Uno dei fenomeni più misteriosi e non completamente compresi è il cervello umano. Attorno a questo organo complesso ruotano molte domande: perché sogniamo, come le emozioni influenzano le decisioni, quali cellule nervose sono responsabili della percezione della luce e del suono, perché alcuni amano le sardine, 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 distinguono dalla folla (da geni autodidatti a psicopatici calcolatori). Ma esiste una categoria di persone il cui comportamento peculiare è legato alla loro età: gli adolescenti. Molti adolescenti possiedono un acuto senso del contrasto, uno spirito avventuroso e un'inestinguibile voglia di cercare avventure. Gli scienziati dell'Università della Pennsylvania hanno deciso di esaminare in dettaglio i misteriosi cervelli degli adolescenti e i processi che vi avvengono. Scopriremo cosa hanno scoperto nel loro rapporto. Andiamo.
La base della ricerca
Qualsiasi dispositivo tecnologico e organo del corpo ha la propria architettura, che consente loro di funzionare in modo efficiente. La corteccia cerebrale umana è organizzata secondo una gerarchia funzionale, a partire dalla corteccia unimodale corteccia sensoriale* fino alla corteccia associativa * della corteccia transmodale..
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 che partecipa all'esecuzione dei movimenti pianificati. Quando ci prepariamo a eseguire un movimento, il nostro cervello deve sapere dove si trova il corpo e le sue parti che si muoveranno in quel momento, così come la posizione degli oggetti nell'ambiente esterno con cui intendiamo interagire. Ad esempio, vuoi afferrare una tazza, e il tuo cervello sa già dove si trova la mano e la tazza stessa.
Questa gerarchia funzionale è determinata dall'anatomia delle vie della sostanza bianca*, che coordinano l'attività neuronale sincronizzata e cognizione*..
La sostanza bianca* è composta, a differenza della sostanza grigia che è costituita da neuroni, da assoni rivestiti da mielina, lungo i quali gli impulsi vengono trasmessi dal corpo cellulare ad altri neuroni e organi. La cognizione* (conoscenza) è l'insieme dei processi legati all'acquisizione di nuove informazioni sul mondo circostante.
L'evoluzione della corteccia cerebrale nei primati e lo sviluppo del cervello umano sono caratterizzati da un'espansione mirata e rimodellamento delle aree associative transmodali, che sono alla base dei processi di presentazione sensoriale delle informazioni e delle regole astratte per raggiungere obiettivi. Il processo di sviluppo del cervello richiede tempo, durante il quale avvengono molti processi di perfezionamento del cervello come sistema:
mielinizzazione*
potatura sinaptica* La mielinizzazione* si verifica quando gli oligodendrociti (un tipo di cellule di supporto del sistema nervoso) avvolgono una certa parte di un assone, per cui un oligodendrocita si collega a più neuroni. Più attivo è l'assone, maggiore è la sua mielinizzazione, poiché questo ne aumenta l'efficienza., La potatura sinaptica* è la riduzione del numero di sinapsi/neuronali per migliorare l'efficienza del sistema neurale, ovvero eliminare i collegamenti superflui. In altre parole, si realizza il principio "non per quantità, ma per qualità". ecc.
Durante lo sviluppo del cervello si forma una specificazione funzionale nella corteccia associativa transmodale, che influisce direttamente sullo sviluppo delle funzioni esecutive di ordine superiore, come memoria di lavoro*
flessibilità cognitiva* controllo inibitorio*.
La memoria di lavoro* è un sistema cognitivo di immagazzinamento temporaneo delle informazioni. Questo tipo di memoria viene attivato durante i processi di pensiero attuali e partecipa alla presa di decisioni e alla formazione delle risposte comportamentali. La flessibilità cognitiva* è la capacità di passare da un pensiero all'altro e/o di meditare su più cose contemporaneamente., Il controllo inibitorio* (reazione di inibizione) è una 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 fornire una risposta più adeguata a una situazione specifica (stimolo esterno). e controllo inibitorio*.
Memoria di lavoro* — un sistema cognitivo di immagazzinamento temporaneo delle informazioni. Questo tipo di memoria si attiva durante i processi di pensiero correnti e partecipa al processo decisionale e alla formazione delle risposte comportamentali.
Flessibilità cognitiva* — la capacità di passare da un pensiero all'altro e/o riflettere su più cose contemporaneamente.
Controllo inibitorio* (risposta inibitoria) — una funzione esecutiva che regola la capacità dell'individuo di sopprimere le sue reazioni comportamentali impulsive (naturali, abituali o dominanti) agli stimoli per poter fornire una risposta più adeguata a una situazione specifica (stimolo esterno).
Lo studio delle connessioni strutturali e funzionali del cervello è iniziato molto tempo fa. Con l'emergere della teoria delle reti, è stata introdotta la possibilità di visualizzare le connessioni strutturali e funzionali nei sistemi neurobiologici e di classificarle in categorie. Fondamentalmente, la connessione strutturale-funzionale rappresenta il grado in cui la distribuzione delle connessioni anatomiche nell'area cerebrale supporta un'attività neuronale sincronizzata.
È stata stabilita una forte connessione tra i parametri di connettività strutturale e funzionale a diverse scale spazio-temporali. In altre parole, le tecniche più moderne di studio hanno permesso di categorizzare determinati segmenti del cervello in base alle loro caratteristiche funzionali, connesse all'età della regione e alla sua dimensione.
Tuttavia, come dichiarano gli scienziati, attualmente ci sono pochi dati su come i cambiamenti nell'architettura della sostanza bianca durante lo sviluppo del cervello umano sostengano le oscillazioni neuronali coordinate.
La connessione strutturale-funzionale è la base per la comunicazione funzionale e si verifica quando il profilo della connessione interregionale della sostanza bianca in una regione corticale predice la forza della connessione funzionale interregionale. Ciò significa che l'attività della sostanza bianca si riflette nell'attivazione delle funzioni esecutive del cervello, permettendo così di valutare la forza della connessione strutturale-funzionale.
Per descrivere la connessione strutturale-funzionale, gli scienziati hanno presentato 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. Quindi, la connessione strutturale-funzionale sarà forte nella corteccia somatosensoriale, grazie ai processi che determinano lo sviluppo precoce delle gerarchie sensoriali specializzate. Al contrario, la connessione strutturale-funzionale sarà debole nella corteccia associativa transmodale, dove la comunicazione funzionale può essere compromessa a causa di limiti genetici e anatomici dovuti a un rapido sviluppo evolutivo.
La seconda ipotesi si basa sulla mielinizzazione dipendente dall'attività a lungo termine durante lo sviluppo e afferma che lo sviluppo delle connessioni strutturali-funzionali sarà concentrato nella corteccia associativa transmodale.
La terza ipotesi: la connessione strutturale-funzionale riflette la specializzazione funzionale dell'area corticale. Perciò si può supporre che una connessione strutturale-funzionale più forte nella corteccia associativa fronto-temporale parteciperà ai calcoli specializzati necessari per l'esecuzione delle funzioni esecutive.
Risultati della ricerca
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 sostengono le oscillazioni coordinate dell'attività neuronale.
Utilizzando dati multimodali di neuroimmagine da 727 partecipanti di età compresa tra 8 e 23 anni, è stata effettuata una tracciatura di diffusione probabilistica e una valutazione della connettività funzionale tra ogni coppia di aree corticali durante l'esecuzione del compito n-back*, associato all'attività della memoria di lavoro.
Il compito n-back* è una metodologia 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 determinare e indicare se uno specifico stimolo è apparso n posizioni prima. 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-back, dove una determinata lettera è apparsa 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 potenziare specifiche 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 identificati utilizzando una parcella corticale a 400 zone, basata sulla omogeneità funzionale nei dati di risonanza magnetica dei partecipanti allo studio. Per ogni partecipante, i profili di connettività regionale sono stati estratti da ciascuna riga della matrice di connettività strutturale o funzionale e presentati come vettori di forza di connettività da un nodo della rete neurale a tutti gli altri nodi.
Inizialmente, gli scienziati hanno verificato se la distribuzione spaziale delle connessioni strutturali e funzionali coincidisse con le proprietà fondamentali dell'organizzazione corticale.
Immagine n. 2
È importante 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 frontotemporale la connessione era piuttosto debole.
Per una valutazione più chiara della connessione tra connettività strutturale-funzionale e specializzazione funzionale, è stato calcolato il coefficiente di "partecipazione", che rappresenta una rappresentazione grafica della definizione quantitativa di connettività tra le aree del cervello specializzate funzionalmente. Ciascuna area del cervello è stata associata a sette reti neurali funzionali classiche. I nodi neurali con un alto coefficiente di partecipazione mostrano diverse connessioni intermodulari (connessione tra diverse aree del cervello) e, di conseguenza, possono influenzare i processi di trasmissione delle informazioni tra le aree, nonché la loro dinamica. D'altra parte, i nodi con un basso coefficiente di partecipazione mostrano connessioni più locali all'interno dell'area cerebrale stessa, piuttosto che tra più aree. In altre parole, 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 le aree circostanti (2C).
Successivamente, è stata valutata la relazione tra variabilità della connettività strutturale-funzionale e gerarchia funzionale macroscopica. La connettività strutturale-funzionale coincide in larga misura con il principale gradiente di connettività funzionale: le aree sensoriali unimodali mostrano una connettività strutturale-funzionale relativamente forte, mentre le aree trasmodali al vertice della gerarchia funzionale mostrano una connessione più debole (2D).
È stata inoltre stabilita una forte correlazione tra connettività strutturale-funzionale ed espansione evolutiva della superficie corticale (2E). Le aree sensorie altamente conservate avevano una connettività strutturale-funzionale relativamente forte, mentre le aree trasmodali fortemente espanse mostrano una connessione più debole. Queste osservazioni confermano completamente l'ipotesi che la connettività strutturale-funzionale rifletta la gerarchia corticale della specializzazione funzionale e l'espansione evolutiva.
Immagine n. 3
Gli scienziati sottolineano ancora una volta che gli studi condotti in precedenza si sono concentrati principalmente sulla connettività strutturale-funzionale nel cervello degli adulti. In questo lavoro, l'attenzione è stata rivolta allo studio del cervello ancora in fase di sviluppo, cioè al cerebrale degli adolescenti.
È stato trovato che nel cervello degli adolescenti le differenze legate all'età nella connettività strutturale-funzionale erano ampiamente distribuite nella corteccia temporale laterale, parietale inferiore e prefrontale (3A). Gli aumenti di connettività erano distribuiti in modo sproporzionato tra le aree corticali, cioè presenti in un sottoinsieme unico di aree corticali funzionalmente separate (3B), cosa che non si osservava nel cervello degli adulti.
L'entità delle differenze legate all'età nella connettività strutturale-funzionale correla fortemente con il coefficiente di partecipazione funzionale (3C) e con il gradiente funzionale (3D).
La distribuzione spaziale delle differenze legate all'età nella connettività strutturale-funzionale corrispondeva anche all'espansione evolutiva della corteccia. L'aumento della connettività con l'età è stato osservato nella corteccia associativa espansa del cervello, mentre la diminuzione della connettività con l'età è stata osservata nella corteccia sensori-motoria altamente conservata (3E).
Nella fase successiva dello studio, 294 partecipanti hanno subito nuovamente un'analisi cerebrale dopo 1,7 anni dal primo esame. Questo ha permesso di determinare la relazione tra i cambiamenti legati all'età nella connettività strutturale e funzionale e le variazioni intrapersonali dello sviluppo. È stata quindi valutata l'analisi delle modifiche longitudinali nella connettività strutturale e funzionale.
Immagine n. 4
È stata riscontrata una significativa corrispondenza tra i cambiamenti trasversali e longitudinali legati all'età nella connettività strutturale e funzionale (4A).
Per esaminare la relazione tra i cambiamenti longitudinali nella connettività strutturale e funzionale (4B) e i cambiamenti longitudinali nel coefficiente di partecipazione funzionale (4С) è stata utilizzata la regressione lineare. È stato scoperto che i cambiamenti longitudinali nella connettività corrispondevano ai cambiamenti longitudinali nel coefficiente di partecipazione funzionale nelle aree associative distribuite di alto ordine, incluse la corteccia prefrontale dorsale e mediale, la corteccia parietale inferiore e la corteccia temporale laterale (4D).
Immagine n. 5
Successivamente, i ricercatori hanno cercato di comprendere le implicazioni delle differenze individuali nelle connessioni strutturali e funzionali per il comportamento. In particolare, se la connettività strutturale e funzionale durante l'esecuzione di un compito di memoria di lavoro possa spiegare le prestazioni esecutive. È stato trovato che un miglioramento delle prestazioni esecutive era associato a una connettività strutturale e funzionale più forte nella corteccia prefrontale dorsolaterale, nel giro del cingolo posteriore e nella corteccia occipitale mediale (5A).
L'insieme delle osservazioni sopra descritte suggerisce alcune conclusioni fondamentali. Innanzi tutto, i cambiamenti regionali nella connettività strutturale e funzionale sono inversamente proporzionali alla complessità della funzione per cui è responsabile ciascuna area del cervello. Una connessione strutturale e funzionale più forte è stata riscontrata nelle parti del cervello che si specializzano nell'elaborazione di informazioni sensoriali semplici (ad esempio, segnali visivi). Nelle aree del cervello coinvolte in processi più complessi (funzione esecutiva e controllo inibitorio) è stata rinvenuta una connettività strutturale e funzionale più bassa.
È stato inoltre stabilito che la connettività strutturale e funzionale è in accordo con l'espansione evolutiva del cervello osservata nei primati. In precedenza, erano stati condotti studi comparativi sul cervello umano, primate e scimmie, rivelando che le aree sensoriali (ad esempio, il sistema visivo) sono molto conservative tra le specie di primati e non si sono ampliate notevolmente 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 nell'uomo. È stato riscontrato che le aree del cervello che si sono ampliate 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, la connettività strutturale e funzionale aumenta attivamente nelle aree frontali del cervello, responsabili della funzione di inibizione (cioè, autocontrollo). Pertanto, lo sviluppo prolungato della connettività strutturale e funzionale in queste aree può migliorare la funzione esecutiva e l'autocontrollo, un processo di sviluppo che continua anche in età adulta.
Per una comprensione più approfondita delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad esso.
Epilogo
Il cervello umano è sempre stato e continuerà a essere uno dei più grandi misteri dell'umanità. È un meccanismo incredibilmente complesso, capace di svolgere numerose funzioni, controllare molteplici processi e immagazzinare enormi quantità di informazioni. Per molti genitori, non c'è nulla di più misterioso del cervello dei loro adolescenti. Il loro comportamento è talvolta difficile da considerare logico o costruttivo, ma questo può essere spiegato dal processo di sviluppo biologico e dal processo di maturazione sociale.
Certo, i cambiamenti nella connettività strutturale e funzionale di alcune aree del cervello e l'influenza delle ripartizioni ormonali possono giustificare scientificamente il comportamento peculiare dei giovani, ma non significa che non debbano essere guidati. L'uomo non è per natura un essere asociale. Se qualcuno evita le interazioni con gli altri, ciò non è di certo dovuto alla nostra predisposizione biologica. Pertanto, la partecipazione attiva dei genitori nella vita dei loro figli è un aspetto cruciale del loro sviluppo.
È importante capire che anche a tre anni un bambino è già una persona con il proprio carattere, desideri e visione del mondo. Il genitore non dovrebbe diventare invisibile per il proprio figlio, lasciandolo alla deriva, ma nemmeno trasformarsi in un muro di cemento armato che lo protegge dalla scoperta del mondo. A volte è necessario spingerlo, altre volte tenerlo, a volte dargli totale libertà, e altre ancora, esercitando l'autorità genitoriale, dire un deciso "no", anche se il bambino non è d'accordo.
Essere genitori è difficile, ancor di più essere un buon genitore. Ma anche essere un adolescente non è così semplice. Il corpo cambia, il cervello cambia, cambia l'ambiente (c'era la scuola, e ora c'è l'università), cambia il ritmo della vita. Al giorno d'oggi, la vita spesso assomiglia a una Formula 1, dove non c'è spazio per la lentezza. Ma una grande velocità comporta un grande rischio, quindi un pilota inesperto può subire delle conseguenze. Il compito del genitore è diventare l'allenatore del proprio bambino, per poi poterlo lasciar andare nel mondo senza timori per il suo futuro.
Alcuni genitori si considerano più intelligenti di altri, alcuni sono pronti a seguire qualsiasi consiglio sentito su Internet o dalla vicina, mentre per altri tutto ciò che riguarda le sfumature dell'educazione è indifferente. Le persone sono diverse, ma così come nel cervello umano la comunicazione tra le sue aree è fondamentale, anche nell'educazione la comunicazione tra genitori e figli gioca uno dei ruoli più importanti.
Grazie per l'attenzione, continuate a essere curiosi e buon fine settimana a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
