol 1960; 3: 404-409. 47. Nagarajan SS, Blake DT, Wright BA i wsp. Practice-related improvements in somatosensory interval discrimination are temporally specific but generalize across skin location, hemisphere, and modality. J Neurosci 1998; 18: 1559-1570. 48. Olavarria J, van Sluyters R, Killackey H. Evidence for the complementary organization of callosal and thalamic cnnections within rat somatosensory cortex. Brain Res 1984; 291: 364-368. 49. Pandya DN, Seltzer B. The topography of commisual fibers. In: Two hemisphere-one brain. Functions of the corpus callosum. Lepore F, Ptito M, Jasper HH (eds). Allan R. Liss, New York 1986; 47-75. 50. Passarotti AM, Banich MT, Sood RK i wsp. A generalized role of interhemispheric interaction under attentionally demanding conditions: evidence from the auditory and tactile modality. Neuropsychologia 2002; 40: 1082-1096. 51. Preilowski BF. Possible contribution of the anterior forebrain commissures to bilateral motor coordination. Neuropsychologia 1972; 10: 267-277. 52. Preis S, Steinmetz H, Knorr U i wsp. Corpus callosum size in children with developmental language disorder. Brain Res Cogn Brain Res 2000; 10: 37-44.
53. Reinecke S, Dinse HR, Reinke H i wsp. Induction of bilateral plasticity in sensory cortical maps by small unilateral cortical infarcts in rats. Eur J Neurosci 2003; 17: 623-627. 54. Rema V, Ebner FF. Lesions of mature barrel Fidel cortex interfere with sensory processing and plasticity in connected areas of the contralateral hemisphere. J Neurosci 2003; 23: 10378-10387. 55. Rema V, Ebner FF. Chronic suppression of activity in barrel field cortex downregulates sensory responses in contralateral barrel field cortex. J Neurophysiol 2005; 94: 3342-3356. 56. Rothwell JC. Paired-pulse investigations of short-latency intracortical facilitation using TMS in humans. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl 1999; 51: 113-119. 57. Rouiller EM, Babalian A, Kazennikov O i wsp. Transcallosal connections of the distal forelimb representations of the primary and supplementary motor cortical areas in macaque monkeys. Exp Brain Res 1994; 102: 227-243. 58. Saint-Amour D, Lepore F, Lassonde M i wsp. Effective binocular integration at the midline requires the corpus callosum. Neuropsychologia 2004; 42: 164-174. 59. Sathian K, Zangaladze A. Perceptual learning in tactile hyperacuity: complete intermanual transfer but limited retention. Exp Brain Res 1998; 118: 131-134. 60. Schaefer GB, Bodensteiner JB, Thompson JN Jr i wsp. Volumetric neuroimaging in Usher syndrome: evidence of global involvement. Am J Med Genet 1998; 79: 1-4. 61. de Schonen, Bry I. Interhemispheric communication of visual learning: a developmental study in 3-6 month old infarnts. Neuropsychologia 1987; 25: 601-612. 62. Schoups AA, Orban GA. Interocular transfer in perceptual learning of a pop-out discrimination task. Proc Natl Acad Sci U S A 1996; 93: 7358-7362. 63. Schoups AA, Vogels R, Orban GA. Human perceptual learning in identifying the oblique orientation: retinotopy, orientation specificity and monocularity. J Physiol 1995; 483 (Pt 3): 797-810. 64. Semmes J, Mishkin M. Somatosensory loss in monkeys after ipsilateral cortical ablation. J Neurophysiol 1965; 28: 473-486. 65. Serrien DJ, Strens LH, Cassidy MJ i wsp. Functional significance of the ipsilateral hemisphere during movement of the affected hand after stroke. Exp Neurol 2004; 190: 425-432. 66. Shin H-C, Won C-K, Jung S-C i wsp. Interhemispheric modulation of sensory transmission in the primary somatosensory cortex of rats. Neurosci Lett 1997; 230: 137-139. 67. Shuler MG, Krupa DJ, Nicolelis MAL. Bilateral integration of whisker information in the primary somatosensory cortex of rats. J Neurosci 2001; 21: 5251-5261. 68. Shuler MG, Krupa DJ, Nicolelis MAL. Integration of bilateral whisker stimuli in rats: role of the whisker barrel cortices. Cereb Cortex 2002; 12: 86-97. 69. Sperry RW. Corpus callosum and interhemispheric transfer in the monkey (Maccaca mulatto). Anat Rec 1958; 131: 297. 70. Stamm JS, Sperry RW. Function of corpus callosum in contralateral transfer of somesthetic discrimination in cats. J Comp Physiol Psyhol 1957; 50: 138-143. 71. Sprague JM, Church AC, Liu CN i wsp. Visual discrimination learning and interhemispheric transfer in the cat, as affected by 6-hydroxydopamine. Exp Brain Res 1985; 61: 43-53. 72. Verstynen T, Diedrichsen J, Albert N i wsp. Ipsilateral motor cortex activity during unimanual hand movements relates to task complexity. J Neurophysiol 2005; 93: 1209-1222. 73. Wang PP, Doherty S, Hesselink JR i wsp. Callosal morphology concurs with neurobehavioral and neuropathological findings in two neurodevelopmental disorders. Arch Neurol 1992; 49: 407-411. 74. Ward NS, Brown MM, Thompson AJ i wsp. Neural correlates of motor recovery after stroke: a longitudinal fMRI study. Brain 2003; 126 (Pt 11): 2476-2496. 75. Ward NS, Brown MM, Thompson AJ i wsp. Neural correlates of outcome after stroke: a cross-sectional fMRI study. Brain 2003; 126 (Pt 6): 1430-1448. 76. Weissman DH, Banich MT. The cerebral hemisphere cooperate to perform complex but not simple task. Neuropsychology 2000; 14: 41-59. 77. Wiest MC, Bentley N, Nicolelis MAL. Heterogenous integration of bilateral whisker signals by neurons in primary somatosensory cortex of awake rats. J Neurophysiol 2004; 93: 2966-2973. 78. Zaidel D, Sperry RW. Some long-term motor effects of cerebral commissurotomy in man. Neuropsychologia 1977; 15: 193-204.