Unul dintre cele mai misterioase și încă neelucidate „fenomene” este creierul uman. În jurul acestui organ complex se învârte o mulțime de întrebări: de ce visăm, cum influențează emoțiile deciziile, ce celule nervoase răspund de percepția luminii și a sunetului, de ce unora le plac șprotul, în timp ce altora le plac măslinele? Toate aceste întrebări se referă la creier, deoarece el este procesorul central al organismului uman. Mulți ani, oamenii de știință au acordat o atenție deosebită creierului persoanelor care, într-un fel sau altul, s-au distanțat de mulțime (de la genii autodidacte la psihopați calculați). Dar există o categorie de persoane, comportamentul neobișnuit al căror este asociat cu vârsta lor — adolescenții. Mulți adolescenți au un simț acut al contradicției, spiritul aventurii și o dorință irezistibilă de a găsi aventuri pentru partea lor inferioară. Oameni de știință de la Universitatea din Pennsylvania au decis să examineze în detaliu creierele misterioase ale adolescenților și procesele care decurg în acestea. Ce au reușit să descopere, vom afla din raportul lor. Să vedem.
Baza cercetării
Orice dispozitiv tehnic și organ din organism are propria arhitectură care le permite să funcționeze eficient. Cortexul cerebral uman este organizat pe o ierarhie funcțională, începând de la cortexul sensorial* și terminând cu cortexul asociativ*.
Cortexul senzorial al creierului* — parte a cortexului cerebral responsabilă pentru colectarea și procesarea informațiilor primite de la organele de simț (ochi, limbă, nas, urechi, piele și aparat vestibular).
Cortexul asociativ* — parte a cortexului parietal al creierului, care participă la realizarea mișcărilor planificate. Atunci când ne pregătim să executăm o mișcare, creierul nostru trebuie să știe unde se află în acel moment corpul și părțile acestuia care vor fi puse în mișcare, precum și unde se află obiectele din mediul extern cu care ne propunem să interacționăm. De exemplu, dacă doriți să luați o cană în mână, creierul vostru știe deja unde este mâna și cana însăși.
O astfel de ierarhie funcțională este determinată de anatomia căilor substanței albe*, care coordonează activitatea neuronală sincronizată și cogniția*.
Substanța albă* — dacă substanța cenușie este formată din neuroni, atunci substanța albă este compusă din axoni acoperiți cu mielină, prin care impulsurile sunt transmise de la corpul celulei către alte celule și organe.
Cognitie* (cunoaștere) — un ansamblu de procese legate de dobândirea de noi cunoștințe despre lumea înconjurătoare.
Evoluția cortexului cerebral la primate și dezvoltarea creierului uman se caracterizează printr-o expansiune direcțională și remodelarea zonelor asociative transmodale, care stau la baza proceselor de reprezentare senzorială a informației și a regulilor abstracte pentru atingerea unui scop.
Procesul de dezvoltare a creierului durează o vreme, pe parcursul căruia au loc numeroase procese de îmbunătățire a creierului ca sistem: mielinizare*, pruning sinaptic* etc.
Mielinizare* — oligodendrocitele (un tip de celule de sprijin ale sistemului nervos) învăluie o anumită parte a axonului, rezultând ca un oligodendrocit să se conecteze imediat la mai mulți neuroni. Cu cât axonul este mai activ, cu atât mielinizarea sa este mai puternică, deoarece acest lucru îi crește eficiența.
Pruning sinaptic* — reducerea numărului de sinapse/neuroane pentru a îmbunătăți eficiența funcționării sistemului neuro, adică eliminarea legăturilor inutile. Cu alte cuvinte, este o realizare a principiului „nu prin cantitate, ci prin calitate”.
În perioada de formare a creierului se stabilește o specificație funcțională în cortexul asociativ transmodal, ceea ce influențează direct dezvoltarea funcțiilor executive de nivel superior, cum ar fi memoria de lucru*, flexibilitatea cognitivă* și controlul inhibitor*.
Memoria de lucru* — un sistem cognitiv de stocare temporară a informației. Acest tip de memorie se activează în momentul proceselor actuale de gândire și participă la luarea deciziilor și la formularea răspunsurilor comportamentale.
Flexibilitatea cognitivă* — capacitatea de a trece de la un gând la altul și/sau de a reflecta asupra mai multor lucruri simultan.
Controlul inhibitor* (reactia de inhibare) — o funcție executivă care reglează capacitatea unei persoane de a inhiba reacțiile comportamentale sale impulsive (naturale, obișnuite sau dominante) la stimuli pentru a răspunde mai adecvat la o situație specifică (stimul extern).
Studiul legăturilor structurale și funcționale ale creierului a început cu ceva timp în urmă. Odată cu apariția teoriei rețelelor, a fost posibil să se vizualizeze legăturile structurale și funcționale în sistemele neurobiologice și să le clasificăm în categorii. În esență, legătura structură-funcție reprezintă gradul în care distribuția legăturilor anatomice în regiunea creierului susține activitatea neuronală sincronizată.
S-a stabilit existența unei corelații puternice între indicatorii de conectivitate structurală și funcțională în diverse scale spațiu-timp. Cu alte cuvinte, metodele moderne de studiu au permis categorisirea anumitor regiuni ale creierului în funcție de caracteristicile lor funcționale, legate de vârsta regiunii și dimensiunea acesteia.
Cu toate acestea, așa cum afirmă cercetătorii, în prezent aproape nu există date referitoare la modul în care schimbările arhitecturii materiei albe în timpul dezvoltării creierului uman susțin oscilațiile sincronizate ale activității neuronale.
Legătura structură-funcție este fundamentul comunicării funcționale și apare atunci când profilul conexiunilor între regiuni ale materiei albe dintr-o regiune corticală prezice intensitatea conexiunii funcționale interregionale. Cu alte cuvinte, activitatea materiei albe se va reflecta în activarea funcțiilor executive ale creierului, permițând astfel evaluarea gradului de intensitate al legăturii structură-funcție.
Pentru a descrie legătura structură-funcție, cercetătorii au formulat trei ipoteze care au fost testate în timpul studiului.
Prima ipoteză susține că legătura structură-funcție va reflecta specializarea funcțională a regiunii corticale. Cu alte cuvinte, legătura structură-funcție va fi puternică în cortexul somatosenzorial, datorită proceselor care determină dezvoltarea timpurie a ierarhiilor senzoriale specializate. În contrast, legătura structură-funcție va fi slabă în cortexul asociativ transmodal, unde comunicarea funcțională poate fi slabă din cauza restricțiilor genetice și anatomice rezultate din expansiunea evolutivă rapidă.
A doua ipoteză se bazează pe mielinizarea activității pe termen lung în timpul dezvoltării și afirmă că dezvoltarea conexiunilor structurale-funcționale va fi concentrată în cortexul asociativ transmodal.
A treia ipoteză: conexiunea structurale-funcționale reflectă specializarea funcțională a zonei corticale. Prin urmare, se poate presupune că o conexiune structural-funcțională mai puternică în cortexul asociativ frontotemporal va participa la calculele specializate necesare pentru realizarea funcțiilor executive.
Rezultatele cercetării
Pentru a caracteriza dezvoltarea interacțiunii structurale-funcționale la adolescenți, cercetătorii au realizat o evaluare cantitativă a gradului în care conexiunile structurale ale diferitelor regiuni ale creierului susțin oscilațiile coordonate ale activității neuronale.
Folosind date multimodale de neuroimagistică de la 727 de participanți cu vârste cuprinse între 8 și 23 de ani, a fost efectuată tractografia probabilistică cu difuzie și evaluarea conectivității funcționale între fiecare pereche de arii corticale în timpul întreprinderii sarcasm n-back*, asociată cu activitatea memoriei de lucru.
Sarcina n-back* — o metodă de stimulare a activității anumitor zone ale creierului și de testare a memoriei de lucru. Subiectului i se oferă o serie de stimuli (vizuali, sonori etc.). Acesta trebuie să determine și să indice dacă un anumit stimul a fost cu n poziții înapoi. De exemplu: T L H C H S C C Q L C K L H C Q T R H K C H R (sarcina 3-back, unde o literă specifică a apărut cu 3 poziții înainte).
Conectivitatea funcțională în stare de repaus reflectă oscilațiile spontane ale activității neuronale. În schimb, în timpul realizării sarcinii memoriei de lucru, conectivitatea funcțională poate să întărească anumite conexiuni nervoase sau populații implicate în funcțiile executive.
Imaginea nr. 1: măsurarea conexiunii structurale-funcționale a creierului uman.
Nodurile din rețelele structurale și funcționale ale creierului au fost definite folosind o parcelare corticală pe 400 de zone (împărțirea în zone), bazată pe uniformitatea funcțională din datele RMN ale participanților la studiu. Pentru fiecare participant, profilele regionale de conectivitate au fost extrase din fiecare rând al matricei de conectivitate structurale sau funcționale și prezentate ca vectori de forță de conectivitate de la un nod al rețelei neuronale la toate celelalte noduri.
La început, oamenii de știință au verificat dacă distribuția spațială a legăturilor structurale-funcționale se aliniază cu proprietățile fundamentale ale organizației corticale.
Imaginea nr. 2
Este important de menționat că legătura dintre profilele regionale de conectivitate structurală și funcțională a variat semnificativ pe întreaga corticală (2A). O legătură mai puternică a fost observată în cortexul senzorial primar și în cortexul prefrontal medial. În contrapartidă, în regiunile laterale, temporale și fronto-temporale, legătura a fost destul de slabă.
Pentru o evaluare mai clară a legăturii dintre conectivitatea structural-funcțională și specializarea funcțională, s-a calculat coeficientul de „participare”, care reprezintă o reprezentare grafică a definiției cantitative a conectivității între regiunile specializate funcțional ale creierului. Fiecare dintre regiunile creierului a fost alocată celor șapte rețele neuronale funcționale clasice. Nodurile neuronale ale creierului cu un coeficient mare de participare prezintă legături intermodulare variate (legături între regiunile creierului) și, prin urmare, pot influența procesele de transfer al informației între regii, precum și dinamica acestora. În schimb, nodurile cu un coeficient scăzut de participare demonstrează conexiuni mai locale în interiorul regiunii specifice a creierului, nu între mai multe regii. Cu alte cuvinte, un coeficient ridicat indică faptul că diferite regiuni ale creierului interacționează activ între ele, în timp ce un coeficient scăzut sugerează activitate în interiorul regiunii fără conexiuni cu regiunile învecinate.2C).
Ulterior a fost evaluată relația dintre variabilitatea conexiunii structurale-funcționale și ierarhia funcțională la scară macroscopică. Conexiunea structurale-funcționale se corelează într-o mare măsură cu gradientul principal al conexiunii funcționale: zonele senzoriale unimodale demonstrează o conexiune structurale-funcționale relativ puternică, în timp ce zonele transmodale situate în vârful ierarhiei funcționale prezintă o conexiune mai slabă (2D).
De asemenea, s-a stabilit că există o corelație puternică între conexiunea structurale-funcționale și extinderea evolutivă a suprafeței cortexului (2E). Zonele senzoriale cu un grad de conservare ridicat prezentau o conexiune structurale-funcționale relativ puternică, în timp ce zonele transmodale cu o extindere semnificativă aveau o conexiune mai slabă. Aceste observații confirmă pe deplin ipoteza că conexiunea structurale-funcționale reflectă ierarhia corticală a specializării funcționale și extinderea evolutivă.
Imaginea nr. 3
Cercetătorii reamintesc că studiile anterioare s-au concentrat în mare parte pe investigarea conexiunii structurale-funcționale în creierul adultului. În această lucrare, accentul a fost pus pe studiul creierului care este încă în curs de dezvoltare, adică pe studiul creierului adolescentului.
S-a constatat că în creierul adolescenților diferențele de vârstă în conexiunile structurale-funcționale erau distribuite pe scară largă în cortexul temporal lateral, parietal inferior și prefrontal (3А). Întărirea conexiunii a fost distribuită disproporționat în regiunile cortexului, adică a fost prezentă într-un subgrup unic de regiuni funcțional divizate ale cortexului (3В), ceea ce nu a fost observat în creierul adultului.
Dimensiunea diferențelor de vârstă în conexiunile structurale-funcționale a corelat puternic cu coeficientul de participare funcțional (3С) și cu gradientul funcțional (3D).
Distribuția spațială a diferențelor de vârstă în legăturile structurale și funcționale a corespondit, de asemenea, extinderii evoluționare a cortexului. O creștere a coeziunii pe măsură ce vârsta avansa a fost observată în cortexul asociativ extins, în timp ce o scădere a coeziunii a fost observată în cortexul senzo-motor, care este foarte conservator (3E).
În etapa următoare a studiului, 294 de participanți au fost supuși unei examinări cerebrale după 1.7 ani de la prima evaluare. Astfel, a fost posibil să se determine legătura dintre modificările structurale și funcționale legate de vârstă și modificările intraindividuale ale dezvoltării. Pentru aceasta, a fost realizată o evaluare a modificărilor longitudinale în coeziunea structural-funcțională.
Imaginea nr. 4
S-a identificat o corelare semnificativă între modificările vârstei transversale și cele longitudinale privind legătura structural-funcțională (4A).
Pentru a verifica legătura modificărilor longitudinale în coeziunea structural-funcțională (4B) și modificările longitudinale ale coeficientului de participare funcțională (4C) s-a folosit regresia liniară. S-a constatat că modificările longitudinale ale coeziunii corespundeau modificărilor longitudinale ale coeficientului de participare funcțională în regiunile asociative distribuite de înaltă ordine, inclusiv în cortexul prefrontal dorsal și medial, cortexul parietal inferior și cortexul lateral temporal (4D).
Imaginea Nr. 5
Apoi, cercetătorii au încercat să înțeleagă consecințele diferențelor individuale în legăturile structurale și funcționale pentru comportament. În special, dacă coeziunea structural-funcțională în timpul desfășurării unei sarcini cu memorie de lucru poate explica performanța executivă. S-a constatat că îmbunătățirea activității executive este asociată cu o coeziune structural-funcțională mai puternică în cortexul prefrontal rostrolateral, circumvoluțiunea cingulată posterior și cortexul occipital medial (5A).
Concluziile principale rezultate din observațiile de mai sus sugerează câteva aspecte esențiale. În primul rând, schimbările regionale în legătura structural-funcțională sunt invers proporționale cu complexitatea funcției pentru care este responsabilă o anumită zonă a creierului. S-a observat o legătură structural-funcțională mai puternică în regiunile creierului care se specializează în procesarea informațiilor senzoriale simple (de exemplu, semnalele vizuale). În schimb, regiunile creierului implicate în procese mai complexe (funcția executivă și controlul inhibitor) au prezentat o legătură structural-funcțională mai scăzută.
De asemenea, s-a stabilit că legătura structural-funcțională este în concordanță cu expansiunea evolutivă a creierului, care se observă la primate. Studii comparative anterioare asupra creierului uman, al primatelor și al maimuțelor au arătat că regiunile senzoriale (de exemplu, sistemul vizual) sunt foarte conservatoare între speciile de primate și nu au suferit extinderi semnificative în cursul evoluției recente. În schimb, regiunile asociative ale creierului (de exemplu, cortexul prefrontal) au suferit o expansiune semnificativă. Această expansiune ar fi putut influența direct apariția abilităților cognitive complexe la om. S-a constatat că regiunile creierului care s-au extins rapid în timpul evoluției au avut o legătură structural-funcțională mai slabă, în timp ce regiunile senzoriale simple au avut o legătură mai puternică.
La copii și adolescenți, legătura structural-funcțională crește destul de activ în regiunile frontale ale creierului, care sunt responsabile pentru funcția de inhibare (adică auto-controlul). Prin urmare, dezvoltarea prelungită a legăturii structural-funcționale în aceste zone poate îmbunătăți funcția executivă și auto-controlul, iar procesul de dezvoltare continuă și în perioada adultă.
Pentru o mai bună înțelegere a detaliilor studiului, vă recomand să consultați și la acesta.
Epilog
Creierul uman a fost întotdeauna și va rămâne una dintre cele mai mari enigme ale omenirii. Este un mecanism incredibil de complex, care trebuie să îndeplinească numeroase funcții, să controleze numeroase procese și să stocheze volume uriașe de informații. Pentru mulți părinți, nu există nimic mai misterios decât creierul adolescenților lor. Comportamentul acestora este uneori greu de numit logic sau constructiv, însă acest lucru se explică prin procesul lor de dezvoltare biologică și formare socială.
Desigur, schimbările în legăturile structurale și funcționale ale anumitor zone ale creierului și influența reorganizării hormonale pot fi o justificare științifică pentru comportamentul aparte al tinerilor, dar asta nu înseamnă că nu trebuie să fie îndrumați. Oamenii nu sunt în esență ființe antisociale. Dacă cineva se ferește de alți oameni, aceasta nu se datorează cu siguranță predispoziției noastre biologice. Prin urmare, implicarea activă a părinților în viața copiilor lor este un aspect extrem de important al dezvoltării acestora.
De asemenea, trebuie să înțelegem că, chiar și la vârsta de trei ani, un copil este deja o persoană cu caracterul său, dorințele sale și viziunea sa asupra lumii înconjurătoare. Părintele nu trebuie să devină invizibil pentru copilul său, lăsându-l să navigheze liber, dar nici nu ar trebui să se transforme într-un zid de beton care îl protejează de cunoașterea lumii. Uneori trebuie să împingem, alteori să susținem, uneori să oferim libertate deplină, iar alteori, exercitându-ne autoritatea parentală, să spunem un „nu” ferm, chiar dacă fiul sau fiica nu este de acord.
A fi părinte este greu, iar a fi un bun părinte este și mai complicat. Dar nici a fi adolescent nu este ușor. Corpul se schimbă pe exterior, creierul se transformă, cercul social se schimbă (era școală, și iată că acum este universitate), ritmul vieții se modifică. În ziua de azi, viața adesea seamănă cu o formulă-1, în care nu există loc pentru lentor. Însă viteza mare vine cu un risc considerabil, astfel încât un pilot neexperimentat poate suferi. Sarcina părinților este să devină antrenorii copiilor lor, pentru ca mai târziu să-i lase cu ușurință în lume, fără să se teamă pentru viitorul lor.
Unii părinți se consideră mai deștepți decât alții, unii sunt dispuși să urmeze orice sfat, auzit pe internet sau de la vecini, iar altora pur și simplu nu le pasă de toate nuanțele educației. Oamenii sunt diferiți, dar așa cum comunicarea între diferitele părți ale creierului uman este importantă, la fel și în educație, comunicarea între părinți și copii joacă un rol esențial.
Mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și să aveți un weekend minunat, băieți! 🙂
Puțin publicitate 🙂
Mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne, efectuând o comandă sau recomandându-ne prietenilor, , un echivalent unic pentru serverele entry-level, care a fost creat de noi pentru voi: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț în centrul de date Equinix Tier IV din Amsterdam? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
