Едно от най-загадъчните и недоразгадани "явления" е човешкият мозък. Около този сложен орган се въртят множество въпроси: защо сънуваме, как емоциите влияят на вземането на решения, кои нервни клетки са отговорни за възприемането на светлина и звук, защо едни обичат шпроти, а други обожават маслини? Всички тези въпроси касаят мозъка, който е централният процесор на човешкия организъм. Многобройни години учените отделяха особено внимание на мозъка на хората, които по някакъв начин се откроявали от тълпата (от самоучители гении до изчислителни психопати). Но има категория хора, чейто необичаен comportement се свързва с тяхната възраст — тийнейджъри. Много тийнейджъри притежават изострено чувство за противоречие, дух на авантюризъм и непреодолимо желание за приключения. Учените от Университета на Пенсилвания решиха да разгледат подробно загадъчните мозъци на тийнейджърите и процесите, които протичат в тях. За това, което успяха да установят, ще научим от техния доклад. Да започваме.
Основи на изследването
Всяко устройство в техниката и орган в организма имат собствена архитектура, която им позволява да работят ефективно. Кората на главния мозък на човека е организирана по функционална йерархия, започваща от унимодален сензорен кортекс* и завършваща с трансмодален асоциативен кортекс*.
Сензорният кортекс на мозъка* — част от кората на главния мозък, отговорна за събиране и обработка на информация, получена от сетивата (очи, език, нос, уши, кожа и вестибуларен апарат).
Асоциативният кортекс* — част от темпоралната кора на главния мозък, участваща в реализирането на планирани движения. Когато се подготвяме да извършим движение, нашият мозък трябва да знае къде точно в този момент се намира тялото и неговите части, които ще се движат, а също така и къде се намират обектите в околната среда, с които ще планираме взаимодействие. Например, искате да вземете чаша и вашият мозък вече знае къде е ръката и самата чаша.
Подобна функционална йерархия е обусловена от анатомията на пътищата бялото вещество*, които координират синхронизирана невронна активност и когниция*.
Бялото вещество* — ако сивото вещество се състои от неурони, то бялото се състои от покрити с миелин аксони, по които импулсите се предават от телесната клетка към други клетки и органи.
Когниция* (познание) — съвкупност от процеси, свързани с придобиването на нови знания относно заобикалящия ни свят.
Еволюцията на мозъчната кора при приматите и развитието на човешкия мозък се характеризират с целенасочено разширяване и ремоделиране на трансмодалните асоциативни области, които са основата на процесите на сензорно представяне на информация и абстрактни правила за постигане на цел.
Процесът на развитие на мозъка отнема доста време, през което протичат множество процеси на усъвършенстване на мозъка като система: миелинизация*, синаптичен прунинг* и т.н.
Миелинизация* — олигодендрити (вид поддържащи клетки на нервната система) обвиват определена част от аксона, в резултат на което един олигодендрит свързва няколко неурона. Колкото по-активен е аксона, толкова по-силна е неговата миелинизация, тъй като това повишава неговата ефективност.
Синаптичен прунинг* — намаляване на броя на синапсите/неуроните за повишаване на ефективността на работа на невропосистемата, т.е. избавяне от излишните връзки. С други думи, това е реализирането на принципа "не по количество, а по качество".
В периода на формиране на мозъка се формира функционална спецификация в трансмодалната асоциативна кора, която пряко влияе на развитието на изпълнителните функции от висш ред, като работна памет*, когнитивна гъвкавост* и инхибиторен контрол*.
Работна памет* — когнитивна система за временно съхранение на информация. Този тип памет се активира в момента на текущите мисловни процеси и участва в вземането на решения и в формирането на поведенчески отговори.
Когнитивна гъвкавост* — способността да се преминава от една мисъл на друга и/или да се размисли над няколко неща едновременно.
Инхибиторен контрол* (реакция на спиране) — изпълнителна функция, която контролира способността на човека да потиска своите импулсивни (естествени, навици или доминиращи) поведенчески реакции на стимули, за да реализира по-подходящ отговор на конкретна ситуация (външен стимул).
Изучаването на структурно-функционалните връзки на мозъка започна доста отдавна. С появата на теорията за мрежите стана възможно визуализирането на структурно-функционалните връзки в невробиологичните системи и тяхното разделяне на категории. По същество, структурно-функционалната връзка е степента, в която разпределението на анатомичните връзки в областта на мозъка поддържа синхронизирана неуронна активност.
Беше установена силна връзка между показателите за структурна и функционална свързаност в различни пространствено-временни мащаби. С други думи, по-съвременните методи на изследване позволиха категоризацията на определени участъци от мозъка по техните функционални характеристики, свързани с възрастта на участъка и неговия размер.
Въпреки това, както заявяват учените, в момента почти няма данни относно това как промените в архитектурата на бялото вещество по време на развитието на човешкия мозък поддържат координирани флуктуации на неуронната активност.
Структурно-функционалната връзка е основата на функционалната комуникация и се появява, когато профилът на междурегионалната връзка на бялото вещество в кортикалната област предсказва силата на междурегионалната функционална свързаност. Тоест, активността на бялото вещество ще отразява активацията на изпълнителните функции на мозъка, като по този начин може да се оцени степента на сила на структурно-функционалната връзка.
За описание на структурно-функционалната връзка учените издигнаха три хипотези, които бяха проверени в хода на изследването.
Първата хипотеза твърди, че структурно-функционалната връзка ще отразява функционалната специализация на кортикалната област. Тоест, структурно-функционалната връзка ще бъде силна в соматосензорната кора, благодарение на процесите, които определят ранното развитие на специализирани сензорни йерархии. В противовес на това, структурно-функционалната връзка ще бъде ниска в трансмодалната асоциативна кора, където функционалната комуникация може да бъде отслабена поради генетични и анатомични ограничения поради бързото еволюционно разширение.
Втората хипотеза се основава на продължителната активност в миелинизирането по време на развитието и твърди, че развитието на структурно-функционалните връзки ще бъде концентрирано в трансмодалната асоциативна кора.
Третата хипотеза: структурно-функционалната връзка отразява функционалната специализация на кортикалната област. Затова може да се предположи, че по-силната структурно-функционална връзка в фронто-париеталната асоциативна кора ще участва в специализирани изчисления, необходими за реализиране на изпълнителни функции.
Резултати от изследването
За да охарактеризират развитието на структурно-функционалната взаимодействие при подрастващите, учените извършиха количествена оценка на степента, в която структурните връзки между различни области на мозъка поддържат координирани колебания на невроподобна активност.
Използвайки мултимодални данни от невровизуализация от 727 участници на възраст от 8 до 23 години, беше проведена вероятностна дифузионна трактография и оценка на функционалната свързаност между всяка двойка кортикални области по време на изпълнението на задачата n-назад*, свързана с активността на работната памет.
Задачата n-назад* — методика за стимулиране на активността на определени области на мозъка и проверка на работната памет. На изследваното лице се предоставя серия от стимули (визуални, звукови и т.н.). То трябва да определи и посочи, дали даден стимул е бил n позиции назад. Например: T L H C H S C C Q L C K L H C Q T R H K C H R (задача 3-назад, където определена буква е била на 3 позиции назад).
Функционалната свързаност в покой отразява спонтанните колебания на невроподобна активност. По време на изпълнението на задачата на работната памет, функционалната свързаност може да подсили определени нервни връзки или популации, участващи в изпълнителни функции.
Изображение №1: измерване на структурно-функционалната връзка на човешкия мозък.
Възлите в структурните и функционалните мрежи на мозъка бяха определени с помощта на 400-зонна кортикална парцелация (разделяне на зони), базирана на функционалната хомогенност в данните от МРТ на участниците в изследването. За всеки участник регионалните профили на свързаност бяха извлечени от всяка редица в структурната или функционалната матрица на свързаност и представени като вектори на силата на свързаност от един възел на невронната мрежа към всички други възли.
Първо, учените провериха дали пространственото разпределение на структурно-функционалните връзки съвпада с основните свойства на кортикалната организация.
Изображение №2
Следва да се отбележи, че връзката между регионалните профили на структурната и функционалната свързаност значително варираше из цялата кора (2A). По-силна връзка се наблюдаваше в първичната сензорна и медиалната префронтална кора. Докато в латералните, темпоралните и фронто-темпоралните области връзката беше сравнително слаба.
За по-ясна оценка връзката между структурно-функционалната свързаност и функционалната специализация беше изчислен коефициент научастие”, който представлява графично изображение на количественото определение на свързаността между функционално специализираните участъци на мозъка. Всеки от участъците на мозъка бе отнесен към седем класически функционални невронни мрежи. Невронните възли на мозъка с висок коефициент на участие демонстрират различна междумодулна свързаност (връзка между участъците на мозъка) и следователно могат да влияят на процесите на предаване на информация между участъците, както и на тяхната динамика. Докато възлите с нисък коефициент на участие демонстрират по-локални връзки вътре в самия участък на мозъка, а не между няколко участъка. С други думи, ако коефициентът е висок - различните участъци на мозъка активно взаимодействат помежду си, ако е нисък - активността протича вътре в участъка без връзка с съседните ().
По-късно беше проведена оценка на отношенията между вариативността на структурно-функционалната свързаност и макромащабната функционална йерархия. Структурно-функционалната свързаност до голяма степен съвпада с основния градиент на функционалната свързаност: унимодалните сензорни области демонстрират относително силна структурно-функционална свързаност, докато в трансмодалните области на върха на функционалната йерархия се наблюдава по-слаба свързаност (2D).
Също така беше установено, че съществува силна корелация между структурно-функционалната свързаност и еволюционното разширение на повърхността на кората (2Е). Висококонсервативните сензорни области имаха относително силна структурно-функционална свързаност, докато силно разширените трансмодалните области имаха по-слаба свързаност. Такива наблюдения напълно потвърдиха хипотезата, че структурно-функционалната свързаност отразява кортикалната йерархия на функционалната специализация и еволюционното разширение.
Изображение №3
Учени отново напомнят, че предишните изследвания по-скоро са били съсредоточени върху изучаването на структурно-функционалната свързаност в мозъка на възрастен човек. В настоящата работа акцентът беше поставен върху изучаването на мозъка, който все още е в процес на развитие, т.е. изучаването на мозъка на тийнейджър.
Установено беше, че в мозъка на тийнейджърите възрастовите различия в структурно-функционалните свързаности бяха широко разпространени в латералната темпорална, долната париетална и префронталната кора (3А). Увеличенията на свързаността бяха непропорционално разпределени в областите на кората, т.е. присъстваха в уникално подмножество на функционално разделените области на кората (3В), което не се наблюдаваше в мозъка на възрастен човек.
Степента на възрастовите различия в структурно-функционалните свързаности силно корелираше с коефициента на функционално участие (3С) и функционалния градиент (3D).
Пространственото разпределение на възрастовите различия в структурално-функционалните връзки също така съответства на еволюционното разширение на кората. Наблюдаваше се увеличение на свързаността с възрастта в разширената асоциативна кора на главния мозък, докато намалението на свързаността с възрастта се наблюдаваше в силно консервативната сензорно-моторна кора (3Е).
На следващия етап от изследването 294 участници отново преминаха изследване на мозъка 1.7 години след първото. По този начин беше определена връзката между възрастовите изменения в структурално-функционалната свързаност и индивидуалните изменения в развитието. За целта беше извършена оценка на продължителните изменения в структрално-функционалната свързаност.
Изображение №4
Беше установена значителна съответствие между попечните и продължителните възрастови изменения в структурно-функционалната свързаност (4А).
За проверка на връзката на продължителните изменения в структурно-функционалната свързаност (4B) и продължителните изменения на коефициента на функционално участие (4С) беше използвана линейна регресия. Установено беше, че продължителните изменения в свързаността съответстваха на продължителните изменения в коефициента на функционално участие в разпределени асоциативни области с високо ниво, включително в дорзолатералната и медиалната префронтална кора, долната теменна кора и латерално-височната кора (4D).
Изображение №5
След това учените се опитаха да разберат последиците от индивидуалните различия в структурно-функционалната свързаност за поведението. По-специално, дали структурно-функционалната свързаност по време на изпълнението на задача с работна памет може да обясни изпълнителната производителност. Установено беше, че подобрението на изпълнителната дейност е свързано с по-силна структурно-функционална свързаност в rostrolateralната префронтална кора, задната поясна извилина и медиалната окципитална кора (5A).
Съчетанието от по-горе описаните наблюдения води до няколко основни извода. На първо място, регионалните промени в структурно-функционалната свързаност са обратно пропорционални на сложността на функцията, за която отговаря определена област на мозъка. По-силна структурно-функционална свързаност е установена в частите на мозъка, които специализират в обработката на проста сетивна информация (например, визуални сигнали). В същото време областите на мозъка, участващи в по-сложни процеси (изпълнителна функция и инхибиторен контрол), показват по-ниска структурно-функционална свързаност.
Също така е установено, че структурно-функционалната свързаност съответства на еволюционното разширение на мозъка, наблюдавано при приматите. По-рано са проведени сравнителни изследвания на мозъка на човек, примат и маймуна, които показват, че сетивните области (например, зрителната система) са много консервативни сред видовете примати и не са се разширили значително през последната еволюция. Обаче асоциативните области на мозъка (например, префронталната кора) са претърпели значително разширение. Може би това разширение е повлияло пряко на появата на сложни когнитивни способности у човека. Установено е, че областите на мозъка, които бързо разширяват по време на еволюцията, имат по-слаба структурно-функционална свързаност, докато простите сетивни области показват по-силна.
При деца и тийнейджъри структурно-функционалната свързаност активно нараства в фронталните области на мозъка, които отговарят за функцията на потискане (т.е. самоконтрол). По този начин, продължителното развитие на структурно-функционалната свързаност в тези области може да подобри изпълнителната функция и самоконтрол, процес, който продължава и в зряла възраст.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването ви препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Мозъкът на човека винаги е бил и ще остане една от най-големите загадки на човечеството. Това е невероятно сложен механизъм, който трябва да изпълнява множество функции, да контролира редица процеси и да съхранява огромни обеми информация. За много родители няма нищо по-загадъчно от мозъка на техните тийнейджъри. Понякога поведението им е трудно да се нарече логично или конструктивно, но това се обяснява с процеса на тяхното биологично развитие и социално формиране.
Разбира се, промените в структурно-функционалните връзки на различни участъци от мозъка и въздействието на хормоналните преобразувания могат да бъдат научно оправдание за своеобразното поведение на младите хора, но това не означава, че не трябва да им се помага. Човекът не е по своята същност асоциално същество. Ако някой се дистанцира от другите хора, то определено не е поради нашата биологична предразположеност. Затова активното участие на родителите в живота на децата им е изключително важен аспект от тяхното развитие.
Трябва също да разбираме, че дори на тригодишна възраст детето вече е личност с характер, желания и своя гледна точка за света около него. Родителят не трябва да става невидим за детето си, освобождавайки го в свободно плаване, но не трябва и да се трансформира в бетонирана стена, която го изолира от познанието на света. Някъде е нужно да се подтикне, някъде да се задържи, някъде да се предостави пълна свобода, а на места, проявявайки родителски авторитет, да се каже твърдо „не“, дори ако детето не е съгласно.
Да бъдеш родител е трудно, а да бъдеш добър родител е още по-трудно. Но и да бъдеш тийнейджър не е лесно. Тялото се променя отвън, мозъкът се променя, околната среда се сменя (беше училище, а сега е университет), ритъмът на живота се променя. В наше време животът често напомня на формула 1, където няма място за бавност. Но голямата скорост е свързана с голям риск, затова неопитният шофьор може да пострада. Задачата на родителя е да стане треньор на своето дете, така че в бъдеще спокойно да го пусне в света, без да се тревожи за неговото бъдеще.
Някои родители смятат, че са по-умни от другите, някои са готови да изпълняват всякакви съвети, чути в интернет или от съседка, а на други просто им е "все едно" за всички нюанси на възпитанието. Хората са различни, но както комуникацията между отделите на човешкия мозък е важна, така и в възпитанието една от най-важните роли играе комуникацията между родителите и техните деца.
Благодаря за вниманието, останете любопитни и желая на всички отлични уикенди, приятели! 🙂
Малко реклама 🙂
Благодаря, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или я препоръчате на познати, , уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за Вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин в дата-центъра Equinix Tier IV в Амстердам? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
