En av de mest mystiska och fortfarande oförklarade "fenomenen" är människans hjärna. Runt denna komplexa organ snurrar många frågor: varför drömmer vi, hur påverkar känslor beslutsfattande, vilka nervceller ansvarar för uppfattningen av ljus och ljud, varför gillar vissa ansjovis medan andra älskar oliver? Alla dessa frågor rör hjärnan, eftersom den är organismens centrala processor. I många år har forskare lagt särskild vikt vid hjärnorna hos människor som på något sätt sticker ut från mängden (från självlärda genier till beräknande psykopater). Men det finns en kategori människor vars ovanliga beteenden kopplas till deras ålder - tonåringar. Många tonåringar har en skarp känsla för motstridighet, en äventyrlig anda och en oemotståndlig lust att hitta äventyr. Forskare vid Pennsylvania University beslutade att noggrant undersöka de mystiska tonårshjärnorna och de processer som pågår i dem. Vad de lyckades ta reda på får vi veta från deras rapport. Låt oss gå vidare.
Forskningsgrund
Varje apparat inom teknik och organ inom kroppen har sin egen arkitektur som gör att de kan fungera effektivt. Hjärnbarken hos människan är organiserad efter en funktionell hierarki, från unimodal sensorisk bark* till transmodal associativ bark*.
Sensorisk bark* - en del av hjärnbarken som ansvarar för insamling och bearbetning av information från sinnesorganen (ögon, tunga, näsa, öron, hud och vestibulära systemet).
Associativ bark* - en del av parietalloben i hjärnan som deltar i genomförandet av planerade rörelser. När vi planerar att utföra en rörelse måste vår hjärna veta var kroppen och de delar som kommer att röra sig är belägna vid den tiden, liksom var de externa objekt som vi planerar att interagera med finns. Till exempel, om du vill ta en kopp, vet din hjärna redan var handen och koppen befinner sig.
En sådan funktionell hierarki beror på anatomin hos vit substans*, som koordinerar synkroniserad neuronal aktivitet och kognition*.
Vit substans* — om grå substans består av neuroner, så består vit substans av myelinskilda axon, genom vilka impulser överförs från cellkroppen till andra celler och organ.
Kognition* (kunskap) — en uppsättning processer relaterade till förvärv av ny kunskap om den omgivande världen.
Utvecklingen av hjärnbarken hos primater och människans hjärna kännetecknas av målmedveten expansion och omformulering av transmodala associativa områden, vilka utgör grunden för processer av sensorisk representation av information och abstrakta regler för att uppnå mål.
Processen för hjärnutveckling tar tid, under vilken många processer förfinar hjärnan som system: myelinisering*, synaptisk beskärning* och så vidare.
Myelinisering* — oligodendrocyter (en typ av stödjeceller i nervsystemet) omger en viss del av axonet, vilket gör att en oligodendrocyt kopplas till flera neuroner samtidigt. Ju mer aktivt axonet är, desto starkare är myeliniseringen, eftersom detta ökar dess effektivitet.
Synaptisk beskärning* — minskningen av antalet synapser/neuron för att öka effektiviteten i nervsystemet, det vill säga att bli av med överflödiga kopplingar. Med andra ord, det är en implementering av principen "inte mängd, utan kvalitet".
Under utvecklingen av hjärnan formar sig funktionell specificering i den transmodala associativa cortexen, vilket direkt påverkar utvecklingen av högre ordningens exekutiva funktioner, såsom arbetsminne*, kognitiv flexibilitet* och inhibitorisk kontroll*.
Arbetsminne* — en kognitiv system för tillfällig lagring av information. Denna typ av minne aktiveras under aktuella tänkande processer och deltar i beslutsfattande och i bildandet av beteendereaktioner.
Kognitiv flexibilitet* — förmågan att skifta från en tanke till en annan och/eller tänka på flera saker samtidigt.
Inhibitorisk kontroll* (hämningsrespons) — en exekutiv funktion som övervakar en persons förmåga att undertrycka impulsiva (naturliga, vanemässiga eller dominanta) beteendereaktioner på stimuli för att genomföra mer lämpligt svar på en specifik situation (extern stimuli).
Studiet av de strukturella och funktionella sambanden i hjärnan började för ganska länge sedan. Med teori om nätverk uppstod möjligheten att visualisera de strukturella och funktionella sambanden i neurobiologiska system och dela in dem i kategorier. I sin kärna är ett strukturellt-funktionellt samband graden av hur fördelningen av anatomiska kopplingar i hjärnområdet stöder synkroniserad neuronaktivitet.
Det har fastställts att det finns ett starkt samband mellan indikatorerna för strukturell och funktionell koppling på olika rumtidsnivåer. Med andra ord har moderna forskningsmetoder möjliggjort kategorisering av olika områden i hjärnan baserat på deras funktionella egenskaper relaterade till områdets ålder och storlek.
Men som forskarna påpekar, finns det för närvarande nästan inga data angående hur förändringar i arkitekturen av vitt ämne under utvecklingen av den mänskliga hjärnan stödjer koordinerade svängningar av neuronaktivitet.
Det strukturella-funktionella sambandet utgör grunden för funktionell kommunikation och uppstår när profilen för interregionala kopplingar av vitt ämne i det cortexområde förutsäger styrkan av den interregionala funktionella kopplingen. Det vill säga, aktiviteten i det vita ämnet kommer att återspeglas i aktiveringen av hjärnans exekutiva funktioner, så att man kan bedöma styrkan av det strukturella-funktionella sambandet.
För att beskriva det strukturella-funktionella sambandet har forskarna föreslagit tre hypoteser som har testats under studien.
Den första hypotesen hävdar att det strukturella-funktionella sambandet kommer att återspegla den funktionella specialiseringen av det kortikala området. Det vill säga, det strukturella-funktionella sambandet kommer att vara starkt i den somatosensoriska cortex, tack vare processer som bestämmer tidig utveckling av specialiserade sensoriska hierarkier. I kontrast till detta kommer det strukturella-funktionella sambandet att vara lågt i den transmodala associationscortex, där funktionell kommunikation kan försvagas på grund av genetiska och anatomiska begränsningar till följd av den snabba evolutionära expansionen.
Den andra hypotesen bygger på en långvarig aktivitetsberoende myelinisering under utvecklingen och hävdar att utvecklingen av strukturella och funktionella kopplingar kommer att koncentreras i den transmodala associativa barken.
Den tredje hypotesen: den strukturella och funktionella kopplingen återspeglar den funktionella specialiseringen av den kortikala områden. Det kan därför antas att en starkare strukturell och funktionell koppling i den frontotemporala associativa barken kommer att delta i specialiserade beräkningar som krävs för att genomföra exekutiva funktioner.
Forskningsresultat
För att karakterisera utvecklingen av strukturell och funktionell interaktion hos tonåringar genomförde forskarna en kvantitativ bedömning av i vilken grad de strukturella kopplingarna mellan olika hjärnområden stöder koordinerade svängningar av neuronaktivitet.
Genom att använda multimodala neuroavbildningsdata från 727 deltagare i åldrarna 8 till 23 år genomfördes sannolikhetsbaserad diffusions traktografi och bedömning av funktionell koppling mellan varje par av kortikala områden under utförandet av en n-back uppgift*, kopplad till arbetsminnesaktivitet.
N-back uppgift* är en metod för att stimulera aktiviteten i specifika hjärnregioner och testa arbetsminnet. Deltagaren får en rad stimuli (visuella, ljudliga etc.). Han eller hon ska avgöra och ange huruvida en viss stimulus föregick n positioner tidigare. Till exempel: T L H C H S C C Q L C K L H C Q T R H K C H R (3-back uppgift, där den angivna bokstaven förekom för 3 positioner sedan).
Funktionell koppling i vilotillstånd visar spontana svängningar av neuronaktivitet. Men under utförandet av en arbetsminnesuppgift kan den funktionella kopplingen förstärka vissa nervkopplingar eller populationer som är involverade i exekutiva funktioner.
Bild nr 1: mätning av den strukturella och funktionella kopplingen av den mänskliga hjärnan.
Noder i hjärnans strukturella och funktionella nätverk har identifierats med hjälp av en 400-zonig kortikal parcellering (delning i zoner), baserad på funktionell homogeneitet i deltagarnas MRT-data. För varje deltagare har regionala kopplingsprofiler extraherats från varje rad i den strukturella eller funktionella kopplingsmatrisen och presenterats som vektorer för kopplingen mellan en nod i det neurala nätverket och alla andra noder.
Först kontrollerade forskarna om det rumsliga fördelningen av strukturella och funktionella kopplingar överensstämmer med de grundläggande egenskaperna hos den kortikala organisationen.
Bild №2
Det är värt att notera att kopplingen mellan de regionala profilerna av strukturell och funktionell koppling varierade kraftigt över hela cortex (2A). En starkare koppling observerades i den primära sensoriska och mediala prefrontala cortex. Däremot var kopplingen i den laterala, temporala och frontotemporala områdena ganska svag.
För en mer begriplig bedömning av kopplingen mellan strukturell-funktionell koppling och funktionell specialisering beräknades 'deltagande'-koefficienten, som representerar en grafisk representation av den kvantitativa definitionen av kopplingen mellan funktionellt specialiserade områden i hjärnan. Varje hjärnområde kategoriserades i sju klassiska funktionella neurala nätverk. Neurala noder i hjärnan med hög deltagande-koefficient visar olika intermodulära kopplingar (kopplingar mellan områden i hjärnan) och kan därför påverka informationstransferprocesserna mellan områden samt deras dynamik. Noder med låg deltagande-koefficient visar mer lokala kopplingar inom själva området i hjärnan, snarare än mellan flera områden. Enkelt uttryckt, om koefficienten är hög interagerar olika områden i hjärnan aktivt med varandra, om den är låg sker aktiviteten inom området utan kopplingar till intilliggande.2C).
Därefter genomfördes en utvärdering av förhållandet mellan variabiliteten hos strukturell-funktionell koppling och den makroskala funktionella hierarkin. Den strukturell-funktionella kopplingen sammanfaller i stor utsträckning med den primära gradienten av funktionell koppling: unimodala sensoriska områden uppvisar en relativt stark strukturell-funktionell koppling, medan transmodala områden i toppen av den funktionella hierarkin visar en svagare koppling (2D).
Det konstaterades även att det finns en stark korrelation mellan den strukturell-funktionella kopplingen och den evolutionära expansionen av ytan på kortex (2E). Högkonservativa sensoriska områden hade en relativt stark strukturell-funktionell koppling, medan de starkt expanderade transmodala områdena hade en svagare koppling. Dessa observationer bekräftar helt hypotesen om att den strukturell-funktionella kopplingen är en återspegling av den kortikala hierarkin för funktionell specialisering och evolutionär expansion.
Bild nr 3
Forskare påminner än en gång om att tidigare genomförda studier i stor utsträckning har fokuserat på att undersöka den strukturell-funktionella kopplingen i den vuxna hjärnan. I detta arbete har fokus lagts på att studera en hjärna som fortfarande är under utveckling, d.v.s. att studera tonårshjärnan.
Det har konstaterats att åldersskillnader i strukturell-funktionella kopplingar i tonårshjärnor var brett spridda över den laterala temporala, nedre parietala och prefrontala kortex (3A). Förstärkningen av kopplingen var oproportionerligt distribuerad över kortexområden, d.v.s. den förekom i en unik undergrupp av funktionellt separerade kortexområden (3B), vilket inte observerades i den vuxna hjärnan.
Styrkan av åldersskillnader i strukturella-funktionella kopplingar korrelerade starkt med den funktionella deltagande koefficienten (3C) och den funktionella gradienten (3D).
Det rumsliga fördelningen av åldersskillnader i strukturell-funktionella kopplingar motsvarade också den evolutionära expansionen av cortex. En åldersrelaterad ökning av koppling förelåg i den utvidgade associationscortex i hjärnan, medan en åldersrelaterad minskning av koppling observerades i den högkonserverade sensorimotoriska cortexen (3E).
I nästa steg av studien genomgick 294 deltagare en ny hjärnundersökning 1,7 år efter den första. På så sätt kunde sambandet mellan åldersrelaterade förändringar i strukturell-funktionell koppling och individuella förändringar i utveckling fastställas. För detta gjordes en bedömning av longitudinella förändringar i den strukturella-funktionella kopplingen.
Bild nr 4
Det fanns en betydande överensstämmelse mellan tvärsnitts- och longitudinella åldersförändringar i den strukturella-funktionella kopplingen (4A).
För att verifiera sambandet mellan longitudinella förändringar i den strukturella-funktionella kopplingen (4B) och longitudinella förändringar i koefficienten för funktionell delaktighet (4C) användes linjär regression. Det visades att longitudinella förändringar i koppling överensstämde med longitudinella förändringar i koefficienten för funktionell delaktighet i högre ordningens distribuerade associationsområden, inklusive den dorsala och mediala prefrontala cortex, den nedre parietala cortex och den laterala temporala cortex (4D).
Bild nr 5
Därefter försökte forskarna förstå konsekvenserna av individuella skillnader i den strukturella-funktionella kopplingen för beteendet. Specifikt om den strukturella-funktionella kopplingen under arbetet med arbetsminnet kan förklara den exekutiva prestationen. Det framkom att förbättrad exekutiv prestation var kopplad till en starkare strukturell-funktionell koppling i den rostrolaterala prefrontala cortex, den bakre cingulära gyrus och den mediala occipitalloben (5A).
Den sammanlagda informationen ovan leder till flera viktiga slutsatser. För det första är de regionala förändringarna i den strukturella och funktionella kopplingen omvänt proportionella mot komplexiteten hos den funktion som olika delar av hjärnan ansvarar för. En starkare strukturell och funktionell koppling har påträffats i delar av hjärnan som är specialiserade på bearbetning av enkel sensorisk information (till exempel visuella signaler). I områden av hjärnan som deltar i mer komplexa processer (exekutiv funktion och inhibitorisk kontroll) har det funnits en lägre strukturell och funktionell koppling.
Det har också fastställts att den strukturella och funktionella kopplingen överensstämmer med den evolutionära expansionen av hjärnan som observeras hos primater. Tidigare har jämförande studier gjorts av människans, primatens och apans hjärnor, vilket har visat att sensoriska områden (till exempel det visuella systemet) är mycket konservativa mellan primatarterna och inte har expanderat mycket under den senaste evolutionen. Däremot har associationsområdena i hjärnan (till exempel den prefrontala cortex) genomgått en betydande expansion. Denna expansion kan ha påverkat framkomsten av människans komplexa kognitiva förmågor. Det har visat sig att de områden av hjärnan som snabbt expanderade under evolutionen hade en svagare strukturell och funktionell koppling, medan de enkla sensoriska områdena hade en starkare.
Hos barn och tonåringar ökar den strukturella och funktionella kopplingen aktivt i de frontala områdena av hjärnan, som ansvarar för hämmande funktioner (dvs. självkontroll). Således kan en långvarig utveckling av den strukturella och funktionella kopplingen i dessa områden förbättra den exekutiva funktionen och självkontrollen, vilket är en process som fortsätter även i vuxen ålder.
För en mer detaljerad förståelse av forskningsnyanserna rekommenderar jag att du kollar in och till detta.
Epilog
Människans hjärna har alltid varit och kommer länge att förbli en av mänsklighetens största gåtor. Det är en otroligt komplex mekanism som måste utföra många funktioner, kontrollera många processer och lagra enorma mängder information. För många föräldrar finns det inget mer gåtfullt än sina tonåringars hjärnor. Deras beteende är ibland svårt att kalla logiskt eller konstruktivt, men detta förklaras av deras biologiska utvecklingsprocess och sociala mognad.
Självklart kan förändringar i de strukturellt-funktionella kopplingarna i olika delar av hjärnan och påverkan av hormonella omställningar vara en vetenskaplig förklaring till det speciella beteendet hos unga människor, men det betyder inte att de inte behöver vägledning. Människan är inte av naturen ett asocialt väsen. Om någon drar sig undan andra, så är det definitivt inte på grund av vår biologiska predisposition. Därför är föräldrars aktiva deltagande i sina barns liv en extremt viktig aspekt av deras utveckling.
Det är också viktigt att förstå att även vid tre års ålder är ett barn redan en person med sin egen karaktär, sina egna önskningar och sin egen syn på omvärlden. Föräldern bör inte bli osynlig för sitt barn genom att släppa det fritt, men bör inte heller bli en järnbetonvägg som hindrar barnet från att upptäcka världen. Ibland behöver man puffa till, ibland hålla i, ibland ge full frihet, och någon gång, med föräldraauktoritet, säga ett bestämt "nej", även om barnet blir missnöjt.
Att vara förälder är svårt, och ännu svårare att vara en bra förälder. Men att vara tonåring är inte heller så enkelt. Kroppen förändras utåt, hjärnan förändras, omgivningen förändras (skolan var en gång och nu är det universitetet), livstakten förändras. I vår tid påminner livet ofta om en formel-1, där det inte finns plats för tröghet. Men hög hastighet innebär också stor risk, så en oerfaren förare kan skadas. Förälderns uppgift är att bli sitt barns tränare, så att man i framtiden kan släppa ut dem i världen utan att oroa sig för deras framtid.
Vissa föräldrar anser sig smartare än andra, några är redo att följa varje råd de hör på internet eller från grannen, medan andra helt enkelt är likgiltiga inför alla nyanser av uppfostran. Människor är olika, men precis som kommunikationen mellan hjärnans olika avdelningar är viktig, spelar kommunikationen mellan föräldrar och deras barn en av de mest centrala rollerna i uppfostran.
Tack för er uppmärksamhet, förbli nyfikna och ha en fantastisk helg, grabbar! 🙂
Lite reklam 🙂
Tack för att ni stannar kvar hos oss. Gillar ni våra artiklar? Vill ni se fler intressanta material? Stöd oss genom att göra en beställning eller rekommendera oss till era vänner, , en unik motsvarighet till entry-level servrar som vi har skapat för er: (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgängliga, upp till 24 kärnor och upp till 40GB DDR4).
Dell R730xd är två gånger billigare i datacentret Equinix Tier IV i Amsterdam? Bara hos oss i Nederländerna! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — från $99! Läs om
Källa: habr.com
