最神秘且尚未完全理解的“现象”之一是人脑。 许多问题都围绕着这个复杂的器官：我们为什么会做梦、情绪如何影响决策、哪些神经细胞负责感知光和声音、为什么有些人喜欢西鲱而另一些人则喜欢橄榄？ 所有这些问题都与大脑有关，因为它是人体的中央处理器。 多年来，科学家们一直特别关注那些在人群中脱颖而出的人（从自学成才的天才到精于算计的精神病患者）的大脑。 但有一类人的异常行为与他们的年龄有关——青少年。 许多青少年具有强烈的矛盾感、冒险精神和不可抗拒的渴望去冒险以对自己有利的方式。 宾夕法尼亚大学的科学家决定仔细研究青少年的神秘大脑以及其中发生的过程。 我们从他们的报告中了解了他们的发现。 去。
研究基础
任何技术设备和身体中的任何器官都有自己的架构，使它们能够有效地工作。 人类大脑皮层根据功能层次结构进行组织，从单峰到 感觉皮层* 并以联运结尾 联合皮层*.
感觉皮层*是大脑皮层的一部分，负责收集和处理从感官（眼睛、舌头、鼻子、耳朵、皮肤和前庭系统）接收到的信息。
联合皮层*是大脑顶叶皮层的一部分，参与执行计划的运动。 当我们要进行任何运动时，我们的大脑必须知道身体及其将要运动的部位在那一刻位于哪里，以及我们计划与之交互的外部环境中的物体位于哪里。 例如，你想拿起一个杯子，你的大脑已经知道手和杯子本身的位置。
这种功能层次结构是由通路的解剖结构决定的 白质*，协调同步的神经活动和 认识*.
白质* — 如果灰质由神经元组成，那么白质由髓磷脂覆盖的轴突组成，脉冲沿着轴突从细胞体传递到其他细胞和器官。
认识* （认知）- 一组与获取有关我们周围世界的新知识相关的过程。
灵长类动物大脑皮层的进化和人类大脑的发育都以目标导向的跨模态联想区域的扩展和重塑为特征，这是信息的感觉表征和实现目标的抽象规则过程的基础。
大脑发育的过程需要大量的时间，在此期间发生了许多改善大脑作为一个系统的过程： 髓鞘形成*, 突触修剪* 等等
髓鞘形成* - 少突胶质细胞（神经系统的一种辅助细胞）包裹轴突的一个或另一个部分，因此一个少突胶质细胞同时与多个神经元通信。 轴突越活跃，它的髓鞘就越多，因为这会提高它的效率。
突触修剪* — 减少突触/神经元的数量以提高神经系统的效率，即摆脱不必要的连接。 换句话说，这就是“不求数量，但求质量”原则的落实。
在大脑发育过程中，跨模态联合皮层形成功能规范，直接影响高阶执行功能的发育，例如 工作记忆*, 认知灵活性* и 抑制控制*.
工作记忆* - 临时存储信息的认知系统。 这种类型的记忆在持续的思维过程中被激活，并参与决策和行为反应的形成。
认知灵活性* - 从一种想法切换到另一种想法和/或同时思考几件事的能力。
抑制控制* （抑制反应）是一种执行功能，监督一个人抑制对刺激的冲动（自然、习惯或主导）行为反应的能力，以便对特定情况（外部刺激）实施更适当的反应。
对大脑结构与功能连接的研究很久以前就开始了。 随着网络理论的出现，使神经生物学系统中的结构功能连接可视化并将其分类成为可能。 从本质上讲，结构-功能连接是大脑区域内解剖连接的分布支持同步神经活动的程度。
在不同时空尺度上的结构和功能连接性测量之间发现了很强的关系。 换句话说，更现代的研究方法使得根据与该区域的年龄和大小相关的功能特征对大脑的某些区域进行分类成为可能。
然而，科学家们表示，目前几乎没有证据表明人类大脑发育过程中白质结构的变化如何支持神经活动的协调波动。
结构功能连接是功能通信的基础，当皮质区域的区域间白质连接概况预测区域间功能连接的强度时，就会发生结构功能连接。 也就是说，白质的活动会反映在大脑执行功能的激活上，从而可以评估结构与功能连接的强弱程度。
为了描述结构与功能的关系，科学家提出了三个假设并在研究过程中进行了测试。
第一个假设指出，结构-功能连接将反映皮质区域的功能专业化。 也就是说，由于决定专门感觉层次的早期发展的过程，体感皮层的结构-功能连接将会很强。 相比之下，跨模态关联皮层的结构-功能连接性较低，由于快速进化扩张，功能交流可能会因遗传和解剖学限制而减弱。
第二个假设基于发育过程中的长期活动依赖性髓鞘形成，并指出结构功能连接的发育将集中在跨模态关联皮层中。
第三个假设：结构与功能的联系反映了皮质区域的功能专业化。 因此，可以假设额顶联合皮层中更强的结构功能连接将涉及执行功能实施所需的专门计算。
研究结果
为了表征青少年结构功能连接的发展，科学家们量化了不同大脑区域的结构连接支持神经活动协调波动的程度。
使用来自 727 名 8 至 23 岁参与者的多模态神经影像数据，进行概率扩散纤维束成像，并评估表演过程中每对皮质区域之间的功能连接。 n 回任务*与工作记忆活动有关。
问题n-back* - 刺激大脑某些区域的活动并测试工作记忆的技术。 向受试者提供多种刺激（视觉、音频等）。 他必须确定并指出这个或那个刺激是否在 n 个位置之前出现过。 例如：TLHCHSCCQLCKLHCQTRHKC HR（3-back问题，某个字母较早出现在第3个位置）。
静息态功能连接反映了神经活动的自发波动。 但在工作记忆任务中，功能连接可能会增强执行功能中涉及的特定神经连接或群体。
图片#1：测量人脑的结构功能连接性。
根据研究参与者 MRI 数据的功能同质性，使用 400 个区域的皮质分区来识别结构和功能大脑网络中的节点。 对于每个研究参与者，从结构或功能连接矩阵的每一行中提取区域连接概况，并将其表示为从一个神经网络节点到所有其他节点的连接强度向量。
首先，科学家们检查了结构功能连接的空间分布是否与皮质组织的基本特性相符。
图片#2
值得注意的是，整个皮层的区域结构和功能连接概况之间的关系差异很大（2A）。 在初级感觉和内侧前额皮质中观察到更强的连接。 但在侧面、颞叶和额顶叶区域，这种联系相当薄弱。
为了更容易理解地评估结构功能连接和功能专业化之间的关系，计算了“参与”系数，它是大脑功能专业化区域之间连接性定量测定的图形表示。 每个大脑区域都分配给七个经典功能神经网络。 具有高参与系数的大脑神经元节点表现出不同的模块间连接（大脑区域之间的连接），因此可以影响区域之间的信息传递过程及其动态。 但参与率低的节点在大脑区域本身内显示出更多的局部连接，而不是多个区域之间的连接。 简而言之，如果系数高，大脑的不同区域就会积极地相互影响；如果系数低，则该区域内的活动会发生在与邻近区域没有联系的情况下（2C).
接下来，评估结构功能连接的变异性与宏观功能层次之间的关系。 结构-功能连接在很大程度上与功能连接的潜在梯度一致：单模态感觉区域显示出相对较强的结构-功能连接，而功能层次顶部的跨模态区域显示出较弱的连接。2D).
研究还发现，结构功能关系与皮质表面积的进化扩张之间存在很强的相关性（2E）。 高度保守的感觉区域具有相对较强的结构功能连接性，而高度扩展的跨模式区域具有较弱的连接性。 这些观察结果完全支持这样的假设：结构-功能连接性反映了功能专业化和进化扩展的皮质层次结构。
图片#3
科学家们再次提醒，之前的研究主要集中在研究成人大脑的结构功能连接。 在同一工作中，重点放在对大脑的研究上，大脑仍处于发展过程中，即。 研究青少年大脑。
研究发现，在青少年大脑中，与年龄相关的结构功能连接差异广泛分布在外侧颞叶、下顶叶和前额皮质。3А）。 连接性增强不成比例地分布在各个皮质区域，例如大脑皮层区域。 存在于功能分离的皮质区域的独特子集中（3V），在成人大脑中没有观察到这一点。
结构-功能连接的年龄差异程度与功能参与率高度相关（3S）和函数梯度（3D).
结构-功能连接中与年龄相关的差异的空间分布也与皮质的进化扩张一致。 在扩展关联皮层中观察到与年龄相关的连接性增加，而在高度保守的感觉运动皮层中观察到与年龄相关的连接性减少。3E).
在研究的下一阶段，294 名参与者在第一次脑部检查 1.7 年后接受了第二次脑部检查。 通过这种方式，可以确定结构功能连接的年龄相关变化与个体内部发育变化之间的关系。 为此目的，评估了结构功能连接的纵向变化。
图片#4
结构功能连接的横截面和纵向年龄相关变化之间存在显着的对应关系（4А).
测试结构和功能连接的纵向变化之间的关系（4B）和功能参与率的纵向变化（4S）使用线性回归。 研究发现，连通性的纵向变化与分布式高阶关联区域功能参与率的纵向变化相对应，这些区域包括背侧和内侧前额叶皮质、下顶叶皮质和外侧颞叶皮质。4D).
图片#5
然后，科学家们试图了解结构功能连接的个体差异对行为的影响。 具体来说，工作记忆任务期间的结构功能连接是否可以解释执行性能。 研究发现，执行功能的改善与头外侧前额叶皮层、后扣带皮层和内侧枕叶皮层更强的结构功能连接有关。5A).
上述观察的总体结果得出几个主要结论。 首先，结构功能连接的区域变化与特定大脑区域负责的功能的复杂性成反比。 在专门处理简单感觉信息（例如视觉信号）的大脑部分中发现了更强的结构功能连接。 参与更复杂过程（执行功能和抑制控制）的大脑区域的结构功能连接性较低。
结构-功能连接也被发现与在灵长类动物中观察到的大脑的进化扩张一致。 先前对人类、灵长类动物和猴子大脑的比较研究表明，感觉区域（例如视觉系统）在灵长类动物中高度保守，并且在最近的进化过程中没有太大扩展。 但大脑的关联区域（例如前额皮质）已经经历了显着的扩张。 也许这种扩张直接影响了人类复杂认知能力的出现。 研究发现，在进化过程中迅速扩张的大脑区域的结构和功能连接性较弱，而简单的感觉区域则具有较强的连接性。
在儿童和青少年中，负责抑制功能（即自我控制）的大脑额叶区域的结构-功能连接相当活跃地增加。 因此，这些区域结构功能连接的长期发展可能会改善执行功能和自我控制，这一过程会持续到成年。
要更详细地了解该研究的细微差别，我建议您查看 и 对他
结语
人脑一直并将长期是人类最大的谜团之一。 这是一个极其复杂的机制，必须执行许多功能、控制许多进程并存储大量信息。 对于许多父母来说，没有什么比十几岁孩子的大脑更神秘的了。 他们的行为有时很难被称为逻辑或建设性的，但这是由他们的生物发展和社会形成的过程来解释的。
当然，大脑某些区域的结构和功能连接的变化以及荷尔蒙变化的影响可以为年轻人的特殊行为提供科学依据，但这并不意味着他们不需要指导。 人本质上并不是一个不合群的存在。 如果有人回避其他人，那肯定不是因为我们的生物倾向。 因此，父母积极参与孩子的生活是孩子发展极其重要的一个方面。
同样值得理解的是，即使在三岁的时候，孩子就已经是一个有自己的性格、自己的欲望和对周围世界的看法的个体了。 父母不应该成为孩子的隐形人，让他自由自在，但也不应该变成一堵钢筋水泥墙，保护他不了解世界。 在某个地方你需要推动，在某个地方你需要克制，在某个地方你需要给予完全的自由，在某个地方，你需要表现出父母的权威，坚定地说“不”，即使孩子对此不满意。
为人父母不易，当个好父母更难。 但成为一个青少年并不那么容易。 身体外部发生变化，大脑发生变化，环境发生变化（以前是学校，现在是大学），生活节奏发生变化。 如今，生活常常类似于一级方程式赛车，其中没有缓慢的余地。 但高速伴随着巨大的风险，因此没有经验的骑手可能会受伤。 父母的任务就是成为孩子的教练，让孩子平静地走向未来的世界，而不用担心孩子的未来。
有些父母认为自己比其他人更聪明，有些父母准备好实施他们在互联网上或从邻居那里听到的任何建议，而有些父母对养育子女的所有复杂性只是“紫罗兰”。 人与人之间是不同的，但正如大脑各部分之间的沟通在人脑中很重要一样，父母与孩子之间的沟通在教育中也发挥着最重要的作用之一。
感谢您的阅读，保持好奇心，祝大家周末愉快！ 🙂
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来源： habr.com