神経可塑性

神経可塑性は、神経可塑性または単に可塑性とも呼ばれ、脳内の神経ネットワークが成長と再編成を通じて変化する能力です。これは、脳が再配線されて、以前の機能とは異なる方法で機能することです。^[1]これらの変化は、個々のニューロン経路が新しい接続を作成することから、皮質の再マッピングや神経振動などの体系的な調整まで多岐にわたります。神経可塑性のその他の形態には、相同領域の適応、クロスモーダル再割り当て、マップの拡大、および代償的マスカレードが含まれます。[ ^2]神経可塑性の例としては、新しい能力の学習、情報取得、^[3]環境の影響、^[4]妊娠、^[5]カロリー摂取、^[6]練習/トレーニング、^[7]心理的ストレスの結果として生じる回路とネットワークの変化が挙げられます。^[8]

神経可塑性はかつて神経科学者によって小児期にのみ現れると考えられていましたが、 ^{[9] [10]} 20世紀後半の研究では、脳の多くの側面は成人期でも変化する（または「可塑性」がある）ことが示されました。^[11]しかし、発達中の脳は成人の脳よりも高い可塑性を示します。^[12] 活動依存の可塑性は、健全な発達、学習、記憶、および脳損傷からの回復に大きな影響を与える可能性があります。^{[13] [14] [15]}

可塑性という用語は、1890年にウィリアム・ジェームズが『心理学原理』で初めて行動に適用され、「影響に屈するほど弱いが、一度に屈しないほど強い構造」を説明するために使用されました。^{[16] [17]}神経可塑性という用語を最初に使用した人物は、ポーランドの神経科学者イェジ・コノルスキであると思われます。^{[11] [18]}

神経可塑性の証拠となる最初の実験の1つは、1793年にイタリアの解剖学者ミケーレ・ヴィチェンツォ・マラカルネによって行われた。マラカルネは、動物を2匹に分け、そのうちの1匹を何年もかけて徹底的に訓練し、その後両方を解剖するという実験について記述している。マラカルネは、訓練された動物の小脳が訓練されていない動物の小脳よりもかなり大きいことを発見した。しかし、この発見は重要であったにもかかわらず、やがて忘れ去られた。^[19] 1890年、脳とその機能は成人期を通じて固定されていないという考えがウィリアム・ジェームズによって心理学原理で提唱されたが、この考えはほとんど無視された。^[17] 1970年代まで、神経科学者は脳の構造と機能は成人期を通じて基本的に固定されていると信じていた。^[20]

1900年代初頭、脳は再生不可能な器官であると一般に理解されていたが、先駆的な神経科学者サンティアゴ・ラモン・イ・カハールは、成人の脳の構造における非病理学的変化を説明するためにニューロン可塑性という用語を使用した。カハールは、彼の有名なニューロン理論に基づいて、ニューロンを神経系の基本単位として初めて説明し、これは後に神経可塑性の概念を開発するための重要な基礎となった。^{[21]多くの神経科学者は、可塑性という用語を}末梢神経系の再生能力のみを説明するために使用した。しかし、カハールは、成人の脳（中枢神経系の一部）の変性と再生に関する彼の発見を参照するために可塑性という用語を使用した。これは物議を醸し、ヴァルター・シュピールマイヤーやマックス・ビエルショウスキーなど一部の人は、中枢神経系は新しい細胞を生成できないと主張した。^{[22] [23]}

この用語はそれ以来広く使われるようになりました。

神経可塑性は極めて重要なので、部外者が神経可塑性が明確に定義され、現在および将来の仮説や実験を方向付けるための基本的かつ普遍的な枠組みが確立されていると想定しても無理はない。しかし、残念ながらそうではない。多くの神経科学者が神経可塑性という言葉を包括的な用語として使用しているが、異なる分野の研究者によって意味は異なる...つまり、相互に合意された枠組みは存在しないようだ。^[24]

1923 年、カール・ラシュリーはアカゲザルの実験で神経経路の変化を実証し、それが可塑性の証拠であると結論付けました。この研究や可塑性を示唆する他の研究にもかかわらず、神経科学者は神経可塑性という考えを広く受け入れませんでした。

1943年、ニコラス・ラシェフスキーの研究[25]に触発されて、マカロックとピッツ^は、ニューロンが同時に発火すると新しいシナプスが生成されるという学習規則を持つ人工ニューロンを提案しました^[26] 。これはその後、「行動の組織化」（ヘブ、1949年）で広く議論され、現在ではヘブ学習として知られています。

1945年、フスト・ゴンサロは脳のダイナミクスに関する研究から、投射領域の活動とは対照的に、「中心」皮質塊（視覚、触覚、聴覚の投射領域からほぼ等距離）は、むしろ非特異的または多感覚的な「操縦塊」であり、神経興奮性を高め、可塑性特性によって活動を再編成する能力があるという結論を下しました。^[27]彼は、適応の最初の例として、ストラットンの実験で反転メガネで直視することを挙げています。 ^[28]特に、脳損傷のいくつかの直接的な症例では、その障害、特に反転知覚障害において、動的および適応的特性を観察しました（例えば、第1巻（1945年）の260～262ページ、第2巻（1950年）の696ページを参照）。^[27]彼は、投影領域における感覚信号は反転して狭まった輪郭のみであり、脳の質量の増加により拡大され、螺旋状の成長に続いて、より中央の領域では脳の可塑性の影響により再び反転すると述べた。^[29]

カリフォルニア大学バークレー校のマリアン・ダイアモンドは、1964年に研究を発表し、解剖学的脳の可塑性に関する最初の科学的証拠を提示した。 ^{[30] [31]}

その他の重要な証拠は1960年代以降、ポール・バッハ・イ・リタ、マイケル・メルゼニッチ、ジョン・カースなどの科学者らによって発表された。^{[20] [32]}

1960年代に、ポール・バッチ・リタは、少数の人々を対象にテストされた装置を発明した。椅子に座った人の体に埋め込まれた突起が振動し、カメラで受信した画像を翻訳し、感覚代替による視覚の形を可能にするものであった。^{[33] [34]}

脳卒中から回復した人々を対象とした研究でも、脳の健康な部分が破壊された機能を少なくとも部分的に引き継ぐことがあることから、神経可塑性を支持する結果が得られた。シェパード・アイボリー・フランツはこの分野で研究を行った。^{[35] [36]}

エレノア・マグワイアは、地元のタクシー運転手がロンドンのレイアウトに関する知識を習得することに関連する海馬構造の変化を記録しました。^{[37] [38] [39]}対照群と比較して、ロンドンタクシードライバーでは灰白質の再分布が示されました。 海馬可塑性に関するこの研究は、科学者の関心を引いただけでなく、世界中の一般の人々やメディアの関心も引きました。 1. 神経可塑性のメカニズム：シナプスおよび構造の変化 神経可塑性には、シナプス接続の強度の変化であるシナプス可塑性と、脳の物理的構造の変化である構造可塑性が含まれます。 シナプス可塑性の基礎にある2つの主要なプロセス：長期増強と長期抑制があります。 長期増強は、ニューロンが繰り返し一緒に活性化されるとニューロン間のシナプスを強化し、ニューロン間の通信をより効率的にします。 逆に、LTDは、活性化パターンの頻度が低いときにシナプスを弱め、脳が不要な接続を「刈り込む」のに役立ちます。これらのプロセスは、学習と記憶、そして脳の回復能力の基礎となるメカニズムであると考えられています。

マイケル・メルツェニッチは、30 年以上にわたって神経可塑性の先駆者の 1 人として活躍してきた神経科学者です。彼は、この分野で「最も野心的な主張」のいくつかをしてきました。つまり、脳のエクササイズは統合失調症のような重篤な病気の治療に薬と同じくらい有効である可能性があること、可塑性は生涯にわたって存在すること、そして認知機能の根本的な改善 (学習、思考、知覚、記憶の方法) は高齢者でも可能であることなどです。^[33]メルツェニッチの研究は、デイビッド・ヒューベルとトルステン・ヴィーゼルが子猫の研究で行った重要な発見に影響を受けました。この実験では、片方の目を縫い合わせて閉じ、皮質脳地図を記録しました。ヒューベルとヴィーゼルは、子猫の閉じた目に関連する脳の部分が予想どおり休止状態ではないことを発見しました。代わりに、開いた目からの視覚情報を処理していました。それは「まるで脳が「皮質の不動産」を無駄にしたくなく、自分自身を再配線する方法を見つけたかのようでした。」^[33]

これは臨界期における神経可塑性を示唆していた。しかし、メルツェニッチは、臨界期を超えて神経可塑性が発生する可能性があると主張した。彼が成人の可塑性と初めて出会ったのは、クリントン・ウースリーとのポスドク研究に従事していたときだった。この実験は、1本の末梢神経を切断し、その後再生させたときに脳内で何が起こるかを観察することに基づいていた。2人の科学者は、末梢神経を切断し、その端を縫い合わせる前と後のサルの脳の手の地図をマイクロマップ化した。その後、彼らが混乱していると予想していた脳の手の地図はほぼ正常だった。これは大きな進歩だった。メルツェニッチは、「脳の地図が異常な入力に反応して構造を正常化できるのであれば、私たちはハードワイヤードシステムを持って生まれるという一般的な見解は間違っているに違いない。脳は可塑性があるに違いない」と主張した。^[33]メルツェニッチは、「経験と神経活動が脳機能を再モデル化できるようにするメカニズムの発見」により、2016年のカブリ神経科学賞を受賞した。^[40]

どのような生物学的プロセスが神経可塑性を引き起こすかについては、さまざまな考えや理論があります。この現象の核心は、シナプスと、ニューロンの機能に基づいてシナプス間の接続がどのように変化するかに基づいています。神経可塑性はさまざまな経路の結果であるため、さまざまな形をとることは広く認められています。これらの経路、主にシグナル伝達カスケードは、ニューロンの変化、つまり神経可塑性につながる遺伝子発現の変化を可能にします。

脳内の神経ネットワークの変化の根底にある生物学的プロセスに関与していると考えられる要因は他にも数多くある。これらの要因には、リン酸化によるシナプス調節、炎症と炎症性サイトカインの役割、Bcl-2タンパク質やニュートロフォリンなどのタンパク質、ミトコンドリアによるエネルギー生産などがある。^[41]

JTウォールとJシュは神経可塑性の根底にあるメカニズムを解明した。再編成は皮質から発生するものではなく、処理階層のあらゆるレベルで発生し、大脳皮質で観察される地図の変化を生み出す。^[42]

クリストファー・ショーとジル・マッカーン（編）は「神経可塑性の理論に向けて」の中で、神経可塑性の研究において、さまざまな枠組みやシステムを網羅する包括的な理論は存在しないと述べています。しかし、研究者は神経可塑性を「神経系の構造と機能に関連する適応的な変化を起こす能力」と説明することがよくあります。 ^[43]それに応じて、構造的神経可塑性と機能的神経可塑性の2つのタイプの神経可塑性がよく議論されます。

構造的可塑性は、脳が神経細胞の接続を変える能力として理解されることが多い。このタイプの神経可塑性に基づいて、生涯を通じて新しいニューロンが絶えず生成され、中枢神経系に統合される。^[44]今日の研究者は、複数の断面画像化方法（磁気共鳴画像（MRI）、コンピューター断層撮影（CT）など）を使用して、人間の脳の構造的変化を研究している。^{[45]このタイプの神経可塑性は、多くの場合、さまざまな内部または外部刺激が脳の解剖学的再編成に及ぼす影響を研究する。脳内の}灰白質の割合やシナプス強度の変化は、構造的神経可塑性の例として考えられている。構造的神経可塑性は、現在の学術界では神経科学の分野でより多く研究されている。^[21]

機能的可塑性とは、ニューロンのネットワークの機能特性を変更および適応させる脳の能力を指します。これは、次の 4 つの既知の方法で発生します。

1. 相同領域の適応
2. マップの拡張
3. モデル間の再割り当て
4. 代償的仮面劇^[2]

相同領域適応とは、反対側の脳半球の相同領域が特定の認知プロセスを担うことである。^[46]例えば、相同領域適応を通じて、認知タスクは脳の損傷部分から反対側の脳の相同領域に移行される。相同領域適応は、成人よりも子供によく見られる機能的神経可塑性の一種である。

マップ拡張では、特定の認知タスクに関連する皮質マップが、頻繁な刺激への曝露により拡大します。マップ拡張は、研究に関連して行われた実験を通じて証明されています。空間経路を学習している個人において、頻繁な刺激が脳の機能的連結性に与える影響に関する実験が観察されました。^[47]

モデル間の再割り当てには、デフォルトの入力が削除された脳領域への新しい入力信号の受信が含まれます。

代償的マスカレードによる機能的可塑性は、すでに確立された認知タスクに対して異なる認知プロセスを使用することで発生します。

機能的神経可塑性に関連する脳の変化は、次の 2 種類のイベントに反応して発生する可能性があります。

• 以前の活動（活動依存可塑性）によって記憶を獲得したり、
• ニューロンの機能不全や損傷（不適応性可塑性）に反応して病理学的事象を補うため

後者の場合、行動または生理学的プロセスの回復を生み出す要求に基づいて、脳のある部分の機能が脳の別の部分に移る。^{[48]活動依存的可塑性の生理的形態に関して、シナプスが関与するものは}シナプス可塑性と呼ばれる。シナプスの強化または弱化によってニューロンの発火率が増加または減少することは、それぞれ長期増強(LTP) および長期抑制(LTD) と呼ばれ、記憶に関連するシナプス可塑性の例と見なされている。^[49]小脳は、LTP/LTD と回路内の冗長性の組み合わせを備えた典型的な構造であり、複数の部位で可塑性を可能にする。^{[50]最近では、シナプス可塑性が、ニューロンの固有の興奮性を伴う別の形態の活動依存的可塑性によって補完されることが明らかになっており、これは}固有可塑性 と呼ばれる。^{[51] [52] [53]これは}恒常性可塑性とは対照的に、必ずしもネットワーク内のニューロンの全体的な活動を維持するわけではありませんが、記憶のエンコードに寄与します。^[54]また、多くの研究は、脳ネットワークレベルでの機能的神経可塑性を示しており、トレーニングによって機能的接続の強度が変わります。^{[55] [56]}最近の研究では、これらの観察された変化は、脳ネットワークの再編成に対する体系的な要件に根ざしている可能性があるため、神経可塑性と直接関係するものではないと議論されています。^[57]

成人の脳は、完全に固定された神経回路で「配線」されているわけではありません。訓練や傷害に応じて、皮質および皮質下の神経回路が再配線される例は数多くあります。

大脳皮質を含む複数の相互に関連する構造を含む脳のシナプスネットワークが経験に依存して能動的に再編成されることについては、十分な証拠がある^{[58] 。 [59]このプロセスが分子レベルおよび}超微細構造レベルでどのように発生するかという具体的な詳細は、活発な神経科学研究のテーマである。経験が脳のシナプス組織に影響を及ぼす仕組みは、一般心の理論や神経ダーウィニズムなど、脳機能に関する多くの理論の基礎でもある。神経可塑性の概念は、アメフラシなどの無脊椎動物モデルの古典的条件付けの研究において、経験によって引き起こされるシナプス構造と機能の変化に関連する記憶と学習の理論でも中心的な位置を占めている。

成体のげっ歯類の脳では神経新生（脳細胞の誕生）が起こり、そのような変化は老齢期まで持続するという証拠がある。 ^[60]神経新生の証拠は主に海馬と嗅球に限定されているが、研究では小脳を含む脳の他の部分も関与している可能性があることが明らかになっている。^[61]しかし、確立された回路に新しいニューロンが統合されることで誘発される再配線の程度は不明であり、そのような再配線は機能的に冗長である可能性が高い。^[62]

神経可塑性の驚くべき結果は、特定の機能に関連する脳の活動を別の場所に移動できることです。これは通常の経験から生じる場合があり、脳損傷からの回復プロセスでも発生します。神経可塑性は、損傷の機能的影響に対するリハビリテーションアプローチの文脈で、目標指向の体験的治療プログラムによる後天性脳損傷の治療の科学的根拠を支える基本的な問題です。

神経可塑性は、脳卒中後の理学療法による機能的成果の改善を少なくとも部分的に説明する理論として人気が高まっています。変化のメカニズムとして皮質再編成を示唆する証拠によって裏付けられているリハビリテーション技術には、制約誘導運動療法、機能的電気刺激、体重支持によるトレッドミルトレーニング、仮想現実療法などがあります。ロボット支援療法は、神経可塑性を介して機能すると仮定されている新しい技術ですが、この方法を使用した場合の変化の正確なメカニズムを決定するには現在のところ証拠が不十分です。^[63]

あるグループは、脳損傷患者にプロゲステロン注射のレベルを高める治療法を開発した。「外傷性脳損傷^[64] (TBI) および脳卒中後のプロゲステロン投与は、浮腫、炎症、および神経細胞死を軽減し、空間参照記憶および感覚運動回復を促進する。」^[65]臨床試験では、重傷患者群は3日間のプロゲステロン注射後に死亡率が60%減少した。^{[66]しかし、2014年に}ニューイングランド医学ジャーナルに発表された研究では、882人の患者を対象としたNIH資金による多施設第3相臨床試験の結果を詳述しており、急性外傷性脳損傷をホルモンのプロゲステロンで治療しても、プラセボと比較して患者に有意な利益をもたらさないことが判明した。^[67]

数十年にわたり、研究者たちは、人間は幼少期に両眼視、特に立体視を獲得しなければ、決して獲得できないと考えてきた。しかし近年、弱視、輻輳不全、その他の立体視異常を持つ人々の視力改善の成功は神経可塑性の代表的な例となり、両眼視の改善と立体視の回復は現在、科学的および臨床的研究の活発な分野となっている。^{[68] [69] [70]}

幻肢感覚という現象は、切断された体の一部に痛みや感覚が残り続けるというものである。これは不思議なことによくあることで、切断者の60～80%に起こる。^[71]この現象に対する説明は神経可塑性の概念に基づいており、切断された手足の皮質地図が中心後回の周囲の領域と関与するようになったと考えられている。その結果、切断された手足を担当していた皮質の領域によって、皮質の周囲の領域の活動が誤って解釈されることになる。

幻肢感覚と神経可塑性の関係は複雑です。1990年代初頭、VSラマチャンドランは幻肢は皮質再マッピングの結果であると理論づけました。しかし、1995年にヘルタ・フロールと彼女の同僚は、皮質再マッピングは幻肢痛のある患者にのみ発生することを実証しました。^[72]彼女の研究では、幻肢痛（関連感覚ではなく）が皮質再編成の知覚的相関関係であることが示されました。^[73]この現象は不適応可塑性と呼ばれることもあります。

2009年、ロリマー・モーズリーとピーター・ブルッガーは、腕を切断した被験者に視覚イメージを使って幻肢を不可能な^{[説明が必要]}構成に曲げるよう促す実験を行った。被験者7人のうち4人が幻肢の不可能な動きをすることに成功した。この実験は、被験者が幻肢の神経表現を修正し、身体からのフィードバックがない状態で不可能な動きを実行するために必要な運動コマンドを生成したことを示唆している。^[74]

慢性疼痛のある人は、以前に損傷を受けた可能性があるが、現在は健康な部位に長期にわたる疼痛を経験します。この現象は、末梢および中枢の両方で神経系の不適応な再編成による神経可塑性と関連しています。組織損傷の期間中、有害刺激と炎症により、末梢から中枢神経系への侵害受容入力が増加します。末梢からの長期にわたる侵害受容は、皮質レベルで神経可塑性反応を引き起こし、疼痛部位の体部位組織を変化させ、中枢感作を誘発します。^[75]たとえば、複合性局所疼痛症候群を経験している人は、反対側の手の皮質体部位表現が減少し、手と口の間の間隔が狭くなっています。^[76]さらに、慢性疼痛は脳全体、より具体的には前頭前野と右視床の灰白質の容積を大幅に減少させることが報告されています。^[77]しかし、治療後、皮質の再編成と灰白質の容積の異常は、それらの症状と同様に解消されます。幻肢痛^{[78] 、}慢性腰痛^[79]、手根管症候群^[80]についても同様の結果が得られたと報告されています。

多くの研究で、瞑想の実践と皮質の厚さや灰白質の密度の違いが関連していることが示されています。^{[81] [82] [83] [84]}このことを証明した最も有名な研究の1つは、2000年にハーバード大学のサラ・ラザールが主導したものです。^[85] ウィスコンシン大学の神経科学者リチャード・デイビッドソンは、ダライ・ラマと共同で瞑想が脳に与える影響に関する実験を主導しました。彼の研究結果によると、瞑想は注意、不安、抑うつ、恐怖、怒り、思いやりに関連する脳領域の物理的構造や、身体の自己治癒能力に変化をもたらす可能性があります。^{[86] [87]}

治療環境における芸術的関与は、神経ネットワークの接続に変化をもたらし、認知の柔軟性を高めることができるという実質的な証拠がある。^{[88] [89]} 2013年のある研究では、研究者は、長期にわたる習慣的な芸術的訓練（楽器の練習、意図的な絵画など）が「関連する脳領域がドメイン全般とドメイン固有の両方の方法で機能的かつ位相的にモジュール化される自発的な活動の神経ネットワークシステムを巨視的に刻印する」ことができるという証拠を発見した。 ^[90]簡単に言えば、長期間にわたって繰り返し芸術的訓練にさらされた脳は、そのような活動がより容易になり、自発的に起こりやすくなるように適応する。

一部の研究者や学者は、芸術への取り組みが人類の進化の歴史を通じて人間の脳を大きく変えてきたと示唆している。VAGAの寄稿者で行動神経科学の非常勤教授であるDWザイデルは、「進化論は芸術の象徴的性質をホモサピエンスの重要な脳の変化と結び付け、言語の発達と階層的社会集団の形成を支えている」と書いている。^[91]

音楽支援療法を行うことで、脳損傷から回復しつつある患者の神経可塑性を改善できるという証拠がある。音楽支援療法は脳卒中のリハビリテーションを受けている患者にも使用することができ、音楽支援療法に参加した脳卒中患者を対象とした1か月間の研究では、患側の手の運動制御が著しく改善したことが示された。^[92]もう1つの発見は、脳萎縮と認知機能低下を発症している成人の灰白質容積の検査であり、ピアノなどの楽器を演奏したり、音楽を聴いたりすると、尾状核、ローランド蓋、小脳などの領域の灰白質容積が増加する可能性があることである。^{[93]また、音楽支援療法は、}眼窩前頭皮質（OFC）の損傷から回復し、軽度の外傷性脳損傷から回復している患者の認知能力、幸福感、社会的行動を改善できることを示唆する証拠もある。音楽支援療法後の神経画像診断では、OFCネットワークの機能変化が明らかになり、タスクベースおよび安静時のfMRI分析の両方で改善が観察された。^[94]

有酸素運動は、脳由来神経栄養因子（BDNF）、インスリン様成長因子1（IGF-1）、血管内皮成長因子（VEGF）などの神経栄養因子（ニューロンの成長や生存を促進する化合物）の産生を増加させる。^{[95] [96] [97]}海馬に対する運動誘発性効果は、空間記憶の測定可能な改善と関連している。^{[98] [99] [100] [101]}数ヶ月間にわたる一貫した有酸素運動は、実行機能（すなわち、行動の「認知的制御」）の顕著な臨床的に有意な改善と、特に認知制御を生じる複数の脳領域における灰白質容積の増加を誘発する。 ^{[97] [98] [102] [103]}有酸素運動に反応して灰白質容積の最大の改善を示す脳構造は、前頭前野と海馬である。^{[97] [98] [99]}前帯状皮質、頭頂皮質、小脳、尾状核、側坐核に中等度の改善が見られる。^{[97] [98] [99]}体力スコア（ VO2maxで測定）が高いほど_、実行機能が向上し、処理速度が速くなり、海馬、尾状核、側坐核の容積が大きくなる。^[98]

聴覚障害のため、聴覚障害者や難聴者の脳の聴覚皮質と他の関連領域は代償的な可塑性を受ける。 ^{[104] [105] [106]}健聴者の場合、通常は聴覚情報の処理に使われる聴覚皮質が、視覚や体性感覚など他の機能に再配分されるようになった。

聴覚障害者は健聴者と比較して、周辺視覚注意が強化されており、^[107]視覚課題において動きの変化を検出する能力は優れているが色の変化を検出する能力は優れておらず、^{[105] [106] [108]}視覚探索がより効果的であり、 [ ^109]視覚ターゲットに対する反応時間が速い^{[110] [111] 。聴覚障害者の視覚処理の変化は、}一次聴覚野、後頭頂連合野(PPAC)、前帯状皮質(ACC)など他の脳領域の再利用と関連していることがしばしば発見されている。 ^[112] Bavelier ら (2006) によるレビューでは、聴覚障害者と健聴者の視覚能力の比較に関する多くの側面がまとめられている。^[113]

聴覚処理の機能を果たす脳領域は、先天性聴覚障害を持つ人では体性感覚情報の処理に再利用される。これらの領域は、閾値を超える振動の周波数変化を検出する感度が高く^[114]、体性感覚刺激を受けると聴覚皮質がより高く広範囲に活性化する。^{[115] [104]}しかし、体性感覚刺激に対する反応の速さは、成人の聴覚障害には見られない。^[110]

神経可塑性は感覚機能の発達に関与している。脳は未熟な状態で生まれ、出生後に感覚入力に適応する。聴覚系では、1000人の新生児のうち1人に発症する比較的頻度の高い先天性難聴が聴覚の発達に影響を与えることが示されており、聴覚系を活性化する感覚補綴物の移植により、聴覚障害が予防され、聴覚系の機能的成熟が促進された。^[116]可塑性の敏感期があるため、生後2～4年以内にもこのような介入の敏感期がある。その結果、言語習得前の聴覚障害児では、早期の人工内耳移植により、原則として母語を学び、音響コミュニケーションを習得することができる。^[117]

視覚障害により、盲人の視覚皮質はクロスモーダル可塑性を起こし、他の感覚の能力が向上する可能性がある。あるいはその逆も起こり、視覚入力の不足により他の感覚系の発達が弱まる可能性がある。ある研究では、音の動きを検出するタスク中に、盲人の右後中側頭回と上後頭回は、晴眼者よりも活性化することが示唆されている。^[118]いくつかの研究は後者の考えを支持し、音声距離評価、固有受容覚再生、視覚二分閾値、最小可聴角度の判断能力が弱まっていることを発見した。^{[119] [120]}

人間のエコーロケーションは、人間がエコーから環境を感知する能力を習得したものです。この能力は、一部の視覚障害者が環境をナビゲートし、周囲の環境を詳細に感知するために使用されています。2010 年^[121]と 2011 年^[122]の機能的磁気共鳴画像法を用いた研究では、視覚処理に関連する脳の部分がエコーロケーションという新しいスキルに適応していることが示されました。たとえば、視覚障害者の研究では、これらの患者が聞いたクリックエコーは、聴覚ではなく視覚に特化した脳領域で処理されたことが示唆されています。^[122]

ADHD患者を対象としたMRIおよび脳波（EEG）研究のレビューによると、アンフェタミンやメチルフェニデートなどの刺激薬によるADHDの長期治療は、ADHD患者の脳構造および機能の異常を軽減し、大脳基底核の右尾状核、^{[123] [124] [125]}左腹外側前頭前皮質（VLPFC）、および上側頭回など、脳のいくつかの部分の機能を改善することが示唆されています。^[126]

神経可塑性は、正常な人間の発達の一部として幼少期に最も活発であり、リスクと回復力の観点から子供にとって特に重要なメカニズムと見なすこともできます。^[127]トラウマは、脳の多くの領域に悪影響を及ぼし、絶え間ない活性化によって交感神経系に負担をかけるため、大きなリスクと見なされています。トラウマは脳のつながりを変化させ、トラウマを経験した子供は過度に警戒したり、過度に興奮したりする可能性があります。^[128]しかし、子供の脳は神経可塑性の作用を通じてこれらの悪影響に対処することができます。^[129]

小児の神経可塑性は4つの異なるカテゴリーに分かれており、多種多様な神経機能をカバーしています。これらの4つのタイプには、障害、過剰、適応、可塑性が含まれます。^[130]

人間の発達における神経可塑性の例は数多くあります。例えば、ジャスティン・カーとスティーブン・ネルソンは音楽訓練が神経可塑性に与える影響を研究し、音楽訓練が経験依存の構造可塑性に寄与できることを発見しました。これは、個人に固有の経験に基づいて脳に変化が生じる場合です。この例としては、複数の言語の学習、スポーツのプレー、演劇などです。2009 年にハイドが行った研究では、子供の脳の変化はわずか 15 か月の音楽訓練で見られることが示されました。^[131]カーとネルソンは、子供の脳のこの程度の可塑性は「発達障害や神経疾患のある子供への介入の一形態を提供するのに役立つ」と示唆しています。^[132]

動物種の個体は、生涯を通じて脳の形態にさまざまな変化を経験することがあります。これらの違いの多くは脳内でのホルモンの放出によって引き起こされますが、その他は進化的要因や発達段階の産物です。^{[133] [134] [135] [136]}一部の変化は、反応行動を強化または生成するために種によって季節的に発生します。

他の季節的行動に合うように脳の行動や形態を変えることは、動物では比較的一般的である。^[137]これらの変化は繁殖期に交尾する可能性を高めることができる。^{[133] [134] [135] [137] [138] [139]}季節的な脳の形態変化の例は、多くの綱や種で見ることができる。

鳥類の中では、アメリカコガラは秋の間に海馬の容積と海馬への神経接続の強さが増加する。 ^{[140] [141]}空間記憶に関連する海馬内のこれらの形態学的変化は鳥類に限らず、げっ歯類や両生類でも観察される。^[137]鳴禽類では、脳内の多くの歌制御核が交尾期に大きくなる。^[137]鳥類では、歌のパターン、頻度、音量に影響を与える脳の形態変化は一般的である。^[142]ゴナドトロピン放出ホルモン（GnRH）免疫反応性、つまりホルモンの受容は、日中に長時間光にさらされたヨーロッパムクドリでは低下する。 ^{[133] [134]}

腹足類のカリフォルニアアミウサギは、脳内の抑制因子の有効性が高まるため、交尾期以外では産卵ホルモンの抑制がより効果的である。 ^[135]脳の抑制性領域の変化は、人間や他の哺乳類にも見られる。^[136]両生類のヒキガエルでは、繁殖前と冬眠中の扁桃体の一部が繁殖後よりも大きい。 ^[138]

多くの哺乳類では、季節による脳の変化が見られます。普通の雌羊の視床下部の一部は、繁殖期には他の時期よりもGnRHに対する感受性が高くなります。^[139] 人間は秋に「視床下部視交叉上核とその中のバソプレシン免疫反応性ニューロンのサイズ」の変化を経験します。 ^[136]秋にはこれらの部分が大きくなります。春には、両方ともサイズが小さくなります。^[143]

科学者のグループは、サルの運動皮質の一部への血流が阻害されて小さな脳卒中（梗塞）が誘発された場合、損傷した脳領域に隣接する領域が刺激されると、運動によって反応する体の部分が動くことを発見しました。ある研究では、9匹の正常なサルに皮質内微小刺激（ICMS）マッピング技術を使用しました。一部のサルは虚血性梗塞処置を受け、他のサルはICMS処置を受けました。虚血性梗塞を起こしたサルは、食物を回収する際に指の屈曲がより多く維持され、数か月後にはこの欠損は手術前のレベルに戻りました。^[144]遠位前肢表現に関しては、「梗塞後のマッピング手順により、隣接する損傷していない皮質全体で運動表現が再編成されたことが明らかになりました。」^[144]損傷した領域と損傷していない領域間の相互作用を理解することは、脳卒中患者のより良い治療計画の基礎となります。現在の研究には、脳卒中の結果として大脳皮質の運動領域に生じる変化の追跡が含まれます。これにより、脳の再編成の過程で起こる事象を解明することができ、理学療法、薬物療法、電気刺激療法など、脳卒中からの回復を促進する可能性のある治療計画も研究されています。

ヴァンダービルト大学の教授ジョン・カースは、「マカクザルの頸部レベルでの長期にわたる片側背柱損傷が、視床の体性感覚野 3b と腹側後部 (VP) 核にどのような影響を与えるか」を示すことに成功しました。^[145]成人の脳は損傷の結果として変化する能力を持っていますが、再編成の程度は損傷の程度によって異なります。彼の最近の研究は、多くの感覚を使用して身体とその動きを感知する体性感覚系に焦点を当てています。通常、体性感覚皮質の損傷は身体知覚の障害につながります。カースの研究プロジェクトは、これらのシステム (体性感覚、認知、運動システム) が損傷による可塑性変化にどのように反応するかに焦点を当てています。^[145]

神経可塑性に関する最近の研究の 1 つに、エモリー大学の医師と研究者のチーム、具体的にはドナルド スタイン^[146]とデビッド ライトによる研究があります。これは、外傷性脳損傷の治療に大きな成果をもたらし、既知の副作用がなく、投与コストが安いという 40 年ぶりの治療法です。^{[66]スタインは、メスのマウスはオスのマウスよりも脳損傷からの回復が早いようで、}発情周期の特定の時点ではメスの回復がさらに早いことに気づきました。この違いはプロゲステロンのレベルの違いによるもので、マウスではプロゲステロンのレベルが高いほど脳損傷からの回復が早いと考えられます。しかし、臨床試験では、プロゲステロンは人間の患者の外傷性脳損傷に有意な効果をもたらさないことが示されました。^[147]

26歳から106歳までの人の前頭皮質の転写プロファイリングにより、40歳以降、特に70歳以降に発現が低下する遺伝子群が特定された。 ^[148]シナプス可塑性において中心的な役割を果たす遺伝子は、加齢の影響を最も大きく受け、一般的に時間の経過とともに発現が低下することが示された。また、加齢とともに遺伝子プロモーターにおける皮質DNA損傷（おそらく酸化DNA損傷）が著しく増加した。 ^[148]

活性酸素種はシナプス可塑性と認知機能の調節に重要な役割を果たしているようです。^[149]しかし、加齢に伴う活性酸素種の増加もこれらの機能の障害につながる可能性があります。

多言語使用は人々の行動や認知に良い影響を与えます。多くの研究により、複数の言語を学習する人は、1 つの言語しか話さない人よりも認知機能と柔軟性に優れていることがわかっています。バイリンガルは、モノリンガルよりも集中力が長く、組織力と分析力が強く、心の理論が優れていることがわかっています。研究者は、多言語使用が認知力の向上に及ぼす影響は神経可塑性によるものであることを発見しました。

ある著名な研究では、神経言語学者がボクセルベースの形態計測法（VBM）を使用して、健康なモノリンガルとバイリンガルの脳の構造的可塑性を視覚化した。彼らはまず、2つのグループ間の灰白質と白質の密度の違いを調査し、脳の構造と言語獲得年齢の関係を発見した。その結果、多言語話者の下頭頂皮質の灰白質密度はモノリンガルよりも有意に高かったことが示された。研究者らはまた、早期バイリンガルは後期バイリンガルに比べて同じ領域の灰白質密度が高いことも発見した。下頭頂皮質は言語学習と非常に関連のある脳領域であり、これは研究のVBM結果と一致している。^[150]

最近の研究では、複数の言語を学ぶことは脳の構造を再構築するだけでなく、脳の可塑性能力を高めることもわかっています。最近の研究では、多言語主義は脳の灰白質だけでなく白質にも影響を与えることがわかりました。白質は、学習とコミュニケーションに大きく関係する髄鞘化した軸索で構成されています。神経言語学者は、拡散テンソル画像（DTI）スキャン法を使用して、モノリンガルとバイリンガルの白質の強度を決定しました。日常生活で両方の言語を積極的に使用するバイリンガルの個人では、白質線維の髄鞘化が増加していることがわかりました。複数の言語を扱うには、脳内のより効率的な接続が必要であり、その結果、多言語主義者の白質密度が高くなります。^[151]

脳のこれらの変化が遺伝的素因によるものか環境的要求によるものかはまだ議論の余地があるが、多くの証拠は、早期多言語話者における環境的、社会的経験が脳の構造的、機能的再編成に影響を与えることを示唆している。^{[152] [153]}

歴史的に、うつ病のモノアミン不均衡仮説は、精神医学と医薬品開発において支配的な役割を果たしてきました。^[154]しかし、従来の抗うつ薬はノルアドレナリン、セロトニン、またはドーパミンの急速な増加を引き起こす一方で、臨床効果には大幅に遅れがあり、治療への反応が不十分な場合がよくあります。^[155]神経科学者がこの研究分野を追求するにつれて、複数のモダリティにわたる臨床および前臨床データが神経可塑性に関与する経路に収束し始めました。^{[156]彼らは、}シナプスの数とうつ病症状の重症度の間に強い逆相関関係があることを発見し、 ^{[157]従来の抗うつ薬は}神経伝達物質の効果に加えて神経可塑性を改善しましたが、その時間経過は数週間から数ヶ月と大幅に長引くことを発見しました。^[158]より速効性のある抗うつ薬の探索は、よく知られた麻酔薬であるケタミンの追求で成功を収めました。ケタミンは、樹状突起棘の数を急速に増加させ、機能的結合の側面を回復させる能力があるため、1回の注入で強力な抗うつ効果を発揮することがわかりました。^[159]セロトニン作動性サイケデリックス、コリン作動性 スコポラミン、およびその他の新規化合物を含む化合物のクラスを通じて、迅速かつ持続的な治療効果を持つ追加の神経可塑性促進化合物が特定されています。モノアミン調節に焦点を当てた従来の抗うつ薬と、神経可塑性を通じて治療効果を達成するこの新しいカテゴリの速効性抗うつ薬を区別するために、サイコプラストゲンという用語が導入されました。^[160]