Ungdom som en følsom periode med hjernens utvikling (2015)

Publiseringsfase: I Press Korrigert Bevis

DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tics.2015.07.008

Definere plasticitet og følsomme perioder

I 1960s undersøkte Wiesel og Hubel effekten av monokulær deprivasjon for 1-4 måneder etter øynets åpning. Neuroner i den tilsvarende visuelle cortex mistet følgelig responsiviteten til stimuli rettet mot det tidligere berøvde øyet og begynte å reagere fortrinnsvis på det ikke-dype øyet [1, 2]. Monokulær deprivasjon i de første 3-månedene av livet var også forbundet med atrofi i celler i thalamus-mottakende inngang fra det berøvde øyet. Gjenoppretting fra denne atrofi var svært begrenset, selv etter 5 års lyseksponering. I motsetning til at monokulær deprivasjon etter 3 måneders alder produserte nesten ingen fysiologiske, morfologiske eller adferdseffekter [3, 4]. Funnene fra disse studiene ble tatt som bevis på at de første månedene av livet danner en sensitiv periode for perceptuell utvikling, der nevronisk plastisitet er økt [5].

Plasticity beskriver nervesystemet evne til å tilpasse sin struktur og funksjon som respons på miljøkrav, erfaringer og fysiologiske endringer [6]. Den menneskelige hjerne beholder et grunnlinjenivå av plastisitet gjennom livet - dette er kjent som erfaring-avhengig plastisitet, og ligger til grunn for all læring [7]. Plasticitet under følsomme perioder er derimot opplevelsesforventende - en organisme "forventer" å bli utsatt for en bestemt stimulans i løpet av denne tiden [7].

Følsomme perioder ble opprinnelig referert til som "kritiske perioder". Denne begrepet blir brukt sjeldnere nå, fordi det siden har blitt klart at noe gjenoppretting av funksjonen kan være mulig selv utenfor tidsvinduet med høyest følsomhet. I tilfelle av visuell utvikling viste senere forskning om monokulær deprivasjon hos kattunger at dyr kan trent til å bruke det opprinnelig berøvde øyet etter at det er avdekket, og dette kan gi et visst nivå av utvinning [8].

Studier av følsomme perioder av det visuelle systemet hos mennesker har vært avhengig av naturlig forekommende forekomster av visuell deprivasjon hos individer født med grå stær, noe som fører til øyelinsen. Syn kan bli gjenvunnet etter katarakt reverseringsprosedyrer. Katarakt reverseringsstudier indikerer forskjeller mellom sensitive perioder for normal visuell utvikling, perioder med følsomhet for deprivasjon og perioder med utvinning fra deprivasjon [9]. For visuell skarphet, for eksempel, utvides perioden med visuelt drevet typisk utvikling i løpet av de første 7-årene av livet, men enkeltpersoner forblir følsomme overfor deprivasjon opp til 10 år og noen gjenoppretting av funksjon kan være mulig gjennom livet [10].

Språkutviklingen viser også generelt økt plastisitet i barndommen [11, 12], selv om det ikke finnes noen enkelt følsom periode for språk. Ulike språklige evner er anskaffet av delvis adskilbare nevrale systemer, og disse kan variere i deres respons på deprivasjon og perioder med økt plastisitet [13]. Medfødt døvhet, for eksempel, er assosiert med endret behandling av grammatisk informasjon, mens semantisk behandling synes å være ufølsom for auditiv deprivasjon [14]. Dette fremhever spesifisiteten til sensitive perioder.

Arbeidet med molekylære mekanismer som ligger til grund for tidlig følsomme perioder har vist at balansen mellom eksitatorisk og hemmende nevrotransmisjon er en utløser av økt plastisitet, og at molekylære bremser vanligvis begrenser plastisitet ved enden av følsomme perioder [15]. Tidspunktet for utbrudd og kompensasjon av sensitive perioder er formbar. Studier med apekatter har vist at den ansiktsfølsomme perioden i begynnelsen av livet kan utvides med 2 eller flere år hvis spedbarnapene ikke blir utsatt for ansiktsstimuler i løpet av denne tiden. Ansiktsmangel, forsinker derfor starten på den sensitive perioden [16]. Enden av en sensitiv periode kan i noen tilfeller være selvgenerert: læring kan drive engasjementet av nevrale strukturer, som effektivt reduserer plastisitet [17, 18]. Ansiktsperspektivet gjennomgår perceptuell innsnevring, for eksempel under hvilke individer blir bedre til å behandle kategorien ansikter de er mest utsatt for på bekostning av kategorier de ser sjeldnere, som produserer effekter som egen-raseforstyrrelsen i ansiktet oppfatning [19]. En annen forklaring på slutten av sensitive perioder er at nevroloplastisk ikke faktisk reduseres, men i stedet er det mindre eller mindre variert miljøstimulering [18].

De fleste studier på følsomme perioder har konsentrert seg om tidlig barndom, mens erfaringseventig plastisitet i senere utviklingsperioder har blitt noe forsømt. Forskere har begynt å vurdere muligheten for at ungdomsår representerer en "andre periode med økt formbarhet" (Steinberg, 2014 [20], s. 9; se også [21, 22]). Ungdom, livsperioden som starter ved puberteten og slutter på det tidspunktet som en person oppnår en uavhengig rolle i samfunnet [23], preges av markerte endringer i hjernestruktur og funksjon (Box 1). I denne vurderingsartikkelen undersøker vi tre områder av ungdomsutvikling som foreslås å bli preget av økt plastisitet: minne, sosial behandling og effekten av narkotikabruk. Vi argumenterer for at fremskritt i utviklingsstudier har gitt spennende data som er i samsvar med økt plastisitet i ungdomsårene. Til tross for nylige fremskritt mangler imidlertid konkret bevis for sensitive perioder.

+

Box 1

Neurokognitiv utvikling i ungdomsårene

Hvilken dokumentasjon ville være i samsvar med ungdomsårene som en sensitiv periode?

Hvis ungdom var en følsom periode, ville det forventes visse mønstre i utviklingsdataene. For det første bør virkningen av en spesifikk stimulus på hjernen og oppførselen være høyere i ungdomsår enn før eller etter. Derfor er det nødvendig med studier som sammenligner barn, ungdom og voksne. Bare hvis alle disse aldersgruppene vurderes, er det mulig å vurdere om ungdomsår er en frittstående periode med økt plastisitet (Figur 1, Modell A), en kontinuerlig følsom periode med barndom (Figur 1, Modell B), eller representerer ikke en sensitiv periode i det hele tatt (Figur 1, Modell C).

Som et resultat av forskjellene i timing av modning av forskjellige hjernegrupper og kretser [24], ville det forventes betydelig variasjon i oppstart og off-set av sensitive perioder for forskjellige stimuli. Akkurat som tidlig utvikling er preget av flere sensitive perioder [9, 13], er ungdomsår ikke foreslått å være en sensitiv periode per se; I stedet foreslås det at det er visse perioder i ungdomsår hvor det forventes en bestemt innsats fra miljøet.

Hvis visse miljøpåvirkninger faktisk har en økt innflytelse i løpet av denne tiden, forventer vi at det skal bli bedre læring, spesielt for sen modning. Dette vil bli diskutert i følgende avsnitt om minne. Manglende stimulering eller avvikende stimulering vil også forventes å ha en uforholdsmessig effekt i løpet av denne tiden. Denne funksjonen av sensitive perioder vil bli diskutert i avsnittet om virkningen av sosial stress.

Ungdomsplasticitet kan avvike fra plastikk tidlig i utviklingen fordi, i motsetning til babyer og småbarn, er ungdommer mer sannsynlige og i stand til aktivt å velge de miljømessige stimuli de opplever. Generelt, i barndommen, er miljøene mer strukturert av foreldre eller omsorgspersoner, mens ungdommer har mer selvstyre til å velge hva de skal oppleve og med hvem [25]. Vi kan dermed forvente en stor grad av individuelle forskjeller i følsomme perioder i ungdomsårene, og noen sensitive perioder kan bare oppleves av en del av ungdommene. Dette vil bli diskutert i avsnittet om effekten av narkotikabruk.

Ungdom som en følsom periode for minne

I alderen 35 er det mer sannsynlig å huske autobiografiske minner fra alder 10 til 30 år enn minner som er tidligere eller etter denne perioden, et fenomen som kalles 'reminiscence bump'26]. Reminiscence bump er bemerkelsesverdig robust og viser et lignende mønster når testet med forskjellige mnemonic tester og i forskjellige kulturer [26, 27]. I tillegg til selvbiografiske hendelser er tilbakekallingen av musikk, bøker, filmer og offentlige arrangementer fra ungdomsår også overlegen sammenlignet med andre livsperioder [28, 29]. Selv verdslige hendelser som skjedde i ungdomsårene og tidlig voksenliv synes å være overrepresentert i minnet, noe som tyder på at mnemonisk kapasitet økes i løpet av denne tiden av livet [30]. For eksempel viste en storskala studie en topp av andre aspekter av minne, for eksempel verbal og visuospatial minne mellom 14 og 26 år [31]. Selv om disse dataene tyder på følsomme perioder, trengs treningstudier for å gi eksperimentelt bevis for følsomme perioder for minne.

Opplæringsstudier er tilgjengelige for arbeidsminne (WM), evnen til å lagre og manipulere informasjon [32]. Enkle aspekter av WM, som for eksempel forsinket romlig tilbakekalling, kan oppnå modenhet i barndommen [33]. Mer komplekse WM evner, som strategisk selvstyrt romsøk, fortsetter å forbedre seg i tidlig ungdomsår [33]. Slike komplekse WM-oppgaver rekrutterer frontale regioner som viser særlig langvarig utvikling gjennom ungdomsårene [34] (Box 1).

Det er noen bevis for plastisitet av WM i utvikling. For barn og unge ungdommer, øker gevinstene i n-rygg-type WM-trening, men ikke kunnskapsbasert opplæring, til forbedringer i fluid intelligence [35]. Forbedringer ble opprettholdt over en 3-måneders periode i hvilken periode ingen videre trening ble gjennomført. WM-trening kan være effektiv hos ungdom med dårlig lederfunksjon, så vel som i typisk utviklende kontroller [36]. Imidlertid vet vi ennå ikke hvordan effekten av trening er forskjellig hos ungdom i forhold til barn eller voksne. Studier der barn, ungdom og voksne gjennomgår kognitiv trening og effektene er sammenlignet med aktive kontrollgrupper som får placebo-opplæring, vil være spesielt informativ for å avgjøre om ungdomsår representerer en sensitiv periode for utvikling av WM [37]. Slike studier kan direkte informere pedagogiske inngrep og politikk (Box 2).

+

Box 2

Utdanning i ungdomsårene

Ungdom som en følsom periode for effekten av stress på mental helse

Mange psykiske lidelser har sin oppstart i ungdom og tidlig voksenliv [38, 39]. En longitudinell studie viste at 73.9% av voksne med psykisk lidelse fikk en diagnose før 18 år og 50.0% før 15 år gammel [40]. Det antas at psykiatriske lidelser delvis kan utløses av stresseksponering i barndommen eller ungdomsårene [41]. Spesielt sosialt stress antas å ha en uforholdsmessig innvirkning i løpet av denne tiden [41]. Opplevelsen av akkulturasjonsstress som tilskrives migrasjon, forutsetter for eksempel longitudinelt internaliserende symptomer som depresjon og angst i ungdomsårene [42]. Det er imidlertid også bevis for at mobbing i barndommen (alder 7 eller 11) også har varig effekt på fysisk og psykisk helse i voksen alder [43].

Gnagere studier gir mulighet til å manipulere eksperimentelt eksponering for sosial stress, og har tilbudt verdifull innsikt i de skadelige effektene av stress i ungdomsårene. Ungdom i kvinnelige rotter varer omtrent fra postnatal dag (PND) 30 til 60, og fra PND 40 til 80 hos menn. Hos kvinnelige mus varer ungdomsårene fra PND 20 til 40, og fra PND 25 til 55 hos hanner [44]. Det skal bemerkes at det er stor variasjon i alderen hos gnagere klassifisert som ungdom eller voksen i litteraturen [44]. Ungdomsrotter utsatt for gjentatt nederlag av en dominerende person har blitt vist å presentere seg med forskjellige atferdsmønstre (mer unngåelse enn aggresjon), og gjenopprette mindre fra fornyet stress sammenlignet med voksne rotter. Eksponering for stress i ungdomsårene (sammenlignet med voksen alder) hos rotter var også assosiert med mindre neuronal aktivering i områder av prefrontal cortex, cingulate og thalamus [45]. Denne studien inkluderte ikke ungdommer, begrensende konklusjoner for sensitive perioder.

Fraværet av noen sosial stimulering kan også ha skadelige effekter. Sosial isolasjon hos mannlige og kvinnelige rotter har vist seg å ha irreversible effekter på noen aspekter av utforskende atferd, men bare hvis isolasjonen oppstod mellom PND 25 og 45, men ikke før eller etter [46]. Dette ser derfor ut til å være en sårbar periode for sosial mangel på rotter. Selv om dette paradigmet ikke har blitt direkte oversatt til mennesker, har studier vist at menneskelige unge viser større angstnivå som svar på sosial utstøtning enn voksne [47, 48]. Sosial utstøtning er også knyttet til utviklingen av sosial angst i menneskelig ungdom [49]. Å gi bevis for effekten av sosial isolasjon på tvers av utvikling hos mennesker er ikke bare viktig ut fra et teoretisk perspektiv, men kan også bidra til å utvikle og tidlegge mentale helseintervensjoner med sikte på å styrke motstanden mot sosial utstødelse.

Ungdom kan også være en følsom periode for utvinning fra opplevelsen av sosial stress [50]. Fear extinction læring er nøkkelen for en sunn respons på stress, for eksempel [51]. For psykiatriske forhold som posttraumatisk stresslidelse (PTSD), fortsetter stress, selv om stressor ikke lenger er tilstede. Fryktutslett læring har vist seg å bli dempet i ungdomsårene i forhold til barndommen og voksenlivet - både hos mennesker og hos mus (Figur 2) [50]. Gnagerdataene i studien indikerte at mangel på synaptisk plastisitet i den ventromediale prefrontale cortexen i ungdomsårene er forbundet med redusert fryktutslettelse. Dette innebærer at desensibiliseringsbehandlinger, som er basert på prinsippene for fryktutryddelseslæring, kan være mindre effektive i ungdomsårene, og understreker behovet for utvikling av alternative behandlingsmetoder for denne aldersgruppen. Den spesielle styrken i denne studien ligger i det faktum at den inkluderte barn, ungdommer og voksne aldersgrupper, samt gir nevrale bevis hos gnagere. Resultatene tyder på at ungdomsår kan være en følsom eller sårbar periode for gjenoppretting fra stress.

Ungdom som en følsom periode for effekten av narkotikabruk

Ungdom er en tid med økt engasjement i risikofylt helsearbeid, som usikker seksuell oppførsel, farlig kjøring og eksperimentering med alkohol og andre rusmidler [52, 53]. Denne økningen i risikotakende adferd kan delvis formidles av økt tid brukt sammen med venner i stedet for familie [54]. Når sammen med sine venner, er ungdommer mer sannsynlig å engasjere seg i risikabel oppførsel enn når de er alene [55]. Unge ungdommer ser ut til å være spesielt utsatt for peer-innflytelse på risikobesiktelse, sammenlignet med andre aldersgrupper (Figur 3) [56]. Denne studien målte graden av sosial innflytelse på risikoperspektivet i ulike aldersgrupper og fant at unge barn, unge voksne og voksne var mer påvirket av voksenes meninger om risiko, ble unge ungdommer mer påvirket av tenåringenees meninger i forhold til meninger av voksne. Mid-adolescents viste ingen forskjell i nivået av påvirkning av voksen- og tenåringers meninger om risiko, noe som tyder på at dette er et overgangsfase i utviklingen.

Når med jevnaldrende, er ungdommer mer sannsynlig å engasjere seg i risikofylte oppføringer som narkotikabruk [57]. Ungdom hvis venner regelmessig forbruker tobakk, alkohol og cannabis, er mer sannsynlig å bruke stoffer selv, for eksempel [58]. Cannabis er et av de mest brukte medisinene blant unge og voksne i USA og Storbritannia [59, 60]. Det er anslått at 15.2% av europeerne i alderen 15 til 24 har brukt cannabis i det siste året og 8% i den siste måneden [61]. Cannabinoid eksponering i tidlig ungdomsår antas å resultere i varige endringer i hjernestruktur og kognitive underskudd, noe som muligens gjør ungdomsårene en sårbar periode for virkningene [62, 63].

Rekreasjonsbruk av cannabis før alder av 18 (men ikke i voksen alder) eller tung bruk i en hvilken som helst alder har vært knyttet til grå materieatrofi i voksen temporal pol, parhippocampal gyrus og insula [64]. Longitudinal data har indikert at selvrapportert vedvarende bruk av cannabis mellom 13 og 15 år er forbundet med en signifikant nedgang i IQ [65]. Jo lenger perioden cannabisforbruket er, desto større er nedgangen i IQ [65]. Denne nedgangen i IQ ble funnet å være mer uttalt hos deltakerne som brukte cannabis før 18, i forhold til de som begynte å bruke cannabis etter 18. Disse funnene tyder på at utviklingshjernen til ungdommer kan være spesielt følsom overfor de negative konsekvensene av cannabisbruk. Det skal imidlertid bemerkes at alternative forklaringer, som for eksempel eksisterende stemning eller angstlidelser som formidler både cannabisbruk og kognitive problemer, ikke kan utelukkes i denne studien [66]. Disse studiene inkluderer ikke yngre aldersgrupper, og det er mulig at utviklingshjernen i barndommen vil vise en lignende eller enda større sensitivitet for cannabis enn i ungdomsårene. Selv om dette var tilfellet, ville slike følsomheter ikke vanligvis bli uttrykt hos mennesker fordi ungdom eller voksenliv vanligvis vil være det første potensielle kontaktpunktet med rekreasjonsmedisiner.

Molekylær og celledata om effekten av cannabis i ungdomsårene er sparsomme, men det er noen indirekte bevis for økt følsomhet. Det har vist seg at cannabis påvirker endokannabinoid-systemet, som sammen med andre nevrotransmittersystemer (f.eks. Glutamatergiske og dopaminerge systemer) gjennomgår omfattende restrukturering i ungdomsårene [67]. Mens de to sentrale cannabinoidreceptorene CB1 og CB2 allerede er tilstede i gnagereembryoet (gestasjonsdag 11-14 [68]), neuroanatomisk fordeling og antall reseptorer endres under utvikling. CB1-reseptoruttrykk i flere hjernegrupper ble funnet å spike med utbrudd av pubertet hos kvinnelige og mannlige gnavere [69]. Enhver forstyrrelse forårsaket av cannabiseksponering i ungdomsperioden kan ha varige effekter på endokannabinoid-systemet, som påvirker nevro-utviklingsprosesser, inkludert nevonalgenese, nevrale spesifisering, nevronmigrasjon, aksonal forlengelse og gliaformasjon [70, 71, 72]. Eksponering for D9-tetrahydrocannabinol (THC), den viktigste psykoaktive ingrediensen i cannabis, under pubertet hos hunrotter (PND 35-45) resulterte i en reduksjon i CB1-reseptorens tetthet og funksjonalitet i flere hjerneområder [73]. Imidlertid mangler sammenlignende data fra andre aldersgrupper.

Sterke bevis for en ungdomsfølsom periode for narkotikabruk kommer fra et sett med studier som undersøker kronisk cannabinoideksponering hos mannlige gnagere. Cannabinoideksponering i ungdomsårene (PND 40-65) forutsa langsiktige kognitive underskudd i voksen alder (gjenkjenningshukommelse), mens lignende eksponering i prepubescent (PND 15-40) og unge voksne gnagere (> PND 70) ikke var knyttet til en slik vedvarende mangler [74, 75]. Det er imidlertid ikke klart om dette beviset direkte oversetter til mennesker. Det skal også bemerkes at bare en delmengde av menneskelige ungdom eksperimenterer med stoffer som cannabis. Fremtidige studier er nødvendig for å undersøke individuelle forskjeller, særlig i forhold til peer-innflytelse og risikotaking, for å forstå når og for hvem ungdomsår kan være en sårbar periode for narkotikabruk.

Avsluttende kommentarer

Bevis for plastisitet i minnet og virkningen av sosial stress og narkotikabruk er i samsvar med forslaget om at ungdomsår er en følsom periode for visse områder av utviklingen. Det sterkeste beviset for følsomme perioder hittil kommer fra gnagereundersøkelser som viser økt sårbarhet for de forstyrrende effektene av sosial isolasjon og cannabisbruk, samt redusert fryktutryddelseslæring. Det er imidlertid lite avgjørende bevis for menneskelig ungdom. Det trengs studier om effekten av trening eller stress over menneskelig barndom, ungdomsår og voksenliv (se Utestående spørsmål).

+

Utestående spørsmål

Erkjennelsene

Vi vil gjerne takke Kathryn Mills for nyttige kommentarer på manuskriptet. DF er finansiert av UCL Psykologi og Språkvitenskapsavdeling. SJB er finansiert av en Royal Society University Research Fellowship. Vår forskning er finansiert av Nuffield Foundation og Wellcome Trust.

Publisert på nettet: September 23, 2015