Η μελέτη της πλαστικότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου σε όλα τα επίπεδα είναι ένα πολύ σημαντικό βήμα στην εξερεύνηση της λειτουργίας του εγκεφάλου και παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στον σχεδιασμό θεραπειών αποκατάστασης μετά από εγκεφαλικές και κινητικές βλάβες. Τα τελευταία είκοσι χρόνια έχει καθιερωθεί πλέον η ιδέα ότι ο ώριμος εγκέφαλος μπορεί να ανακατανέμει τις περιοχές του στην περίπτωση μιας βλάβης ή στην περίπτωση περισσότερης χρήσης ή νέας λειτουργίας, αναδιοργανώνοντας έτσι την λειτουργικότητά του. Και ενώ υπάρχουν αρκετές μελέτες σε ζώα και λιγότερες σε ανθρώπους όπου μελετάται η χωρική έκταση των αλλαγών αυτών, λίγες εργασίες υπάρχουν που να μελετούν τη δυναμική των αλλαγών αυτών σε ένα πεδίο χρόνου μερικών ωρών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή συνεισφέρει ακριβώς σε αυτόν τον τομέα: τη μελέτη των πλαστικών αλλαγών σε ένα εύρος χρόνου 6 ωρών με διαδοχικές μαγνητοεγκεφαλογραφικές (ΜΕΓ) μετρήσεις ανά μία ώρα της αναπαράστασης των δακτύλων στον πρωτεύοντα σωματοαισθητικό φλοιό. Μέχρι τώρα στην βιβλιογραφία οι μελέτες για βραχύχρονη πλαστικότητα εστίαζαν στη μελέτη αλλαγών μετά από συγκεκριμένη σωματοαισθητική διέγερση για συγκεκριμένο κάθε φορά χρόνο από μερικά λεπτά και έως τρεις με τέσσερις ώρες. Τα αποτελέσματα των ερευνών αυτών παρουσιάστηκαν διαφορετικά για διαφορετικούς χρόνους μελέτης. Έτσι και για την περίπτωση των δακτύλων στον σωματοαισθητικό φλοιό, μετά από σύντομο χρονικό διάστημα σωματοαιθητικής αλλαγής, η Ευκλείδεια απόσταση μεταξύ των μελετούμενων περιοχών έδειχνε να συρρικνώνεται (Braun et al, 2000; Ziemus et al, 2000) ενώ μετά από περισσότερο χρονικό διάστημα, αυτή να αυξάνεται (Godde et al, 2003; Schaeffer et al, 2004). Η παρούσα μελέτη, συνεισφέρει στην έρευνα της δυναμικής των πλαστικών αλλαγών σε μικρό εύρος χρόνου. Το πρωτόκολλο, είναι εμπνευσμένο από το πρώτο πείραμα πού έδειξε την ύπαρξη πλαστικότητας στον ώριμο εγκέφαλο μέσω της δημιουργίας συνδακτυλίας σε πιθήκους (Allard et al, 1988; 1991). Οι συγγραφείς παρατήρησαν σημαντικές αλλαγές στην αντιπροσώπεση των δύο αυτών δακτύλων στον σωματοαισθητικό φλοιό (Δ3 και Δ4) μετά από 3-7.5 μήνες. Οι δύο περιοχές εμφανίστηκαν ενοποιημένες, και χωρίς την διαχωριστική γραμμή που συνήθως τις διαχωρίζει. Επίσης παρατηρήθηκε η ύπαρξη ιδιοδεκτικών πεδίων που ανταποκρίνονταν στον ερεθισμό και των δύο δακτύλων. Οι συγγραφείς εξέφρασαν αυτό το αποτέλεσμα ως μία ένδειξη του ρόλου του χρονικού συγχρονισμού όπως εκφράζεται και με την αρχή του Hebb για την ομαδοποίηση των εισερχόμενων σημάτων και τον σχηματισμό των ιδιοδεκτικών πεδίων στον φλοιό. Το πρωτόκολλο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη και εμπνευσμένο από το προηγούμενο πείραμα περιλαμβάνει το δέσιμο των δακτύλων του δεξιού χεριού εθελοντών από τον δείκτη (Δ2) έως το μικρό δάκτυλο (Δ5) και τον ξεχωριστό ηλεκτρικό ερεθισμό των Δ2 και Δ5 για τον εντοπισμό της αντιπροσώπευσής τους στον σωματοαισθητικό φλοιό μέσα σε συνολικό χρονικό διάστημα 5.5 ωρών. Οι καταγραφές πραγματοποιήθηκαν με την τεχνική της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας, και η ανάλυση έγινε βάσει της μεθόδου της Μαγνητικής Απεικόνισης Πηγών (Μagnetic Source Imaging). H MΕΓ, χάρη της μη αλλοίωσης των μαγνητικών σημάτων από τις ενδιάμεσες δομές του εγκεφάλου χαρίζει καλλίτερο εντοπισμό των ενεργοποιημένων περιοχών. Το κάθε πείραμα αποτελείτο από 7 ΜΕΓ μετρήσεις, με διαλείμματα μεταξύ των μετρήσεων. Η μέση απόσταση μεταξύ των καταγραφών ήταν περίπου 50 λεπτά της ώρας και το κάθε διάλειμμα διαρκούσε μισή ώρα. Η πρώτη καταγραφή έγινε πριν το δέσιμο των δακτύλων. Επίσης καταγραφές της ποσότητας του ηλεκτρικού παλμού (Sensory nerve action potential, SNAP) πάνω στο ωλένιο και μέσο νεύρο γινόταν ταυτόχρονα για την διασφάλιση της σταθερότητας του ηλεκτρικού παλμού που εισέρχεται στο σωματοαισθητικό φλοιό. Δύο πειράματα ελέγχου συμπληρώνουν το πρωτόκολλο, σε μερικούς από τους συμμετέχοντες, ένα με επανάληψη της διαδικασίας χωρίς δέσιμο των δακτύλων μετά από μερικούς μήνες και ένα με συμπληρωματικές ταυτόχρονες μετρήσεις στο άλλο ημισφαίριο. Τέλος η ανατομική μαγνητική τομογραφία, για κάθε συμμετέχοντα λήφθηκε, για επιβεβαίωση του εντοπισμού του ισοδύναμου διπόλου. Μέσω της τεχνικής λοιπόν του ισοδύναμου δίπολου, για κάθε δάκτυλο και κάθε ΜΕΓ καταγραφή κατά την διάρκεια των 5.5 ωρών εντοπίστηκε το ισοδύναμο δίπολο που χαρακτηρίζει το κέντρο βάρους της αντιπροσώπευσης του μεσοποιημένου προκλητού δυναμικού στον πρωτοταγή σωματοαισθητικό φλοιό. Στην συνέχεια ελήφθησαν οι συντεταγμένες του. Μετά την επεξεργασία προ-ανάλυσης του σήματος, μελετήθηκε το ισοδύναμο δίπολο που περιγράφει την κορυφή P30m. Το κύμα P30m προσδιορίζει την είσοδο του ηλεκτρικού σήματος στον σωματοαισθητικό φλοιό. Η θέση του διπόλου κατά τη διάρκεια των μετρήσεων παρουσίασε στατιστικώς σημαντικές αλλαγές, παραμένοντας εντούτοις μέσα στον σωματοαισθητικό φλοιό. Όπως έχει αποδειχθεί και από άλλες μελέτες, στατιστικά σημαντικές αλλαγές στη θέση του ισοδύναμου διπόλου ισοδυναμούν με αλλαγές στην σωματοτοπία (Hodzic et al, 2004; Pleger et al, 2003; 2001). Τα αποτελέσματά λοιπόν έδειξαν ότι συμβαίνουν στατιστικώς σημαντικές αλλαγές στην Ευκλείδεια απόσταση (ΕΑ) των περιοχών μέσα στις 5 περίπου ώρες που διαρκεί η ‘τεχνητή συνδακτυλία’ που επιβάλαμε. Αναλυτικά, και όπως φαίνεται στην Εικόνα 1, στην διάρκεια της πρώτης μισής ώρας, μια μείωση της ΕΑ μεταξύ του δεύτερου (Δ2) και πέμπτου δακτύλου (Δ5) έλαβε χώρα ακολουθούμενη από μία αύξηση της ΕΑ για τις επόμενες δύο ώρες. Στη συνέχεια, ξεκινάει μια μείωση της ΕΑ η οποία διαρκεί πάλι περίπου 2 ωρες. Σημειώνουμε εδώ ότι στα πειράματα ελέγχου, δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές στην ΕΑ μεταξύ των δακτύλων, κάτι που μας κάνει να πιστεύουμε ότι η αλλαγές στην ΕΑ οφείλονται αποκλειστικά στην νέα σωματοαισθητική κατάσταση που δημιουργήθηκε με το δέσιμο των δακτύλων. Οι παρατηρούμενες αλλαγές, οι οποίες συμβαίνουν καθ’ όλη τη διάρκεια των έξι ωρών, οδηγούν στο συμπέρασμα ότι συμβαίνει μία συνεχής ανακατανομή (remapping) των περιοχών των δύο δακτύλων στη διάρκεια του χρόνου αυτού. Σημειώνουμε εδώ ότι στα πειράματα ελέγχου, δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές στην ΕΑ μεταξύ των δακτύλων, κάτι που μας κάνει να πιστεύουμε ότι οι αλλαγές στην ΕΑ οφείλονται αποκλειστικά στην νέα σωματοαισθητική κατάσταση που δημιουργήθηκε με το δέσιμο των δακτύλων. Επειδή ενδείξεις δεν έχουμε για αλλαγή στην ισχύ του διπόλου συμπεραίνουμε ότι οι αλλαγές αυτές οφείλονται σε μετατόπιση και όχι σε εξάπλωση των αντίστοιχων περιοχών της αντιπροσώπευσης των δακτύλων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι οι αλλαγές που παρατηρήσαμε συμβαδίζουν με αλλαγές άλλων ερευνητών στον σωματοαισθητικό φλοιό, ανάλογα με τον χρόνο της παρατήρησης. Δηλαδή, παρόμοιες αλλαγές συμβαίνουν στους αντίστοιχους χρόνους. Αναλυτικά, αύξηση της ΕΑ έχει παρατηρηθεί σε μικρά χρονικά διαστήματα ενώ μείωση της ΕΑ μετά από μεγαλύτερα (της τάξεως των μερικών ωρών) διαστήματα μετά από κάποια σωματοαισθητική αλλαγή/τροποποίηση. Τα αποτελέσματά μας λοιπόν ενοποιούν τα προηγούμενα αποτελέσματα παρουσιάζοντας ένα ενοποιημένο χρονικό πλαίσιο μέσα στο οποίο παρουσιάζονται οι αλλαγές αυτές. Ένα συμπέρασμα που μπορεί να εξαχθεί είναι ότι η ανακατανομή των ιδιοδεκτικών πεδίων των νευρώνων του σωματοαισθητικού φλοιού γίνεται με μη γραμμικό τρόπο. Ο εγκέφαλος προκειμένου να προσδιορίσει τις ομάδες νευρώνων που αναπαριστούν καλλίτερα τη νέα σωματοαισθητική πραγματικότητα ανακαταμερίζει τις δυνάμεις του και επαναπροσδιορίζει τα όριά του. Η αναδιάρθρωση των χαρτών του εγκεφάλου σε τόσο μικρά χρονικά διαστήματα έχει αποδοθεί σε μεταβολή της αναστολής. Το γεγονός ότι οι αλλαγές αυτές στην αναπαράσταση των δακτύλων Δ2 και Δ5 έγιναν τόσο γρήγορα δεν πρέπει να μας εκπλήσσει καθώς μελέτες σε in vivo και in vitro έχουν αποδείξει ότι παρόμοιες αλλαγές στο συναπτικό επίπεδο συμβαίνουν σε χρονικά όρια παρόμοια με αυτά του πειράματός μας, όπως στο LTP και LTD. Επίσης, άλλοι μηχανισμοί όπως αυτοί της ομοιόστασης συμμετέχουν ενεργά σε παρόμοιες περιπτώσεις που έχει παρουσιαστεί πλαστικότητα μετά από αλλαγή στην σωματοαισθητική εμπειρία. Η παρούσα μελέτη εκτός του ότι θέτει ένα χρονικό πλαίσιο μέσα στο οποίο, διαφορετικές αλλαγές στην ΕΑ λαμβάνουν χώρα, αποτελεί μια πρώτη ένδειξη της σημαντικότητας του χρόνου ως παραμέτρου σε ηλεκτροφυσιολογικές μετρήσεις. / The adult primary somatosensory cortex (SI) exhibits a detailed topographic organization of the hand and fingers, which undergoes plastic reorganizational changes following modifications of the sensory input. Although the spatial properties of these changes have been extensively investigated, little is known about their temporal dynamics. The current PhD thesis, contributes exactly to this field: to the study of plastic changes in time frame of 6 hours with consecutive Magnetoencephalographic measurements every hour. The inspiration for the protocol came from the finger webbing paradigm first employed to study adult human representational plasticity. In this paradigm of finger webbing, 4 fingers are temporarily webbed together, hence modifying their sensory feedback, for about 6 hours. We used Magnetoencephalography, a non invasive technique to study magnetic fields of the human brain, in order to measure changes in the hand representation in SI, before, during, and after finger webbing for this time frame of 6 hours. Cortical sources representing the index and little finger were localized using electric current stimulation and with the Equivalent Current Dipole method for all the recording sessions. Our results showed a decrease in the Euclidean distance (ED) between the cortical sources of the index and small finger 30 min after webbing, followed by an increase lasting for about 2 h after webbing, which was followed by a return toward baseline values. These results provide a unique frame in which the different representational changes occur, merging previous findings that were only apparently controversial, in which either increases or decreases in ED were reported after sensory manipulation for relatively long or short duration, respectively. Moreover, these observations further confirm that the mechanisms that underlie cortical reorganization are extremely rapid in their expression and, for the first time, show how brain reorganization occurs over time.