สภาพพลาสติกข้ามระบบประสาท

สภาพพลาสติกข้ามระบบประสาท () หรือ กระบวนการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาท เป็นการเปลี่ยนการจัดระเบียบของนิวรอนเพื่อรวมส่วนของระบบประสาทรับความรู้สึกหลายระบบมาทำหน้าที่เดียวกัน
เป็นสภาพพลาสติกของระบบประสาท (neuroplasticity) ประเภทหนึ่งที่มักเกิดขึ้นเมื่อระบบประสาทขาดข้อมูลความรู้สึกที่มีเหตุจากโรคหรือความเสียหายในสมอง 
การจัดระเบียบใหม่ของเครือข่ายนิวรอนอยู่ในระดับที่สูงสุดถ้าภาวะขาดความรู้สึกเป็นแบบระยะยาว เช่นความบอดแต่กำเนิด หรือความหนวกก่อนรู้ภาษา 
ในกรณีเช่นนี้ สภาพพลาสติกข้ามระบบประสาทเป็นเหตุให้ระบบประสาทอื่นที่ไม่เสียหายเช่นการเห็นและ/หรือการได้ยิน มีสมรรถภาพเพิ่มขึ้นทดแทนระบบประสาทที่เสียหาย 
การเพิ่มสมรรถภาพอย่างนี้เกิดจากการเชื่อมต่อทางประสาทใหม่ ๆ ที่เกิดขึ้นเชื่อมคอร์เทกซ์ที่ขาดข้อมูลความรู้สึกของตนไป

แม้ว่าคนตาบอดจะไม่สามารถเห็นได้ แต่คอร์เทกซ์สายตาที่ปกติทำหน้าที่ประมวลข้อมูลทางสายตา ยังปรากฏว่ามีการใช้งานอยู่ แม้ว่าจะใช้ประมวลข้อมูลที่ไม่ใช่ข้อมูลทางตา
งานวิจัยพบว่า แม้ว่าปริมาตรของเนื้อขาว (white matter) ซึ่งเป็นเส้นประสาทประกอบด้วยแอกซอนมีปลอกไมอีลิน จะลดลงในลำเส้นใยประสาทตา (optic tract) แต่ปริมาตรของเนื้อขาวในคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิกลับไม่ลดลง
ถึงอย่างนั้น ก็ยังปรากฏว่า ปริมาตรเนื้อเทา (grey matter) ลดลงถึง 25% ในคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิ
การฝ่อของเนื้อเทา ซึ่งเป็นกลุ่มเซลล์ประสาท น่าจะมีความสัมพันธ์กับความฝ่อของเนื้อขาวในลำเส้นใยประสาทตา 
เพราะว่า ตาที่เสียหายไม่ส่งข้อมูลเกี่ยวกับการเห็น การไม่ใช้ลำเส้นใยประสาทตาจึงนำไปสู่การสูญเสียปริมาตรเนื้อเทาในคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิ
เชื่อกันว่า การฝ่อของเนื้อขาวก็เกิดขึ้นเพราะเหตุเดียวกัน แม้ว่า จะมีการสูญเสียเนื้อขาวในคอร์เทกซ์สายตาปฐมภูมิที่น้อยกว่า

โดย"กระบวนการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาท" คอร์เทกซ์การได้ยินและคอร์เทกซ์สายตามีการเชื่อมต่อกันในคนที่ตาบอดตั้งแต่เยาว์วัยมากกว่าคนที่เห็นเป็นปกติ
การเชื่อมต่อกันเช่นนี้ เพิ่มความสามารถของระบบการได้ยินของคนตาบอด ทำให้มีสมรรถภาพที่ดีกว่าในการงานเกี่ยวกับเสียงเช่นการตรวจจับเสียงพยางค์ 
แต่ว่า การเชื่อมต่อกันเช่นนี้ก็ทำให้ระบบการได้ยินต้องอาศัยคอร์เทกซ์สายตาในการตรวจจับเสียง 
การกำหนดตำแหน่งของเสียงในปริภูมิเกิดการขัดข้องได้ในผู้ที่ตาบอดตั้งแต่ในเยาว์วัย โดยการสร้างรอยโรคชั่วคราวในคอร์เทกซ์สายตา ผ่านการกระตุ้นประสาทด้วยสนามแม่เหล็กผ่านกะโหลก (transcranial magnetic stimulation)

ก็เพราะการใช้คอร์เทกซ์สายตาเพื่อเพิ่มสมรรถภาพให้ระบบการได้ยิน "กระบวนการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาท"จึงประกอบระบบรับความรู้สึกทั้งสองนี้เข้าด้วยกัน
และทำการประมวลข้อมูลเกี่ยวกับเสียงให้กระจัดกระจายไปในระบบรับความรู้สึกทั้งสอง 
ดังนั้น จึงมีระดับการทำงานที่น้อยลงในคอร์เทกซ์การได้ยิน (auditory cortex) โดยพบว่า คนตาบอดใช้ transverse temporal gyrus (หรือเรียกว่า Heschl’s gyri ซึ่งเป็นระบบแรกในเปลือกสมองที่รับสัญญาณข้อมูลเกี่ยวกับเสียง) น้อยกว่าคนปกติเมื่อทำงานที่ต้องตรวจจับเสียง 
เพราะว่า ระบบสายตาสามารถที่จะทำหน้าที่ประมวลผลบางอย่างของระบบการได้ยิน Heschl’s gyri จึงไม่มีความสำคัญในการได้ยินในคนตาบอดเท่ากับคนปกติ

ในคนตาบอด คอร์เทกซ์รับความรู้สึกทางกาย (somatosensory cortex) ก็สามารถที่จะเกณฑ์คอร์เทกซ์สายตาให้ช่วยแปลผลเกี่ยวกับความรู้สึกสัมผัสด้วย
"กระบวนการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาท"เปลี่ยนการเชื่อมต่อกันของโครงสร้างในสมอง และนำไปสู่การเชื่อมต่อกันในระดับที่สูงขึ้นระหว่างคอร์เทกซ์ในระบบสายตาและระบบรับความรู้สึกทางกาย 
นอกจากนั้นแล้ว คอร์เทกซ์รับความรู้สึกทางกายยังเป็นศูนย์เชื่อมต่อกันของทางประสาทในสมองที่ไม่ปรากฏในคนที่มีตาปกติ 
ด้วยการเปลี่ยนการเชื่อมต่อกันข้ามระบบประสาทอย่างนี้ คนที่ตาบอดตั้งแต่เยาว์วัยสามารถที่จะตอบสนองต่อตัวกระตุ้นทางสัมผัสได้รวดเร็วกว่าและแม่นยำกว่า เพราะว่ามีวิถีประสาทที่ใช้ในการแปลผลที่กว้างขวางกว่า

ส่วนหนึ่งของระบบการเห็นที่คอร์เทกซ์รับความรู้สึกทางกายสามารถกะเกณฑ์ก็คือทางสัญญาณด้านหลัง (dorsal stream ที่กล่าวถึงในสมมุติฐานทางสัญญาณสองทาง)
คือ ปกติแล้ว ทางสัญญาณด้านหลังใช้สำหรับระบุตำแหน่งของวัตถุทางตาสำหรับบุคคลที่เห็นเป็นปกติ แต่คนที่ตาบอดตั้งแต่เยาว์วัยใช้ทางสัญญาณด้านหลังในการรับรู้สัมผัสของวัตถุสามมิติ 
แต่ว่า ทั้งคนเห็นและคนบอดใช้ทางสัญญาณด้านหลังเพื่อแปลผลข้อมูลเกี่ยวกับปริภูมิ ซึ่งบอกเป็นนัยว่า กระบวนการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาทปรับทางสัญญาณด้านหลังให้ทำงานเนื่องด้วยความรู้สึกสัมผัส แต่ไม่ใช่จะไปเปลี่ยนหน้าที่ของทางสัญญาณนั้นได้โดยทั้งหมด

มีหลักฐานว่า ระดับการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาทระหว่างระบบรับความรู้สึกทางกายและระบบสายตานั้น ขึ้นอยู่กับประสบการณ์ที่ได้รับ
ในงานวิจัยหนึ่งที่ใช้อุปกรณ์ติดไว้ที่ลิ้นที่ให้สัมผัสต่าง ๆ เพื่อส่งข้อมูลเกี่ยวกับปริภูมิ ผู้ที่ตาบอดแต่เยาว์วัยมีการทำงานในคอร์เทกซ์สายตา (ที่เกี่ยวเนื่องกับข้อมูลสัมผัสจากอุปกรณ์นั้น) ภายในหนึ่งอาทิตย์หลังจากเริ่มฝึกใช้อุปกรณ์นั้น 
คือ ถึงแม้ว่า จะไม่มีการเชื่อมต่อกันข้ามระบบประสาทตั้งแต่ต้น ผู้ที่ตาบอดแต่เยาว์วัยสามารถสร้างการเชื่อมต่อกันระหว่างคอร์เทกซ์รับความรู้สึกทางกายและคอร์เทกซ์สายตา แต่คนตาดีที่เป็นกลุ่มควบคุมไม่มีการสร้างการเชื่อมต่อกันอย่างนี้

ผู้ที่ตาบอดแต่เยาว์วัยหรือแต่กำเนิดจะมีการเชื่อมต่อกันข้ามระบบประสาทที่มีกำลังกว่าถ้าเริ่มหัดใช้อักษรเบรลล์ในวัยที่เยาว์กว่า 
การเริ่มใช้อักษรเบรลล์ในวัยที่เยาว์กว่าเปิดโอกาสให้เกิดการเชื่อมต่อกันในระดับที่สูงกว่าในช่วงเวลาที่เด็กต้องใช้ความรู้สึกสัมผัสในการอ่านหนังสือแทนที่จะใช้สายตา
และก็อาจจะเป็นเพราะการเชื่อมต่อกันข้ามระบบประสาทอย่างนี้นี่แหละ ที่งานวิจัยที่ทดสอบความรู้สึกแสดงว่า ความรู้สึกเกี่ยวกับสัมผัสในคนตาบอดมีความละเอียดกว่าคนปกติ 
และความละเอียดอ่อนที่เพิ่มขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับประสบการณ์ที่มี

"กระบวนการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาท"ก็สามารถเกิดขึ้นได้ด้วยในบุคคลที่หูหนวกก่อนที่จะรู้ภาษา
งานวิจัยที่ใช้เทคนิค fMRI พบว่า คนหูหนวกใช้ทั้งคอร์เทกซ์การได้ยินปฐมภูมิ (primary auditory cortex) ทั้งคอร์เทกซ์สายตาเมื่อกำลังดูคนใช้ภาษามือ 
คือ ถึงแม้ว่า คอร์เทกซ์การได้ยินจะไม่ได้รับข้อมูลอะไร ๆ จากหู คนหูหนวกก็ยังใช้ส่วนบางส่วนในคอร์เทกซ์การได้ยินเพื่อแปลผลข้อมูลทางตา 
สมรรถภาพของการรับรู้ความรู้สึกพื้นฐานต่าง ๆ เช่นการแยกแยกความสว่าง ความไวต่อความเปรียบต่างทางตา (visual contrast sensitivity) ระยะเวลาต่ำที่สุดที่แยกแยะได้ การรับรู้ระยะเวลา และการเคลื่อนไหวต่ำสุดที่ให้รู้ทิศทางได้ ไม่ปรากฏว่าเปลี่ยนไปเพราะการสูญเสียความรู้สึกเช่นการได้ยิน
แต่ว่า การแปลผลในระดับที่สูงขึ้นไปอาจจะมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อทดแทนความรู้สึกที่เสียไป ในกรณีของการสูญเสียการได้ยิน การทดแทนปรากฏที่การแปลผลของลานสายตารอบข้าง (periphery) และความสามารถในการตรวจจับความเคลื่อนไหวในลานสายตารอบข้าง

คนหูหนวกไม่มีข้อมูลการได้ยิน ดังนั้น จึงมีการใช้คอร์เทกซ์การได้ยินเพื่อช่วยประมวลผลเกี่ยวกับข้อมูลทางตาและเกี่ยวกับภาษา
การทำงานของคอร์เทกซ์การได้ยินของคนหูหนวกปรากกฏว่าขึ้นอยู่กับการใส่ใจ (attention) ด้วย 
แต่ว่า กระบวนการเกี่ยวกับความใส่ใจทางตาในคนหูหนวกบางอย่าง ไม่แตกต่างอย่างสำคัญระหว่างคนหูหนวกกับคนหูดี 
คอร์เทกซ์การได้ยินมีการทำงานที่สูงเมื่อคนหูหนวกกำลังใส่ใจในตัวกระตุ้นทางตา และมีการทำงานที่ต่ำกว่าถ้าตัวกระตุ้นนั้นไม่สามารถที่จะเห็นได้ 
งานวิจัยหนึ่งพบว่า คนหูหนวกแปลข้อมูลเกี่ยวกับลานสายตารอบข้างได้เร็วกว่าคนหูดี 
ความหนวกปรากฏว่าเพิ่มระดับการใส่ใจไปยังลานสายตารอบข้าง แต่ไม่เพิ่มระดับที่ลานสายตาส่วนกลาง 
ดังนั้น สมองดูเหมือนจะทดแทนการสูญเสียการได้ยินโดยเพิ่มความใส่ใจให้กับลานสายตาด้านนอก แต่ว่า ความใส่ใจในลานสายตาส่วนกลางอาจจะเกิดความบกพร่อง

การปรับเปลี่ยนมักจะจำกัดอยู่ในเขตสมองที่ปกติเกี่ยวข้องกับทั้งตัวกระตุ้นทางหูและตัวกระตุ้นทางตา ไม่ใช่เป็นการทำเขตการได้ยินโดยเฉพาะให้เป็นเขตการเห็น
คือ การปรับปรุงให้ดีขึ้นของระบบสายตาดูเหมือนจะจำกัดอยู่ในเขตสมองที่ปกติประสานข้อมูลทางตากับทางหู
มีงานวิจัยหลายงานที่แสดงความเปลี่ยนแปลงในสมองกลีบขมับด้านหลัง (posterior parietal cortex) โดยเฉพาะในคนหูหนวก ซึ่งเป็นศูนย์สำคัญเกี่ยวกับการใส่ใจทางตา แต่ก็เป็นเขตที่รู้กันว่า ประสานข้อมูลจากระบบรับความรู้สึกต่าง ๆ

งานวิจัยเร็ว ๆ นี้ แสดงว่า ในการทดสอบที่ต้องอาศัยความใส่ใจทางตาเช่นในการติดตามวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ หรือในการนับจำนวนวัตถุ คนหูหนวกไม่ได้มีสมรรถภาพที่ดีกว่าคนหูดี 
แต่ว่า ก็ยังสามารถเห็นการแปลผลทางตาที่ดีกว่าในคนหูหนวก แม้ว่า บุคคลนั้นอาจจะไม่ได้กำลังใส่ใจต่อตัวกระตุ้นเฉพาะหน้า 
งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 2011 พบว่า คนหูหนวกแต่กำเนิดมีเขต neuroretinal rim ในจานประสาทตา (optic disc) ที่ใหญ่กว่าคนหูดี ซึ่งบอกเป็นนัยว่า คนหูหนวกอาจจะมี retinal ganglion cells มากกว่า

คนหูหนวกบ่อยครั้งใช้ภาษามือในการสื่อสาร
แต่ว่า ภาษามือโดยลำพังไม่ปรากฏว่าเปลี่ยนการจัดระเบียบในสมองอย่างสำคัญ
และจริง ๆ แล้ว ข้อมูลจากการสร้างภาพสมอง (neuroimaging) และจากสรีรวิทยาไฟฟ้า ที่ศึกษาความเปลี่ยนแปลงทางหน้าที่ของวิถีประสาทที่เกี่ยวกับการเห็น, และจากงานวิจัยที่ระงับระบบความรู้สึกในสัตว์ทดลอง แสดงว่าสมรรถภาพที่ดีขึ้นในการประมวลผลเกี่ยวกับความใส่ใจรอบ ๆ ลานสายตาที่พบในคนหูหนวก ไม่ปรากฏในคนหูดีที่มีพ่อแม่หูหนวกและใช้ภาษามือเป็นภาษาแรก
เช่น งานวิจัยปี ค.ศ. 2001 ที่ใช้ fMRI เปรียบเทียบคนหูหนวก คนหูดี และคนหูดีที่ใช้ภาษามือได้ตั้งแต่เยาว์วัย พบว่า คนหูดีทั้งสองพวกมีการทำงานเกี่ยวกับลานสายตารอบนอกเหมือนกัน ซึ่งต่างจากคนหูหนวก
และความเปลี่ยนแปลงที่ดีขึ้นของการแปลผลเกี่ยวกับความใส่ใจในลานสายตารอบนอกที่พบในคนหูหนวกไม่ปรากฏในคนใช้ภาษามือที่สามารถได้ยิน ดังนั้น เป็นไปได้น้อยที่การใช้ภาษามือจะเป็นเหตุของความแตกต่างทางประสาทเกี่ยวกับการใส่ใจทางตา

อีกวิธีหนึ่งที่จะสามารถเห็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาทในคนหูหนวกก็คือ ผลที่เกิดขึ้นเนื่องจากการฝัง cochlear (หูชั้นในรูปหอยโข่ง) เทียม
คือ ในบุคคลที่หูหนวกก่อนการรู้ภาษา สภาพพลาสติกข้ามระบบประสาทที่ได้เกิดขึ้นขัดขวางการแปลผลข้อมูลภาษาที่ได้ยินโดยใช้ cochlear เทียม
เพราะในบุคคลที่หูหนวกก่อนการรู้ภาษา คอร์เทกซ์การได้ยินได้มีการปรับเปลี่ยนเพื่อประมวลผลข้อมูลทางตา ดังนั้น จึงไม่สามารถแปลผลข้อมูลความรู้สึกใหม่ที่ได้มาจาก cochlear เทียม
แต่ว่า สำหรับบุคคลที่หูหนวกหลังรู้ภาษา ประสบการณ์ที่ได้มาจากตัวกระตุ้นทางตาเช่นการอ่านคำพูดจากปาก สามารถช่วยบุคคลนั้นให้เข้าใจคำพูดได้ดีกว่าเมื่อได้รับข้อมูลช่วยจาก cochlear เทียม
ผู้หูหนวกหลังรู้ภาษาไม่ปรากฏการกะเกณฑ์คอร์เทกซ์การได้ยินให้ช่วยในการแปลผลทางการเห็นเท่ากับคนที่หูหนวกก่อนรู้ภาษา ดังนั้น จึงประสบผลสำเร็จที่ดีกว่ากับ cochlear เทียม

นอกจากนั้นแล้ว ยังพบด้วยว่า คนหูหนวกหลังรู้ภาษาที่ได้รับ cochlear เทียม จะเริ่มมีการใช้คอร์เทกซ์สายตาในการประมวลผลเกี่ยวกับเสียง แม้ว่าจะหลับตาอยู่ แต่จะเป็นเสียงที่อาจจะมีความหมายเท่านั้น
ตัวอย่างก็คือ คอร์เทกซ์สายตามีการทำงานเมื่อได้ยินเสียงเป็นคำ ไม่ใช่แต่เป็นเสียงสระเท่านั้น ผู้ทำงานวิจัยแสดงว่า การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนี้ไม่ได้มีมาแต่เดิม แต่เกิดขึ้นหลังจากที่มีการฝัง cochlear เทียม เท่านั้น และบุคคลที่ได้ยินเป็นปกติไม่ปรากฏการทำงานในคอร์เทกซ์สายตาในระดับที่เท่ากันเมื่อได้ยินเสียงเดียวกัน
การทำงานในลักษณะเช่นนี้เป็นหลักฐานอีกอย่างหนึ่งว่า กระบวนการเปลี่ยนแปลงข้ามระบบประสาทต้องอาศัยการใส่ใจและประสบการณ์