Et af de mest gådefulde og endnu ikke fuldt forståede "fænomener" er menneskets hjerne. Omkring dette komplekse organ cirkulerer mange spørgsmål: hvorfor drømmer vi, hvordan påvirker følelser beslutningstagning, hvilke nerveceller er ansvarlige for opfattelsen af lys og lyd, hvorfor kan nogle lide sardiner, mens andre elsker oliven? Alle disse spørgsmål relaterer sig til hjernen, da den er kroppens centrale processor. I mange år har forskere viet særlig opmærksomhed til mennesker, der på en eller anden måde adskilte sig fra mængden (fra selvuddannede genier til beregnende psykopater). Men der er en kategori mennesker, hvis usædvanlige adfærd hænger sammen med deres alder — teenagere. Mange teenagere har en skarp følelse af modsigelse, en ånd af eventyrlyst og en uimodståelig trang til at finde eventyr. Forskere fra Pennsylvania University besluttede at se nærmere på de gådefulde teenagerers hjerner og de processer, der finder sted i dem. Hvad de har fundet ud af, vil vi lære af deres rapport. Lad os komme i gang.
Basis for undersøgelsen
Enhver enhed inden for teknik og ethvert organ i kroppen har sin egen arkitektur, der gør det muligt for dem at arbejde effektivt. Hjernens cortex er organiseret efter funktionel hierarki, begyndende fra unimodal sensorisk cortex* og slutter ved transmodal associativ cortex*.
Sensorisk cortex* — en del af hjernens cortex, der er ansvarlig for indsamling og behandling af information modtaget fra sanseorganer (øjne, tunge, næse, ører, hud og det vestibulære system).
Associativ cortex* — en del af den parietale cortex i hjernen, som deltager i udførelsen af planlagte bevægelser. Når vi forbereder os på at udføre en bevægelse, skal vores hjerne vide, hvor vores krop og dens dele befinder sig i det øjeblik, samt hvor objekterne i det ydre miljø er, som vi planlægger at interagere med. For eksempel, hvis du vil tage en kop, ved din hjerne allerede, hvor din hånd og koppen er placeret.
Denne funktionelle hierarki skyldes anatomien af stierne hvid substans*, som koordinerer synkroniseret neuronal aktivitet og kognition*.
Hvid substans* — hvis grå substans består af neuroner, så består hvid substans af myelinerede axoner, som transmitterer impulser fra cellelegemet til andre celler og organer.
Kognition* (erkendelse) — en samling af processer forbundet med tilegnelse af ny viden om den omgivende verden.
Evolutionen af hjernens cortex hos primater og udviklingen af menneskets hjerne karakteriseres ved målrettet udvidelse og omstrukturering af transmodal associerende områder, som danner grundlaget for processerne med sensorisk repræsentation af information og abstrakte regler for målopnåelse.
Udviklingsprocessen af hjernen tager tid, i løbet af hvilken der sker mange processer, der forbedrer hjernen som system: myelinisering*, synaptisk pruning* osv.
Myelinisering* — oligodendrocytter (en type støtteceller i nervesystemet) omslutter en given del af axonet, hvilket resulterer i, at én oligodendrocyt binder sig til flere neuroner på én gang. Jo mere aktiv axonet er, jo stærkere er dets myelinisering, da dette øger effektiviteten.
Synaptisk pruning* — reduktion af antallet af synapser/neuron til at øge effektiviteten af nervesystemet, dvs. bortskaffelse af overflødige forbindelser. Med andre ord er det implementeringen af princippet 'ikke kvantitet, men kvalitet'.
I udviklingsperioden dannes der funktionel specifikation i den transmodale associerende cortex, hvilket direkte påvirker udviklingen af højere ordens eksekutive funktioner som arbejdshukommelse*, kognitiv fleksibilitet* og inhibitorisk kontrol*.
Arbejdshukommelse* — et kognitivt system til midlertidig opbevaring af information. Denne type hukommelse aktiveres i øjeblikket af aktuelle tankeprocesser og deltager i beslutningstagning og dannelse af adfærdsmæssige reaktioner.
Kognitiv fleksibilitet* — evnen til at skifte fra én tanke til en anden og/eller overveje flere ting på én gang.
Inhibitorisk kontrol* (reaktionshæmning) — en eksekutiv funktion, der overvåger en persons evne til at undertrykke impulsive (naturlige, vanemæssige eller dominerende) adfærdsmæssige reaktioner på stimuli for at realisere en mere passende reaktion på en given situation (ekstern stimulus).
Studiet af de strukturelle og funktionelle forbindelser i hjernen begyndte for lang tid siden. Med fremkomsten af netværksteorien blev det muligt at visualisere de strukturelle og funktionelle forbindelser i neurobiologiske systemer og at opdelt dem i kategorier. I sin essens er den strukturelle-funktionelle forbindelse graden af, hvor meget distributionen af anatomiske forbindelser i hjernens område understøtter synkroniseret neuronal aktivitet.
Det er blevet fastslået, at der er en stærk forbindelse mellem indikatorerne for strukturel og funktionel sammenhæng i forskellige rum-tidsskalaer. Med andre ord har mere moderne metoder til undersøgelse gjort det muligt at kategorisere visse områder af hjernen efter deres funktionelle egenskaber relateret til områdets alder og størrelse.
Dog, som forskerne påpeger, er der i øjeblikket næsten ingen data vedrørende, hvordan ændringer i hvide substans arkitekturen under udviklingen af den menneskelige hjerne understøtter koordinerede svingninger i neuronal aktivitet.
Den strukturelle-funktionelle forbindelse danner grundlaget for funktionel kommunikation og opstår, når profilen af interregionale forbindelser i hvid substans i det kortikale område forudsiger styrken af den interregionale funktionelle forbindelse. Det vil sige, aktiviteten i den hvide substans vil afspejles i aktiveringen af hjernens eksekutive funktioner, hvilket gør det muligt at vurdere graden af styrken af den strukturelle-funktionelle forbindelse.
For at beskrive den strukturelle-funktionelle forbindelse har forskerne fremsat tre hypoteser, som blev testet under undersøgelsen.
Den første hypotese hævder, at den strukturelle-funktionelle forbindelse vil afspejle funktionel specialisering i det kortikale område. Det vil sige, at den strukturelle-funktionelle forbindelse vil være stærk i den somatosensoriske cortex, takket være processerne, der bestemmer den tidlige udvikling af specialiserede sensoriske hierarkier. I modsætning hertil vil den strukturelle-funktionelle forbindelse være lav i den transmodale associationscortex, hvor funktionel kommunikation kan svækkes på grund af genetiske og anatomiske begrænsninger som følge af den hurtige evolutionære ekspansion.
Den anden hypotese er baseret på langvarig aktiveringsafhængig myelinisering under udviklingen og hævder, at udviklingen af strukturelle og funktionelle forbindelser vil være koncentreret i den transmodale assoziative cortex.
Den tredje hypotese: den strukturelle og funktionelle forbindelse afspejler den funktionelle specialisering af det kortikale område. Det kan derfor antages, at en stærkere strukturel-funktionel forbindelse i den fronto-temporale assoziative cortex vil deltage i specialiserede beregninger nødvendige for udførelsen af eksekutive funktioner.
Resultaterne af undersøgelsen
For at karakterisere udviklingen af strukturelle og funktionelle interaktioner hos teenagere, gennemførte forskere en kvantitativ vurdering af i hvilken grad de strukturelle forbindelser mellem forskellige hjerneregioner understøtter koordinerede svingninger i neuronal aktivitet.
Ved at bruge multimodale neuroimaging-data fra 727 deltagere i alderen 8 til 23 år, blev der gennemført sandsynlighedsdiffusions traktografi og vurdering af funktionel forbindelse mellem hvert par kortikale områder under udførelsen af n-back opgaven*, relateret til aktiviteten i arbejdshukommelsen.
n-back opgaven* — en metode til at stimulere aktiviteten i bestemte områder af hjernen og teste arbejdshukommelsen. Deltageren præsenteres for en række stimuli (visuelle, auditive osv.). De skal bestemme og angive, om en given stimulus optrådte n positioner tidligere. For eksempel: T L H C H S C C Q L C K L H C Q T R H K C H R (3-back opgave, hvor et bestemt bogstav optrådte 3 positioner tidligere).
Funktionel forbindelse i hvile tilstand viser spontane svingninger i neuronal aktivitet. Men under udførelsen af en arbejdshukommelsesopgave kan den funktionelle forbindelse forstærke bestemte nerveforbindelser eller populationer, der deltager i eksekutive funktioner.
Billede nr. 1: måling af den strukturelle-funktionelle forbindelse i den menneskelige hjerne.
Noder i hjernens strukturelle og funktionelle netværk blev defineret ved hjælp af 400-zoners kortikal parcelering (opdeling i zoner), baseret på funktionel homogenitet i MRI-data fra deltagerne i undersøgelsen. For hver deltager blev regionale forbindelsesprofiler udvundet fra hver række i de strukturelle eller funktionelle forbindelsesmatiсker og præsenteret som vektorer for forbindelseskraft fra en node i neuronetværket til alle andre noder.
Først kontrollerede forskerne, om den rumlige fordeling af de strukturelt-funktionelle forbindelser stemte overens med de grundlæggende egenskaber ved den kortikale organisation.
Billede Nr. 2
Det er vigtigt at bemærke, at forbindelsen mellem de regionale profiler for strukturel og funktionel forbindelighed varierede betydeligt over hele cortex (2A). Der blev observeret en stærkere forbindelse i den primære sensoriske og mediale præfrontale cortex, mens forbindelsen i de laterale, temporale og frontotemporale områder var relativt svag.
For en mere forståelig vurdering af forbindelsen mellem strukturel-funktionel forbindelse og funktionel specialisering blev koefficienten for 'deltagelse' beregnet, som repræsenterer en grafisk repræsentation af en kvantitativ bestemmelse af forbindelighed mellem funktionelt specialiserede områder af hjernen. Hver af hjerneområderne blev klassificeret i syv klassiske funktionelle neurale netværk. Neuronale noder med høj deltagelseskoefficient viser en forskellig intermodulær forbindelse (forbindelse mellem områder i hjernen) og kan derfor påvirke informationsoverførselsprocesser mellem områderne samt deres dynamik. Omvendt viser noder med lav deltagelseskoefficient mere lokale forbindelser inden for selve området snarere end mellem flere områder. Kort sagt, hvis koefficienten er høj - interagerer forskellige områder af hjernen aktivt med hinanden, hvis den er lav - sker aktiviteten inden for området uden forbindelse til naboerne.2C).
Derefter blev forholdet mellem variabiliteten af den strukturel-funktionelle sammenhæng og den makroskala funktionelle hierarki vurderet. Den strukturel-funktionelle forbindelse stemmer i vid udstrækning overens med den primære gradient af funktionel sammenhæng: unimodale sensoriske områder viser relativt stærk strukturel-funktionel sammenhæng, mens transmodale områder på toppen af den funktionelle hierarki har en svagere forbindelse (2D).
Det blev også fastslået, at der er en stærk korrelation mellem den strukturel-funktionelle sammenhæng og den evolutionære udvidelse af overfladeområdet af cortex (2E). Højt konserverede sensoriske områder havde relativt stærk strukturel-funktionel sammenhæng, mens de stærkt udvidede transmodale områder havde en svagere forbindelse. Disse observationer bekræfter fuldt ud hypotesen om, at den strukturel-funktionelle sammenhæng er en refleksion af den kortikale hierarki af funktionel specialisering og evolutionær udvidelse.
Billede nr. 3
Forskere minder endnu engang om, at tidligere undersøgelser i høj grad har været fokuseret på at studere den strukturel-funktionelle sammenhæng i den voksne hjerne. I dette arbejde blev fokus lagt på at studere hjernen, der stadig er under udvikling, dvs. på at studere teenagernes hjerner.
Det blev konstateret, at i teenagernes hjerner var aldersforskelle i strukturel-funktionelle sammenhænge bredt distribueret i den laterale temporale, nedre parietale og præfrontale cortex (3A). Forstærkningen af sammenhængen var uforholdsmæssigt distribueret på områderne af cortex, dvs. til stede i et unikt undermængde af funktionelt adskilte områder af cortex (3B), hvilket ikke blev observeret i den voksne hjerne.
Størrelsen af aldersforskellene i de strukturel-funktionelle sammenhænge korrelerede stærkt med koefficienten for funktionelt deltagelse (3C) og den funktionelle gradient (3D).
Den rumlige fordeling af aldersforskelle i de strukturelle funktionsforbindelser svarede også til den evolutionære udvidelse af cortex. Aldersrelateret øgning af forbindelsen blev observeret i den udvidede associative hjernebark, mens aldersrelateret reduktion af forbindelsen blev observeret i den højt bevarende sensorimotoriske cortex (3E).
I det næste forskningstrin blev 294 deltagere ved undersøgelsen af hjernen igen efter 1,7 år siden den første. Dette gjorde det muligt at identificere forbindelsen mellem aldersrelaterede ændringer i den strukturelle funktionsforbindelse og indenpersonlige udviklingsændringer. Der blev derfor udført en vurdering af longitudinale ændringer i den strukturelle funktionsforbindelse.
Image No. 4
Der blev påvist en betydelig overensstemmelse mellem tværgående og longitudinale aldersændringer på den strukturelle funktionsforbindelse (4A).
For at kontrollere forbindelsen mellem de longitudinale ændringer i den strukturelle funktionsforbindelse (4B) og de longitudinale ændringer i koefficienten for funktionelt engagement (4C) blev der anvendt lineær regression. Det blev fundet, at de longitudinale ændringer i forbindelsen svarede til de longitudinale ændringer i koefficienten for funktionelt engagement i distribuerede associative områder af høj orden, herunder i den dorsale og mediale præfrontale cortex, den inferior parietale cortex og den laterale temporale cortex (4D).
Billede nr. 5
Derefter forsøgte forskerne at forstå konsekvenserne af individuelle forskelle i de strukturelle funktionsforbindelser for adfærden. Især om den strukturelle funktionsforbindelse under opgaveløsning med arbejdshukommelse kan forklare den udførende præstation. Det blev fundet, at forbedringen i udførende aktivitet var relateret til en stærkere strukturel funktionsforbindelse i den rostrolaterale præfrontale cortex, den bageste cingulate gyrus og den mediale occipitale cortex (5A).
Kombinationen af de ovenfor beskrevne observationer indikerer nogle grundlæggende konklusioner. For det første er de regionale ændringer i den strukturelt-funktionelle sammenhæng omvendt proportional med kompleksiteten af den funktion, som et givent område i hjernen er ansvarligt for. En stærkere strukturelt-funktionel sammenhæng blev fundet i de dele af hjernen, der specialiserer sig i at behandle enkel sensorisk information (f.eks. visuelle signaler). Områderne i hjernen, der er involveret i mere komplekse processer (executive funktion og inhiberende kontrol), havde derimod en lavere strukturelt-funktionel sammenhæng.
Det er også blevet fastslået, at den strukturelt-funktionelle sammenhæng stemmer overens med den evolutionære udvidelse af hjernen, som ses hos primater. Tidligere sammenlignende studier af menneskelig, primat- og aberhjernen har vist, at sensoriske områder (f.eks. synssystemet) er meget konservative blandt primatarter og ikke har været meget udvidet i løbet af den seneste evolution. Derimod har de associative områder i hjernen (f.eks. den præfrontale cortex) gennemgået en betydelig ekspansion. Denne ekspansion kan have haft en direkte indflydelse på udviklingen af menneskets komplekse kognitive evner. Det blev fundet, at de områder af hjernen, som hurtigt blev udvidet under evolutionen, havde en svagere strukturelt-funktionel sammenhæng, mens de enkle sensoriske områder havde en stærkere.
Blandt børn og unge stiger den strukturelt-funktionelle sammenhæng aktivt i de frontale områder af hjernen, som er ansvarlige for inhibitionsfunktionen (dvs. selvkontrol). Dermed kan en langvarig udvikling af den strukturelt-funktionelle sammenhæng i disse områder forbedre den executive funktion og selvkontrol, en udviklingsproces der fortsætter ind i voksenalderen.
For en mere detaljeret indføring i undersøgelsens nuancer anbefaler jeg at kigge i og til det.
Epilog
Menneskets hjerne har altid været og vil længe forblive et af menneskehedens største mysterier. Det er en utrolig kompleks mekanisme, der skal udføre mange funktioner, kontrollere adskillige processer og opbevare enorme mængder information. For mange forældre er der ikke noget mere mystisk end hjernen hos deres teenagebørn. Deres adfærd kan nogle gange være svær at kalde logisk eller konstruktiv, men det kan forklares med deres biologiske udvikling og sociale dannelse.
Selvfølgelig kan ændringer i de strukturelle og funktionelle forbindelser mellem forskellige dele af hjernen og indflydelsen fra hormonelle omstillinger være en videnskabelig forklaring på den unges underlige adfærd, men det betyder ikke, at de ikke skal guiders. Mennesket er ikke af natur et asocialt væsen. Hvis nogen holder sig tilbage fra andre mennesker, så er det bestemt ikke på grund af vores biologiske dispositioner. Derfor er aktiv deltagelse fra forældre i deres børns liv en yderst vigtig aspekt af deres udvikling.
Det er også vigtigt at forstå, at selv i treårsalderen er barnet allerede en personlighed med sin egen karakter, sine ønsker og sit syn på verden omkring sig. Forælderen må ikke blive usynlig for sit barn ved at lade det sejle frit, men heller ikke forvandles til en jernbetonmur, der beskytter det fra at opdage verden. Nogle gange er det nødvendigt at give et lille skub, andre gange at holde lidt igen, hvor det er nødvendigt at give fuldstændig frihed, og nogle gange, med forælderens autoritet, sige et fast 'nej', selvom barnet ikke vil lide det.
At være forælder er svært; det er endnu sværere at være en god forælder. Men det er heller ikke så let at være teenager. Kroppen ændrer sig udadtil, hjernen ændrer sig, omgivelserne ændrer sig (en gang var der skole, nu er der universitet), og livsrytmen ændrer sig. I vores tid minder livet ofte om en Formel 1-bane, hvor der ikke er plads til langsommelighed. Men høj hastighed er forbundet med større risiko, så en uerfaren racerkører kan komme til skade. En forældres opgave er at blive sin børns træner, så de i fremtiden kan slippe dem ud i verden uden at frygte for deres fremtid.
Nogle forældre anser sig for at være klogere end andre, nogle er villige til at følge enhver rådgivning, de hører på internettet eller fra naboen, mens nogle bare "ikke bryder sig" om alle nuancer i opdragelsen. Mennesker er forskellige, men ligesom kommunikationen mellem afdelingene i menneskets hjerne er vigtig, spiller kommunikationen mellem forældre og deres børn en af de vigtigste roller i opdragelsen.
Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige, og hav en fantastisk weekend, folkens! 🙂
Lidt reklame 🙂
Tak fordi du bliver hos os. Kan du lide vores artikler? Ønsker du at se flere interessante materialer? Støt os ved at bestille eller anbefale os til dine bekendte, , en unik analog til entry-level servere, som vi har designet til dig: (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd til halv pris i datacenteret Equinix Tier IV i Amsterdam? Kun hos os i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan
Kilde: habr.com
