Jednym z najbardziej tajemniczych i nie do końca zrozumianych „zjawisk” jest ludzki mózg. Wokół tego skomplikowanego organu krąży wiele pytań: dlaczego śnimy, jak emocje wpływają na podejmowanie decyzji, które komórki nerwowe odpowiadają za postrzeganie światła i dźwięku, dlaczego jedni uwielbiają szproty, a inni oliwki? Wszystkie te pytania dotyczą mózgu, ponieważ jest on centralnym procesorem ludzkiego organizmu. Przez wiele lat naukowcy szczegółowo badali mózg ludzi, którzy w jakiś sposób wyróżniali się z tłumu (od genialnych samouków po wyrachowanych psychopatów). Ale istnieje kategoria ludzi, których niezwykłe zachowanie wiąże się z ich wiekiem — nastolatków. Wiele nastolatków ma wyostrzony zmysł sprzeczności, ducha awanturniczego i nieodpartą chęć do odnajdywania przygód. Naukowcy z Uniwersytetu Pensylwanii postanowili dokładnie zbadać tajemnicze mózgi nastolatków oraz procesy, które w nich zachodzą. O tym, co odkryli, dowiemy się z ich raportu. Zaczynamy.
Podstawa badania
Każde urządzenie techniczne i każdy organ w organizmie mają swoją własną architekturę, która umożliwia im efektywne działanie. Kora mózgowa człowieka jest zorganizowana według funkcjonalnej hierarchii, zaczynając od unimodalnej kory sensorycznej* i kończąc na transmodalnej korze asocjacyjnej*.
Kora sensoryczna mózgu* — część kory mózgowej, odpowiedzialna za zbieranie i przetwarzanie informacji uzyskanych z narządów zmysłów (oczy, język, nos, uszy, skóra i aparat przedsionkowy).
Kora asocjacyjna* — część kory ciemieniowej mózgu, uczestnicząca w realizacji zaplanowanych ruchów. Gdy zamierzamy wykonać jakikolwiek ruch, nasz mózg musi wiedzieć, gdzie w tej sekundzie znajduje się ciało i jego części, które będą się poruszać, a także gdzie znajdują się obiekty zewnętrznego środowiska, z którymi planowane jest interakcje. Na przykład, chcesz chwycić kubek, a twój mózg już wie, gdzie znajduje się ręka i sam kubek.
Taka funkcjonalna hierarchia wynika z anatomii szlaków białej materii*, które koordynują synchronizowaną aktywność neuronów oraz kognicję*.
Biała materia* — jeśli substancja szara składa się z neuronów, to biała składa się z osłoniętych mieliną aksonów, które przekazują impulsy od ciała komórkowego do innych komórek i organów.
Kognicja* (poznanie) — zbiór procesów związanych z pozyskiwaniem nowej wiedzy o otaczającym świecie.
Ewolucja kory mózgowej u małp naczelnych i rozwój mózgu człowieka charakteryzują się ukierunkowanym rozszerzeniem i przebudową transmodalnych obszarów asocjacyjnych, które stanowią podstawę procesów sensorycznego przedstawiania informacji oraz abstrakcyjnych zasad osiągania celów.
Proces rozwoju mózgu zajmuje sporo czasu, w trakcie którego zachodzi wiele procesów doskonalenia mózgu jako systemu: mielinizacja*, pruning synaptyczny* itd.
Mielinizacja* — oligodendrocyty (rodzaj komórek pomocniczych układu nerwowego) otaczają daną część aksonu, w wyniku czego jeden oligodendrocyt łączy się jednocześnie z kilkoma neuronami. Im aktywniejszy akson, tym silniejsza jego mielinizacja, ponieważ zwiększa to jego efektywność.
Pruning synaptyczny* — redukcja liczby synaps/neuronów w celu zwiększenia efektywności pracy systemu nerwowego, tzn. pozbycie się zbędnych połączeń. Innymi słowy, jest to realizacja zasady „nie ilością, a jakością”.
W okresie kształtowania się mózgu formuje się specyfikacja funkcjonalna w transmodalnej korze asocjacyjnej, co bezpośrednio wpływa na rozwój wykonawczych funkcji wyższego rzędu, takich jak pamięć robocza*, elastyczność kognitywna* i kontrola inhibicyjna*.
Pamięć robocza* — system poznawczy do tymczasowego przechowywania informacji. Ten typ pamięci aktywuje się w momencie bieżących procesów myślowych i uczestniczy w podejmowaniu decyzji oraz w formowaniu reakcji behawioralnych.
Elastyczność kognitywna* — zdolność do przełączania się z jednej myśli na drugą i/lub rozważania kilku rzeczy w jednym momencie.
Kontrola inhibicyjna* (reakcja hamowania) — funkcja wykonawcza, która nadzoruje zdolność człowieka do tłumienia jego impulsywnych (naturalnych, nawykowych lub dominujących) reakcji behawioralnych na bodźce, aby zrealizować bardziej odpowiednią odpowiedź na konkretną sytuację (bodziec zewnętrzny).
Badania strukturalno-funkcjonalnych powiązań mózgu rozpoczęły się już jakiś czas temu. Wraz z pojawieniem się teorii sieci pojawiła się możliwość wizualizacji strukturalno-funkcjonalnych powiązań w systemach neurobiologicznych oraz ich kategoryzacji. Z istoty, strukturalno-funkcjonalne powiązanie jest miarą stopnia, w jakim rozmieszczenie połączeń anatomicznych w obszarze mózgu wspiera zharmonizowaną aktywność neuronów.
Ustalono istnienie silnego powiązania między wskaźnikami strukturalnej i funkcjonalnej spójności w różnych przestrzenno-czasowych skalach. Innymi słowy, nowoczesne metody badawcze umożliwiły kategoryzację poszczególnych obszarów mózgu według ich cech funkcjonalnych, związanych z wiekiem obszaru i jego rozmiarem.
Jednakże, jak twierdzą naukowcy, obecnie praktycznie brak jest danych na temat tego, w jaki sposób zmiany architektury białej materii w trakcie rozwoju ludzkiego mózgu wspierają skoordynowane wahania aktywności neuronów.
Strukturalno-funkcjonalne powiązanie stanowi podstawę funkcjonalnej komunikacji i występuje, gdy profil międzyregionalnych połączeń białej materii w obszarze korowym przewiduje siłę międzyregionalnej funkcjonalnej spójności. Oznacza to, że aktywność białej materii będzie skutkować aktywacją funkcji wykonawczych mózgu, co z kolei pozwoli ocenić stopień siły strukturalno-funkcjonalnego powiązania.
Aby opisać strukturalno-funkcjonalne powiązanie, naukowcy sformułowali trzy hipotezy, które zostały zweryfikowane w trakcie badań.
Pierwsza hipoteza głosi, że strukturalno-funkcjonalne powiązanie będzie odzwierciedlać funkcjonalną specjalizację obszaru korowego. To znaczy, że strukturalno-funkcjonalne powiązanie będzie silne w korze somatosensorycznej, dzięki procesom, które określają wczesny rozwój wyspecjalizowanych hierarchii sensorycznych. W przeciwieństwie do tego, strukturalno-funkcjonalne powiązanie będzie niskie w transmodalnej korze asocjacyjnej, gdzie funkcjonalna komunikacja może być osłabiona z powodu ograniczeń genetycznych i anatomicznych związanych z szybkim rozszerzeniem ewolucyjnym.
Druga hipoteza opiera się na długotrwałej, aktywności zależnej mielinizacji podczas rozwoju i twierdzi, że rozwój strukturalno-funkcjonalnych połączeń będzie skoncentrowany w transmodulacyjnej korze asocjacyjnej.
Trzecia hipoteza: strukturalno-funkcjonalne połączenie odzwierciedla specjalizację funkcjonalną obszaru korowego. Można zatem przypuszczać, że silniejsze strukturalno-funkcjonalne połączenie w asocjacyjnej korze czołowo-skroniowej będzie brać udział w specjalizowanych obliczeniach niezbędnych do realizacji funkcji wykonawczych.
Wyniki badania
Aby scharakteryzować rozwój strukturalno-funkcjonalnej interakcji u nastolatków, naukowcy przeprowadzili ilościową ocenę w jakim stopniu strukturalne połączenia różnych obszarów mózgu wspierają skoordynowane wahania aktywności neuronów.
Wykorzystując multimodalne dane neuroobrazowania od 727 uczestników w wieku od 8 do 23 lat, przeprowadzono probabilistyczną dyfuzyjną tractografię oraz ocenę funkcjonalnej spójności pomiędzy każdą parą obszarów korowych podczas wykonywania zadania n-wstecz*, związanego z aktywnością pamięci roboczej.
Zadanie n-wstecz* — technika stymulowania aktywności określonych obszarów mózgu i sprawdzania pamięci roboczej. Uczestnik otrzymuje szereg bodźców (wizualnych, dźwiękowych itp.). Musi określić i wskazać, czy dany bodziec wystąpił n pozycji wcześniej. Na przykład: T L H C H S C C Q L C K L H C Q T R H K C H R (zadanie 3-wstecz, gdzie określona litera występowała 3 pozycje wcześniej).
Funkcjonalna spójność w stanie spoczynku odzwierciedla spontaniczne wahania aktywności neuronów. Natomiast podczas wykonywania zadania dotyczącego pamięci roboczej, funkcjonalna spójność może wzmacniać pewne połączenia nerwowe lub populacje uczestniczące w funkcjach wykonawczych.
Obraz nr 1: pomiar strukturalno-funkcjonalnego połączenia mózgu człowieka.
Węzły w sieciach strukturalnych i funkcjonalnych mózgu zostały zidentyfikowane za pomocą 400-strefowej parcellacji korowej (podział na strefy), opartej na funkcjonalnej jednorodności w danych MRI uczestników badania. Dla każdego uczestnika badania profile regionalne zostały wydobyte z każdej strukturalnej lub funkcjonalnej macierzy powiązań i przedstawione jako wektory siły powiązań z jednego węzła sieci neuronowej do wszystkich innych węzłów.
Na początku naukowcy sprawdzili, czy rozkład przestrzenny powiązań strukturalno-funkcjonalnych odpowiada podstawowym cechom organizacji korowej.
Obraz Nr 2
Warto zauważyć, że związek między regionalnymi profilami strukturalnej i funkcjonalnej spójności znacznie różnił się w całej korze (2A). Silniejszy związek zaobserwowano w pierwotnej korze sensorycznej i medialnej korze przedczołowej. Natomiast w obszarach bocznych, skroniowych i czołowo-skroniowych związek był dość słaby.
Aby lepiej ocenić związek między spójnością strukturalno-funkcjonalną a specjalizacją funkcjonalną, obliczono wskaźnik „udziału”, który stanowi graficzną reprezentację ilościowego określenia spójności między funkcjonalnie wyspecjalizowanymi obszarami mózgu. Każdy z obszarów mózgu został przypisany do siedmiu klasycznych funkcjonalnych sieci neuronowych. Węzły neuronowe mózgu o wysokim wskaźniku udziału wykazują różnorodne połączenia międzymodułowe (połączenia między obszarami mózgu) i w związku z tym mogą wpływać na procesy przekazywania informacji między obszarami oraz na ich dynamikę. Natomiast węzły o niskim wskaźniku udziału wykazują bardziej lokalne połączenia wewnątrz jednego obszaru mózgu, a nie między kilkoma obszarami. Mówiąc prościej, jeśli wskaźnik jest wysoki — różne obszary mózgu aktywnie współdziałają ze sobą, jeśli niski — aktywność odbywa się w obrębie obszaru bez połączenia z sąsiadami.2C).
Następnie przeprowadzono ocenę zależności zmienności strukturalno-funkcjonalnej i makroskalowej hierarchii funkcjonalnej. Związek strukturalno-funkcjonalny w dużym stopniu pokrywa się z głównym gradientem spójności funkcjonalnej: jednomodalne obszary sensoryczne wykazują stosunkowo silny związek strukturalno-funkcjonalny, podczas gdy obszary transmodalne na szczycie hierarchii funkcjonalnej pokazują słabszy związek (2D).
Ustalono również, że istnieje silna korelacja między związkiem strukturalno-funkcjonalnym a ewolucyjnym rozszerzeniem powierzchni kory (2E). Wysoko konserwatywne obszary sensoryczne miały stosunkowo silny związek strukturalno-funkcjonalny, podczas gdy znacznie rozszerzone obszary transmodalne wykazywały słabszy związek. Takie obserwacje w pełni potwierdzają hipotezę, że związek strukturalno-funkcjonalny odzwierciedla korową hierarchię specjalizacji funkcjonalnej i ewolucyjnego rozszerzenia.
Obraz nr 3
Naukowcy ponownie przypominają, że wcześniej prowadzone badania w dużej mierze skupiały się na badaniu strukturalno-funkcjonalnej spójności w mózgu dorosłego człowieka. W tej pracy nacisk położono na badanie mózgu, który wciąż znajduje się w procesie rozwoju, tzn. na badanie mózgu nastolatka.
Ustalono, że w mózgach nastolatków różnice wiekowe w strukturach strukturalno-funkcjonalnych były szeroko rozprzestrzenione w bocznej korze skroniowej, dolnej korze ciemieniowej i korze przedczołowej (3A). Wzmocnienie spójności było nieproporcjonalnie rozdzielone po obszarach kory, tzn. występowało w unikalnym podzbiorze obszarów funkcjonalnie podzielonych kory (3В), czego nie zaobserwowano w mózgu dorosłego człowieka.
Wielkość różnic wieku w strukturach strukturalno-funkcjonalnych silnie korelowała z współczynnikiem funkcjonalnego uczestnictwa (3C) i gradientem funkcjonalnym (3D).
Przestrzenne rozmieszczenie różnic w wieku w związku ze strukturalno-funkcjonalnymi powiązaniami odpowiadało również ewolucyjnemu rozszerzeniu kory. Wzrost wieku zaobserwowano w rozszerzonej korze asocjacyjnej mózgu, podczas gdy spadek wieku zauważono w silnie konserwatywnej korze sensoryczno-motorycznej (3E).
Na następnym etapie badania 294 uczestników ponownie poddano badaniu mózgu po 1,7 roku od pierwszego. W ten sposób można było określić związek między zmianami związanymi z wiekiem w strukturalno-funkcjonalnej spójności a zmianami wewnątrzindywidualnymi rozwoju. W tym celu przeprowadzono ocenę długoterminowych zmian w strukturalno-funkcjonalnej spójności.
Obrazek nr 4
Stwierdzono znaczną zgodność między poprzecznymi a długoterminowymi zmianami wieku a związkiem strukturalno-funkcjonalnym (4A).
Aby sprawdzić związek długoterminowych zmian w strukturalno-funkcjonalnej spójności (4B) oraz długoterminowych zmian w współczynniku uczestnictwa funkcjonalnego (4C) zastosowano regresję liniową. Odkryto, że długoterminowe zmiany spójności odpowiadały długoterminowym zmianom współczynnika uczestnictwa funkcjonalnego w rozproszonych obszarach asocjacyjnych wysokiego rzędu, w tym w korze przedczołowej grzbietowej i przyśrodkowej, dolnej korze ciemieniowej oraz korze skroniowej bocznej (4D).
Obraz nr 5
Następnie naukowcy próbowali zrozumieć skutki różnic indywidualnych w strukturalno-funkcjonalnych powiązaniach dla zachowania. Szczególnie, czy strukturalno-funkcjonalna spójność w trakcie wykonywania zadania z pamięcią roboczą może wyjaśnić wydajność wykonawczą. Okazało się, że poprawa wydajności wykonawczej jest związana z silniejszą strukturalno-funkcjonalną spójnością w bocznej korze przedczołowej, tylnej zakręcie obręczy oraz przyśrodkowej korze potylicznej (5A).
Zestaw powyższych obserwacji skłania do kilku głównych wniosków. Po pierwsze, regionalne zmiany w strukturalno-funkcjonalnej spójności są odwrotnie proporcjonalne do złożoności funkcji, za którą odpowiada dany obszar mózgu. Silniejszą strukturalno-funkcjonalną spójność zaobserwowano w częściach mózgu, które specjalizują się w przetwarzaniu prostych informacji sensorycznych (np. sygnały wzrokowe). Natomiast w obszarach mózgu zaangażowanych w bardziej złożone procesy (funkcja wykonawcza i kontrola inhibitorowa) odnotowano niższą strukturalno-funkcjonalną spójność.
Ustalono również, że strukturalno-funkcjonalna spójność jest zgodna z ewolucyjnym rozszerzeniem mózgu, które obserwuje się u prymatów. Wcześniej przeprowadzono badania porównawcze mózgu człowieka, prymata i małpy, które wykazały, że obszary sensoryczne (np. system wzrokowy) są bardzo konserwatywne wśród gatunków prymatów i nie uległy znacznemu rozszerzeniu w czasie niedawnej ewolucji. Z drugiej strony, obszary asocjacyjne mózgu (np. kora przedczołowa) uległy znacznemu rozszerzeniu. Możliwe, że to rozszerzenie miało bezpośredni wpływ na pojawienie się u człowieka złożonych zdolności poznawczych. Ustalono, że obszary mózgu, które szybko rozszerzały się w czasie ewolucji, miały słabszą strukturalno-funkcjonalną spójność, podczas gdy proste obszary sensoryczne charakteryzowały się silniejszą spójnością.
U dzieci i młodzieży strukturalno-funkcjonalna spójność wzrasta dość aktywnie w płatach czołowych mózgu, które odpowiadają za funkcję hamowania (tj. samokontrolę). W ten sposób długotrwały rozwój strukturalno-funkcjonalnej spójności w tych obszarach może poprawić funkcję wykonawczą i samokontrolę, a proces ten trwa także w dorosłym wieku.
Aby lepiej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do i do niego.
Epilog
Ludzki mózg zawsze był i wciąż będzie jedną z największych tajemnic ludzkości. To niezwykle skomplikowany mechanizm, który musi wykonywać wiele funkcji, kontrolować szereg procesów i przechowywać ogromne ilości informacji. Dla wielu rodziców nie ma nic bardziej zagadkowego niż mózg ich nastoletnich dzieci. Ich zachowanie często trudno nazwać logicznym lub konstruktywnym, jednak to wszystko można wyjaśnić procesem ich biologicznego rozwoju i społecznego kształtowania się.
Oczywiście, zmiany w strukturze i funkcjonalnych połączeniach różnych obszarów mózgu oraz wpływ hormonalnych przekształceń mogą być naukowym uzasadnieniem specyficznego zachowania młodych ludzi, ale to nie oznacza, że nie należy ich kierować. Człowiek z natury nie jest istotą aspołeczną. Jeśli ktoś unika innych ludzi, to z pewnością nie z powodu naszej biologicznej predyspozycji. Dlatego aktywne uczestnictwo rodziców w życiu ich dzieci jest kluczowym aspektem ich rozwoju.
Warto również zrozumieć, że już w wieku trzech lat dziecko jest osobą z własnym charakterem, pragnieniami i spojrzeniem na otaczający świat. Rodzic nie powinien stać się niewidoczny dla swojego dziecka, pozwalając mu na wolność, ale też nie powinien przekształcać się w betonowy mur, chroniący je przed poznawaniem świata. Czasami trzeba delikatnie popchnąć, innym razem wstrzymać, a gdzie indziej, z pełnym autorytetem rodzicielskim, powiedzieć zdecydowane „nie”, nawet jeśli dziecko będzie z tego niezadowolone.
Bycie rodzicem jest trudne, a jeszcze trudniej być dobrym rodzicem. Ale bycie nastolatkiem też nie jest łatwe. Ciało zmienia się na zewnątrz, zmienia się mózg, zmienia się otoczenie (była szkoła, a teraz już uniwersytet), zmienia się rytm życia. W dzisiejszych czasach życie często przypomina Formułę 1, gdzie nie ma miejsca na spowolnienie. Ale duża prędkość wiąże się z dużym ryzykiem, dlatego niedoświadczony kierowca może ucierpieć. Zadaniem rodzica jest stać się trenerem swojego dziecka, aby w przyszłości bezpiecznie puścić je w świat, nie obawiając się o jego przyszłość.
Niektórzy rodzice uważają się za mądrzejszych od innych, niektórzy są gotowi realizować każdą radę, którą usłyszą w internecie lub od sąsiadki, a niektórzy po prostu mają „wszystko jedno” na wszystkie szczegóły wychowania. Ludzie są różni, ale tak jak w mózgu ważna jest komunikacja między jego częściami, tak w wychowaniu jedną z najważniejszych ról odgrywa komunikacja między rodzicami a ich dziećmi.
Dziękuję za uwagę, bądźcie ciekawi i życzę wszystkim udanego weekendu, chłopaki! 🙂
Trochę reklamy 🙂
Dziękujemy, że jesteś z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając nas znajomym, , unikatowy odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy w centrum danych Equinix Tier IV w Amsterdamie? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
