Uno dei “fenomeni” più misteriosi e non del tutto compresi è il cervello umano. Molte domande ruotano attorno a questo organo complesso: perché sogniamo, come le emozioni influenzano il processo decisionale, quali cellule nervose sono responsabili della percezione della luce e del suono, perché ad alcune persone piacciono gli spratti mentre ad altri adorano le olive? Tutte queste domande riguardano il cervello, perché è il processore centrale del corpo umano. Per anni, gli scienziati hanno prestato particolare attenzione al cervello delle persone che in qualche modo si distinguevano dalla massa (dai geni autodidatti agli psicopatici calcolatori). Ma esiste una categoria di persone il cui comportamento insolito è associato alla loro età: gli adolescenti. Molti adolescenti hanno un acuto senso di contraddizione, uno spirito di avventurismo e un desiderio irresistibile di trovare l'avventura a proprio vantaggio. Gli scienziati dell'Università della Pennsylvania hanno deciso di dare uno sguardo più da vicino al misterioso cervello degli adolescenti e ai processi che avvengono in essi. Apprendiamo cosa sono riusciti a scoprire dal loro rapporto. Andare.
Base di ricerca
Qualsiasi dispositivo tecnologico e qualsiasi organo del corpo ha una propria architettura che consente loro di funzionare in modo efficace. La corteccia cerebrale umana è organizzata secondo una gerarchia funzionale, che va da unimodale corteccia sensoriale* e termina con transmodale corteccia associativa*.
La corteccia sensoriale* è la parte della corteccia cerebrale responsabile della raccolta e dell'elaborazione delle informazioni ricevute dai sensi (occhi, lingua, naso, orecchie, pelle e sistema vestibolare).
La corteccia associativa* è una parte della corteccia parietale del cervello coinvolta nell'attuazione dei movimenti pianificati. Quando stiamo per eseguire un movimento, il nostro cervello deve sapere dove si trovano in quel momento il corpo e le parti che si muoveranno, nonché dove si trovano gli oggetti dell'ambiente esterno con cui intendiamo interagire. Ad esempio, vuoi prendere una tazza e il tuo cervello sa già dove si trovano la mano e la tazza stessa.
Questa gerarchia funzionale è determinata dall'anatomia dei percorsi materia bianca*, che coordinano l'attività neurale sincronizzata e cognizione*.
Materia bianca* — se la materia grigia è costituita da neuroni, la sostanza bianca è costituita da assoni ricoperti di mielina, lungo i quali gli impulsi vengono trasmessi dal corpo cellulare ad altre cellule e organi.
Cognizione* (cognizione) - un insieme di processi associati all'acquisizione di nuove conoscenze sul mondo che ci circonda.
L'evoluzione della corteccia cerebrale nei primati e lo sviluppo del cervello umano sono caratterizzati dall'espansione mirata e dal rimodellamento delle aree associative transmodali, che sono alla base dei processi di rappresentazione sensoriale delle informazioni e di regole astratte per il raggiungimento degli obiettivi.
Il processo di sviluppo del cervello richiede molto tempo, durante il quale si verificano molti processi di miglioramento del cervello come sistema: mielinizzazione*, potatura sinaptica* eccetera
Mielinizzazione* - gli oligodendrociti (un tipo di cellule ausiliarie del sistema nervoso) avvolgono l'una o l'altra parte dell'assone, a seguito della quale un oligodendrocita comunica con più neuroni contemporaneamente. Più l'assone è attivo, più è mielinizzato, poiché ciò aumenta la sua efficienza.
Potatura sinaptica* — ridurre il numero di sinapsi/neuroni per aumentare l’efficienza del neurosistema, vale a dire eliminare le connessioni inutili. In altre parole, questa è l’attuazione del principio “non per quantità, ma per qualità”.
Durante lo sviluppo del cervello, nella corteccia associativa transmodale si forma la specificazione funzionale, che influenza direttamente lo sviluppo delle funzioni esecutive di ordine superiore, come memoria di lavoro*, flessibilità cognitiva* и controllo inibitorio*.
Memoria di lavoro* - un sistema cognitivo per l'archiviazione temporanea delle informazioni. Questo tipo di memoria viene attivato durante i processi di pensiero in corso ed è coinvolto nel processo decisionale e nella formazione di risposte comportamentali.
Flessibilità cognitiva* - la capacità di passare da un pensiero all'altro e/o di pensare a più cose contemporaneamente.
Controllo inibitorio* (risposta di inibizione) è una funzione esecutiva che sovrintende alla capacità di una persona di sopprimere le sue reazioni comportamentali impulsive (naturali, abituali o dominanti) agli stimoli al fine di implementare una risposta più appropriata ad una situazione specifica (stimolo esterno).
Lo studio delle connessioni strutturali-funzionali del cervello è iniziato molto tempo fa. Con l'avvento della teoria delle reti è diventato possibile visualizzare le connessioni strutturale-funzionali nei sistemi neurobiologici e dividerle in categorie. Fondamentalmente, la connettività struttura-funzione è il grado in cui la distribuzione delle connessioni anatomiche all’interno di una regione del cervello supporta l’attività neurale sincronizzata.
È stata trovata una forte relazione tra le misure di connettività strutturale e funzionale a diverse scale spaziotemporali. In altre parole, metodi di ricerca più moderni hanno permesso di classificare alcune aree del cervello in base alle loro caratteristiche funzionali legate all'età dell'area e alle sue dimensioni.
Tuttavia, gli scienziati affermano che attualmente ci sono poche prove di come i cambiamenti nell’architettura della materia bianca durante lo sviluppo del cervello umano supportino le fluttuazioni coordinate dell’attività neurale.
La connettività strutturale-funzionale è la base per la comunicazione funzionale e si verifica quando il profilo di connettività interregionale della sostanza bianca di una regione corticale prevede la forza della connettività funzionale interregionale. Cioè, l'attività della sostanza bianca si rifletterà nell'attivazione delle funzioni esecutive del cervello, quindi sarà possibile valutare il grado di forza della connessione strutturale-funzionale.
Per descrivere la relazione strutturale-funzionale, gli scienziati hanno avanzato tre ipotesi che sono state testate durante lo studio.
La prima ipotesi afferma che la connettività struttura-funzione rifletterà la specializzazione funzionale della regione corticale. Cioè, la connettività struttura-funzione sarà forte nella corteccia somatosensoriale, a causa di processi che determinano lo sviluppo precoce di gerarchie sensoriali specializzate. Al contrario, la connettività struttura-funzione sarà bassa nella corteccia associativa transmodale, dove la comunicazione funzionale potrebbe essere indebolita da vincoli genetici e anatomici dovuti alla rapida espansione evolutiva.
La seconda ipotesi si basa sulla mielinizzazione attività-dipendente a lungo termine durante lo sviluppo e afferma che lo sviluppo delle connessioni struttura-funzione sarà concentrato nella corteccia associativa transmodale.
Terza ipotesi: la connessione strutturale-funzionale riflette la specializzazione funzionale della regione corticale. Pertanto, si può presumere che una connessione strutturale-funzionale più forte nella corteccia associativa frontoparietale sarà coinvolta nei calcoli specializzati necessari per l'implementazione delle funzioni esecutive.
Risultati dello studio
Per caratterizzare lo sviluppo della connettività struttura-funzione negli adolescenti, gli scienziati hanno quantificato la misura in cui le connessioni strutturali tra diverse regioni del cervello supportano fluttuazioni coordinate nell'attività neurale.
Utilizzando dati di neuroimaging multimodale di 727 partecipanti di età compresa tra 8 e 23 anni, è stata eseguita la trattografia di diffusione probabilistica e valutato la connettività funzionale tra ciascuna coppia di regioni corticali durante la performance. compiti n-back*associato all’attività della memoria di lavoro.
Problema n-back* - una tecnica per stimolare l'attività di alcune aree del cervello e testare la memoria di lavoro. Al soggetto vengono forniti una serie di stimoli (visivi, audio, ecc.). Deve determinare e indicare se questo o quello stimolo era presente n posizioni fa. Ad esempio: TLHCHSCCQLCKLHCQTRHKC HR (problema 3-back, dove una certa lettera appariva prima nella 3a posizione).
La connettività funzionale nello stato di riposo riflette le fluttuazioni spontanee dell'attività neurale. Ma durante un compito di memoria di lavoro, la connettività funzionale può potenziare specifiche connessioni neurali o popolazioni coinvolte nelle funzioni esecutive.
Immagine n. 1: misurazione della connettività strutturale-funzionale del cervello umano.
I nodi nelle reti cerebrali strutturali e funzionali sono stati identificati utilizzando una parcellizzazione corticale di 400 aree basata sull'omogeneità funzionale nei dati MRI dei partecipanti allo studio. Per ciascun partecipante allo studio, i profili di connettività regionale sono stati estratti da ciascuna riga della matrice di connettività strutturale o funzionale e rappresentati come vettori della forza di connettività da un nodo della rete neurale a tutti gli altri nodi.
Innanzitutto gli scienziati hanno verificato se la distribuzione spaziale delle connessioni strutturale-funzionali coincide con le proprietà fondamentali dell'organizzazione corticale.
Immagine n. 2
Vale la pena notare che la relazione tra i profili di connettività strutturale e funzionale regionale varia notevolmente nella corteccia (2A). Sono state osservate connessioni più forti nella corteccia prefrontale sensoriale primaria e mediale. Ma nelle regioni laterale, temporale e frontoparietale la connessione era piuttosto debole.
Per una valutazione più comprensibile del rapporto tra connettività strutturale-funzionale e specializzazione funzionale, è stato calcolato il coefficiente di “partecipazione”, che è una rappresentazione grafica della determinazione quantitativa della connettività tra aree funzionalmente specializzate del cervello. Ciascuna delle regioni del cervello è stata assegnata a sette reti neurali funzionali classiche. I nodi neuronali del cervello con un alto coefficiente di partecipazione dimostrano diverse connessioni intermodulari (connessioni tra regioni del cervello) e, quindi, possono influenzare i processi di trasferimento delle informazioni tra le regioni, nonché la loro dinamica. Ma i nodi con bassi tassi di partecipazione mostrano più connessioni locali all’interno della regione del cervello stessa, piuttosto che tra diverse regioni. In parole povere, se il coefficiente è alto, diverse aree del cervello interagiscono attivamente tra loro; se è basso, l’attività avviene all’interno dell’area senza connessione con quelle vicine (2C).
Successivamente è stata valutata la relazione tra la variabilità della connettività strutturale-funzionale e la gerarchia funzionale su macroscala. La connettività strutturale-funzionale coincide in gran parte con il gradiente sottostante della connettività funzionale: le aree sensoriali unimodali mostrano una connettività strutturale-funzionale relativamente forte, mentre le aree transmodali al vertice della gerarchia funzionale mostrano una connettività più debole.2D).
Si è riscontrato inoltre che esiste una forte correlazione tra il rapporto strutturale-funzionale e l’espansione evolutiva della superficie della corteccia (2E). Le aree sensoriali altamente conservate avevano una connettività struttura-funzione relativamente forte, mentre le aree transmodali altamente espanse avevano una connettività più debole. Tali osservazioni supportano pienamente l’ipotesi che la connettività struttura-funzione sia un riflesso della gerarchia corticale di specializzazione funzionale ed espansione evolutiva.
Immagine n. 3
Gli scienziati ricordano ancora una volta che la ricerca precedente era in gran parte focalizzata sullo studio della connettività strutturale-funzionale nel cervello adulto. Nello stesso lavoro l'accento è stato posto sullo studio del cervello, che è ancora in fase di sviluppo, cioè sullo studio del cervello dell’adolescente.
Si è scoperto che nel cervello dell’adolescente, le differenze legate all’età nelle connessioni strutturale-funzionali erano ampiamente distribuite attraverso la corteccia temporale laterale, parietale inferiore e prefrontale.3А). I miglioramenti della connettività erano distribuiti in modo sproporzionato tra le regioni corticali, ad es. erano presenti in un sottoinsieme unico di aree corticali funzionalmente separate (3V), che non è stato osservato nel cervello adulto.
L’entità delle differenze di età nella connettività strutturale-funzionale era altamente correlata al tasso di partecipazione funzionale (3S) e gradiente funzionale (3D).
Anche la distribuzione spaziale delle differenze legate all’età nelle connessioni strutturale-funzionali era coerente con l’espansione evolutiva della corteccia. Un aumento della connettività correlato all’età è stato osservato nella corteccia associativa estesa, mentre una diminuzione della connettività correlata all’età è stata osservata nella corteccia sensomotoria altamente conservata (3E).
Nella fase successiva dello studio, 294 partecipanti sono stati sottoposti a un secondo esame del cervello 1.7 anni dopo il primo. In questo modo è stato possibile determinare la relazione tra i cambiamenti legati all’età nella connettività strutturale-funzionale e i cambiamenti dello sviluppo intra-individuale. A questo scopo sono stati valutati i cambiamenti longitudinali nella connettività strutturale-funzionale.
Immagine n. 4
È stata riscontrata una corrispondenza significativa tra i cambiamenti trasversali e longitudinali legati all’età nella connettività strutturale-funzionale (4А).
Testare la relazione tra i cambiamenti longitudinali nella connettività strutturale e funzionale (4B) e cambiamenti longitudinali nel tasso di partecipazione funzionale (4S) è stata utilizzata la regressione lineare. Si è scoperto che i cambiamenti longitudinali nella connettività corrispondono a cambiamenti longitudinali nel rapporto di partecipazione funzionale nelle aree di associazione distribuite di ordine elevato, comprese le cortecce prefrontali dorsale e mediale, la corteccia parietale inferiore e la corteccia temporale laterale (4D).
Immagine n. 5
Gli scienziati hanno poi cercato di comprendere le conseguenze delle differenze individuali nella connettività strutturale-funzionale per il comportamento. Nello specifico, se la connettività strutturale-funzionale durante un compito di memoria di lavoro può spiegare le prestazioni esecutive. Si è scoperto che i miglioramenti nelle funzioni esecutive sono associati ad una più forte connettività strutturale-funzionale nella corteccia prefrontale rostrolaterale, nella corteccia cingolata posteriore e nella corteccia occipitale mediale.5A).
L’insieme delle osservazioni sopra descritte porta a diverse conclusioni principali. Innanzitutto, i cambiamenti regionali nella connettività strutturale-funzionale sono inversamente proporzionali alla complessità della funzione di cui è responsabile una particolare regione del cervello. Una connettività struttura-funzione più forte è stata trovata in parti del cervello specializzate nell’elaborazione di semplici informazioni sensoriali (come i segnali visivi). E le regioni cerebrali coinvolte in processi più complessi (funzioni esecutive e controllo inibitorio) avevano una connettività strutturale-funzionale inferiore.
Anche la connettività strutturale-funzionale è risultata coerente con l’espansione evolutiva del cervello osservata nei primati. Precedenti studi comparativi sul cervello di esseri umani, primati e scimmie hanno dimostrato che le aree sensoriali (come il sistema visivo) sono altamente conservate tra le specie di primati e non si sono espanse molto durante la recente evoluzione. Ma le aree associative del cervello (ad esempio la corteccia prefrontale) hanno subito un'espansione significativa. Forse questa espansione ha influenzato direttamente l'emergere di capacità cognitive complesse negli esseri umani. Si è scoperto che le aree del cervello che si espandevano rapidamente durante l’evoluzione avevano una connettività strutturale e funzionale più debole, mentre le aree sensoriali semplici avevano una connettività più forte.
Nei bambini e negli adolescenti il collegamento strutturale-funzionale aumenta in modo piuttosto attivo nelle aree frontali del cervello, responsabili della funzione di inibizione (cioè autocontrollo). Pertanto, lo sviluppo a lungo termine della connettività strutturale-funzionale in queste aree può migliorare la funzione esecutiva e l’autocontrollo, un processo che continua nell’età adulta.
Per uno sguardo più dettagliato alle sfumature dello studio, consiglio di dare un'occhiata a и a lui.
Finale
Il cervello umano è sempre stato e sarà a lungo uno dei più grandi misteri dell'umanità. Si tratta di un meccanismo incredibilmente complesso che deve svolgere molte funzioni, controllare molti processi e immagazzinare enormi quantità di informazioni. Per molti genitori non c’è niente di più misterioso del cervello dei loro figli adolescenti. Il loro comportamento a volte è difficile da definire logico o costruttivo, ma ciò è spiegato dal processo del loro sviluppo biologico e della formazione sociale.
Naturalmente, i cambiamenti nelle connessioni strutturali e funzionali di alcune aree del cervello e l'influenza dei cambiamenti ormonali possono essere una giustificazione scientifica per il comportamento peculiare dei giovani, ma ciò non significa che non debbano essere guidati. L’uomo non è per natura un essere asociale. Se qualcuno evita le altre persone non è certo per una nostra predisposizione biologica. Pertanto, la partecipazione attiva dei genitori alla vita dei propri figli è un aspetto estremamente importante del loro sviluppo.
Vale anche la pena capire che anche all'età di tre anni un bambino è già un individuo con il proprio carattere, i propri desideri e la propria visione del mondo che lo circonda. Un genitore non deve diventare invisibile al figlio, lasciandolo andare liberamente, ma non deve trasformarsi in un muro di cemento armato che lo protegge dalla conoscenza del mondo. Da qualche parte devi spingere, da qualche parte devi trattenerti, da qualche parte devi dare completa libertà e da qualche parte, mostrando l'autorità dei genitori, devi dire un deciso "no", anche se il bambino non è soddisfatto di questo.
Essere un genitore è difficile, essere un buon genitore è ancora più difficile. Ma essere un adolescente non è così facile. Cambia il corpo esternamente, cambia il cervello, cambia l’ambiente (c’era la scuola, e adesso l’università), cambia il ritmo della vita. Al giorno d’oggi la vita somiglia spesso alla Formula 1, in cui non c’è posto per la lentezza. Ma l’alta velocità comporta grandi rischi, quindi un ciclista inesperto può farsi male. Il compito di un genitore è diventare un allenatore per suo figlio, per poterlo rilasciare con calma nel mondo in futuro, senza paura per il suo futuro.
Alcuni genitori si considerano più intelligenti di altri, alcuni sono pronti a mettere in pratica qualsiasi consiglio che sentono su Internet o da un vicino, e alcuni sono semplicemente "viola" in tutte le complessità della genitorialità. Le persone sono diverse, ma proprio come la comunicazione tra le sue parti è importante nel cervello umano, la comunicazione tra genitori e figli svolge uno dei ruoli più importanti nell'educazione.
Grazie per la visione, rimanete curiosi e buon fine settimana a tutti! 🙂
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Fonte: habr.com