Eines der mysteriösesten und noch nicht vollständig verstandenen „Phänomene“ ist das menschliche Gehirn. Viele Fragen drehen sich um dieses komplexe Organ: Warum träumen wir, wie beeinflussen Emotionen die Entscheidungsfindung, welche Nervenzellen sind für die Wahrnehmung von Licht und Ton verantwortlich, warum mögen manche Menschen Sprotten, andere hingegen Oliven? All diese Fragen betreffen das Gehirn, denn es ist der zentrale Prozessor des menschlichen Körpers. Seit Jahren widmen Wissenschaftler den Gehirnen von Menschen, die sich irgendwie von der Masse abheben (vom autodidaktischen Genie bis zum berechnenden Psychopathen), besondere Aufmerksamkeit. Aber es gibt eine Kategorie von Menschen, deren ungewöhnliches Verhalten mit ihrem Alter zusammenhängt – Teenager. Viele Teenager haben ein ausgeprägtes Widersprüchlichkeitsgefühl, einen Abenteuergeist und ein unwiderstehliches Verlangen, Abenteuer auf ihrem Hintern zu erleben. Wissenschaftler der University of Pennsylvania beschlossen, die mysteriösen Gehirne von Jugendlichen und die darin ablaufenden Prozesse genauer zu untersuchen. Was sie herausgefunden haben, erfahren wir aus ihrem Bericht. Gehen.
Forschungsgrundlage
Jedes technische Gerät und jedes Organ im Körper verfügen über eine eigene Architektur, die es ihnen ermöglicht, effektiv zu arbeiten. Die menschliche Großhirnrinde ist nach funktionalen Hierarchien organisiert, die von unimodal bis hin zu unimodal reichen sensorischer Kortex* und endet mit transmodal Assoziationskortex*.
Sensorischer Kortex * – Teil der Großhirnrinde, der für das Sammeln und Verarbeiten von Informationen verantwortlich ist, die von den Sinnen (Augen, Zunge, Nase, Ohren, Haut und Vestibularapparat) empfangen werden.
Der Assoziationskortex* ist der Teil des parietalen Kortex, der an der Umsetzung geplanter Bewegungen beteiligt ist. Wenn wir irgendeine Bewegung ausführen wollen, muss unser Gehirn wissen, wo sich der Körper und seine Teile, die sich in dieser Sekunde bewegen werden, befinden, sowie wo sich die Objekte der äußeren Umgebung befinden, mit denen die Interaktion geplant ist. Sie möchten beispielsweise eine Tasse in die Hand nehmen und Ihr Gehirn weiß bereits, wo sich die Hand und die Tasse selbst befinden.
Diese funktionale Hierarchie ist auf die Anatomie der Bahnen zurückzuführen weiße Substanz*, die synchronisierte neuronale Aktivität koordinieren und Erkenntnis*.
Weiße Substanz* - Wenn die graue Substanz aus Neuronen besteht, dann besteht die weiße aus mit Myelin bedeckten Axonen, entlang derer Impulse vom Zellkörper auf andere Zellen und Organe übertragen werden.
Erkenntnis* (Erkenntnis) – eine Reihe von Prozessen, die mit dem Erwerb neuen Wissens über die Welt verbunden sind.
Die Evolution der Großhirnrinde bei Primaten und die Entwicklung des menschlichen Gehirns sind geprägt von der gezielten Erweiterung und Umgestaltung transmodaler Assoziationsbereiche, die die Grundlage sensorischer Informationsrepräsentation und abstrakter Regeln zur Zielerreichung bilden.
Der Prozess der Gehirnentwicklung nimmt viel Zeit in Anspruch, in dem viele Prozesse zur Verbesserung des Gehirns als System stattfinden: Myelinisierung*, Synaptische Beschneidung* usw.
Myelinisierung* - Oligodendrozyten (eine Art Hilfszellen des Nervensystems) umhüllen den einen oder anderen Teil des Axons, wodurch ein Oligodendrozyten mehrere Neuronen gleichzeitig kontaktiert. Je aktiver das Axon ist, desto stärker ist seine Myelinisierung, da dies seine Effizienz steigert.
Synaptischer Schnitt* — Verringerung der Anzahl der Synapsen/Neuronen, um die Effizienz des Neurosystems zu steigern, d. h. unnötige Verbindungen loswerden. Mit anderen Worten, es handelt sich hierbei um die Umsetzung des Grundsatzes „nicht Quantität, sondern Qualität“.
Bei der Bildung des Gehirns wird im transmodalen assoziativen Kortex eine Funktionsspezifikation gebildet, die sich direkt auf die Entwicklung übergeordneter exekutiver Funktionen auswirkt, wie z Arbeitsgedächtnis*, kognitive Flexibilität* и Hemmende Kontrolle*.
Arbeitsgedächtnis* — kognitives System der temporären Informationsspeicherung. Diese Art von Gedächtnis wird im Moment aktueller Denkprozesse aktiviert und ist an der Entscheidungsfindung und der Bildung von Verhaltensreaktionen beteiligt.
Kognitive Flexibilität* - die Fähigkeit, von einem Gedanken zum anderen zu wechseln und/oder über mehrere Dinge gleichzeitig nachzudenken.
Hemmende Kontrolle* (Hemmungsreaktion) – eine exekutive Funktion, die die Fähigkeit einer Person überwacht, ihre impulsiven (natürlichen, gewohnheitsmäßigen oder dominanten) Verhaltensreaktionen auf Reize zu unterdrücken, um eine angemessenere Reaktion auf eine bestimmte Situation (externer Reiz) umzusetzen.
Die Erforschung der strukturell-funktionalen Zusammenhänge des Gehirns begann schon vor langer Zeit. Mit dem Aufkommen der Netzwerktheorie wurde es möglich, strukturell-funktionale Zusammenhänge in neurobiologischen Systemen zu visualisieren und in Kategorien einzuteilen. Im Kern ist die strukturell-funktionale Konnektivität das Ausmaß, in dem die Verteilung anatomischer Verbindungen in einer Region des Gehirns eine synchronisierte neuronale Aktivität aufrechterhält.
Es wurde festgestellt, dass es einen starken Zusammenhang zwischen Indikatoren der strukturellen und funktionalen Konnektivität auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen gibt. Mit anderen Worten: Modernere Untersuchungsmethoden haben es ermöglicht, bestimmte Bereiche des Gehirns nach ihren funktionellen Merkmalen zu kategorisieren, die mit dem Alter des Bereichs und seiner Größe zusammenhängen.
Wissenschaftler sagen jedoch, dass es derzeit kaum Hinweise darauf gibt, wie Veränderungen in der Architektur der weißen Substanz während der Entwicklung des menschlichen Gehirns koordinierte Schwankungen in der neuronalen Aktivität aufrechterhalten.
Strukturell-funktionale Konnektivität ist die Grundlage für funktionale Kommunikation und tritt auf, wenn das interregionale Konnektivitätsprofil der weißen Substanz in einer kortikalen Region die Stärke der interregionalen funktionalen Konnektivität vorhersagt. Das heißt, die Aktivität der weißen Substanz spiegelt sich in der Aktivierung der exekutiven Funktionen des Gehirns wider, wodurch der Grad der Stärke der strukturell-funktionalen Verbindung beurteilt werden kann.
Um den strukturell-funktionalen Zusammenhang zu beschreiben, stellten die Wissenschaftler drei Hypothesen auf, die im Rahmen der Studie getestet wurden.
Die erste Hypothese besagt, dass die strukturell-funktionale Beziehung die funktionelle Spezialisierung des kortikalen Bereichs widerspiegelt. Das heißt, die strukturell-funktionale Verbindung wird im somatosensorischen Kortex aufgrund der Prozesse, die die frühe Entwicklung spezialisierter sensorischer Hierarchien bestimmen, stark sein. Im Gegensatz dazu wird die strukturell-funktionale Konnektivität im transmodalen Assoziationskortex gering sein, wo die funktionelle Kommunikation aufgrund genetischer und anatomischer Einschränkungen aufgrund der schnellen evolutionären Expansion geschwächt sein kann.
Die zweite Hypothese basiert auf einer langfristigen aktivitätsabhängigen Myelinisierung während der Entwicklung und besagt, dass die Entwicklung strukturell-funktionaler Verbindungen im transmodalen Assoziationskortex konzentriert sein wird.
Die dritte Hypothese: Die strukturell-funktionale Beziehung spiegelt die funktionelle Spezialisierung der kortikalen Region wider. Daher kann davon ausgegangen werden, dass eine stärkere strukturell-funktionale Verbindung im fronto-parietalen assoziativen Kortex an speziellen Berechnungen beteiligt sein wird, die für die Umsetzung exekutiver Funktionen erforderlich sind.
Ergebnisse der Studie
Um die Entwicklung strukturell-funktionaler Interaktionen bei Jugendlichen zu charakterisieren, quantifizierten die Forscher das Ausmaß, in dem strukturelle Verbindungen zwischen Gehirnregionen koordinierte Schwankungen der neuronalen Aktivität unterstützen.
Unter Verwendung multimodaler Neuroimaging-Daten von 727 Teilnehmern im Alter von 8 bis 23 Jahren wurde eine probabilistische Diffusionstraktographie durchgeführt und die funktionelle Konnektivität zwischen jedem Paar kortikaler Regionen zur Laufzeit bewertet. Aufgaben n-zurück*mit der Aktivität des Arbeitsgedächtnisses verbunden.
Aufgabe n-zurück* - eine Technik zur Stimulierung der Aktivität bestimmter Bereiche des Gehirns und zum Testen des Arbeitsgedächtnisses. Dem Probanden wird eine Reihe von Reizen (visuell, akustisch usw.) präsentiert. Er muss feststellen und angeben, ob dieser oder jener Reiz n Positionen zurückliegt. Zum Beispiel: TLHCHSCCQLCKLHCQTRHKC HR (Aufgabe 3 rückwärts, wobei ein bestimmter Buchstabe 3 Positionen früher vorkam).
Die funktionelle Konnektivität im Ruhezustand spiegelt spontane Schwankungen der neuronalen Aktivität wider. Im Gegensatz dazu kann die funktionale Konnektivität während einer Arbeitsgedächtnisaufgabe bestimmte neuronale Verbindungen oder Populationen verbessern, die an exekutiven Funktionen beteiligt sind.
Bild Nr. 1: Messung der strukturell-funktionalen Verbindung des menschlichen Gehirns.
Die Knoten in den strukturellen und funktionellen Netzwerken des Gehirns wurden mithilfe einer 400-Zonen-kortikalen Parzellierung basierend auf funktioneller Homogenität in den MRT-Daten der Studienteilnehmer identifiziert. Für jeden Studienteilnehmer wurden regionale Konnektivitätsprofile aus jeder Zeile der strukturellen oder funktionalen Konnektivitätsmatrix extrahiert und als Konnektivitätsstärkevektoren von einem neuronalen Netzwerkknoten zu allen anderen Knoten dargestellt.
Zunächst überprüften die Wissenschaftler, ob die räumliche Verteilung strukturell-funktionaler Beziehungen mit den grundlegenden Eigenschaften der kortikalen Organisation übereinstimmt.
Bild #2
Es ist erwähnenswert, dass die Beziehung zwischen regionalen Profilen der strukturellen und funktionellen Konnektivität im gesamten Kortex sehr unterschiedlich war (2A). Eine stärkere Verbindung wurde im primären sensorischen und medialen präfrontalen Kortex beobachtet. Aber in den lateralen, temporalen und frontoparietalen Bereichen war die Verbindung eher schwach.
Für eine verständlichere Beurteilung des Zusammenhangs zwischen strukturell-funktionaler Konnektivität und funktionaler Spezialisierung wurde der „Partizipations“-Koeffizient berechnet, der eine grafische Darstellung der quantitativen Definition der Konnektivität zwischen funktionell spezialisierten Bereichen des Gehirns darstellt. Jede der Gehirnregionen wurde den sieben klassischen funktionellen neuronalen Netzen zugeordnet. Neuronale Knoten des Gehirns mit einem hohen Beteiligungskoeffizienten weisen eine unterschiedliche intermodulare Kommunikation (Verbindung zwischen Gehirnregionen) auf und können daher die Prozesse der Informationsübertragung zwischen Regionen sowie deren Dynamik beeinflussen. Knoten mit niedrigen Beteiligungsraten weisen jedoch mehr lokale Verbindungen innerhalb der Gehirnregion selbst auf als über mehrere Regionen hinweg. Einfach ausgedrückt: Wenn der Koeffizient hoch ist, interagieren verschiedene Teile des Gehirns aktiv miteinander. Wenn er niedrig ist, findet Aktivität innerhalb des Bereichs statt, ohne dass mit benachbarten Teilen kommuniziert wird (2C).
Als nächstes wurde eine Bewertung der Beziehung zwischen der Variabilität der strukturell-funktionalen Konnektivität und der makroskaligen funktionalen Hierarchie vorgenommen. Die strukturell-funktionale Konnektivität stimmt weitgehend mit dem Hauptgradienten der funktionalen Konnektivität überein: Unimodale sensorische Bereiche weisen eine relativ starke strukturell-funktionale Konnektivität auf, während transmodale Regionen an der Spitze der funktionalen Hierarchie eine schwächere Konnektivität aufweisen (2D).
Es wurde auch festgestellt, dass ein starker Zusammenhang zwischen der strukturell-funktionalen Beziehung und der evolutionären Ausdehnung der kortikalen Oberfläche besteht (2Е). Hochkonservierte sensorische Bereiche wiesen eine relativ starke strukturell-funktionale Konnektivität auf, während stark ausgedehnte transmodale Bereiche eine schwächere Konnektivität aufwiesen. Solche Beobachtungen stützen voll und ganz die Hypothese, dass die Struktur-Funktions-Beziehung ein Spiegelbild der kortikalen Hierarchie der funktionellen Spezialisierung und der evolutionären Expansion ist.
Bild #3
Die Wissenschaftler erinnern noch einmal daran, dass sich frühere Studien weitgehend auf die Untersuchung der strukturell-funktionalen Konnektivität im erwachsenen Gehirn konzentrierten. In der gleichen Arbeit wurde der Schwerpunkt auf die Erforschung des Gehirns gelegt, das sich noch im Entwicklungsprozess befindet, d.h. zur Erforschung des jugendlichen Gehirns.
Es wurde festgestellt, dass altersbedingte Unterschiede in den strukturell-funktionalen Beziehungen im jugendlichen Gehirn weit verbreitet im lateralen temporalen, unteren parietalen und präfrontalen Kortex verteilt waren (3А). Die Konnektivitätsgewinne waren überproportional auf die kortikalen Regionen verteilt, d. h. waren in einer einzigartigen Untergruppe funktionell getrennter kortikaler Regionen vorhanden (3V), was im erwachsenen Gehirn nicht beobachtet wurde.
Der Wert der Altersunterschiede in strukturellen und funktionalen Beziehungen korrelierte stark mit dem Koeffizienten der funktionalen Teilnahme (3S) und Funktionsgradient (3D).
Die räumliche Verteilung der Altersunterschiede in strukturellen und funktionellen Beziehungen korrespondierte auch mit der evolutionären Ausdehnung des Kortex. Im erweiterten Assoziationskortex wurde ein altersbedingter Anstieg der Konnektivität beobachtet, während im hochkonservierten sensomotorischen Kortex ein altersbedingter Rückgang der Konnektivität beobachtet wurde (3Е).
In der nächsten Phase der Studie wurden 294 Teilnehmer 1.7 Jahre nach der ersten einer zweiten Gehirnuntersuchung unterzogen. Dadurch konnte der Zusammenhang zwischen altersbedingten Veränderungen der strukturell-funktionalen Konnektivität und intraindividuellen Veränderungen in der Entwicklung ermittelt werden. Hierzu wurde eine Bewertung der longitudinalen Veränderungen der strukturell-funktionalen Konnektivität vorgenommen.
Bild #4
Es wurde eine signifikante Übereinstimmung zwischen den transversalen und longitudinalen altersbedingten Veränderungen in der Struktur-Funktions-Beziehung gefunden (4А).
Um die Beziehung zwischen Längsänderungen in der strukturell-funktionalen Konnektivität zu testen (4B) und longitudinale Änderungen des Koeffizienten der funktionalen Beteiligung (4S) Es wurde eine lineare Regression verwendet. Es wurde festgestellt, dass Längsänderungen der Konnektivität Längsänderungen des Koeffizienten der funktionellen Beteiligung in verteilten Assoziationsbereichen höherer Ordnung entsprechen, einschließlich derjenigen im dorsalen und medialen präfrontalen Kortex, unteren parietalen Kortex und lateralen temporalen Kortex (4D).
Bild #5
Anschließend versuchten die Wissenschaftler zu verstehen, welche Konsequenzen individuelle Unterschiede in strukturell-funktionalen Zusammenhängen für das Verhalten haben. Insbesondere, ob die strukturell-funktionale Konnektivität während der Aufgabenausführung mit dem Arbeitsgedächtnis die Leistung von Führungskräften erklären kann. Es wurde festgestellt, dass eine Verbesserung der Führungsleistung mit einer stärkeren strukturell-funktionalen Konnektivität im rostrolateralen präfrontalen Kortex, im hinteren Gyrus cinguli und im medialen okzipitalen Kortex verbunden ist (5A).
Die Gesamtheit der obigen Beobachtungen führt zu mehreren wesentlichen Schlussfolgerungen. Erstens sind regionale Veränderungen der strukturell-funktionalen Konnektivität umgekehrt proportional zur Komplexität der Funktion, für die der eine oder andere Bereich des Gehirns verantwortlich ist. In Teilen des Gehirns, die auf die Verarbeitung einfacher sensorischer Informationen (z. B. visueller Hinweise) spezialisiert sind, wurde eine stärkere strukturell-funktionale Beziehung festgestellt. Und in den Bereichen des Gehirns, die an komplexeren Prozessen beteiligt sind (exekutive Funktion und hemmende Kontrolle), gab es eine geringere strukturell-funktionale Konnektivität.
Es wurde auch festgestellt, dass die strukturell-funktionale Konnektivität mit der evolutionären Gehirnexpansion bei Primaten übereinstimmt. Vergleichende Studien am Gehirn von Menschen, Primaten und Affen haben zuvor gezeigt, dass sensorische Bereiche (wie das visuelle System) bei Primatenarten sehr konserviert sind und sich in der jüngsten Evolution nicht wesentlich erweitert haben. Aber auch die assoziativen Bereiche des Gehirns (zum Beispiel der präfrontale Kortex) haben eine deutliche Erweiterung erfahren. Möglicherweise wirkte sich diese Erweiterung direkt auf die Entstehung komplexer kognitiver Fähigkeiten beim Menschen aus. Es wurde festgestellt, dass Bereiche des Gehirns, die sich im Laufe der Evolution schnell ausdehnten, eine schwächere strukturell-funktionale Konnektivität aufwiesen, während einfache sensorische Bereiche stärkere aufwiesen.
Bei Kindern und Jugendlichen nimmt der strukturell-funktionale Zusammenhang recht aktiv in den Frontalbereichen des Gehirns zu, die für die Funktion der Hemmung (also der Selbstkontrolle) verantwortlich sind. Daher kann die langfristige Entwicklung der strukturell-funktionalen Konnektivität in diesen Bereichen die exekutive Funktion und Selbstkontrolle verbessern, ein Prozess, der bis ins Erwachsenenalter anhält.
Für detailliertere Informationen zu den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf и zu ihm.
Letzter Akt
Das menschliche Gehirn war schon immer eines der größten Geheimnisse der Menschheit und wird es auch weiterhin bleiben. Dabei handelt es sich um einen unglaublich komplexen Mechanismus, der viele Funktionen ausführen, viele Prozesse steuern und riesige Informationsmengen speichern muss. Für viele Eltern gibt es nichts Geheimnisvolleres als die Gehirne ihrer Kinder im Teenageralter. Ihr Verhalten ist manchmal schwer als logisch oder konstruktiv zu bezeichnen, aber das liegt an dem Prozess ihrer biologischen Entwicklung und sozialen Bildung.
Natürlich können Veränderungen in den strukturellen und funktionellen Verbindungen bestimmter Teile des Gehirns und der Einfluss hormoneller Veränderungen eine wissenschaftliche Rechtfertigung für das eigenartige Verhalten junger Menschen sein, aber das bedeutet nicht, dass sie nicht gelenkt werden müssen. Der Mensch ist von Natur aus kein asoziales Wesen. Wenn jemand andere Menschen meidet, liegt das sicherlich nicht an unserer biologischen Veranlagung. Daher ist die aktive Beteiligung der Eltern am Leben ihrer Kinder ein äußerst wichtiger Aspekt ihrer Entwicklung.
Es sollte auch verstanden werden, dass ein Kind bereits im Alter von drei Jahren ein Mensch mit seinem eigenen Charakter, seinen Wünschen und seiner eigenen Sicht auf die Welt um ihn herum ist. Ein Elternteil sollte für sein Kind nicht unsichtbar werden und es frei schweben lassen, aber es sollte sich nicht in eine Stahlbetonmauer verwandeln, die es davor schützt, die Welt kennenzulernen. Irgendwo muss man drängen, irgendwo festhalten, irgendwo völlige Freiheit geben und irgendwo, nachdem man die elterliche Autorität gezeigt hat, ein entschiedenes „Nein“ sagen, auch wenn das Kind damit nicht zufrieden ist.
Es ist schwer, Eltern zu sein, und noch schwerer ist es, ein guter Elternteil zu sein. Aber auch ein Teenager zu sein ist nicht einfach. Der Körper verändert sich äußerlich, das Gehirn verändert sich, die Umgebung verändert sich (es gab eine Schule und jetzt eine Universität), der Lebensrhythmus verändert sich. In unserer Zeit ähnelt das Leben oft einer Formel 1, in der Langsamkeit keinen Platz hat. Aber hohe Geschwindigkeit birgt ein großes Risiko, sodass ein unerfahrener Fahrer sich verletzen kann. Die Aufgabe eines Elternteils besteht darin, zum Coach seines Kindes zu werden, um es in Zukunft ruhig und ohne Angst um seine Zukunft in die Welt gehen zu lassen.
Manche Eltern halten sich für klüger als andere, manche sind bereit, jeden Ratschlag, den sie im Internet oder von einem Nachbarn hören, umzusetzen, und manche sind einfach „violett“ für alle Feinheiten der Bildung. Menschen sind unterschiedlich, aber ebenso wie die Kommunikation zwischen ihren Abteilungen im menschlichen Gehirn wichtig ist, spielt die Kommunikation zwischen Eltern und ihren Kindern eine der wichtigsten Rollen in der Bildung.
Vielen Dank fürs Zuschauen, bleiben Sie neugierig und wünschen Ihnen allen ein tolles Wochenende! 🙂
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