Jednym z najbardziej tajemniczych i nie do końca poznanych „zjawisk” jest ludzki mózg. Wokół tego złożonego narządu kręci się wiele pytań: dlaczego śnimy, jak emocje wpływają na podejmowanie decyzji, które komórki nerwowe odpowiadają za postrzeganie światła i dźwięku, dlaczego jedni lubią szproty, a inni oliwki? Wszystkie te pytania dotyczą mózgu, ponieważ jest to centralny procesor ludzkiego ciała. Od lat naukowcy zwracają szczególną uwagę na mózgi ludzi, którzy w jakiś sposób wyróżniali się z tłumu (od geniuszy samouków po wyrachowanych psychopatów). Istnieje jednak kategoria osób, których nietypowe zachowanie wiąże się z wiekiem - nastolatki. Wielu nastolatków ma wzmożone poczucie sprzeczności, ducha awanturnictwa i nieodparte pragnienie znalezienia przygody na swoją korzyść. Naukowcy z University of Pennsylvania postanowili przyjrzeć się bliżej tajemniczym mózgom nastolatków i procesom, jakie w nich zachodzą. O tym, czego udało im się dowiedzieć, dowiadujemy się z ich raportu. Iść.
Baza badawcza
Każde urządzenie w technologii i każdy organ w organizmie ma swoją własną architekturę, która pozwala im efektywnie pracować. Ludzka kora mózgowa jest zorganizowana według hierarchii funkcjonalnej, począwszy od unimodalnej kora czuciowa* i kończąc na transmodalnym kora asocjacyjna*.
Kora czuciowa* to część kory mózgowej odpowiedzialna za zbieranie i przetwarzanie informacji otrzymywanych ze zmysłów (oczu, języka, nosa, uszu, skóry i układu przedsionkowego).
Kora asocjacyjna* jest częścią kory ciemieniowej mózgu zaangażowanej w realizację zaplanowanych ruchów. Kiedy mamy wykonać jakikolwiek ruch, nasz mózg musi wiedzieć, gdzie w danej sekundzie znajduje się ciało i jego części, które będą się poruszać, a także gdzie znajdują się obiekty otoczenia zewnętrznego, z którymi planujemy wchodzić w interakcję. Na przykład chcesz podnieść filiżankę, a Twój mózg już wie, gdzie znajduje się dłoń i sam kubek.
Ta funkcjonalna hierarchia jest zdeterminowana anatomią ścieżek Biała materia*, które koordynują zsynchronizowaną aktywność neuronową i poznawanie*.
Biała materia* — jeśli istota szara składa się z neuronów, to istota biała składa się z aksonów pokrytych mieliną, wzdłuż których impulsy przekazywane są z ciała komórki do innych komórek i narządów.
Poznawanie* (poznanie) – zespół procesów związanych z zdobywaniem nowej wiedzy o otaczającym nas świecie.
Ewolucję kory mózgowej u naczelnych i rozwój mózgu ludzkiego charakteryzują się ukierunkowaną na cel ekspansją i przebudową transmodalnych obszarów asocjacyjnych, które stanowią podstawę procesów sensorycznej reprezentacji informacji i abstrakcyjnych reguł osiągania celów.
Proces rozwoju mózgu zajmuje dużo czasu, podczas którego zachodzi wiele procesów doskonalenia mózgu jako systemu: mielinizacja*, przycinanie synaptyczne* itd.
Mielinizacja* - oligodendrocyty (rodzaj komórek pomocniczych układu nerwowego) otaczają jedną lub drugą część aksonu, w wyniku czego jeden oligodendrocyt komunikuje się z kilkoma neuronami jednocześnie. Im bardziej aktywny jest akson, tym jest on bardziej mielinizowany, co zwiększa jego wydajność.
Przycinanie synaptyczne* — zmniejszenie liczby synaps/neuronów w celu zwiększenia wydajności układu nerwowego, tj. pozbycie się niepotrzebnych połączeń. Inaczej mówiąc, jest to realizacja zasady „nie ilością, ale jakością”.
W trakcie rozwoju mózgu w transmodalnej korze asocjacyjnej kształtuje się specyfikacja funkcjonalna, która bezpośrednio wpływa na rozwój funkcji wykonawczych wyższego rzędu, takich jak Pamięć robocza*, elastyczność poznawcza* и kontrola hamowania*.
Pamięć robocza* - system poznawczy do tymczasowego przechowywania informacji. Ten typ pamięci jest aktywowany podczas trwających procesów myślowych i bierze udział w podejmowaniu decyzji i tworzeniu reakcji behawioralnych.
Elastyczność poznawcza* - zdolność do przełączania się z jednej myśli na drugą i/lub myślenia o kilku rzeczach jednocześnie.
Kontrola hamowania* (reakcja hamowania) to funkcja wykonawcza, która nadzoruje zdolność osoby do tłumienia impulsywnych (naturalnych, nawykowych lub dominujących) reakcji behawioralnych na bodźce w celu wdrożenia bardziej odpowiedniej reakcji w określonej sytuacji (bodziec zewnętrzny).
Badanie połączeń strukturalno-funkcjonalnych mózgu rozpoczęło się dość dawno temu. Wraz z pojawieniem się teorii sieci możliwa stała się wizualizacja powiązań strukturalno-funkcjonalnych w układach neurobiologicznych i podzielenie ich na kategorie. W swej istocie łączność struktura-funkcja to stopień, w jakim rozmieszczenie połączeń anatomicznych w obszarze mózgu wspiera zsynchronizowaną aktywność neuronową.
Stwierdzono silny związek między miarami powiązań strukturalnych i funkcjonalnych w różnych skalach czasoprzestrzennych. Innymi słowy, nowocześniejsze metody badawcze umożliwiły kategoryzację niektórych obszarów mózgu według ich cech funkcjonalnych związanych z wiekiem tego obszaru i jego wielkością.
Naukowcy twierdzą jednak, że obecnie niewiele jest dowodów na to, jak zmiany w architekturze istoty białej podczas rozwoju ludzkiego mózgu wspierają skoordynowane wahania aktywności neuronowej.
Łączność strukturalno-funkcjonalna jest podstawą komunikacji funkcjonalnej i występuje, gdy międzyregionalny profil łączności istoty białej obszaru korowego przewiduje siłę międzyregionalnej łączności funkcjonalnej. Oznacza to, że aktywność istoty białej znajdzie odzwierciedlenie w aktywacji funkcji wykonawczych mózgu, dzięki czemu możliwa będzie ocena stopnia siły połączenia strukturalno-funkcjonalnego.
Aby opisać związek strukturalno-funkcjonalny, naukowcy wysunęli trzy hipotezy, które zostały sprawdzone w trakcie badań.
Pierwsza hipoteza głosi, że łączność struktura-funkcja będzie odzwierciedlać funkcjonalną specjalizację obszaru korowego. Oznacza to, że łączność struktura-funkcja będzie silna w korze somatosensorycznej ze względu na procesy determinujące wczesny rozwój wyspecjalizowanych hierarchii sensorycznych. Natomiast łączność struktura-funkcja będzie niska w korze asocjacyjnej transmodalnej, gdzie komunikacja funkcjonalna może zostać osłabiona przez ograniczenia genetyczne i anatomiczne z powodu szybkiej ekspansji ewolucyjnej.
Druga hipoteza opiera się na długoterminowej mielinizacji zależnej od aktywności podczas rozwoju i stwierdza, że rozwój połączeń struktura-funkcja będzie skoncentrowany w korze asocjacyjnej transmodalnej.
Hipoteza trzecia: połączenie strukturalno-funkcjonalne odzwierciedla funkcjonalną specjalizację obszaru korowego. Można zatem przypuszczać, że silniejsze połączenie strukturalno-funkcjonalne w korze asocjacyjnej czołowo-ciemieniowej będzie miało udział w specjalistycznych obliczeniach niezbędnych do realizacji funkcji wykonawczych.
Wyniki badania
Aby scharakteryzować rozwój połączeń struktura-funkcja u nastolatków, naukowcy określili ilościowo stopień, w jakim połączenia strukturalne w różnych obszarach mózgu wspierają skoordynowane fluktuacje aktywności neuronowej.
Wykorzystując dane z multimodalnego neuroobrazowania pochodzące od 727 uczestników w wieku od 8 do 23 lat, wykonano probabilistyczną traktografię dyfuzyjną i oceniono łączność funkcjonalną pomiędzy każdą parą obszarów korowych podczas występu. zadania n-back*związane z aktywnością pamięci roboczej.
Problem n-z powrotem* - technika stymulowania aktywności określonych obszarów mózgu i testowania pamięci roboczej. Osobnik otrzymuje szereg bodźców (wizualnych, dźwiękowych itp.). Musi określić i wskazać, czy ten czy inny bodziec był obecny n pozycji temu. Na przykład: TLHCHSCCQLCKLHCQTRHKC HR (problem 3-backowy, w którym dana litera pojawiła się wcześniej na 3. pozycji).
Łączność funkcjonalna w stanie spoczynku odzwierciedla spontaniczne wahania aktywności neuronowej. Jednak podczas zadania pamięci roboczej łączność funkcjonalna może wzmocnić określone połączenia neuronowe lub populacje zaangażowane w funkcje wykonawcze.
Obraz nr 1: Pomiar strukturalno-funkcjonalnej łączności ludzkiego mózgu.
Węzły w strukturalnych i funkcjonalnych sieciach mózgu zidentyfikowano za pomocą parcelacji kory mózgowej obejmującej 400 obszarów w oparciu o jednorodność funkcjonalną danych MRI uczestników badania. Dla każdego uczestnika badania z każdego wiersza strukturalnej lub funkcjonalnej macierzy łączności wyodrębniono regionalne profile łączności i przedstawiono je jako wektory siły łączności od jednego węzła sieci neuronowej do wszystkich pozostałych węzłów.
Na początek naukowcy sprawdzili, czy rozkład przestrzenny powiązań strukturalno-funkcjonalnych pokrywa się z podstawowymi właściwościami organizacji korowej.
Obraz nr 2
Warto zauważyć, że związek między regionalnymi profilami połączeń strukturalnych i funkcjonalnych różnił się znacznie w zależności od kory (2A). Silniejsze połączenia zaobserwowano w pierwotnej korze czuciowej i przyśrodkowej korze przedczołowej. Ale w obszarach bocznych, skroniowych i czołowo-ciemieniowych połączenie było dość słabe.
W celu bardziej zrozumiałej oceny związku między łącznością strukturalno-funkcjonalną a specjalizacją funkcjonalną obliczono współczynnik „uczestnictwa”, który jest graficzną reprezentacją ilościowego określenia łączności między funkcjonalnie wyspecjalizowanymi obszarami mózgu. Każdy z obszarów mózgu został przypisany do siedmiu klasycznych funkcjonalnych sieci neuronowych. Węzły neuronalne mózgu o wysokim współczynniku uczestnictwa wykazują różne połączenia międzymodułowe (połączenia między obszarami mózgu), w związku z czym mogą wpływać na procesy przekazywania informacji między regionami, a także na ich dynamikę. Jednak węzły o niskim wskaźniku uczestnictwa wykazują więcej połączeń lokalnych w obrębie samego obszaru mózgu, a nie pomiędzy kilkoma regionami. Mówiąc najprościej, jeśli współczynnik jest wysoki, różne obszary mózgu aktywnie ze sobą współdziałają; jeśli jest niski, aktywność zachodzi w obrębie obszaru bez połączenia z sąsiednimi obszarami (2C).
Następnie oceniono związek pomiędzy zmiennością powiązań strukturalno-funkcjonalnych a hierarchią funkcjonalną w skali makro. Łączność strukturalno-funkcjonalna w dużej mierze pokrywa się z leżącym u jej podstaw gradientem łączności funkcjonalnej: jednomodalne obszary sensoryczne wykazują stosunkowo silną łączność strukturalno-funkcjonalną, podczas gdy obszary transmodalne na szczycie hierarchii funkcjonalnej wykazują słabszą łączność (2D).
Stwierdzono również, że istnieje silna korelacja pomiędzy zależnością strukturalno-funkcjonalną a ewolucyjną ekspansją powierzchni kory (2E). Wysoce konserwatywne obszary sensoryczne miały stosunkowo silną łączność struktura-funkcja, podczas gdy wysoce rozwinięte obszary transmodalne miały słabszą łączność. Takie obserwacje w pełni potwierdzają hipotezę, że łączność struktura-funkcja jest odzwierciedleniem korowej hierarchii specjalizacji funkcjonalnej i ekspansji ewolucyjnej.
Obraz nr 3
Naukowcy po raz kolejny przypominają, że poprzednie badania w dużej mierze skupiały się na badaniu połączeń strukturalno-funkcjonalnych w mózgu osoby dorosłej. W tej samej pracy nacisk położono na badanie mózgu, który jest wciąż w fazie rozwoju, tj. na temat badania mózgu nastolatka.
Stwierdzono, że w mózgu nastolatka związane z wiekiem różnice w połączeniach strukturalno-funkcjonalnych były szeroko rozpowszechnione w bocznej korze skroniowej, dolnej części kory ciemieniowej i przedczołowej.3А). Ulepszenia łączności były nieproporcjonalnie rozłożone w obszarach kory mózgowej, np. były obecne w unikalnym podzbiorze funkcjonalnie oddzielonych obszarów korowych (3V), czego nie zaobserwowano w mózgu osoby dorosłej.
Wielkość różnic wiekowych w zakresie powiązań strukturalno-funkcjonalnych była silnie skorelowana ze wskaźnikiem uczestnictwa funkcjonalnego (3S) i gradient funkcjonalny (3D).
Rozkład przestrzenny związanych z wiekiem różnic w połączeniach strukturalno-funkcjonalnych był również spójny z ewolucyjną ekspansją kory mózgowej. Zaobserwowano związany z wiekiem wzrost łączności w rozszerzonej korze asocjacyjnej, podczas gdy związany z wiekiem spadek łączności zaobserwowano w wysoce konserwatywnej korze czuciowo-ruchowej (3E).
W kolejnej fazie badania 294 uczestników przeszło drugie badanie mózgu 1.7 roku po pierwszym. W ten sposób możliwe było określenie związku pomiędzy związanymi z wiekiem zmianami w łączności strukturalno-funkcjonalnej a wewnątrzjednostkowymi zmianami rozwojowymi. W tym celu dokonano oceny zmian podłużnych w powiązaniach strukturalno-funkcjonalnych.
Obraz nr 4
Stwierdzono znaczącą zgodność pomiędzy przekrojowymi i podłużnymi zmianami związanymi z wiekiem w łączności strukturalno-funkcjonalnej (4А).
Aby przetestować związek między zmianami podłużnymi w łączności strukturalnej i funkcjonalnej (4B) i podłużne zmiany współczynnika partycypacji funkcjonalnej (4S) zastosowano regresję liniową. Stwierdzono, że podłużne zmiany w łączności odpowiadają podłużnym zmianom współczynnika uczestnictwa funkcjonalnego w rozproszonych obszarach asocjacji wyższego rzędu, w tym w grzbietowej i środkowej korze przedczołowej, dolnej korze ciemieniowej i bocznej korze skroniowej (4D).
Obraz nr 5
Następnie naukowcy starali się zrozumieć konsekwencje indywidualnych różnic w powiązaniach strukturalno-funkcjonalnych dla zachowania. W szczególności, czy łączność strukturalno-funkcjonalna podczas zadania pamięci roboczej może wyjaśnić wydajność wykonawczą. Stwierdzono, że poprawa funkcjonowania wykonawczego jest powiązana z silniejszą łącznością strukturalno-funkcjonalną w rostro-bocznej korze przedczołowej, tylnej korze obręczy i przyśrodkowej korze potylicznej.5A).
Całość opisanych powyżej obserwacji prowadzi do kilku głównych wniosków. Po pierwsze, regionalne zmiany w łączności strukturalno-funkcjonalnej są odwrotnie proporcjonalne do złożoności funkcji, za którą odpowiedzialny jest dany obszar mózgu. Silniejszą łączność struktura-funkcja stwierdzono w częściach mózgu specjalizujących się w przetwarzaniu prostych informacji sensorycznych (takich jak sygnały wizualne). Natomiast obszary mózgu zaangażowane w bardziej złożone procesy (funkcje wykonawcze i kontrola hamowania) miały słabszą łączność strukturalno-funkcjonalną.
Stwierdzono również, że łączność strukturalno-funkcjonalna jest zgodna z ewolucyjną ekspansją mózgu obserwowaną u naczelnych. Poprzednie badania porównawcze mózgów ludzi, naczelnych i małp wykazały, że obszary sensoryczne (takie jak układ wzrokowy) są u gatunków naczelnych wysoce konserwatywne i nie powiększyły się zbytnio podczas ostatniej ewolucji. Ale obszary asocjacyjne mózgu (na przykład kora przedczołowa) uległy znacznej ekspansji. Być może ta ekspansja bezpośrednio wpłynęła na pojawienie się u ludzi złożonych zdolności poznawczych. Odkryto, że obszary mózgu, które szybko się rozrosły w trakcie ewolucji, miały słabszą łączność strukturalną i funkcjonalną, podczas gdy proste obszary sensoryczne miały silniejszą łączność.
U dzieci i młodzieży połączenie strukturalno-funkcjonalne wzrasta dość aktywnie w czołowych obszarach mózgu, które są odpowiedzialne za funkcję hamowania (tj. Samokontrolę). Zatem długoterminowy rozwój powiązań strukturalno-funkcjonalnych w tych obszarach może poprawić funkcje wykonawcze i samokontrolę, co będzie kontynuowane w życiu dorosłym.
Aby uzyskać bardziej szczegółowe spojrzenie na niuanse badania, polecam rzucić okiem и do niego.
Epilog
Ludzki mózg zawsze był i długo będzie jedną z największych tajemnic ludzkości. To niezwykle złożony mechanizm, który musi spełniać wiele funkcji, sterować wieloma procesami i przechowywać ogromne ilości informacji. Dla wielu rodziców nie ma nic bardziej tajemniczego niż mózgi ich nastoletnich dzieci. Ich zachowanie czasami trudno nazwać logicznym lub konstruktywnym, ale tłumaczy się to procesem ich rozwoju biologicznego i formacji społecznej.
Oczywiście zmiany w połączeniach strukturalnych i funkcjonalnych niektórych obszarów mózgu oraz wpływ zmian hormonalnych mogą być naukowym uzasadnieniem osobliwych zachowań młodych ludzi, ale to nie znaczy, że nie trzeba nimi kierować. Człowiek nie jest z natury istotą aspołeczną. Jeśli ktoś unika innych ludzi, na pewno nie jest to spowodowane naszymi biologicznymi predyspozycjami. Dlatego też aktywne uczestnictwo rodziców w życiu swoich dzieci jest niezwykle ważnym aspektem ich rozwoju.
Warto też zrozumieć, że już w wieku trzech lat dziecko jest już indywidualnością, mającą swój charakter, własne pragnienia i własne spojrzenie na otaczający go świat. Rodzic nie powinien stać się niewidzialny dla swojego dziecka, pozwalając mu na swobodne poruszanie się, ale nie powinien zamieniać się w żelbetową ścianę, chroniącą je przed poznaniem świata. Gdzieś trzeba pchnąć, gdzieś powstrzymać, gdzieś dać pełną swobodę, a gdzieś okazując władzę rodzicielską, trzeba powiedzieć stanowcze „nie”, nawet jeśli dziecko jest z tego niezadowolone.
Bycie rodzicem jest trudne, bycie dobrym rodzicem jest jeszcze trudniejsze. Jednak bycie nastolatkiem nie jest takie proste. Ciało zmienia się zewnętrznie, zmienia się mózg, zmienia się środowisko (była szkoła, a teraz uniwersytet), zmienia się rytm życia. W dzisiejszych czasach życie często przypomina Formułę 1, w której nie ma miejsca na powolność. Jednak duża prędkość wiąże się z dużym ryzykiem, więc niedoświadczony jeździec może odnieść obrażenia. Zadaniem rodzica jest zostać coachem dla swojego dziecka, aby w przyszłości spokojnie wypuszczać je na świat, bez obawy o jego przyszłość.
Niektórzy rodzice uważają się za mądrzejszych od innych, niektórzy są gotowi wdrożyć w życie każdą radę, którą usłyszą w Internecie lub od sąsiada, a jeszcze inni są po prostu „fioletowi” na wszelkie zawiłości rodzicielstwa. Ludzie są różni, ale tak jak komunikacja między jego częściami jest ważna w ludzkim mózgu, tak komunikacja między rodzicami i ich dziećmi odgrywa jedną z najważniejszych ról w edukacji.
Dziękuję za przeczytanie, bądźcie ciekawi i miłego weekendu, chłopaki! 🙂
Kilka reklam 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, , unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy taniej w centrum danych Equinix Tier IV w Amsterdamie? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com