Uno dei fenomeni più misteriosi e non completamente decifrati è il cervello umano. Attorno a questo complesso organo ruotano molte domande: perché sogniamo, come le emozioni influenzano le decisioni, quali cellule nervose rispondono alla percezione della luce e del suono, perché alcuni amano i pesciolini, mentre altri adorano le olive? Tutte queste domande riguardano il cervello, poiché esso è il processore centrale dell'organismo umano. Per molti anni, gli scienziati hanno prestato particolare attenzione ai cervelli delle persone che in qualche modo si distinguevano dalla massa (da geni autodidatti a psicopatici calcolatori). Ma c'è una categoria di persone il cui comportamento insolito è legato alla loro età: gli adolescenti. Molti adolescenti possiedono un senso acuto della contraddizione, uno spirito avventuroso e un irresistibile desiderio di trovare avventure per conto loro. Gli scienziati dell'Università della Pennsylvania hanno deciso di esaminare da vicino i misteriosi cervelli degli adolescenti e i processi che vi si svolgono. Scopriremo cosa hanno scoperto nel loro rapporto. Andiamo.
Fondamenti della ricerca
Ogni strumento nella tecnologia e ogni organo nell'organismo hanno la propria architettura, che permette loro di funzionare in modo efficace. La corteccia cerebrale umana è organizzata secondo una gerarchia funzionale, a partire dalla corteccia sensoriale unimonodale sensory cortex* e terminando con la corteccia associativa associative cortex*.
La corteccia sensoriale del cervello* è la parte della corteccia cerebrale responsabile della raccolta e dell'elaborazione delle informazioni ricevute dagli organi di senso (occhi, lingua, naso, orecchie, pelle e apparato vestibolare).
La corteccia associativa* è una parte della corteccia parietale del cervello, coinvolta nella realizzazione dei movimenti pianificati. Quando ci prepariamo a eseguire un movimento, il nostro cervello deve sapere dove si trova in quel momento il corpo e le sue parti che si muoveranno, così come la posizione degli oggetti nell'ambiente esterno con cui si prevede di interagire. Ad esempio, vuoi prendere una tazza, e il tuo cervello già sa dove si trova la mano e la tazza stessa.
Tale gerarchia funzionale è determinata dall'anatomia delle vie della sostanza bianca*, che coordinano l'attività neuronale sincronizzata e la cognizione*.
La sostanza bianca* — se la materia grigia è composta da neuroni, la materia bianca è composta da assoni ricoperti di mielina, attraverso i quali gli impulsi vengono trasmessi dal corpo cellulare ad altre cellule e organi.
Cognizione* (conoscenza) — l'insieme dei processi legati all'acquisizione di nuove conoscenze riguardo al mondo circostante.
L'evoluzione della corteccia cerebrale nei primati e lo sviluppo del cervello umano sono caratterizzati da un'espansione mirata e da un rimodellamento delle aree associative trasmodali, che costituiscono la base dei processi di rappresentazione sensoriale delle informazioni e delle regole astratte per il raggiungimento degli obiettivi.
Il processo di sviluppo del cervello richiede un certo tempo, durante il quale avviene un gran numero di processi di perfezionamento del cervello come sistema: mielinizzazione*, potatura sinaptica* ecc.
Mielinizzazione* — gli oligodendrociti (un tipo di cellule di supporto del sistema nervoso) avvolgono una determinata parte dell'assone, il che porta un oligodendrocita a collegarsi a più neuroni contemporaneamente. Maggiore è l'attività dell'assone, maggiore è la sua mielinizzazione, poiché ciò ne aumenta l'efficacia.
Potatura sinaptica* — riduzione del numero di sinapsi/neuroniche per migliorare l'efficacia del funzionamento del sistema neuro, cioè eliminare le connessioni superflue. In altre parole, rappresenta l'attuazione del principio "non per quantità, ma per qualità".
Durante la formazione del cervello si sviluppa una specificazione funzionale nella corteccia associativa trasmodale, che influisce direttamente sullo sviluppo delle funzioni esecutive di ordine superiore, come memoria di lavoro*, flessibilità cognitiva* e controllo inibitorio*.
Memoria di lavoro* — sistema cognitivo di immagazzinamento temporaneo delle informazioni. Questo tipo di memoria si attiva nel momento dei processi di pensiero attuali e partecipa alla presa di decisioni e alla formazione delle risposte comportamentali.
Flessibilità cognitiva* — capacità di passare da un pensiero a un altro e/o di riflettere su più cose contemporaneamente.
Controllo inibitorio* (reazione di inibizione) — funzione esecutiva che regola la capacità di una persona di sopprimere le proprie reazioni comportamentali impulsive (naturali, abituali o dominanti) agli stimoli, al fine di attuare una risposta più adeguata a una situazione specifica (stimolo esterno).
Lo studio delle connessioni strutturali e funzionali del cervello è iniziato da tempo. Con l'emergere della teoria delle reti, è diventato possibile visualizzare le connessioni strutturali e funzionali nei sistemi neurobiologici e classificarle in categorie. In sostanza, una connessione strutturale-funzionale rappresenta il grado in cui la distribuzione delle connessioni anatomiche nell'area cerebrale supporta l'attività neuronale sincronizzata.
È stata stabilita la presenza di una forte correlazione tra le misurazioni della connettività strutturale e funzionale a diverse scale spaziali e temporali. In altre parole, i metodi più moderni di studio hanno permesso di categorizzare alcune aree del cervello in base alle loro caratteristiche funzionali, legate all'età dell'area e alla sua dimensione.
Tuttavia, come affermano gli scienziati, attualmente non ci sono dati riguardo a come i cambiamenti nell'architettura della sostanza bianca durante lo sviluppo del cervello umano supportino le fluttuazioni sincronizzate dell'attività neuronale.
La connessione strutturale-funzionale è alla base della comunicazione funzionale e si verifica quando il profilo della connettività interregionale della sostanza bianca in una regione corticale predice la forza della connettività funzionale interregionale. In altre parole, l'attività della sostanza bianca si riflette nell'attivazione delle funzioni esecutive del cervello, consentendo così di valutare il grado di forza della connessione strutturale-funzionale.
Per descrivere la connessione strutturale-funzionale, gli scienziati hanno avanzato tre ipotesi, che sono state testate nel corso della ricerca.
La prima ipotesi afferma che la connessione strutturale-funzionale rifletterà la specializzazione funzionale dell'area corticale. In altre parole, la connessione strutturale-funzionale sarà forte nella corteccia somatosensoriale, grazie ai processi che determinano lo sviluppo precoce delle gerarchie sensoriali specializzate. Contrariamente a ciò, la connessione strutturale-funzionale sarà bassa nella corteccia associativa trasmodale, dove la comunicazione funzionale può essere indebolita da limitazioni genetiche e anatomiche a causa dell'espansione evolutiva rapida.
La seconda ipotesi si basa su una lunga dipendenza dall'attività di mielinizzazione durante lo sviluppo e sostiene che lo sviluppo delle connessioni strutturali-funzionali sarà concentrato nella corteccia associativa trasmodale.
La terza ipotesi: la connessione strutturale-funzionale riflette la specializzazione funzionale di una determinata area corticale. Pertanto, si può ipotizzare che una connessione strutturale-funzionale più forte nella corteccia associativa fronto-temporale partecipi a calcoli specializzati necessari per l'attuazione delle funzioni esecutive.
Risultati dello studio
Per caratterizzare lo sviluppo dell'interazione strutturale-funzionale negli adolescenti, gli scienziati hanno condotto una valutazione quantitativa del grado in cui le connessioni strutturali di diverse aree del cervello supportano le oscillazioni coordinate dell'attività neuronale.
Utilizzando dati di neuroimmagine multimodali provenienti da 727 partecipanti di età compresa tra 8 e 23 anni, è stata condotta una tracciatura probabilistica della diffusione e una valutazione della connettività funzionale tra ciascuna coppia di aree corticali durante l'esecuzione del compito n-indietro*, collegato all'attività della memoria di lavoro.
Il compito n-indietro* è una tecnica per stimolare l'attività di specifiche aree del cervello e testare la memoria di lavoro. Al soggetto viene presentata una serie di stimoli (visivi, sonori, ecc.). Deve identificare e indicare se un determinato stimolo è apparso n posizioni fa. Ad esempio: T L H C H S C C Q L C K L H C Q T R H K C H R (compito 3-indietro, dove una lettera specifica si è presentata 3 posizioni prima).
La connettività funzionale a riposo riflette le oscillazioni spontanee dell'attività neuronale. Durante l'esecuzione del compito di memoria di lavoro, la connettività funzionale può rafforzare determinate connessioni nervose o popolazioni coinvolte nelle funzioni esecutive.
Immagine n. 1: misurazione della connessione strutturale-funzionale del cervello umano.
I nodi nelle reti strutturali e funzionali del cervello sono stati definiti utilizzando una parcellizzazione corticale a 400 zone (divisione in zone), basata sull'omogeneità funzionale nei dati di risonanza magnetica dei partecipanti allo studio. Per ciascun partecipante, i profili regionali di connettività sono stati estratti da ogni riga della matrice di connettività strutturale o funzionale e presentati come vettori di forza di connessione da un nodo della rete neurale a tutti gli altri nodi.
Per iniziare, gli studiosi hanno verificato se la distribuzione spaziale delle connessioni strutturali e funzionali corrisponde alle proprietà fondamentali dell'organizzazione corticale.
Immagine n. 2
Vale la pena notare che la connessione tra i profili regionali di connettività strutturale e funzionale variava notevolmente in tutta la corteccia (2A). Una connessione più forte è stata osservata nella corteccia sensoriale primaria e nella corteccia prefrontale mediale. Al contrario, nelle aree laterale, temporale e fronto-temporale la connessione era piuttosto debole.
Per una valutazione più chiara, è stata calcolata la misura di "partecipazione", che rappresenta una rappresentazione grafica della definizione quantitativa della connettività tra aree del cervello funzionalmente specializzate. Ciascuna delle aree cerebrali è stata assegnata a sette reti neurali funzionali classiche. I nodi neurali del cervello con un alto coefficiente di partecipazione mostrano una diversa connessione intermodulare (connessione tra aree cerebrali) e possono quindi influenzare i processi di trasmissione delle informazioni tra le aree e la loro dinamica. Al contrario, i nodi con un basso coefficiente di partecipazione mostrano connessioni più locali all'interno della stessa area cerebrale, piuttosto che tra più aree. In altre parole, se il coefficiente è alto, diverse aree cerebrali interagiscono attivamente tra loro; se è basso, l'attività avviene all'interno dell'area senza collegamenti con quelle adiacenti (2C).
È stata quindi effettuata una valutazione della variabilità della connessione strutturale-funzionale e della gerarchia funzionale a grande scala. La connessione strutturale-funzionale coincide in larga misura con il principale gradiente di connessione funzionale: le aree sensoriali unimodali mostrano una connessione strutturale-funzionale relativamente forte, mentre le aree trasmodali al vertice della gerarchia funzionale presentano una connessione più debole (2D).
È stata inoltre stabilita una forte correlazione tra la connessione strutturale-funzionale e l'espansione evolutiva della superficie corticale (2E). Le aree sensoriali ad alta conservazione presentavano una connessione strutturale-funzionale relativamente forte, mentre le aree trasmodali fortemente espanse avevano una connessione più debole. Tali osservazioni confermano pienamente l'ipotesi che la connessione strutturale-funzionale rifletta la gerarchia corticale di specializzazione funzionale e l'espansione evolutiva.
Immagine n. 3
Gli scienziati ricordano ancora una volta che le ricerche condotte in precedenza si sono concentrate principalmente sullo studio della connettività strutturale-funzionale nel cervello dell'adulto. In questo lavoro, l'accento è stato posto sullo studio del cervello che è ancora in sviluppo, ovvero sul cervello dell'adolescente.
È stato stabilito che nel cervello degli adolescenti le differenze di età nella connettività strutturale-funzionale erano ampiamente distribuite nella corteccia temporale laterale, parietale inferiore e prefrontale (3A). Gli incrementi di connettività erano distribuiti in modo sproporzionato nelle aree corticali, essendo presenti in un sottoinsieme unico di aree corticali funzionalmente separate (3B), cosa non osservata nel cervello dell'adulto.
L'entità delle differenze di età nella connettività strutturale-funzionale mostrava una forte correlazione con il coefficiente di partecipazione funzionale (3C) e con il gradiente funzionale (3D).
La distribuzione spaziale delle differenze di età nelle connessioni strutturali-funzionali corrispondeva anche all'espansione evolutiva della corteccia. L'aumento dell'età della connettività è stato osservato nella corteccia associativa espansa del cervello, mentre la diminuzione della connettività legata all'età è stata osservata nella corteccia sensomotoria altamente conservativa (3Е).
Nella fase successiva della ricerca, 294 partecipanti hanno sottoposto a un nuovo esame del cervello dopo 1,7 anni dal primo. In questo modo è stato possibile identificare il legame tra i cambiamenti legati all'età nella connettività strutturale-funzionale e i cambiamenti nello sviluppo intrapersonale. A tal fine è stata effettuata una valutazione dei cambiamenti longitudinali nella connettività strutturale-funzionale.
Immagine n. 4
È stata rilevata una significativa corrispondenza tra i cambiamenti trasversali e longitudinali legati all'età nella connessione strutturale-funzionale (4A).
Per verificare il legame tra i cambiamenti longitudinali nella connettività strutturale-funzionale (4B) e i cambiamenti longitudinali del coefficiente di partecipazione funzionale (4С) è stata utilizzata la regressione lineare. È stato scoperto che i cambiamenti longitudinali nella connettività corrispondevano ai cambiamenti longitudinali del coefficiente di partecipazione funzionale nelle aree associative distribuite di alto ordine, comprese la corteccia prefrontale dorsale e mediale, la corteccia parietale inferiore e la corteccia temporale laterale (4D).
Immagine n. 5
Successivamente, gli scienziati hanno cercato di comprendere le conseguenze delle differenze individuali nelle connessioni strutturali-funzionali per il comportamento. In particolare, se la connettività strutturale-funzionale durante l'esecuzione di compiti di memoria di lavoro possa spiegare le prestazioni esecutive. È emerso che il miglioramento delle prestazioni esecutive era associato a una maggiore connettività strutturale-funzionale nella corteccia prefrontale rostrolaterale, nella circonvoluzione cingolata posteriore e nella corteccia occipitale mediale (5A).
La combinazione delle osservazioni sopra descritte porta a diverse conclusioni principali. Innanzitutto, le variazioni regionali nella connettività strutturale e funzionale sono inversamente proporzionali alla complessità della funzione per cui è responsibile una determinata area del cervello. È stata riscontrata una connessione strutturale-funzionale più forte nelle parti del cervello specializzate nell'elaborazione di informazioni sensoriali semplici (ad esempio, segnali visivi). Al contrario, nelle aree del cervello coinvolte in processi più complessi (funzione esecutiva e controllo inibitorio) è stata osservata una connettività strutturale-funzionale più bassa.
È stato anche stabilito che la connettività strutturale-funzionale è correlata all'espansione evolutiva del cervello osservata nei primati. In precedenza erano stati condotti studi comparativi sul cervello umano, del primate e della scimmia, dimostrando che le aree sensoriali (ad esempio, il sistema visivo) sono molto conservative tra le specie di primati e non si sono ampliate significativamente nel corso della recente evoluzione. Al contrario, le aree associative del cervello (ad esempio, la corteccia prefrontale) hanno subito un'espansione significativa. Questa espansione potrebbe aver influito direttamente sull'emergere delle complesse capacità cognitive dell'essere umano. È emerso che le aree del cervello che si sono espanse rapidamente durante l'evoluzione avevano una connettività strutturale-funzionale più debole, mentre le aree sensoriali semplici presentavano una connettività più forte.
Nei bambini e negli adolescenti, la connettività strutturale-funzionale aumenta attivamente nelle aree frontali del cervello che sono responsabili della funzione di inibizione (cioè, dell'autocontrollo). Pertanto, lo sviluppo prolungato della connettività strutturale-funzionale in queste aree può migliorare la funzione esecutiva e l'autocontrollo, un processo che continua anche nell'età adulta.
Per un approfondimento sui dettagli della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad essa.
Epilogo
Il cervello umano è sempre stato e continuerà a lungo a essere uno dei più grandi misteri dell'umanità. Si tratta di un meccanismo incredibilmente complesso, che deve svolgere molte funzioni, controllare numerosi processi e conservare enormi volumi di informazioni. Per molti genitori, non c'è nulla di più misterioso del cervello dei loro figli adolescenti. Il loro comportamento a volte è difficile da definire logico o costruttivo, ma questo è spiegato dal processo del loro sviluppo biologico e della loro crescita sociale.
Certo, i cambiamenti nelle connessioni strutturali e funzionali di determinate aree del cervello e l'influenza delle ristrutturazioni ormonali possono giustificare scientificamente il comportamento peculiare dei giovani, ma ciò non significa che non debbano essere guidati. L'essere umano non è, per sua natura, un'entità asociale. Se qualcuno evita gli altri, di certo non è a causa della nostra predisposizione biologica. Pertanto, la partecipazione attiva dei genitori nella vita dei loro figli è un aspetto estremamente importante del loro sviluppo.
Bisogna anche comprendere che già all'età di tre anni un bambino è già una persona con il proprio carattere, i propri desideri e la propria visione del mondo circostante. Il genitore non deve diventare invisibile per il proprio bambino, lasciandolo andare in balia di se stesso, ma nemmeno deve diventare un muro di cemento armato che lo protegge dalla scoperta del mondo. A volte è necessario spingere, altre volte fermarsi, dare completa libertà o, dimostrando autorità genitoriale, dire un fermo «no», anche se il bambino non sarà d'accordo.
Essere genitore è difficile, ma essere un buon genitore è ancora più complesso. Ma anche essere un adolescente non è affatto semplice. Il corpo cambia esteriormente, il cervello cambia, cambia l'ambiente (c'era la scuola e ora c'è l'università), cambia il ritmo della vita. Oggi la vita assomiglia spesso a una Formula 1, nella quale non c'è spazio per la lentezza. Ma una maggiore velocità comporta un maggior rischio, e quindi un pilota inesperto potrebbe subire dei danni. Compito del genitore è diventare l'allenatore del proprio bambino, in modo da lasciarlo in futuro andare nel mondo senza timori per il suo avvenire.
Alcuni genitori si considerano più intelligenti di altri, alcuni sono pronti a seguire qualsiasi consiglio trovato su internet o ricevuto da un vicino, mentre alcuni semplicemente non si curano delle sfumature dell'educazione. Le persone sono diverse, ma proprio come nel cervello umano è importante la comunicazione tra le sue aree, così nell'educazione una delle funzioni più importanti è la comunicazione tra genitori e figli.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buon fine settimana a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
