Одним із найзагадковіших і не до кінця розгаданих «явлень» є мозок людини. Навколо цього складного органу крутиться безліч питань: чому ми бачимо сни, як емоції впливають на прийняття рішень, які нервові клітини відповідають за сприйняття світла та звуку, чому одним подобаються шпроти, інші люблять оливки? Всі ці питання стосуються мозку, оскільки він є центральним процесором організму людини. Багато років вчені приділяли особливу увагу мозку людей, які якимось чином вирізнялися з натовпу (від геніїв-самоучок до розважливих психопатів). Але є категорія людей, незвичайну поведінку яких пов'язують із їхнім віком — підлітки. Багато підлітків мають загострене почуття протиріччя, дух авантюризму і непереборне бажання знайти пригоди на свою п'яту точку. Вчені з Пенсільванського університету вирішили докладно розглянути загадкові мізки підлітків та процеси, що в них протікають. Про те, що їм вдалося з'ясувати, ми дізнаємося з їхньої доповіді. Поїхали.
Основа дослідження
Будь-який прилад у техніці та орган в організмі мають власну архітектуру, що дозволяє їм працювати ефективно. Кора головного мозку людини організована за функціональною ієрархією, починаючи від унімодальної сенсорної кори* і закінчуючи трансмодальною асоціативною корою*.
Сенсорна кора мозку* - частина кори головного мозку, що відповідає за збирання та обробку інформації, отриманої від органів чуття (очі, мова, ніс, вуха, шкіра та вестибулярний апарат).
Асоціативна кора* - частина тім'яної кори головного мозку, яка бере участь у реалізації запланованих рухів. Коли ми збираємося виконати будь-який рух, наш мозок повинен знати, де в цю секунду розташоване тіло та його частини, які будуть переміщатися, а також де розташовані об'єкти зовнішнього середовища, з якими планується взаємодія. Наприклад, ви хочете взяти в руки чашку, а ваш мозок вже знає, де розташована рука та сама чашка.
Подібна функціональна ієрархія обумовлена анатомією шляхів білої речовини*, які координують синхронізовану нейронну активність та когніцію*.
Біла речовина* - якщо сіра речовина складається з нейронів, то біла складається з покритих мієліном аксонів, за якими імпульси передаються від тіла клітини до інших клітин та органів.
Когніція* (пізнання) - сукупність процесів, пов'язаних з набуттям нових знань щодо навколишнього світу.
Еволюція кори мозку у приматів та розвиток мозку людини характеризуються цільовим розширенням та ремоделюванням трансмодальних асоціативних областей, які є основою процесів сенсорного представлення інформації та абстрактних правил досягнення мети.
Процес розвитку мозку займає чимало часу, протягом якого відбувається безліч процесів удосконалення мозку як системи: мієлінізація*, синаптичний прунінг* тощо.
Мієлінізація* - Олігодендроцити (вид допоміжних клітин нервової системи) обволікають ту чи іншу частину аксона, внаслідок чого один олігодендроцит зв'язується відразу з кількома нейронами. Чим активніший аксон, тим сильніше його мієлінізація, оскільки це підвищує його ефективність.
Синаптичний прунінг* — скорочення числа синапсів/нейронів підвищення ефективності роботи нейро-системы, тобто. рятування від зайвих зв'язків. Іншими словами, це реалізація принципу "не кількістю, а якістю".
У період становлення мозку формується функціональна специфікація в трансмодальній асоціативній корі, що впливає на розвиток виконавчих функцій вищого порядку, таких як робоча пам'ять*, когнітивна гнучкість* и інгібіторний контроль*.
Робоча пам'ять* - Когнітивна система тимчасового зберігання інформації. Даний тип пам'яті активується в момент поточних розумових процесів і бере участь у прийнятті рішень та формуванні поведінкових відповідей.
Когнітивна гнучкість* - здатність перемикатися з однієї думки на іншу та/або обмірковувати кілька речей в один момент.
Інгібіторний контроль* (Реакція гальмування) - виконавча функція, що курирує здатність людини придушувати її імпульсивні (природні, звичні або домінантні) поведінкові реакції на стимули для того, щоб реалізувати відповідну відповідь на конкретну ситуацію (зовнішній стимул).
Вивчення структурно-функціональних зв'язків мозку розпочалося досить давно. З появою теорії мереж з'явилася можливість візуалізувати структурно-функціональні зв'язки у нейробіологічних системах та поділити їх на категорії. За своєю суттю, структурно-функціональний зв'язок є ступенем, у якому розподіл анатомічних зв'язків у ділянці мозку підтримує синхронізовану нейронну активність.
Було встановлено наявність сильного зв'язку між показниками структурної та функціональної зв'язності у різних просторово-часових масштабах. Іншими словами, більш сучасні методи вивчення дозволили категоризувати ті чи інші ділянки мозку за їх функціональними особливостями, пов'язаними з віком ділянки та її розміром.
Однак, як заявляють вчені, на даний момент практично немає даних щодо того, як зміни архітектури білої речовини під час розвитку людського мозку підтримують узгоджені коливання нейронної активності.
Структурно-функціональний зв'язок є основою для функціональної комунікації та відбувається, коли профіль міжрегіонального зв'язку білої речовини в кортикальному регіоні передбачає силу міжрегіонального функціонального зв'язку. Тобто активність білої речовини відображатиметься в активації виконавчих функцій мозку, тим самим можна буде оцінити рівень сили структурно-функціонального зв'язку.
Для опису структурно-функціонального зв'язку вчені висунули три гіпотези, перевірені під час дослідження.
Перша гіпотеза стверджує, що структурно-функціональний зв'язок відображатиме функціональну спеціалізацію кортикальної області. Тобто структурно-функціональний зв'язок буде сильним у соматосенсорній корі, завдяки процесам, які визначають ранній розвиток спеціалізованих сенсорних ієрархій. На противагу цьому, структурно-функціональний зв'язок буде низьким у трансмодальній асоціативній корі, де функціональна комунікація може бути ослаблена через генетичні та анатомічні обмеження через швидке еволюційне розширення.
Друга гіпотеза заснована на тривалій залежній від активності мієлінізації під час розвитку та стверджує, що розвиток структурно-функціональних зв'язків буде сконцентрований у трансмодальній асоціативній корі.
Третя гіпотеза: структурно-функціональний зв'язок відбиває функціональну спеціалізацію кортикальної області. Тому можна припустити, що сильніша структурно-функціональна зв'язок у лобно-теменной асоціативної корі братиме участь у спеціалізованих обчисленнях, необхідні реалізації виконавчих функций.
Результати дослідження
Щоб охарактеризувати розвиток структурно-функціональної взаємодії у підлітків, вчені провели кількісну оцінку ступеня, в якому структурні зв'язки різних ділянок мозку підтримують скоординовані коливання нейронної активності.
Використовуючи мультимодальні дані нейровізуалізації від 727 учасників віком від 8 до 23 років, було проведено ймовірнісну дифузійну трактографію та оцінку функціональної зв'язності між кожною парою кортикальних областей під час виконання завдання n-назад*, пов'язаної з активністю робочої пам'яті
Завдання n-назад* - методика стимулювання активності певних зон мозку та перевірки робочої пам'яті. Випробуваному надається низка стимулів (візуальних, звукових тощо). Він повинен визначити та вказати, чи був той чи інший стимул n позицій тому. Наприклад: TLHCHSCCQLCKLHCQTRHKC HR (завдання 3-назад, де певна літера зустрічалася на 3 позиції раніше).
Функціональна зв'язність у стані спокою відображає спонтанні коливання нейронної активності. А ось під час виконання завдання на робочу пам'ять, функціональна зв'язність може посилювати певні нервові з'єднання чи популяції, що беруть участь у виконавчих функціях.
Зображення №1: вимір структурно-функціонального зв'язку мозку людини.
Вузли у структурних та функціональних мережах мозку були визначені з використанням 400-зонної кортикальної парцеляції (поділ на зони), заснованої на функціональній однорідності даних МРТ учасників дослідження. Для кожного учасника дослідження регіональні профілі зв'язності були вилучені з кожного рядка структурної або функціональної матриці зв'язності та представлені як вектори сили зв'язності від одного вузла нейронної мережі до інших вузлів.
Для початку вчені перевірили, чи збігається просторовий розподіл структурно-функціональних зв'язків із фундаментальними властивостями кортикальної організації.
Зображення №2
Варто зазначити, що зв'язок між регіональними профілями структурної та функціональної зв'язності сильно варіювався по всій корі.2A). Більш сильний зв'язок спостерігалася у первинній сенсорній та медіальній префронтальній корі. А ось у латеральній, скроневій та лобно-тім'яній областях зв'язок був досить слабким.
Для більш зрозумілої оцінки зв'язок між структурно-функціональним зв'язком та функціональною спеціалізацією, був розрахований коефіцієнт «участі», який є графічною репрезентацією кількісного визначення зв'язності між функціонально спеціалізованими ділянками мозку. Кожна з областей мозку була віднесена до семи класичних функціональних нейронних мереж. Нейронні вузли мозку з високим коефіцієнтом участі демонструють різний міжмодульний зв'язок (зв'язок між ділянками мозку) і, отже, можуть проводити процеси передачі між ділянками, і навіть їх динаміку. А ось вузли з низьким коефіцієнтом участі демонструють локальніші сполуки всередині самої ділянки мозку, а не між декількома ділянками. Простіше кажучи, якщо коефіцієнт високий - різні ділянки мозку активно взаємодіють один з одним, якщо низький - активність відбувається всередині ділянки без зв'язку із сусідніми (2C).
Далі було проведено оцінку відношення варіативності структурно-функціональної зв'язності та макромасштабної функціональної ієрархії. Структурно-функціональний зв'язок значною мірою збігається з основним градієнтом функціонального зв'язку: унімодальні сенсорні області демонструють відносно сильний структурно-функціональний зв'язок, у той час як у трансмодальних областей на вершині функціональної ієрархії спостерігається слабкіший зв'язок (2D).
Також було встановлено, що має місце сильна кореляція структурно-функціонального зв'язку та еволюційним розширенням площі поверхні кори (2Е). Висококонсервативні сенсорні області мали відносно сильний структурно-функціональний зв'язок, тоді як сильно розширені трансмодальні області мали слабший зв'язок. Такі спостереження повністю підтверджують гіпотезу про те, що структурно-функціональний зв'язок є відображенням кортикальної ієрархії функціональної спеціалізації та еволюційного розширення.
Зображення №3
Вчені ще раз нагадують, що проведені раніше дослідження здебільшого були зосереджені на вивченні структурно-функціональної зв'язності в мозку дорослої людини. У цьому праці акцент було поставлено вивченні мозку, який усе ще перебуває у розвитку, тобто. вивчення мозку підлітка.
Було встановлено, що в мозку підлітків вікові відмінності у структурно-функціональних зв'язках були широко розподілені по латеральній скроневій, нижній тім'яній та префронтальній корі (3А). Посилення зв'язності були непропорційно розподілені областями кори, тобто. були присутні в унікальному підмножині функціонально розділених областей кори (3В), чого не спостерігалося в мозку дорослої людини.
Величина вікових відмінностей у структурно-функціональних зв'язках сильно корелювала з коефіцієнтом функціональної участі (3С) та функціональним градієнтом (3D).
Просторовий розподіл вікових відмінностей у структурно-функціональних зв'язках також відповідав еволюційному розширенню кори. Вікове збільшення зв'язності спостерігалося у розширеній асоціативній корі головного мозку, тоді як вікове зниження зв'язності спостерігалося у висококонсервативній сенсорно-моторній корі (3Е).
На наступному етапі дослідження 294 учасники повторно пройшли обстеження мозку через 1.7 року після першого. Таким чином можна було визначити зв'язок між віковими змінами структурно-функціональної зв'язності та внутрішньоіндивідуальними змінами розвитку. Для цього було проведено оцінку поздовжніх змін у структурно-функціональній зв'язності.
Зображення №4
Було виявлено значну відповідність між поперечним та поздовжнім віковим змінами на структурно-функціональний зв'язок (4А).
Для перевірки зв'язку поздовжніх змін у структурно-функціональному зв'язку (4B) та поздовжніх змін коефіцієнта функціональної участі (4С) була використана лінійна регресія. Було виявлено, що поздовжні зміни зв'язності відповідали поздовжнім змінам коефіцієнта функціональної участі в розподілених асоціативних областях високого порядку, у тому числі в дорсальній та медіальній префронтальній корі, нижній тім'яній корі та латерально-скроневій корі (4D).
Зображення №5
Потім вчені спробували зрозуміти наслідки індивідуальних відмінностей у структурно-функціональних зв'язках для поведінки. Зокрема, чи може структурно-функціональна зв'язність під час виконання завдання з робочою пам'яттю пояснити виконавчу продуктивність. Було виявлено, що поліпшення виконавчої діяльності пов'язане з сильнішою структурно-функціональною зв'язністю в ростролатеральній префронтальній корі, задній звивині поясній і медіальній потиличній корі (5A).
Сукупність вищеописаних спостережень наштовхує кілька основних висновків. По-перше, регіональні зміни в структурно-функціональній зв'язності є обернено пропорційною складності функції, за яку відповідає та чи інша область мозку. Більш сильний структурно-функціональний зв'язок був виявлений у частинах мозку, які спеціалізуються на обробці простої сенсорної інформації (наприклад, візуальні сигнали). А в галузях мозку, що беруть участь у складніших процесах (виконавча функція та інгібіторний контроль) була нижча структурно-функціональна зв'язність.
Також було встановлено, що структурно-функціональний зв'язок узгоджується з еволюційним розширенням мозку, яке спостерігається у приматів. Раніше вже проводилися порівняльні дослідження мозку людини, примату та мавпи, які показали, що сенсорні області (наприклад, зорова система) дуже консервативні серед видів приматів і не сильно розширилися в ході недавньої еволюції. А ось асоціативні області мозку (наприклад, префронтальна кора) зазнали значного розширення. Можливо, це розширення безпосередньо вплинуло на появу у людини складних когнітивних здібностей. Було виявлено, що області мозку, які швидко розширювалися під час еволюції, мали слабкішу структурно-функціональну зв'язність, тоді як прості сенсорні області — сильнішу.
У дітей та підлітків структурно-функціональний зв'язок зростає досить активно у лобових областях мозку, які відповідають за функцію гальмування (тобто самоконтроль). Таким чином, тривалий розвиток структурно-функціональної зв'язності в цих галузях може покращити виконавчу функцію та самоконтроль, процес розвитку якого продовжується і в дорослому віці.
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути в и до нього.
Епілог
Мозок людини завжди був і ще довго буде однією з найбільших загадок людства. Це неймовірно складний механізм, який має виконувати безліч функцій, контролювати безліч процесів та зберігати величезні обсяги інформації. Для багатьох батьків немає нічого загадковішого, ніж мозок їхніх дітей-підлітків. Їх поведінка часом складно назвати логічною чи конструктивною, проте це пояснюється процесом їх біологічного розвитку та соціального становлення.
Звичайно, зміни в структурно-функціональних зв'язках тих чи інших ділянок мозку та вплив гормональних перебудов може бути науковим виправданням своєрідної поведінки молодих людей, але це не означає, що їх не слід спрямовувати. Людина не є за своєю природою асоціальною істотою. Якщо хтось і цурається інших людей, то точно не через нашу біологічну схильність. Тому активна участь батьків у житті їхніх дітей є вкрай важливим аспектом їхнього розвитку.
Варто також розуміти, що навіть у трирічному віці дитина вже є особистістю зі своїм характером, своїми бажаннями та своїм поглядом на навколишній світ. Батько не повинен ставати невидимим для своєї дитини, відпускаючи її у вільне плавання, але й не повинен перетворюватися на залізобетонну стіну, що захищає її від пізнання світу. Десь треба підштовхнути, десь притримати, десь дати повну свободу, а десь, виявивши батьківський авторитет, сказати тверде «ні», навіть якщо чадо цьому буде незадоволене.
Бути батьком складно, ще складніше бути добрим батьком. Але й підлітком бути не так просто. Тіло зовні змінюється, змінюється мозок, змінюється оточення (була школа, і вже універ), змінюється ритм життя. Нині життя часто нагадує формулу-1, де немає місця повільності. Але велика швидкість пов'язана з великим ризиком, тому недосвідчений гонщик може постраждати. Завдання батька стати тренером своєї дитини, щоб надалі спокійно відпустити її у світ, не побоюючись за її майбутнє.
Одні батьки вважають себе розумнішими за інших, одні готові реалізовувати будь-яку пораду, почуту в інтернеті або від сусідки, а комусь просто «фіолетово» на всі тонкощі виховання. Люди різні, але як і в мозку людини важлива комунікація між її відділами, так і у вихованні одну з найважливіших ролей грає комунікація між батьками та їхніми дітьми.
Дякую за увагу, залишайтесь цікавими та відмінними всім вихідними, хлопці! 🙂
Небагато реклами 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, , унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd вдвічі дешевше в дата-центрі Equinix Tier IV в Амстердамі? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com