Одним из самых загадочных и не до конца разгаданных «явлений» является мозг человека. Вокруг этого сложного органа крутится множество вопросов: почему мы видим сны, как эмоции влияют на принятие решений, какие нервные клетки отвечают за восприятие света и звука, почему одним нравятся шпроты, а другие обожают оливки? Все эти вопросы касаются мозга, ибо он является центральным процессором организма человека. Многие годы ученые уделяли особое внимание мозгу людей, которые каким-то образом выделялись из толпы (от гениев-самоучек до расчетливых психопатов). Но есть категория людей, необычное поведение которых связывают с их возрастом — подростки. Многие подростки обладают обостренным чувством противоречия, духом авантюризма и непреодолимым желанием найти приключения на свою пятую точку. Ученые из Пенсильванского университета решили подробно рассмотреть загадочные мозги подростков и процессы, что в них протекают. О том, что им удалось выяснить, мы узнаем из их доклада. Поехали.
Основа исследования
Любой прибор в технике и орган в организме имеют свою собственную архитектуру, позволяющую им работать эффективно. Кора головного мозга человека организована по функциональной иерархии, начиная от унимодальной сенсорной коры* и заканчивая трансмодальной ассоциативной корой*.
Сенсорная кора мозга* — часть коры головного мозга, отвечающая за сбор и обработку информации, полученной от органов чувств (глаза, язык, нос, уши, кожа и вестибулярный аппарат).
Ассоциативная кора* — часть теменной коры головного мозга, участвующая в реализации запланированных движений. Когда мы собираемся выполнить какое-либо движение, наш мозг должен знать где в эту секунду расположено тело и его части, которые будут перемещаться, а также где расположены объекты внешней среды, с которыми планируется взаимодействие. Например, вы хотите взять в руки чашку, а ваш мозг уже знает, где расположена рука и сама чашка.
Подобная функциональная иерархия обусловлена анатомией путей белого вещества*, которые координируют синхронизированную нейронную активность и когницию*.
Белое вещество* — если серое вещество состоит из нейронов, то белое состоит из покрытых миелином аксонов, по которым импульсы передаются от тела клетки к другим клеткам и органам.
Когниция* (познание) — совокупность процессов, связанных с приобретением новых знаний касательно окружающего мира.
Эволюция коры мозга у приматов и развитие мозга человека характеризуются целевым расширением и ремоделированием трансмодальных ассоциативных областей, которые являются основой процессов сенсорного представления информации и абстрактных правил достижения цели.
Процесс развития мозга занимает немало времени, в течение которого происходит множество процессов совершенствования мозга как системы: миелинизация*, синаптический прунинг* и т.д.
Миелинизация* — олигодендроциты (вид вспомогательных клеток нервной системы) обволакивают ту или иную часть аксона, в результате чего один олигодендроцит связывается сразу с несколькими нейронами. Чем активнее аксон, тем сильнее его миелинизация, так как это повышает его эффективность.
Синаптический прунинг* — сокращение числа синапсов/нейронов для повышения эффективности работы нейро-системы, т.е. избавление от лишних связей. Другими словами, это реализация принципа «не количеством, а качеством».
В период становления мозга формируется функциональная спецификация в трансмодальной ассоциативной коре, что напрямую влияет на развитие исполнительных функций высшего порядка, таких как рабочая память*, когнитивная гибкость* и ингибиторный контроль*.
Рабочая память* — когнитивная система временного хранения информации. Данный тип памяти активируется в момент текущих мыслительных процессов и участвует в принятии решений и в формировании поведенческих ответов.
Когнитивная гибкость* — способность переключаться с одной мысли на другую и/или обдумывать несколько вещей в один момент.
Ингибиторный контроль* (реакция торможения) — исполнительная функция, курирующая способность человека подавлять его импульсивные (естественные, привычные или доминантные) поведенческие реакции на стимулы для того, чтобы реализовать более подходящий ответ на конкретную ситуацию (внешний стимул).
Изучение структурно-функциональных связей мозга началось достаточно давно. С появлением теории сетей появилась возможность визуализировать структурно-функциональные связи в нейробиологических системах и разделить их на категории. По своей сути, структурно-функциональная связь является степенью, в которой распределение анатомических связей в области мозга поддерживает синхронизированную нейронную активность.
Было установлено наличие сильной связи между показателями структурной и функциональной связности в различных пространственно-временных масштабах. Другими словами, более современные методы изучения позволили категоризировать те или иные участки мозга по их функциональным особенностям, связанным с возрастом участка и его размером.
Однако, как заявляют ученые, на данный момент практически нет данных касательно того, как изменения архитектуры белого вещества во время развития человеческого мозга поддерживают согласованные колебания нейронной активности.
Структурно-функциональная связь является основой для функциональной коммуникации и происходит, когда профиль межрегиональной связи белого вещества в кортикальном регионе предсказывает силу межрегиональной функциональной связи. То есть активность белого вещества будет отображаться в активации исполнительных функций мозга, тем самым можно будет оценить степень силы структурно-функциональной связи.
Для описания структурно-функциональной связи ученые выдвинули три гипотезы, которые были проверены в ходе исследования.
Первая гипотеза утверждает, что структурно-функциональная связь будет отражать функциональную специализацию кортикальной области. То есть структурно-функциональная связь будет сильной в соматосенсорной коре, благодаря процессам, которые определяют раннее развитие специализированных сенсорных иерархий. В противовес этому, структурно-функциональная связь будет низкой в трансмодальной ассоциативной коре, где функциональная коммуникация может быть ослаблена из-за генетических и анатомических ограничений ввиду быстрого эволюционного расширения.
Вторая гипотеза основана на длительной зависящей от активности миелинизации во время развития и утверждает, что развитие структурно-функциональных связей будет сконцентрировано в трансмодальной ассоциативной коре.
Третья гипотеза: структурно-функциональная связь отражает функциональную специализацию кортикальной области. Потому можно предположить, что более сильная структурно-функциональная связь в лобно-теменной ассоциативной коре будет участвовать в специализированных вычислениях, необходимых для реализации исполнительных функций.
Результаты исследования
Чтобы охарактеризовать развитие структурно-функционального взаимодействия у подростков, ученые провели количественную оценку степени, в которой структурные связи разных участков мозга поддерживают скоординированные колебания нейронной активности.
Используя мультимодальные данные нейровизуализации от 727 участников в возрасте от 8 до 23 лет, была проведена вероятностная диффузионная трактография и оценка функциональной связности между каждой парой кортикальных областей во время выполнения задачи n-назад*, связанной с активностью рабочей памяти.
Задача n-назад* — методика стимулирования активности определенных зон мозга и проверки рабочей памяти. Испытуемому предоставляется ряд стимулов (визуальных, звуковых и т.д.). Он должен определить и указать, был ли тот или иной стимул n позиций тому назад. Например: T L H C H S C C Q L C K L H C Q T R H K C H R (задача 3-назад, где определенная буква встречалась на 3 позиции ранее).
Функциональная связность в состоянии покоя отображает спонтанные колебания нейронной активности. А вот во время выполнения задачи на рабочую память, функциональная связность может усиливать определенные нервные соединения или популяции, участвующие в исполнительных функциях.
Изображение №1: измерение структурно-функциональной связи мозга человека.
Узлы в структурных и функциональных сетях мозга были определены с использованием 400-зонной кортикальной парцелляции (разделение на зоны), основанной на функциональной однородности в данных МРТ участников исследования. Для каждого участника исследования региональные профили связности были извлечены из каждой строки структурной или функциональной матрицы связности и представлены как векторы силы связности от одного узла нейронной сети ко всем другим узлам.
Для начала ученые проверили, совпадает ли пространственное распределение структурно-функциональных связей с фундаментальными свойствами кортикальной организации.
Изображение №2
Стоит отметить, что связь между региональными профилями структурной и функциональной связности сильно варьировалась по всей коре (2A). Более сильная связь наблюдалась в первичной сенсорной и медиальной префронтальной коре. А вот в латеральной, височной и лобно-теменной областях связь была достаточно слабой.
Для более понятной оценки связь между структурно-функциональной связью и функциональной специализацией, был рассчитан коэффициент «участия», который представляет собой графическую репрезентацию количественного определения связности между функционально специализированными участками мозга. Каждая из областей мозга была отнесена к семи классическим функциональным нейронным сетям. Нейронные узлы мозга с высоким коэффициентом участия демонстрируют различную межмодульную связь (связь между участками мозга) и, следовательно, могут влиять на процессы передачи информации между участками, а также на их динамику. А вот узлы с низким коэффициентом участия демонстрируют более локальные соединения внутри самого участка мозга, а не между несколькими участками. Проще говоря, если коэффициент высокий — разные участки мозга активно взаимодействуют друг с другом, если низкий — активность происходит внутри участка без связи с соседними (2C).
Далее была проведена оценка отношения вариативности структурно-функциональной связности и макромасштабной функциональной иерархии. Структурно-функциональная связь в значительной степени совпадает с основным градиентом функциональной связности: унимодальные сенсорные области демонстрируют относительно сильную структурно-функциональную связь, в то время как у трансмодальных областей на вершине функциональной иерархии наблюдается более слабая связь (2D).
Также было установлено, что имеет место сильная корреляция структурно-функциональной связью и эволюционным расширением площади поверхности коры (2Е). Высококонсервативные сенсорные области имели относительно сильную структурно-функциональную связь, тогда как сильно расширенные трансмодальные области имели более слабую связь. Такие наблюдения полностью подтверждают гипотезу о том, что структурно-функциональная связь является отражением кортикальной иерархии функциональной специализации и эволюционного расширения.
Изображение №3
Ученые еще раз напоминают, что проводимые ранее исследования по большей степени были сосредоточены на изучении структурно-функциональной связности в мозге взрослого человека. В этом же труде акцент был поставлен на изучении мозга, который все еще находится в процессе развития, т.е. на изучении мозга подростка.
Было установлено, что в мозге подростков возрастные отличия в структурно-функциональных связях были широко распределены по латеральной височной, нижней теменной и префронтальной коре (3А). Усиления связности были непропорционально распределены по областям коры, т.е. присутствовали в уникальном подмножестве функционально разделенных областей коры (3В), чего не наблюдалось в мозге взрослого человека.
Величина возрастных различий в структурно-функциональных связях сильно коррелировала с коэффициентом функционального участия (3С) и функциональным градиентом (3D).
Пространственное распределение возрастных различий в структурно-функциональных связях также соответствовало эволюционному расширению коры. Возрастное увеличение связности наблюдалось в расширенной ассоциативной коре головного мозга, в то время как возрастное снижение связности наблюдалось в высококонсервативной сенсорно-моторной коре (3Е).
На следующем этапе исследования 294 участника повторно прошли обследование мозга спустя 1.7 года после первого. Таким образом можно было определить связь между возрастными изменениями структурно-функциональной связности и внутрииндивидуальными изменениями развития. Для этого была проведена оценка продольных изменений в структурно-функциональной связности.
Изображение №4
Было выявлено значительное соответствие между поперечным и продольным возрастным изменениями на структурно-функциональную связь (4А).
Для проверки связи продольных изменений в структурно-функциональной связности (4B) и продольных изменений коэффициента функционального участия (4С) была использована линейная регрессия. Было обнаружено, что продольные изменения связности соответствовали продольным изменениям коэффициента функционального участия в распределенных ассоциативных областях высокого порядка, в том числе в дорсальной и медиальной префронтальной коре, нижней теменной коре и латерально-височной коре (4D).
Изображение №5
Затем ученые попытались понять последствия индивидуальных различий в структурно-функциональных связях для поведения. В частности может ли структурно-функциональная связность во время выполнения задачи с рабочей памятью объяснить исполнительную производительность. Было выявлено, что улучшение исполнительной деятельности связано с более сильной структурно-функциональной связностью в ростролатеральной префронтальной коре, задней поясной извилине и медиальной затылочной коре (5A).
Совокупность вышеописанных наблюдений наталкивает на несколько основных выводов. Во-первых, региональные изменения в структурно-функциональной связности является обратно пропорциональной сложности функции, за которую отвечает та или иная область мозга. Более сильная структурно-функциональная связь была обнаружена в частях мозга, которые специализируются на обработке простой сенсорной информации (например, визуальные сигналы). А в областях мозга, участвующих в более сложных процессах (исполнительная функция и ингибиторный контроль) была более низкая структурно-функциональная связность.
Также было установлено, что структурно-функциональная связность согласуется с эволюционным расширением мозга, которое наблюдается у приматов. Ранее уже проводились сравнительные исследования мозга человека, примата и обезьяны, показавшие, что сенсорные области (например, зрительная система) очень консервативны среди видов приматов и не сильно расширились в ходе недавней эволюции. А вот ассоциативные области мозга (например, префронтальная кора) подверглись значительному расширению. Возможно это расширение непосредственно повлияло на появление у человека сложных когнитивных способностей. Было выявлено, что области мозга, которые быстро расширялись во время эволюции, имели более слабую структурно-функциональную связность, в то время как простые сенсорные области — более сильную.
У детей и подростков структурно-функциональная связь возрастает достаточно активно в лобных областях мозга, которые отвечают за функцию торможения (т.е. самоконтроль). Таким образом, длительное развитие структурно-функциональной связности в этих областях может улучшить исполнительную функцию и самоконтроль, процесс развития которого продолжается и во взрослом возрасте.
Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Мозг человека всегда был и еще долго будет одной из величайших загадок человечества. Это невероятно сложный механизм, который должен выполнять множество функций, контролировать множество процессов и хранить огромные объемы информации. Для многих родителей нет ничего более загадочного, чем мозг их детей-подростков. Их поведение порой сложно назвать логичным или конструктивным, однако это объясняется процессом их биологического развития и социального становления.
Конечно, изменения в структурно-функциональных связях тех или иных участков мозга и влияние гормональных перестроек может быть научным оправданием своеобразного поведения молодых людей, но это не значит, что их не нужно направлять. Человек не является по своей природе асоциальным существом. Если кто-то и сторонится других людей, то уж точно не по причине нашей биологической предрасположенности. Посему активное участие родителей в жизни их детей является крайне важным аспектом их развития.
Стоит также понимать, что даже в трехлетнем возрасте ребенок уже является личностью со своим характером, своими желаниями и своим взглядом на окружающий мир. Родитель не должен становиться невидимым для своего ребенка, отпуская его в свободное плавание, но и не должен превращаться в железобетонную стену, ограждающую его от познания мира. Где-то нужно подтолкнуть, где-то придержать, где-то дать полную свободу, а где-то, проявив родительский авторитет, сказать твердое «нет», даже если чадо этому будет недовольно.
Быть родителем сложно, еще сложнее быть хорошим родителем. Но и подростком быть не так и просто. Тело внешне меняется, меняется мозг, меняется окружения (была школа, и вот уже универ), меняется ритм жизни. В наше время жизнь часто напоминает формулу-1, на которой нет места медлительности. Но большая скорость сопряжена с большим риском, потому неопытный гонщик может пострадать. Задача родителя стать тренером своего ребенка, чтобы в дальнейшем спокойно отпустить его в мир, не опасаясь за его будущее.
Одни родители считают себя умнее других, одни готовы реализовывать любой совет, услышанный в интернете или от соседки, а кому-то просто «фиолетово» на все тонкости воспитания. Люди разные, но как и в мозге человека важна коммуникация между его отделами, так и в воспитании одну из важнейших ролей играет коммуникация между родителями и их детьми.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! 🙂
Немного рекламы 🙂
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
