Brain plasticity and early development: Implications for early intervention in neurodevelopmental disorders

Epigenetics is changing the interpretation of “genetics” in relation to “environment”, in that the genetic code is not exclusively responsible for the “destiny” of a child's development; environment also has a role in child development. Gene and environment interact over a lifetime and influence maturation of neural circuits and shape changes in physical and mental development. This property, called brain plasticity, is more prominent in early postnatal periods (“critical periods”), which are specific time windows when neural circuits display a heightened sensitivity in acquiring instructive and adaptive signals from the external environment. These periods are not a simple maturation process but represent a complex developmental system that involves different functions (visual, auditory, somatosensory, cognitive ones) and region-specific time courses within specific functional circuits. Several studies have revealed that early experience and environmental stimuli, including parent-infant relationship, nutrition and neuro-endocrine signals, play a critical role in brain development. In this review, the effects of early experience, from bench to humans, on development and neuronal plasticity are discussed, underlining the influences of environment and reporting evidence on the effects of deprived environment. In the second part, the concept of “enriched environment” (EE) is introduced and evidence is reported on the effects of EE and its implications in the field of early intervention for infants at risk of developing neurodevelopmental disorders, in particular for preterm infants. To conclude, recent findings of our group on the use of a novel biomechatronic and tele-monitored system as a tool for early intervention is reported to indicate, for the first time, the feasibility of an intervention based on Information Communication Technology in the first year of life. Despite growing scientific knowledge and evidence regarding the effects of environment on brain development, the mechanisms of this complex interaction are still largely unknown. Further research is still necessary to explore and better understand the influences of environment and the role of early intervention on producing epigenetic modifications, their long term effects, and their relation to age and critical periods.

RésuméL'épigénétique change la manière d'interpréter la « génétique » par rapport à « l'environnement », montrant que le code génétique n'est pas le seul responsable du « destin » du développement d'un enfant. L'environnement joue également un rôle crucial dans son développement. Cette propriété, appelée plasticité cérébrale, est plus forte dans les premières périodes de vie postnatale (« périodes critiques »), qui sont des fenêtres temporelles spécifiques lorsque les circuits neuronaux présentent une sensibilité accrue pour acquérir des signaux instructifs et adaptatifs à partir de l'environnement externe. Ces périodes sont considérées non pas comme un simple processus de maturation, mais comme un système de développement complexe qui implique des fonctions différentes (visuelle, auditive, somato-sensorielle, cognitive). Plusieurs études ont mis en évidence que l'expérience précoce et les stimuli environnementaux, y compris la relation parent-nourrisson, la nutrition et les signaux neuro-endocriniens, jouent un rôle crucial dans le développement du cerveau. Dans cette revue, nous discutons les effets des expériences précoces, de la paillasse aux humains, sur le développement et la plasticité neuronale, mettant en évidence les influences de l'environnement et rapportant des preuves sur les effets de l'environnement carencé. Dans la deuxième partie, le concept d'« environnement enrichi » (EE) est introduit et des preuves sont rapportées sur les effets de l'EE et ses implications dans le domaine de l'intervention précoce chez les nourrissons à risque de troubles du développement neurologique, en particulier chez les nouveau-nés prématurés. Enfin, des expériences récentes de notre groupe sur l'utilisation d'un nouveau système bioméchatronique et télé-surveillé comme outil d'intervention précoce sont présentées. Ils indiquent pour la première fois la faisabilité d'une intervention basée sur les technologies de l'information et de la communication au cours de la première année de vie. Malgré les connaissances scientifiques croissantes et les preuves concernant les effets de l'environnement sur le développement du cerveau, les mécanismes de cette interaction complexe sont encore largement inconnus. D'autres recherches sont encore nécessaires pour explorer et mieux comprendre : les influences de l'environnement et le rôle de l'intervention précoce sur la production de modifications épigénétiques, leurs effets à long terme et leur relation avec l'âge et les périodes critiques.