Едно от най-загадъчните и до голяма степен неразгадани "явления" е човешкият мозък. Около този сложен орган се въртят множество въпроси: защо сънуваме, как емоциите влияят на вземането на решения, кои нервни клетки отговарят за възприемането на светлина и звук, защо едни хора обичат шпроти, а други предпочитат маслини? Всички тези въпроси са свързани с мозъка, тъй като той е централният процесор на човешкия организъм. Много години учени обръщали специално внимание на мозъка на хора, които по някакъв начин се открояват от тълпата (от самоуки гении до внимателни психопати). Но има категория хора, чието необичайно поведение се свързва с тяхната възраст - тийнейджъри. Много тийнейджъри притежават засилено чувство за противоречие, дух на приключенство и неудържимо желание да намерят приключения. Учени от Пенсилванския университет решили да проучат подробно загадъчните мозъци на тийнейджърите и процесите, които протичат в тях. За това, което успели да установят, ще разберем от техния доклад. Да започнем.
Основата на изследването
Всяко устройство в техниката и орган в организма имат своя собствена архитектура, позволяваща им да работят ефективно. Кората на човешкия мозък е организирана по функционална йерархия, започваща от унимодалната сензорна кора* и завършваща с трансмодалната асоциативна кора*.
Сензорната кора на мозъка* е част от кората на главния мозък, отговорна за събиране и обработка на информацията, получена от органите на сетивата (очи, език, нос, уши, кожа и вестибуларен апарат).
Асоциативната кора* е част от теменната кора на главния мозък, участваща в реализирането на планирани движения. Когато възнамеряваме да изпълним движение, нашият мозък трябва да знае къде в този момент се намира тялото и неговите части, които ще се движат, както и къде са разположени обектите от външната среда, с които ще взаимодействаме. Например, ако искате да вземете чаша, вашият мозък вече знае къде е ръката и самата чаша.
Подобна функционална йерархия се дължи на анатомията на пътищата на белото вещество*, които координират синхронизирана неурална активност и когниция*.
Белото вещество* — ако сивото вещество се състои от неурони, то белият се състои от миелинизирани аксони, по които импулсите се предават от тялото на клетката към други клетки и органи.
Когниция* (познание) — набор от процеси, свързани с придобиването на нови знания относно заобикалящия ни свят.
Еволюцията на кората на мозъка при примати и развитието на човешкия мозък се характеризира с целенасочено разширяване и ремоделиране на трансмодалните асоциативни области, които са основата на процесите на сензорното представяне на информация и абстрактните правила за постигане на цел.
Процесът на развитие на мозъка отнема значително време, през което се извършват множество процеси на усъвършенстване на мозъка като система: миелинизация*, синаптичен прунинг* и т.н.
Миелинизация* — олигодендрити (вид поддържащи клетки в нервната система) обвиват определена част от аксона, в резултат на което един олигодендрити се свързва веднага с 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 невронната система, т.е. избавяне от излишни връзки. С други думи, това е реализиране на принципа "не по количество, а по качество".
В периода на формиране на мозъка се оформя функционална спецификация в трансмодалната асоциативна кора, която пряко влияе на развитието на изпълнителни функции от по-висок ред, като работна памет*, когнитивна гъвкавост* и ингибиторен 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 формирането на поведенчески отговори.
Когнитивна гъвкавост* — способността да се превключва от една мисъл на друга и/или да се обмислят няколко неща едновременно.
Ингибиторен контрол* (реакция на потискане) — изпълнителна функция, която контролира способността на човека да потиска импулсивните (естествени, свикнали или доминиращи) поведенчески реакции на стимули, за да реализира по-подходящ отговор на конкретна ситуация (външен стимул).
Изучаването на структурно-функционалните връзки в мозъка започна преди доста време. С появата на теорията на мрежите се появи възможността да се визуализират структурно-функционалните връзки в невропсихологичните системи и да се разделят на категории. По същество, структурно-функционалната връзка е степента, в която разпределението на анатомичните връзки в мозъчната област поддържа синхронизирана невропсихична активност.
Установено е, че съществува 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 в зависимост от техните функционални характеристики, свързани с възрастта на участъка и неговия размер.
Въпреки това, както заявяват учените, в момента практически липсват данни относно това как измененията в архитектурата на белия мозък по време на развитието на човешкия мозък поддържат съгласувани колебания в невропсихичната активност.
Структурно-функционалната връзка е основата на функционалната комуникация и се проявява когато профилът на междурегионалната свързаност на белия мозък в кората предсказва силата на междурегионалната функционална свързаност. Тоест, активността на белия мозък ще се отразява в активирането на изпълнителните функции на мозъка, като по този начин ще може да се оцени степента на силата на структурно-функционалната връзка.
За описване на структурно-функционалната връзка, учените формулираха три хипотези, които бяха проверени по време на изследването.
Първата хипотеза твърди, че структурно-функционалната връзка ще отразява функционалната специализация на кората. Тоест, структурно-функционалната връзка ще бъде силна в соматосензорната кора, благодарение на процесите, които определят ранното развитие на специализирани сензорни йерархии. Напротив, структурно-функционалната връзка ще бъде слаба в трансмодалната асоциативна кора, където функционалната комуникация може да бъде отслабена поради генетични и анатомични ограничения в резултат на бързото еволюционно разширяване.
Втората хипотеза е основана на дългосрочна, зависима от активността миелинизация 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. Следователно, може да се предположи, че по-силната структурно-функционална връзка в лобно-темпоралната асоциативна кора ще участва в специализирани изчисления, необходими за реализирането на изпълнителните функции.
Резултати от изследването
За да се охарактеризира развитието на структурно-функционалната взаимоотношение при юношите, учените проведоха количествена оценка на степента, в която структурните връзки между различни участъци на мозъка поддържат координирани колебания на неуронната активност.
Използвайки мултимодални данни от невропознание от 727 участници на възраст от 8 до 23 години, бе 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* е методика за стимулиране на активността на определени зони на мозъка и проверка на работната памет. На субекта се предоставя серия от стимули (визуални, звукови и т.н.). Той трябва да определи и посочи дали определен 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 срещана 3 позиции по-рано).
Функционалната свързаност в състояние на покой отразява спонтанни колебания на неуронната активност. А по време на изпълнението на задачата за работна памет, функционалната свързаност може да засилва определени нервни съединения или популации, участващи в изпълнителните 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), основана на функционалната хомогенност на данните от ЯМР на участниците в изследването. За всеки участник в изследването регионалните профили на свързаност бяха извлечени от всеки ред на структурната или функционалната матрица на свързаност и представени като вектори на силата на свързаност от един възел на невронната мрежа към всички останали възли.
Първоначално учените провериха дали пространственото разпределение на структурно-функционалните връзки съвпада с основните свойства на кортикалната организация.
Изображение №2
Важно е да се отбележи, че връзката между регионалните профили на структурната и функционалната свързаност е била силно променлива изцяло по кората (2A). По-силна връзка е наблюдавана в първичната сензорна и медиалната префронтална кора. Докато в латералната, темпоралната и фронто-темпоралната области връзката беше относително слаба.
За по-добра оценка връзката между структурно-функционалната свързаност и функционалната специализация беше изчислен коефициентът на "участие", който представлява графично представяне на количествено определение на свързаността между функционално специализирани участъци на мозъка. Всеки от участъците на мозъка беше отнесен към седем класически функционални невронни мрежи. Невронните възли на мозъка с висок коефициент на участие демонстрират различна междудомейнна свързаност (връзка между участъци на мозъка) и следователно могат да влияят на процесите на предаване на информация между участъци, както и на тяхната динамика. Докато възлите с нисък коефициент на участие демонстрират по-локални свързаности в самия участък на мозъка, а не между няколко участъка. Накратко, ако коефициентът е висок - различни участъци на мозъка активно взаимодействат помежду си, ако е нисък - активността се извършва вътре в участъка без свързване с съседните.2C).
След това беше проведена оценка на връзката между вариативността на структура-функционалната свързаност и макромащабната функционална йерархия. Структура-функционалната връзка в значителна степен съвпада с основния градиент на функционалната свързаност: унимодалните сензорни области демонстрират относително силна структура-функционална свързаност, докато при трансмодалните области на върха на функционалната йерархия се наблюдава по-слаба връзка (2D).
Също така беше установено, че съществува силна корелация между структура-функционалната свързаност и еволюционното разширение на повърхността на кората (2Е). Хиперконсервативните сензорни области имаха относително силна структура-функционална връзка, докато силно разширените трансмодални области имаха по-слаба връзка. Тези наблюдения напълно потвърждават хипотезата, че структура-функционалната връзка е отражение на коратикалната йерархия на функционалната специализация и еволюционното разширение.
Изображение №3
Учени отново напомнят, че предишните изследвания основно се фокусираха върху изучаването на структура-функционалната свързаност в мозъка на възрастен човек. В настоящото изследване акцентът е поставен върху изучаването на мозъка, който все още е в процес на развитие, т.е. изучаването на мозъка на тийнейджър.
Установено е, че в мозъка на тийнейджърите възрастовите различия в структура-функционалните връзки са широко разпределени по латералната темпорална, долната темпорална и префронталната кора (3А). Увеличението на свързаността е непропорционално разпределено по различни области на кората, т.е. присъства в уникална подгрупа от функционално разделени области на кората (3В), което не се наблюдава при мозъка на възрастния човек.
Степента на възрастовите различия в структура-функционалните връзки силно корелира с коефициента на функционално участие (3С) и функционалния градиент (3D).
Пространственото разпределение на възрастовите различия в структурно-функционалните връзки също съответства на еволюционното разширение на кората. Възрастовото увеличаване на свързаността е наблюдавано в разширената асоциативна кора на главния мозък, докато възрастовото намаление на свързаността се е наблюдавало в силно консервативната сензорно-моторна кора (3Е).
На следващия етап от проучването 294 участника повторно преминаха през преглед на мозъка 1.7 години след първия. По този начин можеше да се определи връзката между възрастовите изменения на структурно-функционалната свързаност и индивидуалните изменения в развитието. За целта беше проведена оценка на продължителните изменения в структурно-функционалната свързаност.
Изображение №4
Беше установено съществени съответствия между попечността и продължителните възрастови изменения на структурно-функционалната връзка (4А).
За да се провери връзката на продължителните изменения в структурно-функционалната свързаност (4B) и продължителните изменения на коефициента на функционално участие (4С) беше използвана линейна регресия. Беше установено, че продължителните изменения в свързаността съответстват на продължителните изменения на коефициента на функционално участие в разпределените асоциативни области на високо ниво, включително в дорзалната 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-функционалните връзки за поведението. В частност, може ли структурно-функционалната свързаност по време на изпълнение на задача с работна памет да обясни изпълнителната ефективност. Бе установено, че подобрението на изпълнителната дейност е свързано с по-силна структурно-функционална свързаност в ростролатералната префронтална кора, задната поясна извилина и медиалната тилна кора (5A).
Съществуването на описаните наблюдения води до няколко основни заключения. Първо, регионалните промени в структурно-функционалната свързаност са обратно пропорционални на сложността на функцията, за която отговаря съответната област на мозъка. По-силна структурно-функционална свързаност беше открита в части от мозъка, които се специализират в обработката на проста сензорна информация (например визуални сигнали). В области на мозъка, участващи в по-сложни процеси (изпълнителна функция и инхибиторен контрол), беше наблюдавана по-ниска структурно-функционална свързаност.
Също така беше установено, че структурно-функционалната свързаност съответства на еволюционното разширяване на мозъка, наблюдавано при приматите. Вече бяха проведени сравнителни изследвания на мозъка на човек, примат и маймуна, които показаха, че сензорните области (например зрителната система) са много консервативни сред видовете примати и не са се разширили значително в хода на последната еволюция. Докато асоциативните области на мозъка (например префронталната кора) са претерпели значително разширение. Вероятно това разширение е повлияло пряко на проявата на сложни когнитивни способности у човека. Беше показано, че областите на мозъка, които бързо са се разширяли по време на еволюцията, имат по-слаба структурно-функционална свързаност, докато простите сензорни области - по-силна.
При деца и тийнейджъри структурно-функционалната свързаност активно нараства в фронталните области на мозъка, които отговарят за функцията на инхибиране (т.е. самоконтрол). По този начин, продължителното развитие на структурно-функционалната свързаност в тези области може да подобри изпълнителната функция и самоконтрола, процес на развитие, който продължава и в зряла възраст.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Човешкият мозък винаги е бил и дълго ще остане една от най-големите загадки на човечеството. Това е невероятно сложен механизъм, който трябва да изпълнява множество функции, да контролира много процеси и да съхранява огромни обеми информация. За много родители няма нищо по-загадъчно от мозъка на техните тийнейджъри. Понякога поведението им трудно може да се нарече логично или конструктивно, но това се обяснява с процеса на биологичното им развитие и социалното им утвърдяване.
Разбира се, промените в структурно-функционалните връзки на определени участъци от мозъка и влиянието на хормоналните промени могат да бъдат научно обяснение на своеобразното поведение на младите хора, но това не означава, че не трябва да ги напътстваме. Човекът не е по природа асоциално същество. Ако някой се дистанцира от другите, то определено не е заради нашата биологична предразположеност. Затова активното участие на родителите в живота на децата им е изключително важно за тяхното развитие.
Трябва също така да разберем, че дори на три години, детето вече е личност със свой характер, своите желания и свой поглед върху заобикалящия го свят. Родителят не трябва да става невидим за своето дете, изпускайки го да плува свободно, но и не трябва да се превръща в железобетонна стена, която го изолира от познанието на света. Някъде трябва да го подтикнем, някъде да го задържим, някъде да му дадем пълна свобода, а на някои места, проявявайки родителски авторитет, да кажем твърдо „не“, дори когато детето е недоволно.
Да бъдеш родител е трудно, а още по-трудно е да бъдеш добър родител. Но и да си тийнейджър не е лесно. Тялото се променя отвън, мозъкът се променя, околната среда (имаше училище, а вече е университет), ритъмът на живота се променя. В нашето време животът често напомня на Формула 1, където няма място за бавност. Но голямата скорост е свързана с голям риск, затова неопитният състезател може да пострада. Задължението на родителя е да стане треньор на детето си, за да може по-късно спокойно да го изпусне в света, без да се притеснява за бъдещето му.
Някои родители се смятат за по-умни от другите, някои са готови да следват всеки съвет, който чуят в интернет или от съседка, а на други просто не им пука за всички нюанси на възпитанието. Хората са различни, но както в човешкия мозък е важна комуникацията между неговите отдели, така и във възпитанието комуникацията между родителите и техните деца играе една от най-важните роли.
Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и приятни почивни дни на всички, приятели! 🙂
Малко реклама 🙂
Благодарим ви, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на познати, , уникален аналог на entry-level сървъри, който е създаден от нас за вас: (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd на половин цена в дата центъра Equinix Tier IV в Амстердам? Всичко това само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това
Източник: habr.com
