思春期の脳（2008）

抽象

ヒト脳発達の神経画像研究からの証拠

青年期の脳発達に関する最近の研究は、発達中のヒト集団と共に容易に使用することができるニューロイメージング方法論の進歩に基づいている。 これらの方法は磁気共鳴画像法（MRI）法に依存しています（ 図2構造ＭＲＩは、構造の大きさおよび形状を測定するために使用される。 脳活動のパターンを測定するために使用される機能的MRI。 白質線維路の結合性を指標化するために使用される拡散テンソルイメージング（ＤＴＩ）。 皮質領域と皮質下領域間の競合の我々の発達モデルの証拠は、それぞれDTIとfMRIによって測定されるように未熟な構造的および機能的結合性によって支持されている。

    

図2

人間の発達の研究に使用されている最も一般的な磁気共鳴法は上に示した。 解剖学的および形態計測的研究（A）、拡散に有用な脳の構造画像を生成するための構造磁気共鳴画像法（MRI） ...

人間の脳の発達に関するMRI研究

いくつかの研究では、正常な脳の発達の解剖学的過程をマッピングするために構造的MRIを使用しています（ Durstonら、2001） 全脳サイズは６歳までにその成人サイズのおよそＸＮＵＭＸ％であるが、脳の灰白質および白質サブコンポーネントは思春期を通して動的変化を受け続ける。 最近の縦断的MRI研究からのデータは、灰白質体積が白質よりも大きな地域的変動を伴う逆U字型パターンを有することを示している。ギエド、2004; Gogtay et al。、2004; Sowellら、2003; Sowell、Thompson、およびToga、2004年） 一般に、運動系や感覚系などの一次機能を引き継ぐ領域は最も早く成熟する。 これらの主要な機能を統合する高次の関連領域は、後で成熟します（Gogtay et al。、2004; Sowell、Thompson、およびToga、2004年） 例えば、MRIベースの測定を用いた研究は、皮質灰白質喪失が一次感覚運動野で最も早く、そして背側前頭前野と外側側頭皮質で最も遅く起こることを示している。Gogtay et al。、2004） このパターンは、前頭前皮質が成熟する最後の脳領域の1つであることを示す、ヒト以外の霊長類およびヒトの死後の研究と一致しています。ブルジョワ、ゴールドマン-ラキッチ、およびラキッチ、1994年; ハッテンロッカー、1979） 灰白質とは対照的に、白質の量はほぼ直線的なパターンで増加し、成長期を通じて成人期に至るまで増加します。Gogtay et al。、2004） これらの変化はおそらく、ニューロンの伝導および伝達を増強する乏突起膠細胞による進行中の軸索の髄鞘形成を反映している。

構造的変化を調べる際には皮質下領域にあまり注意が払われていないが、発達中の脳における最大の変化のいくつかはこれらの領域、特に大脳基底核で見られる（Sowellら、1999を参照してください 図3）特に男性（Gieddら、1996） 大脳基底核および前頭前野領域内の構造体積の発達的変化は、小児期および青年期に起こる既知の発達過程（例えば、樹状突起分枝、細胞死、シナプス剪定、髄鞘形成）を考慮すると興味深い。 これらのプロセスは、より大きな認知制御と一致するかもしれない発達と学習で、前頭前野と皮質下領域の間の関係の微調整と強化を可能にします。 これらの構造的変化は認知的変化とどのように関連していますか？ 多くの研究が、神経心理学的および認知的尺度を用いた前頭葉の構造的成熟および認知機能に関連している（例えば、 Sowellら、2003） 具体的には、MRIベースの前頭前野と大脳基底核の領域容積と認知制御の尺度との関連性が報告されています（すなわち、不適切な反応を無効にして無効にする、または関連性のある刺激属性を優先して無関係な刺激属性への注意を抑制する）。Casey、Trainor他、1997） これらの知見は、認知の変化が構造的な脳の変化に反映されており、皮質下（前頭前野）や皮質下（前頭前野）の発達の重要性を強調していることを示唆している。

    

図3

思春期の初期および後期にわたって最大の構造変化を示す脳領域の図 Sowellら、1999).

行動および脳発達の機能的MRI研究

MRIとDTIによって測定された構造変化は発達中の行動変化と関連していますが、構造と機能の関連を調べるためのより直接的なアプローチは、fMRIと同様に脳と行動の変化を同時に測定することです。 MRIを用いて発達中の脳の機能的変化を測定する能力は、発生科学の分野に大きな可能性を秘めています。 本稿の文脈では、fMRIは思春期の行動の解釈を制限するための手段を提供します。 前に述べたように、前頭前野の発達は意思決定や認知制御などの高次認知能力の成熟に重要な役割を果たすと考えられています（ケーシー、トッテナム、フォッセラ2002b; Casey、Trainor他、1997） fMRIとともに、フランカー、ストループ、ゴー/ゴーゴータスクを含むこれらの能力の神経生物学的根拠を評価するために、多くのパラダイムが使用されています（Casey、Castellanos他、1997; ケーシー、ギッド、トーマス、2000a; Durstonら、2003） まとめると、これらの研究は、子供がこれらの課題を遂行するときに、大人よりも異なるが多くの場合より大きくより拡散した前頭前野を募集することを示している。 課題遂行に中心的な（すなわち、認知能力と相関する）脳領域内の活動パターンは、年齢とともにより焦点が絞られるかまたは微調整されるが、課題遂行と相関しない領域は、年齢とともに活動が減少する。 このパターンは両方の断面で観察されています（Brownら、2005）および縦断的研究（Durstonら、2006）そしてさまざまなパラダイムにまたがる。 神経画像研究はそのような発達的変化のメカニズム（例えば樹状分枝化、シナプス剪定）を明確に特徴付けることはできないが、この知見は成熟した活性化脳領域内の発達、およびそこからの投影の精密化を反映している。期間 （Brownら、2005; Bunge、Dudukovic、Thomason、Vaidya、およびGabrieli、2002年; Casey、Trainor他、1997; Caseyら、2002a; Crone、Donohue、Honomichl、Wendelken、およびBunge、2006年; ルナら、2001; Mosesら、2002; Schlaggarら、2002; Tammら、2002; Thomasら、2004; Turkeltaub、Gareau、Flowers、Zeffiro、およびEden、2003年).

この方法論は、思春期の若者が実際に十分な認知制御を欠いている（衝動的）のか、あるいは彼らの選択や行動に危険があるのか​​をどのように我々に知らせることができるでしょうか？ go / nogoタスクのような認知コントロールタスクによって測定されるインパルスコントロールは、上記のように小児期から思春期にかけて直線的な発達パターンを示します。 しかし、最近のニューロイメージング研究は、思春期の若者におけるリスクテイクに特有の報酬関連の処理を調べ始めています（Bjorkら、2004; Ernstら、2005; Mayら、2004） これらの研究は、トップダウン制御領域（前頭前皮質）と関連したこの領域の発達の特徴付けよりもむしろ、報酬の予測に関与する側坐核の一部である側坐骨の領域に主に焦点を合わせてきた。 リスクテイク行動に関する金銭的な意思決定課題において、成人と比較して思春期の若者の腹側前頭前野の活動が少ないという最近の報告が示されているが（Eshel、Nelson、Blair、Pine、およびErnst、2007年).

全体として、皮質下領域（例えば側坐骨）における報酬回路の発達が皮質前頭前野の発達とどのように変化するかを調べた研究はほとんどない。 さらに、これらの神経の変化が、報酬獲得、衝動性、および危険を冒す行動とどのように一致するかは、比較的未知のままです。 私たちの神経生物学的モデルは、恐怖に対する意思決定や衝動的行動の増加を説明しながら、報酬に対する反応性の高まりと行動制御領域の未熟さの組み合わせが、青少年を長期的な利益よりも早急に追い求める可能性を示唆している。 成人期を通じて小児期にわたる意思決定の皮質下（例：側坐）および皮質（例：前頭前野）の発達を追跡することは、青年期に報告された変化がこの発達期に特有のものか幼年期から成人期にかけてやや直線的なパターン。

最近のfMRI研究からの経験的証拠は、私たちの神経生物学的モデルを支持するのに役立ち、思春期前後の変化を調べることによって思春期を理解するための過渡的なアプローチを取ります。 この研究では（Galvanら、2006我々は、動物における報酬関連の学習と行動に関与する脳の領域に焦点を当てて、発達全体にわたる報酬操作に対する行動的および神経的反応を調べた。彦坂・渡辺、2000; Pecina、Cagniard、Berridge、Aldridge、およびZhuang、2003年; シュルツ、2006）および成人の画像検査（例： Knutson、Adams、Fong、およびHommer、2001年; O、Doherty、Kringelbach、Rolls、Hornak、Andrews、2001; Zaldら、2004）や中毒の研究にハイマン＆マレンカ、2001年; Volkow＆Li、2004年） げっ歯類モデルに基づく（Laviolaら、1999; スピア、2000）および以前のイメージング作業（Ernstら、2005我々は、子供や大人と比較して、トップダウンの前頭前野制御領域の成熟度の低い募集と協調して、青年は側坐骨の誇張された活性化を示すであろうと仮定した。 青年期の成人に比べてこれらの前頭前野と辺縁系皮質下領域の間の機能的結合の遅れを示す最近の研究は、これらの領域のトップダウン制御の欠如のメカニズムを提供している（Hare et al。、2007a).

我々の調査結果はげっ歯類モデルと一致していた（Laviola、Macri、Morley-Fletcher、およびAdriani、2003年）および以前のイメージング研究（Ernstら、2005思春期の間に報酬への高められた側坐活動を提案する。 確かに、子供と大人に比べて、青年は報酬を見越して誇張された側坐反応を示した。 しかし、子供と青年の両方が成人よりも前頭前野の制御領域で成熟度の低い反応を示した。 これらの所見は、これらの地域の異なる発達軌跡が、子供または大人と比較して、側坐活動の増強の根底にあり、それが今度はこの発達期間中に観察される衝動的で危険な行動の増加に関連し得る。 図4).

    

図4

側坐核（A）および眼窩前頭皮質（B）における報酬結果を見越した活動の局在。 これらの領域における活動の程度は、長期にわたる発達を示す各個々の対象について、年齢の関数としてプロットされている。 ...

前頭前野と皮質下領域の差別的な動員は、多くの発達期のfMRI研究で報告されている（Caseyら、2002b; モンク他、2003; Thomasら、2004） 通常、これらの所見は前頭前野と皮質下の地域開発の間の不均衡ではなく、未熟な前頭前野の観点から解釈されています。 異なる文脈で適切な行動を導く際に前頭前野の証拠が与えられている（Miller＆Cohen、2001年）未熟な前頭前野の活動は将来の結果の適切な見積もりや危険な選択の評価を妨げるかもしれず、そのため、報酬の評価に与える影響は、人よりも少ないかもしれません。 このパターンは、決定が即時の長期的な利益によって偏っているときの皮質活動と比較して、皮質下活動の上昇を示す以前の研究と一致している（McClure、Laibson、Loewenstein、およびCohen、2004年） さらに、側坐活動は、その後のリスクテイク行動と正の相関があることがfMRIで示されています（Kuhnen＆Knutson、2005年） 青年期の間、幼年期または成人期と比較して、未熟な腹側前頭前野は、頑健に活性化される報酬処理領域（例えば、側坐骨）の十分なトップダウン制御を提供できない。評価。

なぜ脳はこのように発達するようにプログラムされているのでしょうか？

青年期は小児期と成人期との間の移行期であり、しばしば思春期と同時に起こる。 思春期は性的成熟の始まりを示すGraber＆Brooks-Gunn、1998年生物学的マーカーによって定義することができる。 青年期は、漠然とした個体発生の時間経過を伴う成人期への進行性移行として説明することができる（スピア、2000） 進化論的に言えば、思春期とは、家族の保護からの離脱時に成功を収めるために自立のスキルを身につけることができる期間です。Kelley、Schochet、およびLandry、2004年） ピア指向の社会的相互作用の増加、および新規性探求行動およびリスクテイク行動の激化など、自主性を求める行動は種を超えて広まっています。 心理社会的要因は、危険な行動に対する思春期の傾向に影響を与えます。 しかし、危険な行動は、未熟な「自主規制能力」に関連して、新規性と感覚を求めることの間の生物学的に引き起こされた不均衡の産物である（スタインバーグ、2004） 我々の神経生物学的データは、これがこれら２つの系（辺縁系および対照）の異なる発達を通して起こることを示唆している。

推測は、この発達パターンが進化的特徴であることを示唆するでしょう。 ホルモンが思春期の若者に性的パートナーを探すように駆り立てるのと同時に、あなたの家族や村を離れて仲間やリスクテイクを見つけるためにハイリスク行動に取り組む必要があります。 思春期が無期限に広がる今日の社会では、両親と同居し、経済的に依存し、人生の後半で仲間を選ぶ子供たちと共に、この進化は不適切と見なされるかもしれません。

思春期の間に高められた新規性追求および危険取りのための種を渡って証拠がある。 同年齢の仲間を探したり、交尾のために思春期の青少年を家の領土から遠ざけるのに役立つ両親との闘いは、げっ歯類、非ヒト霊長類、およびいくつかの鳥を含む他の種で見られます（スピア、2000） 成人と比較して、思春期前後のラットは、自由選択の新規性パラダイムにおいて新規性を求める行動の増加を示す（Laviolaら、1999） 神経化学的証拠は、青年期の脳における皮質と皮質下のドーパミン系のバランスが、青年期の間により高い皮質ドーパミンレベルに向かってシフトし始めることを示している（スピア、2000） 青年期から成人期までの同様の長期にわたるドーパミン作動性神経支配は、非ヒト霊長類前頭前野においても示されている（ローゼンバーグ＆ルイス、1995年） したがって、この上昇した見かけのリスクテイクは種によって異なり、重要な適応目的があります。

生物学的素因、発生、およびリスク

衝動的なコントロールとリスクを取ることにおける個人差は、しばらくの間心理学において認識されてきました。ベンシン、スロヴィック、セバーソン、1993年） 社会心理学、認知心理学、発達心理学の文献でこれらの能力について報告されている個人差の典型的な例の1つはおそらく満足の遅れです（ミシェル、ショダ、ロドリゲス、1989年） 満足の遅れは通常、3〜4歳の幼児で評価されます。 幼児は彼らが小さい報酬（1つのクッキー）または大きい報酬（2つのクッキー）を好むかどうか尋ねられます。 その後、子供は実験者が次の活動に備えるために部屋を出ることを言われ、彼女が彼女の席に残りクッキーを食べない場合、大きな報酬を受け取ると説明します。 子供が待たない、または待てない場合、彼女は実験者を召喚するためにベルを鳴らし、それによってより小さな報酬を受け取るべきです。 子供が課題を理解したことが明らかになると、彼女は2つの報酬とベルを持ってテーブルに着席します。 玩具、本、写真などがなく、室内の気晴らしが最小限に抑えられます。 実験者は、15分後、または子供がベルを鳴らした後、報酬を食べた後、または苦痛の兆候を示した後に戻ります。 Mischelは、子供たちがふつうふたつの方法のうちの1つで振る舞うことを示しました：（1）彼らはクッキーを持つためにほとんど即座にベルを鳴らす、それは彼らが1つだけを得ることを意味します。 または（2）彼らは彼らの利益を待って最適化し、両方のクッキーを受け取ります。 この観察は、非常に際立ったインセンティブに直面してインパルスをコントロールする能力において他のものより優れている個人がいることを示唆しており、この偏りは幼児期に検出することができます（Mischelら、1989）そして、彼らは青年期や若い成人期を通して残っているように見える（Eigstiら、2006).

最適な意思決定と行動における個人差を説明するものは何ですか？ 一部の理論家は、報酬処理に関与するドーパミン作動性中脳辺縁系回路が危険な行動の根底にあると仮定しています。 皮質下の領域で少なすぎるまたは多すぎるドーパミンをもたらす、ドーパミン関連遺伝子の対立遺伝子変異体などの、この回路における個人差は、危険な行動に従事する傾向に関連する可能性があります（オドハティ、2004） 側坐核は、金銭的リスクのパラダイムで危険な選択をする直前に活動が増加することが示されています（Kuhnen＆Knutson、2005年; Matthewsら、2004; Montague＆Berns、2002年そして前述したように、青年は子供や大人に比べてやりがいのある結果に対して誇張された側坐活動を示します（Ernstら、2005; Galvanら、2006） まとめると、これらのデータは、思春期の若者が集団として危険な選択をしやすいことを示唆している（Gardener＆Steinberg、2005年しかし、いくつかの青年は他の人より危険な行動に従事する傾向があり、否定的な結果に対して潜在的に大きな危険にさらされます。 したがって、発達集団におけるリスクテイクおよび報酬処理に関連する複雑な脳と行動の関係を調べる際には、個人の変動を考慮することが重要です。

リスクテイク行動の個人差を探るために、 Ｇａｌｖａｎ ｅｔ ａｌ。 （2007） 最近、大規模な金銭的報酬を見込んでの報酬関連神経回路の活動と、リスクテイクの性格特性と青年期の衝動性との関連性を調べた。 危険な行動、危険な知覚および衝動性の機能的磁気共鳴画像法および匿名の自己申告評価尺度は、7と29歳の間の個人において取得された。 側坐活動と発生を横切って危険な行動に従事する可能性との間には正の関連がありました。 この活動は、そのような行動の予想される正または負の影響に対する個人の評価の関数として変化しました。 危険な行動を悲惨な結果につながると見なした個人は、報酬を与える側の人を少なく活性化しました。 この関連付けは主に子供たちによって推進され、大人はそのような行動の結果を可能な限り評価しました。 衝動性の評価は、側坐活動との関連性ではなく、むしろ年齢との関連性があります。 これらの調査結果は思春期の間に、衝動性の単純な変化よりもむしろある特定の個人の危険な行動に従事する素因の多様性と協調して発達の変化のために危険な行動に従事する傾向があるかもしれないことを示唆する 図5).

    

図5

青年は、子供と大人に比べて側坐の活動の増強を示しています（A）。 側坐活動は、危険な行動をする可能性の自己評価と正の関連があり（B）、自覚の自己評価と負の相関があります。 ...

青年期の行動は、衝動的で危険なものとして繰り返し特徴付けられてきました。スタインバーグ、2004, 2007しかし、イメージングの文献のこの総説は、これらの行動に対する異なる神経生物学的基質および異なる発生軌跡を示唆している。 具体的には、衝動性は未熟な腹側前頭前野の発達と関連しており、小児期から成人期にかけて徐々に減少します（Casey、Galvanら、2005） による衝動性評価と年齢の間の負の相関関係 Ｇａｌｖａｎ ｅｔ ａｌ。 （2007） この概念をさらに支持する。 対照的に、リスクテイキングは側臥位の活動の増加と関連しています（Kuhnen＆Knutson、2005年; Matthewsら、2004; Montague＆Berns、2002年）、それは子供や大人に比べて、青年期に誇張されています（Ernstら、2005; Galvanら、2006） このように思春期の選択と行動は、衝動的または前頭前野皮質の長期的な発達だけでは説明できない、というのは子供たちはより大きな危険を冒すと予測されるからである。 これらの調査結果は、一部の青年が他の青年よりもリスクが高い理由の神経基盤を提供しますが、青年期の行動がリスクテイクにおいて小児および成人とどのように異なるかについての基盤をさらに提供します。

まとめると、これらのデータは、集団としての青年がリスクテイカーと見なされているが、Gardener＆Steinberg、2005年）、いくつかの青年は他の人より危険な行動に従事する傾向があり、否定的な結果に対して潜在的に大きな危険にさらされます。 これらの知見は、発達集団におけるリスクテイクおよび報酬処理に関連する複雑な脳 - 行動の関係を調べる際に、個人の変動を考慮することの重要性を強調しています。 さらに、これらの個人差および発達の違いは、物質の使用、そして最終的には中毒に関連するリスクテイクに対する、一部の個人の脆弱性を説明するのに役立つかもしれません。

結論

ヒトのイメージング研究は前線条体領域の構造的および機能的変化を示している（Gieddら、1996, 1999; Jerniganら、1991; Sowellら、1999; レビュー用 Casey、Galvanら、2005それは認知制御と自己調節の平行した増加と思われる（Casey、Trainor他、1997; Luna＆Sweeney、2004年; ルナら、2001; Rubiaら、2000; スタインバーグ、2004も参照してください スタインバーグ、2008、 この問題）。 これらの変化は、前頭前野の活性化が時間の経過とともにびまん性からより局所的な動員へとシフトすることを示しているようです（Brownら、2005; Bungeら、2002; Casey、Trainor他、1997; Durstonら、2006; Mosesら、2002）および青年期における皮質下領域の増加した動員（Caseyら、2002a; Durstonら、2006; ルナら、2001） 神経画像研究はそのような発達の変化のメカニズムを決定的に特徴付けることはできないが、これらの体積および構造の変化は、発達中の系の微調整を示唆する成熟の間のこれらの脳領域内の発達および投影からの予測を反映し得る。

まとめると、ここで合成された知見は、思春期におけるリスクテイク行動の増加が皮質下喜びおよび皮質制御領域の異なる発達軌道と関連していることを示している。 これらの発達の変化は、報酬システムの活動における個人差によって悪化する可能性があります。 思春期は、報酬を求める行動とリスクをとる行動によって特徴付けられる期間として区別されていますが（Gardener＆Steinberg、2005年; スピア、2000）報酬に対する神経反応の個人差により、青少年は他のものよりも危険を冒しやすく、負の結果をもたらす危険が高まります。 これらの調査結果は、思春期のリスクテイク行動に関連するさまざまな調査結果を統合し、個人差と否定的行動に従事する傾向の発達マーカーを理解することによって重要な基礎を提供します。

謝辞

参考文献