De neurobiologie van de adolescentie: veranderingen in de hersenarchitectuur, functionele dynamica en gedragstendensen (2011)

1. Inleiding

Adolescentie is een periode waarin individuen fysieke veranderingen in hun lichaam waarnemen, nieuwe interesses en verlangens ervaren en zichzelf bevinden met meer vrijheid, onafhankelijkheid en verantwoordelijkheid. Hoewel variabel gedefinieerd, wordt de adolescentie over het algemeen beschouwd als beginnend met het begin van de puberteit en eindigt deze met het nemen van volwassen sociale rollen (Dahl, 2004; Speer, 2000). De reikwijdte van de puberteit - die gepaard gaat met toegenomen groei, veranderingen in de lichaamssamenstelling, de ontwikkeling van geslachtsklieren en secundaire geslachtsorganen en -kenmerken, en cardiovasculaire en respiratoire veranderingen - treedt meestal op van leeftijd 10 tot 17 bij meisjes en 12 tot 18 bij jongens (Falkner en Tanner, 1986). Als dit gebeurt, ondergaat de adolescent een verscheidenheid aan cognitieve, gedragsmatige en psychosociale overgangen. De verschillende veranderingen in de adolescentie beginnen en eindigen niet allemaal, en dus is de puzzel van het in verband brengen van veranderingen in adolescente hersenen met gedrag een uitdaging. Het bestuderen van de adolescentie is als schieten op een bewegend doelwit, waarbij onderzoekers 'puberende' groepen van verschillende leeftijden en niveaus van ontwikkeling aanduiden. Verder vanaf het midden van 19^th Via de 20^th eeuw, een eerdere gemiddelde leeftijd van menarche is waargenomen in de westerse wereld (Falkner en Tanner, 1986; Tanner, 1990). Het onderwijsproces is langduriger en mensen zijn geneigd langer te wachten voordat ze hun loopbaan beginnen, trouwen en kinderen krijgen (Dahl, 2004). De lengte van de adolescentie is dus niet gefixeerd (en is langer geworden) en terwijl de periode correleert met veel biologische ontwikkelingsprocessen, is deze gedeeltelijk gedefinieerd volgens psychosociale en gedragscriteria. Met deze kanttekeningen in het achterhoofd, heeft de hier besproken literatuur primair adolescentie gedefinieerd bij de mens als het tweede decennium van zijn leven, bij apen van twee tot vier jaar en bij knaagdieren als week vier tot zes of zeven.

Ondanks de ondubbelzinnige dubbelzinnigheden, wordt algemeen erkend dat er in deze periode belangrijke overgangen plaatsvinden, waaronder een verscheidenheid aan kenmerkende gedragsveranderingen die tussen soorten worden waargenomen. Er is meer sociaal gedrag (Csikszentmihalyi et al., 1977), nieuwheid en sensatie zoeken (Adriani et al., 1998; Stansfield en Kirstein, 2006; Stansfield et al., 2004), tendensen ten aanzien van het nemen van risico's (Speer, 2000; Steinberg, 2008), emotionele instabiliteit (Steinberg, 2005) en impulsiviteit (Adriani en Laviola, 2003; Chambers et al., 2003; Fairbanks et al., 2001; Vaidya et al., 2004). Collega-relaties worden dominant en er zijn grotere neigingen om leuke en opwindende ervaringen op te zoeken (Nelson et al., 2005). Verhoogde nieuwheid en sensatie zoeken kunnen evolutionair adaptief zijn, omdat deze gedragingen de steeds onafhankelijker wordende adolescent's kansen om voedsel en een partner te vinden kunnen verbeteren (Speer, 2010). In de moderne samenleving kunnen deze functies echter worden geassocieerd met het nemen van onnodige risico's. Daarom wordt adolescentie beschouwd als een periode van gedragsmatige kwetsbaarheid: tieners experimenteren vaker met tabak en illegale drugs en alcohol; roekeloos rijden; deelnemen aan onbeschermde seks; en interpersoonlijke conflicten hebben (Arnett, 1992; Arnett, 1999; Chambers et al., 2003; Speer, 2000). Het nemen van risico's voor de adolescent is waarschijnlijker in groepen (bijv. Ongevallen met voertuigen), wanneer bepaalde gedragingen acceptabel zijn voor de leeftijdgenoten (bijv. Onbeschermde seks, drugsgebruik) (Steinberg, 2008), en in emotioneel geladen situaties (Figner et al., 2009). Hoewel adolescenten de potentiële gezondheidsproblemen van de vroege jeugd hebben overleefd, zijn hun morbiditeit en sterftecijfers dus tweemaal zo hoog als die van pre-puberale kinderen (Dahl, 2004).

Naast de extra risico's van een ontwikkeling van adolescenten, het is ook het moment waarop symptomen van een verscheidenheid aan psychische aandoeningen zich vaak manifesteren, waaronder stemmingsstoornissen, eetstoornissen en psychotische stoornissen zoals schizofrenie (Paus et al., 2008; Pine, 2002; Sisk en Zehr, 2005; Volkmar, 1996). Gedurende deze periode is er een breed scala aan neurobiologische veranderingen die alles sturen, van een cascade van hormonale signalen die de puberteit initiëren (Sisk en Zehr, 2005), verhoogd cognitief vermogen en motivationele veranderingen (Doremus-Fitzwater et al., 2009; Luna et al., 2004). Het is van cruciaal belang voor de volksgezondheid om precies te begrijpen hoe de hersenen zich ontwikkelen tijdens de adolescentie en om dergelijke veranderingen te relateren aan zowel normale gedragstendensen als pathologische aandoeningen. Hier bespreken we enkele van de gedrags- en neurologische veranderingen in de adolescentie en bespreken we verschillende modellen die hen verbinden, inclusief onze eigen hypothese van verminderde verwerkingsefficiëntie.

2. Adolescent gedrag

Studies bij knaagdieren en mensen hebben aangetoond dat adolescenten een grotere "impulsieve keuze" vertonen, gedefinieerd als de voorkeur voor kleinere beloningen die eerder voorkomen bij grotere vertraagde beloningen, zoals gemeten met vertragingsdisconto-taken (Adriani en Laviola, 2003; Steinberg et al., 2009). Het is opmerkelijk dat in studies bij mensen alleen jongere adolescenten dit verschil vertonen; met uitstel van het verdisconteren het bereiken van volwassenniveaus op leeftijd 16-17 (Steinberg et al., 2009). Adolescente mensen scoren ook hoger op de Sensation-Seeking Scale dan volwassenen, waarbij mannen hogere niveaus vertonen dan vrouwen (Zuckerman et al., 1978). Sensation seeking is "de behoefte aan gevarieerde, nieuwe en complexe sensaties en ervaringen ..." (Zuckerman et al., 1979, p. 10), die onafhankelijk of samen met impulsiviteit kunnen plaatsvinden. Het zoeken naar gewaarwordingen is het grootst tijdens het vroege tot het midden van de adolescentie en lager daarna, terwijl het impulsbeheer tijdens de tienerjaren gestaag lijkt te verbeteren, wat suggereert dat ze ondergeschikt zijn aan verschillende biologische processen (Steinberg et al., 2008). Overeenstemmend met menselijk bewijsmateriaal van het verhoogde streven naar adolescentensensatie, verkiezen adolescent knaagdieren nieuwheid (Adriani et al., 1998; Douglas et al., 2003; Stansfield et al., 2004) vertonen een grotere, door nieuwheid geïnduceerde voortbeweging (Stansfield en Kirstein, 2006; Sturman et al., 2010), en besteed meer tijd aan het verkennen van open armen in een verhoogd plus doolhof dan volwassenen (Adriani et al., 2004; Macrì et al., 2002).

De tendensen van adolescenten om nieuwe ervaringen op te doen, zelfs met het risico van fysieke of sociale schade, kunnen worden verwacht als hun vermogen om risico's te beoordelen of de uitkomstwaarschijnlijkheid te berekenen, onderontwikkeld is. Cognitieve vaardigheden blijven zich op dit moment ontwikkelen (Luna et al., 2004; Speer, 2000). Volgens Piaget bereikt de formele operatieperiode, die gepaard gaat met meer abstract redeneren, volledige volwassenheid tijdens de adolescentie (Schuster en Ashburn, 1992), en bij sommige personen mogelijk minder goed ontwikkeld. Ook kan de persistentie van egocentrisme, waarin tieners een 'imaginair publiek' ervaren, samen met de 'persoonlijke fabel' van unieke gevoelens, hen doen geloven dat ze uitzonderlijk zijn en hen een gevoel van onkwetsbaarheid geven (Arnett, 1992; Elkind, 1967). Vanaf het midden van de adolescentie verschijnen echter alleen bescheiden cognitieve verbeteringen (Luna et al., 2004; Speer, 2000), en zelfs jonge kinderen vertonen een nauwkeurig impliciet begrip van de waarschijnlijkheid (Acredolo et al., 1989). Bovendien is er weinig bewijs dat adolescenten zichzelf als een onkwetsbaar of onderschat risico beschouwen; in feite overschatten ze vaak het risico, zoals de kans dat ze binnen een jaar zwanger raken, naar de gevangenis gaan of jong sterven (de Bruin et al., 2007). Ten slotte moet elke cognitieve verklaring voor het nemen van risico's door adolescenten verklaren dat kinderen minder risico's nemen en toch minder cognitief zijn ontwikkeld dan adolescenten.

Als alternatief kunnen de ongelijkheden in adolescentengetrokkenheid verband houden met verschillen in cognitieve strategieën. Eén hypothese, 'fuzzy trace theory' genaamd, stelt dat adolescenten de risico- en uitkeringsdetails van keuzes niet explicieter verwerken dan volwassenen, maar niet zozeer aan cognitieve vaardigheden. Paradoxaal genoeg kunnen adolescenten zich rationeler gedragen dan volwassenen door explicieter de verwachte waarden van verschillende opties te berekenen, maar dit kan leiden tot meer risicobereidheid (Rivers et al., 2008). Volgens Rivieren en collega's (2008), door ontwikkeling gaan we van het doen van meer letterlijke "woordelijke" naar een "fuzzy" heuristische op heuphoogte die de essentie of de bottom line zonder details vastlegt. Dit verbetert vermoedelijk de efficiëntie van de besluitvorming en heeft de neiging ons te bevrijden van risicovolle keuzes, aangezien we de neiging hebben om mogelijke nadelige resultaten te vermijden zonder de feitelijke kansen die daarbij betrokken zijn te beoordelen. In tegenstelling tot jongeren geven volwassenen bijvoorbeeld de voorkeur aan keuzes die zekerheid geven aan hogere winsten of minder verliezen dan probabilistische alternatieven met identieke verwachte waarden (Rivers et al., 2008). Al met al is het intrigerend om te denken dat adolescentiekeuzes verschillen in cognitieve strategie kunnen weerspiegelen, maar geen tekortkomingen in de voorspelling van de uitkomsten. Toekomstige neuroimaging en fysiologische studies van adolescente besluitvorming zouden kunnen profiteren van het overwegen van de mogelijkheid dat verschillen in het precieze patroon van neurale activiteit, zelfs binnen dezelfde hersenregio's, samen met het niveau van integratie tussen verschillende regio's, alternatieve stijlen van cognitieve deliberatie zouden kunnen vergemakkelijken.

De grotere roekeloosheid van adolescenten kan te wijten zijn aan verschillen in de manier waarop zij risico's en beloningen ervaren. Een verklaring is dat menselijke adolescenten meer negatieve affecten en depressieve gemoedstoestanden ervaren en minder plezier kunnen ervaren van stimuli met lage of matige stimuleringswaarde. Adolescenten zoeken daarom stimuli van grotere hedonische intensiteit om te voldoen aan een tekortkoming in hun ervaring met belonen (zie Speer, 2000). Dit wordt ondersteund door studies die verschillen tonen in de hedonische waarde van sucroseoplossingen voor volwassenen versus adolescenten. Zodra sucroseconcentraties een kritisch punt overschrijden, neemt de hedonische waarde scherp af; dergelijke dalingen zijn echter minder uitgesproken of ontbreken bij kinderen en adolescenten (De Graaf en Zandstra, 1999; Vaidya et al., 2004). Een alternatieve verklaring is dat adolescenten een grotere gevoeligheid hebben voor de versterkende eigenschappen van aangename stimuli. Beide mogelijkheden komen overeen met diermodellen waarin adolescenten meer sucrose-oplossing consumeren (Vaidya et al., 2004), geven de voorkeur aan kamers die eerder verband hielden met sociale interactie (Douglas et al., 2004) en bewijs van een hogere prikkelwaarde voor drugs zoals nicotine, alcohol, amfetamine en cocaïne dan volwassenen (Badanich et al., 2006; Brenhouse en Andersen, 2008; Shram et al., 2006; Speer en Varlinskaya, 2010; Vastola et al., 2002). Dit wordt echter niet altijd gezien (Frantz et al., 2007; Mathews en McCormick, 2007; Shram et al., 2008), en de verhoogde voorkeur van adolescentengedrag kan ook verband houden met een verminderde gevoeligheid voor aversieve bijwerkingen en intrekking (Little et al., 1996; Moy et al., 1998; Schramm-Sapyta et al., 2007; Schramm-Sapyta et al., 2009). Evenzo kunnen adolescenten risicovoller gedrag vertonen als hun beoordeling van mogelijke aversieve gevolgen minder motiverend of saillant is (of als de opwinding van het nemen van risico's dergelijk gedrag waarschijnlijker maakt).

Een andere factor die enkele adolescente gedragsverschillen kan verklaren, is de invloed van emoties (valentie, gevoelens, opwinding en specifieke emotionele toestanden) op gedrag. Gedragsongelijkheden kunnen optreden als adolescenten emoties anders ervaren, of als emoties de besluitvorming tijdens deze periode van verhoogde emotionele intensiteit en vluchtigheid op verschillende manieren beïnvloeden (Arnett, 1999; Buchanan et al., 1992). Vaak wordt gedacht dat emotie emotionele besluitvorming in de war brengt. Hoewel dit in sommige gevallen waar kan zijn (vooral wanneer de emotionele inhoud geen verband houdt met of niet relevant is voor een beslissingscontext), heeft recent werk onderzocht hoe emoties bepaalde beslissingen kunnen verbeteren. De hypothese van de somatische marker stelt bijvoorbeeld dat in ambigue situaties emotionele processen met voordeel het gedrag kunnen sturen (Damasio, 1994). De Iowa Gambling Task is ontworpen om de besluitvorming te testen in omstandigheden van onzekerheid (Bechara et al., 1994). Personen met laesies van de ventromediale PFC of amygdala hebben moeite de voorkeur te geven aan de voordelige risicomijdende strategie, wat suggereert dat tekortkomingen in de integratie van emotionele informatie tot slechte beslissingen kunnen leiden (Bechara et al., 1999; Bechara et al., 1996). Adolescenten en volwassenen kunnen verschillen in de manier waarop ze emotionele informatie integreren in beslissingen: adolescenten zijn mogelijk minder bedreven in het interpreteren of integreren van relevante emotionele inhoud, of minder effectief in het vormen van dergelijke associaties. Cauffman et al. (2010) onlangs geteste kinderen, adolescenten en volwassenen op een gewijzigde versie van de Iowa Gambling Task; ze stelden vast dat terwijl adolescenten en volwassenen hun besluitvorming in de loop van de tijd verbeterden, volwassenen dit sneller deden. Een andere studie toonde aan dat proefpersonen de prestaties van hun goktaak slechts halverwege tot laat in de adolescentie verbeterden en dat deze verbetering samenviel met het verschijnen van fysiologische correlaten van opwinding (Crone en van der Molen, 2007). Deze resultaten suggereren dat adolescenten mogelijk minder effectief zijn in het vormen of interpreteren van de soort relevante affectieve informatie die nodig is om risicovolle beslissingen te vermijden.

Think Rivieren en collega's (2008) verschillen in effectieve verwerking van gist maken adolescenten vatbaarder voor mogelijk schadelijke gevolgen van opwinding bij besluitvorming. In omstandigheden van verhoogde opwinding kan een vermindering van gedragsinhibitie ervoor zorgen dat iemand van een "gemotiveerde" naar een "reactieve" of impulsieve modus schakelt. Ze beargumenteren verder dat de neiging van adolescenten om meer verbatim-analytische verwerking uit te voeren dit waarschijnlijker maakt, terwijl de waarden en vooroordelen van de eenvoudiger volwassen "gist" verwerking minder ongevoelig zijn voor opwindingstoestand (Rivers et al., 2008). Anderen hebben ook betoogd dat adolescentengedrag bijzonder gevoelig kan zijn voor omstandigheden van hoge emotionele opwinding (Dahl, 2001; Speer, 2010). Een recente studie door Figner en collega's (2009) testte deze hypothese direct met behulp van een taak die het nemen van risico's onder verschillende affectieve condities mat. Jongeren en volwassenen hebben de Columbia Card-taak uitgevoerd, waarbij het niveau van getolereerd risico werd onderzocht onder omstandigheden van grotere / kleinere opwinding en hoewel verschillende factoren die kunnen worden gebruikt om weloverwogen beslissingen te nemen (zoals de omvang van winsten / verliezen en hun waarschijnlijkheid) ). Adolescenten namen meer risico's dan volwassenen alleen in de hoge arousal-toestand, en in deze context werden adolescenten minder beïnvloed door de grootte / waarschijnlijkheid van het verlies / verlies, wat duidt op vereenvoudigd informatiegebruik door adolescenten in omstandigheden van verhoogde opwinding (Figner et al., 2009).

Collectief geven deze studies aan dat hoewel adolescenten vaak redeneren en zich gedragen als volwassenen, er in bepaalde contexten verschillen zijn in hun cognitieve strategie en / of in hun reactie op risico en beloning, vooral onder omstandigheden van verhoogde emotionele opwinding. Deze gedragsveranderingen weerspiegelen waarschijnlijk de substantiële ontwikkeling van hersennetwerken - inclusief structuren in de PFC, basale ganglia en neuromodulerende systemen (bijv. Dopamine) - die cruciaal zijn voor gemotiveerd gedrag (Tabel 1).

  

Tabel 1

Verschillen in gedrag tussen adolescenten en structurele neurologische ontwikkeling

3. Structurele neurologische ontwikkeling van adolescenten

Het brein van de adolescent ondergaat dramatische veranderingen in de grove morfologie. Humane structurele beeldvormende onderzoeken hebben aangetoond dat er in de hersenschors gedurende de adolescentie een verlies van grijze stof is, met afname van grijze stof in delen van de temporale kwab en dorsolaterale PFC in de late adolescentie (Gogtay et al., 2004; Sowell et al., 2003; Sowell et al., 2001; Sowell et al., 2002). Vermindering van grijze stoffen is ook duidelijk in het striatum en andere subcorticale structuren (Sowell et al., 1999; Sowell et al., 2002). Deze veranderingen kunnen te maken hebben met een massale snoei van synapsen waargenomen tijdens deze periode uit dierstudies (Rakic ​​et al., 1986; Rakic ​​et al., 1994), hoewel sommigen deze verbinding in twijfel trekken, aangezien synaptische boutons slechts een klein deel van het corticale volume uitmaken (Paus et al., 2008). Humane beeldvorming heeft ook aangetoond dat witte stof in de adolescentie in corticale en subcorticale vezelbanen groeit (Asato et al., 2010; Benes et al., 1994; Paus et al., 2001; Paus et al., 1999), als gevolg van verhoogde myelinisatie, axon calibre of beide (Paus, 2010). Veranderingen in de patronen van connectiviteit komen ook voor tijdens de adolescentie. Er zijn bijvoorbeeld axonale ontspruitingen en groei waargenomen in circuits die de amygdala verbinden met corticale doelen (Cunningham et al., 2002), en toenemende maten van witte stof worden waargenomen tussen de PFC en striatum en andere gebieden (Asato et al., 2010; Giedd, 2004; Gogtay et al., 2004; Liston et al., 2006; Paus et al., 2001; Sowell et al., 1999).

Op een fijnere schaal hebben studies met ratten en primaten talrijke verschillen aangetoond in neurotransmittersystemen voor adolescenten. Adolescenten neigen tot het overmatig tot expressie brengen van dopaminerge, adrenerge, serotonerge en endocannabinoïde-receptoren in veel regio's gevolgd door snoeien tot volwassen niveaus (Lidow en Rakic, 1992; Rodriguez de Fonseca et al., 1993). Ze brengen D1- en D2-dopaminereceptoren tot expressie op hogere niveaus in subcorticale doelwitten zoals het dorsale striatum en nucleus accumbens, hoewel sommige geen verlaagde expressie van volwassenen in deze laatste regio hebben gevonden (Gelbard et al., 1989; Tarazi en Baldessarini, 2000; Tarazi et al., 1999; Teicher et al., 1995). Tijdens de adolescentie zijn er ook veranderingen in de productie en turnover van dopamine, evenals bewijs voor veranderingen in de stroomafwaartse effecten van receptor-ligand binding (Badanich et al., 2006; Cao et al., 2007; Coulter et al., 1996; Laviola et al., 2001; Tarazi et al., 1998). Functioneel is er bewijs van verdoofde ratten dat de spontane activiteit van dopamineneuronen in de middenhersenen tijdens de adolescentie piekt en vervolgens daalt (McCutcheon en Marinelli, 2009). Ontwikkelingsveranderingen in de mesocorticolimbische dopaminecircuits en activiteit kunnen in het algemeen ten grondslag liggen aan enkele verschillen in gemotiveerd gedrag, maar ook aan het nemen van risico's en in het bijzonder de verslaving. Verschillende studies hebben verminderde psychomotorische effecten van stimulerende geneesmiddelen bij adolescente dieren waargenomen, maar versterkte of vergelijkbare versterkende effecten (Adriani et al., 1998; Adriani en Laviola, 2000; Badanich et al., 2006; Bolanos et al., 1998; Frantz et al., 2007; Laviola et al., 1999; Mathews en McCormick, 2007; Speer en rem, 1983). Daarentegen zijn adolescenten gevoeliger voor de cataleptische effecten van neuroleptica (bijv. Haloperidol), die antagonisten zijn voor dopamine-receptoren (Speer en rem, 1983; Spear et al., 1980; Teicher et al., 1993). Sommigen hebben voorgesteld dat dit patroon, samen met de toegenomen exploratie en het opzoeken van nieuwe dingen, aangeeft dat het dopamine-systeem bij adolescenten in de buurt van een "functioneel plafond" is bij aanvang (Chambers et al., 2003).

Verschillende bewijslijnen suggereren dat de balans tussen grootschalige exciterende en remmende neurotransmissie enorm verschilt bij adolescenten in vergelijking met volwassenen. Niveaus van GABA, de belangrijkste remmende neurotransmitter in de hersenen, nemen lineair toe door de adolescentie in de voorhersenen van de rat (Hedner et al., 1984). De expressie van de activerende glutamaat-NMDA-receptoren op snelstijgende neuronen (waarvan wordt gedacht dat ze remmende interneuronen zijn) verandert drastisch in de PFC van adolescenten. Op dit moment vertoont de overgrote meerderheid van fast-spiking interneuronen geen synaptische NMDA receptor-gemedieerde stromen (Wang en Gao, 2009). Bovendien de modulatoire impact van dopamine-receptor binding verschuivingen tijdens de adolescentie (O'Donnell en Tseng, 2010). Het is pas tegen die tijd dat de activering van dopamine D2-receptoren de interneuron-activiteit verhoogt (Tseng en O'Donnell, 2007). Bovendien verandert de synergetische interactie tussen dopamine D1 receptoractivatie en de NMDA-receptor tijdens de adolescentie, wat platineadepolarisaties mogelijk maakt die contextafhankelijke synaptische plasticiteit mogelijk maken (O'Donnell en Tseng, 2010; Wang en O'Donnell, 2001). Deze adolescente dopamine-, glutamaat- en GABA-signaalveranderingen suggereren fundamentele neurale activiteitsverschillen in de hersenen van de adolescent. Al deze systemen zijn essentieel voor cognitieve en emotionele processen. Hun disfunctie is betrokken bij talrijke psychiatrische ziekten, variërend van stemmingsstoornissen en verslaving aan schizofrenie.

4. Functionele neurologische ontwikkeling van adolescenten

Neuroimaging-onderzoeken hebben verschillen aangetoond in de functionele activiteit van menselijke adolescenten in verschillende voorhersenen. Deze verschillen worden voornamelijk waargenomen in hersengebieden die coderen voor emotionele significantie (bijv. De amygdala) om sensorische en emotionele informatie te integreren voor de berekening van waarde-verwachtingen (bijv. De orbitofrontale cortex), en verschillende rollen spelen bij motivatie, actieselectie en associatie-onderzoek (bijv. striatum). In vergelijking met volwassenen hebben adolescenten een verminderde hemodynamische respons in laterale orbitofrontale cortex en verhoogde activiteit in ventraal striatum tot beloningen (Ernst et al., 2005; Galvan et al., 2006). Anderen hebben verminderde activiteit gevonden in het rechter ventrale striatum en rechter verlengde amygdala tijdens de anticipatie op de beloning, zonder waargenomen leeftijdgerelateerde activiteitsverschillen na de uitkomst (Bjork et al., 2004). In een besluitvormende taak hadden adolescenten rechtere anterior cingulate verminderd en orbitofrontale / ventrolaterale PFC-activering achtergelaten vergeleken met volwassenen tijdens risicovolle keuzes (Eshel et al., 2007). Adolescenten activeerden hun ventrale striatum en orbitofrontale cortex ook sterker dan volwassenen, omdat ze grotere risico's namen tijdens een stoplicht-driving-game - een effect aangedreven door impliciete groepsdruk (Chein et al., 2011).

Verschillende studies hebben onrijpheid van cognitieve controlesystemen voor adolescenten waargenomen, samen met slechtere gedragsprestaties (Luna et al., 2010). Bijvoorbeeld, tijdens taken die de remming van een prepotente respons vereisen (waarvan de prestaties verbeteren met de leeftijd), hebben adolescenten verhoogde PFC-activiteit in sommige subregio's en verminderde activiteit in andere (Bunge et al., 2002; Rubia et al., 2000; Tamm et al., 2002). Tijdens een cognitieve antisaccade-controletaak werd de activiteit van het ventrale striatum bij adolescenten (maar niet volwassenen) verminderd terwijl een cue werd bekeken die aangaf dat een beloning tijdens een bepaalde proef beschikbaar was, maar deze tijdens de beloningsverwachtingen actiever was dan zijn volwassen tegenhanger (Geier et al., 2009). Aldus activeren adolescenten over het algemeen vergelijkbare cognitieve en affectieve structuren als volwassenen, hoewel vaak met verschillende magnitudes of ruimtelijke en temporele patronen, of niveaus functionele interconnectiviteit (Hwang et al., 2010).

Maturatie van intra- en interregionale connectiviteit en neuronale coördinatie kan een centrale rol spelen in de ontwikkeling van adolescentengedrag. Er is een directe relatie tussen metingen van frontostriatale witte stof, die tijdens de adolescentie toenemen, en remmende controleprestaties (Liston et al., 2006). Wit-materieontwikkeling is ook direct gerelateerd aan verbeterde functionele integratie van grijze-stofregio's, wat duidt op meer gedistribueerde netwerkactiviteit door ontwikkeling (Stevens et al., 2009). Dit wordt bevestigd door een onderzoek dat, met behulp van MRI-functionaliteit in rusttoestand en grafiekanalyses, een verschuiving observeerde van een grotere connectiviteit met anatomisch proximale knooppunten naar netwerken die op alle niveaus op volwassen leeftijd uitgebreid werden geïntegreerd, ongeacht de afstand (Fair et al., 2009). Evenzo ondersteunen leeftijdsgerelateerde toenames in de functionele integratie van frontale en pariëtale regio's verbeterde top-down remmende controleprestaties in een antisaccadietaak (Hwang et al., 2010). Ontwikkeling van witte materie, het snel snoeien van synapsen (die grotendeels lokale excitatieverbindingen zijn), en ontwikkelingsverschuivingen in lokale interneuronactiviteit kunnen samen meer uitgebreide functionele coördinatie tussen hersengebieden mogelijk maken door ontwikkeling. Minder wijdverspreide activiteit bij adolescenten is ook aangetoond in een andere cognitieve controletaak (Velanova et al., 2008). Tegelijkertijd neemt het diffuse functionele signaal dat niet gecorreleerd is met taakprestaties af door ontwikkeling (Durston et al., 2006). Aldus valt het volwassen patroon van het gebruik van meer gedistribueerde netwerken samen met verminderde taak-irrelevante activiteit, wat duidt op een grotere efficiëntie in het patroon en de mate van corticale verwerking.

Elektrofysiologische studies hebben ook bewijs gevonden voor de verdere ontwikkeling van neurale responsen en een grotere lokale en langeafstandscoördinatie van de activiteit gedurende de adolescentie. Bijvoorbeeld, de voorwaardelijke negatieve variatie, die een negatief spanninggebeurtenis-gerelateerd potentieel is tijdens de responsvoorbereiding, ontwikkelt zich alleen in de late kindertijd en wordt nog steeds groter door de adolescentie (Bender et al., 2005; Segalowitz en Davies, 2004). Er wordt gedacht dat dit leeftijdsgebonden verschillen in de distributie van PFC-verwerking van aandacht en uitvoerende motorische controle weerspiegelt (Segalowitz et al., 2010). Een andere leeftijdsafhankelijke elektrofysiologische verandering is de ontwikkeling van een sterke positieve piek (P300) van ongeveer 300 ms na het bijwonen van een stimulus. Een volwassen P300-patroon verschijnt pas op ongeveer de leeftijd van 13 (Segalowitz en Davies, 2004). Tenslotte is de Error-Related Negativity een negatieve spanning gecentreerd over de cortex anterior cingulate tijdens foutproeven van verschillende taken. Hoewel er wat variabiliteit is in de ouderdom van het uiterlijk, lijkt het rond halverwege de adolescentie aan te komen (Segalowitz en Davies, 2004). Deze bevindingen leveren aanvullend bewijs voor de voortdurende rijping van prefrontale corticale verwerking tijdens de adolescentie. Segalowitz en zijn collega's vonden ook dat de signaal / ruis-verhouding van de elektrische signalen van kinderen en adolescenten vaak lager was dan die van volwassenen. Dit kan te wijten zijn aan functionele onvolgroeidheid of instabiliteit van de hersenen van hersengebieden die deze signalen produceren (Segalowitz et al., 2010). Het kan ook een weerspiegeling zijn van verminderde neurale coördinatie van adolescenten in en tussen hersengebieden. Deze interpretatie komt overeen met het werk uitgevoerd door Uhlhaas en collega's (2009b), waarin elektro-encefalogrammen (EEG's) werden vastgelegd bij kinderen, adolescenten en volwassenen tijdens een gezichtsherkenningstaak. Ze observeerden verminderde theta (4-7 Hz) en gamma-band (30-50 Hz) oscillerend vermogen bij adolescenten in vergelijking met volwassenen. Bovendien was er een grotere lange-afstandsfase-synchronie in theta, bèta (13-30 Hz) en gamma-banden, samen met verbeterde taakprestaties bij volwassenen. EEG-oscillaties zijn het gevolg van fluctuaties in neuronale prikkelbaarheid en er wordt gedacht dat de timing van spike-output (Friet, 2005). Synchroniemetingen in specifieke frequentiebanden vergemakkelijken de communicatie tussen neuronale groepen en kunnen van cruciaal belang zijn voor tal van perceptuele en cognitieve processen (Uhlhaas et al., 2009a). Deze bevindingen zijn dus het bewijs van versterkte gecoördineerde lokale verwerking en verbeterde interregionale communicatie van adolescentie tot volwassenheid (Uhlhaas et al., 2009b).

Een andere bruikbare benadering voor het onderzoeken van neurale activiteitsveranderingen gedurende de adolescentie is met in vivo elektrofysiologische opname van geïmplanteerde elektrode-arrays in waakzame dieren. Deze techniek maakt het mogelijk om de activiteit van individuele neuronen vast te leggen, evenals grootschalige veldpotentialen. We hebben onlangs een dergelijke studie uitgevoerd, waarbij adolescente en volwassen ratten een eenvoudig doelgericht gedrag uitvoerden (Figuur 1a) omdat er opnames zijn gemaakt van orbitofrontale cortex. Terwijl adolescenten en volwassenen hetzelfde gedrag vertoonden, werden opvallende leeftijdgerelateerde neurale coderingsverschillen waargenomen, vooral om te belonen (Sturman en Moghaddam, 2011). Dit geeft aan dat zelfs wanneer gedrag vergelijkbaar lijkt, de puberale prefrontale cortex zich in een andere staat bevindt dan die van volwassenen. Specifiek, adolescent orbitofrontal cortex neuronen werden veel meer opgewonden voor de beloning, terwijl het aandeel van de adolescent geremde neuronen was aanzienlijk kleiner op dat moment en op andere punten in de taak (Figuur 1b). Aangezien neurale inhibitie van cruciaal belang is voor het controleren van de precieze timing van spikes en het meebrengen van synchrone oscillerende activiteit (Cardin et al., 2009; Fries et al., 2007; Sohal et al., 2009), verminderde taakgerelateerde neurofysiologische orbitofrontale cortex remming kan direct gerelateerd zijn aan op grotere schaal neurale coderingsverschillen waargenomen in deze studie en beschreven door anderen. Tenslotte vertoonden gedurende de meeste van de taken adolescenten een grotere cross-trial spike-timingvariabiliteit, wat een lagere signaal-tot-ruis in de prefrontale cortex van de adolescent zou kunnen aangeven. Naarmate de prefrontale cortex zich verder ontwikkelt, zou een verhoogde fasische inhibitie op het niveau van één eenheid een grotere intra- en interregionale neurale coördinatie en verwerkingsefficiëntie kunnen ondersteunen.

  

Figuur 1

A) Schematische weergave van de gedragstaak. Ratten voerden een instrumentaal gedrag uit in een standaard operatiekamer. Elke proef begon met het begin van een keulicht binnen een neus-gat (Cue). Als de rat in dat gat stak terwijl het licht aan was (Poke) ...

5. Neurobehavorale hypotheses

Met alle neurologische veranderingen in de adolescentie, wat verklaart de specifieke gedragsverschillen en kwetsbaarheden van deze periode? De voorgaande paragrafen schetsen bewijs voor een verscheidenheid aan neurologische ontwikkelingsaanpassingen bij adolescenten en leeftijdgerelateerde gedragsverschillen en kwetsbaarheden. Hier presenteren we verschillende hypothesen of modellen die expliciet verschillen tussen adolescenten in gemotiveerd gedrag, sociale ontwikkeling en gedragsmatige inhibitie verbinden met de volwassenheid van specifieke neurale circuits (Tabel 2).

  

Tabel 2

Neurologische hypotheses die adolescente gedragsveranderingen integreren met de ontwikkeling van de hersenen

De verfijning van de adolescent van een netwerk voor de verwerking van sociale informatie is een model dat de sociale ontwikkeling van adolescenten verbindt met veranderingen in de hersenen (Nelson et al., 2005). Dit raamwerk beschrijft drie onderling verbonden functionele knooppunten met verschillende neurale structurele fundamenten: het detectieknooppunt (inferieure occipitale cortex, inferieure en anterieure temporale cortex, intrapariëtale sulcus, fusiform gyrus en superieure temporale sulcus), de affectieve knoop (amygdala, ventrale striatum, septum, bedkern van de stria-terminus, hypothalamus en orbitofrontale cortex onder sommige omstandigheden), en het cognitief-regulerende knooppunt (delen van de prefrontale cortex). Het detectieknooppunt bepaalt of stimuli sociale informatie bevatten, die verder wordt verwerkt door de affectieve knoop die dergelijke stimuli met emotionele significantie doordrenkt. Het cognitief-regulerende knooppunt verwerkt deze informatie verder, verricht meer complexe operaties met betrekking tot het waarnemen van de mentale toestanden van anderen, remt prepotente reacties en genereert doelgericht gedrag (Nelson et al., 2005). Adolescente veranderingen in de gevoeligheid en interactie van deze knooppunten hebben de hypothese dat ze de sociale en emotionele ervaringen intensiveren, de besluitvorming van adolescenten sterk beïnvloeden en bijdragen tot de opkomst van psychopathologie in deze periode (Nelson et al., 2005).

Het triadische knoopmodel (Ernst et al., 2006) stelt dat het specifieke ontwikkelingspad van hersenregio's dat affectieve verwerking en cognitieve controle onderwerpt, en het evenwicht daartussen, ten grondslag liggen aan de risiconemende neiging van adolescenten. Dit model is ook gebaseerd op de activiteit van drie knooppunten die overeenkomen met specifieke hersengebieden. In dit geval is een knooppunt dat verantwoordelijk is voor de beloningsbenadering (ventrale striatum) in evenwicht met een strafvermijdingsknoop (amygdala). Een modulatieknooppunt (prefrontale cortex) beïnvloedt de relatieve invloed van deze tegengestelde krachten, en risicovol gedrag zal het resultaat zijn van een uiteindelijke voorrangsbenadering. Volgens dit model is het naderingsknooppunt in adolescenten dominanter in situaties met een probabilistische wisselwerking tussen appetijtelijke en aversieve stimuli. Hyperactiviteit of overgevoeligheid van een beloningsaanpaksysteem kan anders worden aangepast door activiteit in delen van de prefrontale cortex, maar de onderontwikkeling bij adolescenten staat geen adequate zelfcontrole en remmende controle toe (Ernst en Fudge, 2009).

Casey en collega's veronderstellen dat verschillen in het ontwikkelingspad van puberale prefrontale cortex versus subcorticale structuren (bijv. Ventraal striatum en amygdala), samen met de verbindingen daartussen, mogelijk de gedragseigenschappen van adolescenten verklaren (Casey et al., 2008; Somerville en Casey, 2010; Somerville et al., 2010). Tijdens een taak met de ontvangst van verschillende beloningswaarden was de mate van adolescentieactiviteit in de nucleus accumbens vergelijkbaar met die van volwassenen (hoewel met grotere magnitudes), terwijl het patroon van orbitofrontale corticale activiteit meer leek op dat van kinderen dan volwassenen (Galvan et al., 2006). De relatieve volwassenheid van subcorticale systemen en de onvolgroeidheid van de prefrontale cortex, die cruciaal is voor cognitieve controle, kan leiden tot een grotere adolescente neiging tot sensatie zoeken en het nemen van risico's. De sleutel hier, zoals in het triadische knoopmodel, is het concept van een relatieve interregionale onevenwichtigheid tijdens de adolescentie, in tegenstelling tot de kindertijd, wanneer deze regio's allemaal relatief onvolwassen en volwassen zijn als ze allemaal volwassen zijn (Somerville et al., 2010). Dit model is ook vergelijkbaar met Steinberg's raamwerk, waarin de relatieve afname van het risicobereidheid van adolescentie tot volwassenheid het gevolg is van de ontwikkeling van cognitieve controlesystemen, verbindingen die de integratie van cognitie en affect tussen corticale en subcorticale regio's vergemakkelijken, en verschillen in beloningsalentie of gevoeligheid (Steinberg, 2008).

Het centrale thema van deze modellen is dat er bij adolescenten verschillen zijn in de gevoeligheid, het niveau of het effect van activiteit in corticale en subcorticale regio's binnen netwerken die emotionele verwerking en cognitieve controle ondersteunen. Op basis van onze gegevens en ander bewijsmateriaal veronderstellen we dat dergelijke verschillen mogelijk het gevolg zijn van verminderde neuronale coördinatie en verwerkingsefficiëntie bij adolescenten die zich manifesteert als een resultaat van minder effectieve informatieoverdracht tussen regio's en onevenwichtigheden in neuronale excitatie en remming in kritieke hersengebieden. , zoals de orbitofrontale cortex en delen van de basale ganglia. Zoals eerder beschreven, in vitro werk heeft dramatische veranderingen in de expressiepatronen van verschillende receptoren aangetoond, en de effecten van receptoractivatie, waaronder de respons van remmende fast-spiking interneuronen op dopamine en NMDA-receptorstimulatie. Van dergelijke veranderingen wordt verwacht dat ze zowel de balans tussen excitatie en remming als de coördinatie van neuronale groepen beïnvloeden. Aangezien snelstijgende interneuronactiviteit essentieel is voor het beheersen van de precieze timing van neurale activiteit en het meevoeren van oscillaties, kunnen de ontwikkelingsverschuivingen in de activiteit van adolescente interneuronen en hun reactie op neuromodulatoren zoals dopamine centraal staan ​​in sommige van deze leeftijdsgerelateerde verwerkingsverschillen. Als gevolg hiervan kan de neurale activiteit van de adolescent minder goed gecoördineerd, luidruchtiger en meer lokaal zijn, en misschien ook gevoeliger voor de gedragsactiverende effecten van beloningen, nieuwheid of andere opvallende stimuli. Verminderde interregionale oscillatoire coördinatie, verder belemmerd door onvolledige myelinisatie, zou samen de minder gedistribueerde functionele activiteit kunnen verklaren die werd waargenomen in beeldvormingsstudies. De eerder genoemde tendens voor adolescenten om voorkeur te geven aan risicovolle keuzes in emotioneel geladen contexten kan ook verband houden met een combinatie van verminderde interregionale communicatie (bijvoorbeeld falen van de prefrontale cortex om subcorticale "go" -signalen in de basale ganglia effectief te dempen), en overdreven activering en / of verminderde remming van saillante aanwijzingen in de context van gemotiveerd gedrag, zoals waargenomen tijdens beloningsverwachtingen in de orbitofrontale cortex.

6. Overzicht

Omdat we meer hebben geleerd over de specifieke hersen- en gedragsveranderingen van de adolescentie, zijn er verschillende neuro-gedragsmatige modellen voorgesteld. Centraal in de meeste van deze is het idee dat onrijpe neuronale verwerking in de prefrontale cortex en andere corticale en subcorticale gebieden, samen met hun interactie, leidt tot gedrag dat is gericht op risico, beloning en emotionele reactiviteit tijdens de adolescente periode. Recent werk over de ontwikkeling van remmende interneuroncircuits en hun veranderende interactie met neuromodulatiesystemen tijdens de adolescentie kan ook licht werpen op de vraag waarom ziekten zoals schizofrenie zich gewoonlijk op dit moment manifesteren. Met behulp van technieken zoals fMRI bij mensen en elektrofysiologische opnames bij proefdieren, beginnen we nauwkeuriger te identificeren hoe adolescenten beloning en andere aspecten van gemotiveerd gedrag anders verwerken dan volwassenen. Dit is een cruciale stap in het vaststellen van de hersengebaseerde kwetsbaarheden van normaal adolescentengedrag en in het begrijpen van de pathofysiologie van de psychiatrische ziektes die zich tijdens deze periode ontwikkelen.

voetnoten

Referenties