Neurobiologi av ungdomsår: endringer i hjernearkitektur, funksjonell dynamikk og adferdstendenser (2011)

1. Innledning

Ungdom er en periode hvor enkeltpersoner observerer fysiske endringer i kroppene deres, opplever nye interesser og ønsker, og befinner seg med større frihet, uavhengighet og ansvar. Selv om det er variabelt definert, blir ungdom generelt ansett å begynne med utbrudd av puberteten og ender som man tar på seg voksne sosiale roller (Dahl, 2004; Spyd, 2000). Spenningen i puberteten - som innebærer økt vekst, endringer i kroppssammensetning, utvikling av gonader og sekundære seksuelle organer og karakteristika, og endringer i hjerte og luftveier - forekommer vanligvis fra alder 10 til 17 hos jenter og 12 til 18 hos gutter (Falkner og Tanner, 1986). Da dette skjer, gjennomgår ungdommen en rekke kognitive, atferdsmessige og psykososiale overganger. De ulike endringene i ungdomsårene begynner ikke alle sammen og slutter sammen, og dermed er puslespillet av relaterte ungdomshjerneendringer med oppførsel utfordrende. Å studere ungdomsår er som å skyte på et bevegelig mål, med forskere som utpeker "ungdoms" grupper av forskjellige aldre og utviklingsnivåer. Videre fra midten av 19^th gjennom 20^th århundre, har en tidligere gjennomsnittsalder for menarche blitt observert i den vestlige verden (Falkner og Tanner, 1986; Tanner, 1990). Den pedagogiske prosessen er lengre og individer har en tendens til å vente lenger før de starter karriere, gifte seg og ha barn (Dahl, 2004). Dermed er lengden av ungdomsår ikke fast (og har vært lengre) og mens perioden korrelerer med mange biologiske utviklingsprosesser, er den delvis definert i henhold til psykososiale og atferdsmessige kriterier. Med disse forbeholdene i tankene har litteraturen som er gjennomgått her, primært definert ungdomsår hos mennesker som andre årti av livet, hos aper som alderen to til fire år, og hos gnagere som uke fire til uke seks eller syv.

Til tross for de definisjonelle tvetydighetene, er det godt kjent at i denne perioden skjer store overganger, inkludert en rekke karakteristiske atferdsendringer sett på tvers av arter. Det er økt sosial oppførsel (Csikszentmihalyi et al., 1977), nyhet og sensasjonssøking (Adriani et al., 1998; Stansfield og Kirstein, 2006; Stansfield et al., 2004), tendenser mot risikoopptak (Spyd, 2000; Steinberg, 2008), emosjonell ustabilitet (Steinberg, 2005) og impulsivitet (Adriani og Laviola, 2003; Chambers et al., 2003; Fairbanks et al., 2001; Vaidya et al., 2004). Peer-relasjoner blir dominerende, og det er større tilbøyeligheter til å finne ut morsomme og spennende opplevelser (Nelson et al., 2005). Økt nyhet og sensasjonssøk kan være evolusjonært adaptiv, da disse atferdene kan forbedre den stadig mer uavhengige ungdommens sjanser til å finne mat og en kompis (Spyd, 2010). I det moderne samfunnet kan disse funksjonene imidlertid være forbundet med å ta unødvendige farer. Derfor blir ungdom ansett som en periode med atferdsmessig sårbarhet: tenåringer er mer sannsynlig å eksperimentere med tobakk og ulovlige rusmidler og alkohol; kjør hensynsløst engasjere seg i ubeskyttet sex; og har mellommenneskelige konflikter (Arnett, 1992; Arnett, 1999; Chambers et al., 2003; Spyd, 2000). Det er mer sannsynlig at ungdomsrisiko tar seg i grupper (f.eks. Kjøretøyulykker), når visse atferd oppfattes som akseptable av ens kollegaer (f.eks. Ubeskyttet sex, narkotikabruk) (Steinberg, 2008), og i følelsesmessig ladede situasjoner (Figner et al., 2009). Således, mens ungdom har overlevd de potensielle helseproblemene i tidlig barndom, er deres morbiditet og dødelighet dobbelt så stor som hos barn som er født før fødsel (Dahl, 2004).

I tillegg til de ekstra risikoene ved normal ungdomsutvikling, er det også tiden da symptomer på en rekke psykiske lidelser ofte manifesterer, inkludert humørsykdommer, spiseforstyrrelser og psykotiske lidelser som skizofreni (Paus et al., 2008; Pine, 2002; Sisk og Zehr, 2005; Volkmar, 1996). I løpet av denne perioden er det et stort antall neurobiologiske forandringer som driver alt fra en kaskade av hormonelle signaler som starter puberteten (Sisk og Zehr, 2005), økt kognitiv evne og motivasjonsendringer (Doremus-Fitzwater et al., 2009; Luna et al., 2004). Å forstå nøyaktig hvordan hjernen utvikler seg gjennom ungdomsårene, og relaterer slike endringer i både normale atferdstendenser og patologiske forhold, er kritisk viktig for folkehelsen. Her gjennomgår vi noen av de adferdsmessige, og nevro-utviklingsmessige endringene i ungdomsårene, og diskuterer flere modeller som forbinder dem, inkludert vår egen hypotese om redusert prosesseringseffektivitet.

2. Ungdomsadferd

Studier hos gnagere og mennesker har vist at ungdommer viser større "impulsive valg", definert som preferanse for mindre belønninger som skjer tidligere enn større forsinkede belønninger, målt med forsinkelsesdiskonteringsoppgaver (Adriani og Laviola, 2003; Steinberg et al., 2009). Det er bemerkelsesverdig at i ungdomsstudier viser bare yngre ungdom denne forskjellen; med forsinkelse rabatt når voksne nivåer etter alder 16-17 (Steinberg et al., 2009). Ungdomsmanns scorer også høyere på Sensation-Seeking Scale enn voksne, med menn som viser høyere nivåer enn kvinner (Zuckerman et al., 1978). Sensasjonssøk er "behovet for varierte, roman og komplekse opplevelser ..." (Zuckerman et al., 1979, p. 10), som kan forekomme uavhengig, eller sammen med impulsivitet. Sensasjonssøk er størst i begynnelsen til midten av ungdommen og lavere deretter, mens impulskontrollen ser ut til å jevne forbedres gjennom tenårene, noe som tyder på at de er underlagt ulike biologiske prosesser (Steinberg et al., 2008). I samsvar med menneskelig bevis på økt ungdomsfølelse søker yngre gnagere nyhet (Adriani et al., 1998; Douglas et al., 2003; Stansfield et al., 2004), viser større nyhet-indusert lokomotiv (Stansfield og Kirstein, 2006; Sturman et al., 2010), og bruke mer tid på å utforske åpne armer i en forhøyet pluss labyrint enn voksne (Adriani et al., 2004; Macrì et al., 2002).

Ungdoms tendenser til å søke nye erfaringer, selv med risiko for fysisk eller sosial skade, kan forventes hvis deres evne til å vurdere risiko eller beregne utfallssannsynlighet er underutviklet. Kognitive evner fortsetter å utvikle seg på denne tiden (Luna et al., 2004; Spyd, 2000). Ifølge Piaget er den formelle operasjonsperioden, som er knyttet til mer abstrakt resonnement, fullstendig modenhet i ungdomsårene (Schuster og Ashburn, 1992), og kan være mindre godt utviklet hos enkelte individer. Også vedvarende egoentrisme, der tenåringer opplever et "imaginært publikum" sammen med den personlige følelsen av unike følelser, kan få dem til å tro at de er eksepsjonelle og gi dem en følelse av uskyldighet (Arnett, 1992; Elkind, 1967). Imidlertid vises bare beskjedne kognitive forbedringer fra midten av ungdommen fremover (Luna et al., 2004; Spyd, 2000), og til og med små barn viser en nøyaktig implisitt forståelse av sannsynligheten (Acredolo et al., 1989). Videre er det lite bevis på at ungdom faktisk oppfatter seg som uskadelig eller undervurderer risiko; Faktisk overvurderer de ofte risiko, slik som sjansen for at de blir gravid innen et år, går i fengsel eller dør ung (De Bruin et al., 2007). Endelig må enhver kognitiv forklaring på ungdomsrisiko ta hensyn til det faktum at barn tar mindre risiko og likevel er mindre kognitivt utviklet enn ungdom.

Alternativt kan adolescent atferdsforskjeller relateres til forskjeller i kognitive strategier. En hypotese, kalt "fuzzy trace theory", sier at langt fra manglende kognitiv evne, behandler ungdom risikofaktorene for valgene mer eksplisitt enn voksne. Paradoksalt sett kan ungdommer oppføre seg rasjonelt mer enn voksne ved å beregne de forventede verdiene for ulike alternativer, men dette kan føre til økt risikovurdering (Rivers et al., 2008). I følge Elver og kolleger (2008)gjennom utvikling utvikler vi seg fra å gjøre mer bokstavelig "verbatim" til en "fuzzy" nivå-nivå heuristisk som fanger essensen eller bunnlinjen uten detaljer. Dette forbedrer antagelig effektiviteten i beslutningsprosessen og har en tendens til å forspenne oss bort fra risikable valg, da vi pleier å unngå potensielle uønskede resultater uten å vurdere de faktiske sannsynlighetene som er involvert. For eksempel, til forskjell fra ungdom, favoriserer voksne valg som legger til rette for økte gevinster eller reduserte tap over probabilistiske alternativer med identiske forventede verdier (Rivers et al., 2008). Samlet sett var ideen om at ungdomsvalg kunne gjenspeile forskjeller i kognitiv strategi - men ikke mangler i utfallsprognoser - spennende. Fremtidige neuroimaging og fysiologi studier av ungdoms beslutningstaking kan ha nytte av å vurdere muligheten for at forskjeller i det nøyaktige mønsteret av nevrale aktivitet, selv innenfor de samme hjernegrupper, sammen med nivået av integrasjon mellom forskjellige regioner, kunne lette alternative stilarter av kognitiv overveielse.

Ungdoms større hensynsløshet kan skyldes forskjeller i hvordan de opplever risiko og belønning. En forklaring er at menneskelige ungdom opplever mer negativ påvirkning og deprimert stemning, og kan føle seg mindre fornøyd med stimuli av lav eller moderat incentivverdi. Ungdom ville derfor søke stimuli med større hedonisk intensitet for å tilfredsstille en mangel i deres belønningserfaring (se Spyd, 2000). Dette støttes av studier som viser forskjeller i den hedonske verdien av sukroseoppløsninger hos voksne mot ungdom. Når sukrose konsentrasjoner overstiger et kritisk punkt, den hedonske verdien reduseres kraftig; men slike reduksjoner er mindre uttalt eller ikke-eksisterende hos barn og ungdom (De Graaf og Zandstra, 1999; Vaidya et al., 2004). En alternativ forklaring er at ungdommer har større følsomhet overfor de forsterkende egenskapene til behagelige stimuli. Enten muligheten er i overensstemmelse med dyremodeller der ungdom bruker mer sukroseoppløsning (Vaidya et al., 2004), foretrekker kamre tidligere forbundet med sosial interaksjon (Douglas et al., 2004), og viser bevis for høyere incentivverdi for rusmidler som nikotin, alkohol, amfetamin og kokain enn voksne (Badanich et al., 2006; Brenhouse og Andersen, 2008; Shram et al., 2006; Spyd og Varlinskaya, 2010; Vastola et al., 2002). Dette er ikke alltid sett, men (Frantz et al., 2007; Mathews og McCormick, 2007; Shram et al., 2008), og økt ungdomspreferanse kan også være relatert til redusert følsomhet for aversive bivirkninger og uttak (Little et al., 1996; Moy et al., 1998; Schramm-Sapyta et al., 2007; Schramm-Sapyta et al., 2009). På samme måte kan ungdommer utføre mer risikofylte atferd hvis deres vurdering av mulige aversive konsekvenser er mindre motiverende eller fremtredende (eller hvis spenningen i risikotaking selv gjør en slik oppførsel mer sannsynlig).

En annen faktor som kan tegne seg for noen adolescent atferdsmessige forskjeller er virkningen av følelser (valens, følelser, opphisselse og bestemte emosjonelle tilstander) på atferd. Adferdsforskjeller kan oppstå hvis ungdom opplever følelser forskjellig, eller hvis følelser på annen måte påvirker beslutningstaking i denne perioden med økt emosjonell intensitet og volatilitet (Arnett, 1999; Buchanan et al., 1992). Følelse er ofte antatt å skyte rasjonell beslutningstaking. Selv om dette kan være sant i noen tilfeller (spesielt når emosjonelt innhold ikke er relatert eller irrelevant til en beslutningskontekst), har nylig arbeid undersøkt hvordan følelser kan forbedre bestemte beslutninger. Den somatiske markørhypotesen sier for eksempel at i emosjonelle situasjoner kan emosjonelle prosesser med fordel lede adferd (Damasio, 1994). Iowa Gambling Task ble designet for å teste beslutningstaking under usikkerhetsforhold (Bechara et al., 1994). Personer med lesjoner i ventromedial PFC eller amygdala har problemer med å favorisere den fordelaktige risikofylte strategien, noe som tyder på at mangler ved integrering av emosjonell informasjon kan føre til dårlige beslutninger (Bechara et al., 1999; Bechara et al., 1996). Ungdom og voksne kan være forskjellige i måten de integrerer emosjonell informasjon i vedtak: ungdom kan være mindre dygtig på å tolke eller integrere relevant emosjonelt innhold, eller mindre effektivt til å danne slike foreninger. Cauffman et al. (2010) nylig testet barn, ungdom og voksne på en modifisert versjon av Iowa Gambling Task; de observerte at mens både ungdommer og voksne forbedret beslutningsprosessen over tid, gjorde voksne dette raskere. En annen studie viste at kun pasientene i midten og sen ungdom forbedret deres spilleoppgaver, og at denne forbedringen sammenfalt med utseendet på fysiologiske korrelater av opphisselse (Crone og van der Molen, 2007). Disse resultatene antyder at ungdommer kan være mindre effektive til å danne eller tolke hvilken type relevant affektiv informasjon som er nødvendig for å unngå risikable beslutninger.

Ifølge Elver og kolleger (2008) forskjeller i effektiv gistbehandling gjør ungdom mer utsatt for potensielt skadelige virkninger av opphisselse ved beslutningstaking. Under forhold med økt opphisselse, kan en reduksjon av atferdsinhibering føre til at en skifter fra en "begrunnet" til en "reaktiv" eller impulsiv modus. De argumenterer videre for at ungdomsnæringen til å utføre mer verbatim-analytisk behandling gjør dette mer sannsynlig, mens verdiene og forspenningene av den enklere voksen-"prosess" -prosessen er mer ugjennomtrengelig for opphissetilstand (Rivers et al., 2008). Andre har også hevdet at ungdomsadferdene kan være spesielt følsomme for forhold med høy emosjonell opphisselse (Dahl, 2001; Spyd, 2010). En nylig studie av Figner og kolleger (2009) testet denne hypotesen direkte ved hjelp av en oppgave som målte risikoen tar under ulike affektive forhold. Ungdom og voksne utførte Columbia Card Task, hvor nivået av tolerert risiko ble undersøkt under forhold med større / mindre opphisselse og mens varierende faktorer som kunne brukes til å ta mer informerte beslutninger (som størrelsen på gevinster / tap og deres sannsynlighet ). Ungdom tok mer risiko enn bare voksne i høy-arousal tilstand, og i denne sammenheng var ungdommer mindre påvirket av gevinst / tap-størrelsesorden og sannsynlighet, noe som tyder på forenklet informasjonsbruk av ungdom under forhold med økt opphisselse (Figner et al., 2009).

Samlet sett indikerer disse studiene at selv om ungdommer ofte grunner og oppfører seg som voksne, er det i visse sammenhenger forskjeller i deres kognitive strategi og / eller i deres respons på risiko og belønning, spesielt under forhold med økt følelsesmessig oppmuntring. Disse atferdsendringene reflekterer sannsynligvis den betydelige utviklingen av hjernenettverk - inkludert strukturer i PFC, basalganglia og neuromodulerende systemer (f.eks. Dopamin) - som er kritiske for motivert atferd (Tabell 1).

  

Tabell 1

Adolescent atferdsforskjeller og strukturell nevroutvikling

3. Adolescent strukturell nevroutvikling

Den unge hjernen gjennomgår dramatiske endringer i brutto morfologi. Menneskelige strukturelle bildestudier har vist at i hele hjernebarken er det et tap av grått materiale under ungdomsårene, med reduksjon av gråsaken i porsjoner av temporal lobe og dorsolateral PFC som forekommer i sen ungdomsår (Gogtay et al., 2004; Sowell et al., 2003; Sowell et al., 2001; Sowell et al., 2002). Gråmateriale reduksjoner er også tydelige i striatum og andre subkortiske strukturer (Sowell et al., 1999; Sowell et al., 2002). Disse endringene kan være relatert til en massiv beskjæring av synapser observert i denne perioden fra dyreforsøk (Rakic ​​et al., 1986; Rakic ​​et al., 1994), selv om noen spørsmålet denne forbindelsen som synaptiske boutons utgjør bare en liten andel av kortikalt volum (Paus et al., 2008). Human imaging har også avslørt at hvitt stoff øker gjennom ungdomsårene i kortikale og subkortiske fiberkanaler (Asato et al., 2010; Benes et al., 1994; Paus et al., 2001; Paus et al., 1999), som skyldes økt myelinisering, axon kaliber eller begge deler (Pause, 2010). Endringer i mønstrene for tilkobling skjer også i ungdomsårene. For eksempel er det observert aksonal spiring og vekst i kretser som forbinder amygdala med kortikale mål (Cunningham et al., 2002), og økende tiltak av hvitt materiale blir observert mellom PFC og striatum og andre områder (Asato et al., 2010; Giedd, 2004; Gogtay et al., 2004; Liston et al., 2006; Paus et al., 2001; Sowell et al., 1999).

I en finere skala har rotte- og primatstudier vist mange forskjeller i ungdoms-neurotransmittersystemer. Ungdom har en tendens til å overtrykkere dopaminerge, adrenerge, serotonergiske og endokannabinoide reseptorer over mange regioner etterfulgt av beskjæring til voksne nivåer (Lidow og Rakic, 1992; Rodriguez de Fonseca et al., 1993). De uttrykker D1 og D2 dopaminreseptorer ved høyere nivåer i subkortiske mål som dorsalstriatum og nucleus accumbens, selv om noen ikke har funnet redusert voksenuttrykk i sistnevnte region (Gelbard et al., 1989; Tarazi og Baldessarini, 2000; Tarazi et al., 1999; Teicher et al., 1995). Under ungdomsårene er det også endringer i dopaminproduksjon og omsetning, samt bevis for endringer i nedstrøms effekter av reseptor-ligandbinding (Badanich et al., 2006; Cao et al., 2007; Coulter et al., 1996; Laviola et al., 2001; Tarazi et al., 1998). Funksjonelt er det bevis fra bedøvede rotter at den spontane aktiviteten til dopaminneuronene i midbrainen stikker opp i ungdomsårene og deretter reduseres (McCutcheon og Marinelli, 2009). Utviklingsmessige endringer i mesokortikolimbisk dopamin-kretsløp og aktivitet kan legge grunnlag for noen forskjeller i motivert atferd generelt, samt spesielt risikotaking og avhengighet av sårbarhet. Flere studier har observert reduserte psykomotoriske effekter av stimulerende legemidler hos ungdomsdyr, men forbedret eller lignende forsterkende effekter (Adriani et al., 1998; Adriani og Laviola, 2000; Badanich et al., 2006; Bolanos et al., 1998; Frantz et al., 2007; Laviola et al., 1999; Mathews og McCormick, 2007; Spyd og bremse, 1983). I motsetning til dette er ungdom mer sensitive mot de kataleptiske effektene av nevoleptika (f.eks. Haloperidol), som er antagonister for dopaminreseptorer (Spyd og bremse, 1983; Spear et al., 1980; Teicher et al., 1993). Noen har foreslått at dette mønsteret, sammen med økt lete- og nyhetssøkende, indikerer at ungdomsdopaminsystemet er nær et "funksjonelt tak" ved grunnlinjen (Chambers et al., 2003).

Flere bevistyper tyder på at balansen mellom storstilt excitatorisk og hemmende nevrotransmisjon er svært forskjellig hos ungdom sammenlignet med voksne. Nivåer av GABA, den viktigste hemmende nevrotransmitteren i hjernen, øker lineært gjennom ungdomsårene i rotteforebygging (Hedner et al., 1984). Ekspresjonen av de aktiverende glutamat-NMDA-reseptorene på hurtigspikende nevroner (antatt å være inhibitoriske interneuroner) endres dramatisk i PFC hos ungdom. På dette tidspunkt utviser de aller fleste hurtigspikende interneuroner ingen synaptiske NMDA-reseptor-medierte strømmer (Wang og Gao, 2009). I tillegg endres den modulerende effekten av dopamin-reseptorbinding under ungdomsårene (O'Donnell og Tseng, 2010). Det er bare ved denne tiden at aktiveringen av dopamin D2-reseptorer øker interneuronaktiviteten (Tseng og O'Donnell, 2007). Videre endres den synergistiske samspillet mellom dopamin D1-reseptoraktivering og NMDA-reseptoren under ungdomsårene, noe som muliggjør platå depolariseringer som kan lette kontekstavhengig synaptisk plastisitet (O'Donnell og Tseng, 2010; Wang og O'Donnell, 2001). Disse ungdomsdopamin-, glutamat- og GABA-signaleringsendringene foreslår fundamentale nevrale aktivitetsforskjeller i ungdomshjernen. Alle disse systemene er avgjørende for kognitive og følelsesmessige prosesser. Dysfunksjonen er involvert i en rekke psykiatriske sykdommer, alt fra stemningsforstyrrelser og avhengighet av skizofreni.

4. Ungdomsfunksjonell nevroutvikling

Neuroimagingstudier har vist forskjeller i funksjonsaktivitet hos mennesker i flere forebyggelsesområder. Disse forskjellene er i hovedsak observert i hjernegrupper som koder for emosjonell betydning (f.eks. Amygdala), integrerer sensorisk og emosjonell informasjon for beregning av verdiforventninger (f.eks. Den orbitofrontale cortexen) og spiller ulike roller i motivasjon, handlingsvalg og foreningslæring (f.eks. striatum). Sammenliknet med voksne har ungdommer redusert hemodynamisk respons i lateral orbitofrontal cortex og økt aktivitet i ventral striatum til fordeler (Ernst et al., 2005; Galvan et al., 2006). Andre har funnet redusert aktivitet i høyre ventral striatum og rett utvidet amygdala under belønning forventning, uten observerte aldersrelaterte aktivitetsforskjeller etter gevinstutfall (Bjork et al., 2004). I en beslutningstaking hadde ungdommer redusert høyre anterior cingulat og forlatt orbitofrontal / ventrolateral PFC-aktivering sammenlignet med voksne under risikable valg (Eshel et al., 2007). Ungdommer aktiverte også sin ventrale striatum og orbitofrontale cortex sterkere enn voksne, da de tok større risiko under et Stoplight-kjørespill - en effekt drevet av implisitt peer press (Chein et al., 2011).

Flere studier har observert umodenhet av ungdomskognitive kontrollsystemer, sammen med dårligere atferdsprestasjoner (Luna et al., 2010). For eksempel, under oppgaver som krever inhibering av en prepotensisk respons (hvis ytelse forbedrer med alderen), har ungdommer økt PFC-aktivitet i enkelte delregioner og redusert aktivitet hos andre (Bunge et al., 2002; Rubia et al., 2000; Tamm et al., 2002). Under en antisakademisk kognitiv kontrolloppgave ble ungdomsaktivitet (men ikke voksen) ventralstriatumaktivitet redusert mens man så på en indikasjon som viste at belønning var tilgjengelig under en gitt forsøk, men det var mer aktivert enn sin voksne motpart under belønningsforventning (Geier et al., 2009). Dermed virker ungdommer generelt liknende kognitive og affektive strukturer som voksne, men ofte med forskjellige størrelser eller romlige og tidsmessige mønstre eller nivåer funksjonell sammenkobling (Hwang et al., 2010).

Modning av intra- og interregional tilkobling og neuronal koordinering kan spille en sentral rolle i ungdomsadferddsutvikling. Det er et direkte forhold mellom tiltak av frontostriatal hvit materie, som øker gjennom ungdomsårene og hemmende kontrollprestasjon (Liston et al., 2006). Utvikling av hvitmateriale er også direkte relatert til forbedret funksjonell integrasjon av gråmasseområder, noe som tyder på mer distribuert nettverksaktivitet gjennom utvikling (Stevens et al., 2009). Dette bekreftes av en studie som ved hjelp av hvilestatusfunksjonell tilkoblings MRT sammen med grafanalyser, observert et skifte fra større tilkobling med anatomisk proksimale noder til nettverk som ble mer omfattende integrert over alle knuter i voksen alder uavhengig av avstand (Fair et al., 2009). På samme måte støtter aldersrelaterte økninger i den funksjonelle integrasjonen av frontale og parietale regioner forbedret topp-down-hemmende kontrollytelse i en antisaksaktivitet (Hwang et al., 2010). Utvikling av hvit materie, rask beskjæring av synapser (som i stor grad er lokal eksitatoriske forbindelser), og utviklingsskift i lokal interneuronaktivitet kan sammen lette mer omfattende funksjonell koordinering mellom hjernegrupper gjennom utvikling. Mindre utbredt aktivitet hos ungdom har også blitt demonstrert i en annen kognitiv kontrolloppgave (Velanova et al., 2008). Samtidig reduseres diffus funksjonssignal ukorrelert med oppgave-ytelse gjennom utvikling (Durston et al., 2006). Således er det voksne mønsteret for å utnytte mer distribuerte nettverk sammenfallende med redusert oppgave-irrelevant aktivitet, hvilket indikerer større effektivitet i mønsteret og omfanget av kortikal behandling.

Elektrofysiologiske studier har også funnet tegn på videre utvikling av nevrale responser og større lokal og lang rekkevidde koordinert aktivitet gjennom ungdomsårene. For eksempel utvikler den betingede negative variasjonen, som er et negativt spenningsbegivenhetsrelatert potensial under responsbehandling, bare i sen barndom og fortsetter å bli større gjennom ungdomsårene (Bender et al., 2005; Segalowitz og Davies, 2004). Dette antas å reflektere aldersrelaterte forskjeller i distribusjonen av PFC-behandling av oppmerksomhet og utøvende motorstyring (Segalowitz et al., 2010). En annen aldersrelatert elektrofysiologisk forandring er utviklingen av sterk positiv topp (P300) omtrent 300 ms etter å ha deltatt i en stimulus. Et modent P300-mønster vises ikke før omtrent alder 13 (Segalowitz og Davies, 2004). Til slutt er feilrelatert negativitet en negativ spenning sentrert over den fremre cingulære cortex under feilforsøk av forskjellige oppgaver. Selv om det er noe variasjon i utseendet, synes det å komme rundt midten av ungdomsårene (Segalowitz og Davies, 2004). Disse funnene gir ytterligere bevis for fortsatt modning av prefrontal kortikal behandling under ungdomsårene. Segalowitz og kolleger fant også at signal-støyforholdet mellom de elektriske signalene til barn og ungdom var ofte lavere enn for voksne. Dette kan skyldes funksjonell umodenhet eller intra-individuell ustabilitet i hjernegrupper som produserer disse signalene (Segalowitz et al., 2010). Det kan også gjenspeile redusert ungdomsnural koordinasjon innenfor og mellom hjernegrupper. Denne tolkningen er i samsvar med arbeid utført av Uhlhaas og kollegaer (2009b), hvor elektroencefalogrammer (EEG) ble registrert hos barn, ungdom og voksne under en ansiktsgjenkjenningsoppgave. De observerte redusert teta (4-7 Hz) og gamma band (30-50 Hz) oscillatorisk effekt hos ungdom i forhold til voksne. I tillegg var det større langfrekvensfasynkronisering i teta, beta (13-30 Hz) og gamma-bånd, sammen med forbedret oppgaveprestasjon hos voksne. EEG-svingninger skyldes svingninger i neuronal spenning og antas å finjustere tidspunktet for spikeutgang (Frites, 2005). Synkroniske tiltak i spesifikke frekvensbånd letter kommunikasjon mellom nevrongrupper, og kan være kritisk for mange perceptuelle og kognitive prosesser (Uhlhaas et al., 2009a). Dermed er disse funnene bevis på økt koordinert lokal behandling og forbedret interregional kommunikasjon fra ungdomsår til voksenliv (Uhlhaas et al., 2009b).

En annen nyttig tilnærming til å undersøke nevrale aktivitetsendringer gjennom ungdomsårene er med in vivo elektrofysiologisk opptak fra implanterte elektrodearrayer i våkne oppfører dyr. Denne teknikken gjør det mulig for en å registrere aktiviteten til individuelle nevroner samt større feltpotensialer. Vi har nylig utført en slik studie, hvor ungdoms- og voksenrotter utførte en enkel målrettet adferd (Figur 1a) da opptak ble tatt fra orbitofrontal cortex. Mens ungdom og voksne utførte samme oppførsel, ble det observert slående aldersrelaterte neurale kodingsforskjeller, spesielt for å belønne (Sturman og Moghaddam, 2011). Dette indikerer at selv om oppførelsen kan virke likt, er den unge prefrontale cortex i en annen tilstand enn hos voksne. Spesielt ble ungdoms-orbitofrontale cortex-neuroner langt mer opptatt av belønningen, mens andelen av ungdomshemmerte neuroner var betydelig mindre på den tiden og på andre punkter i oppgaven (Figur 1b). Som nevralinhibering er kritisk for å kontrollere den nøyaktige timing av pigger og medføre synkronisert oscillerende aktivitet (Cardin et al., 2009; Fries et al., 2007; Sohal et al., 2009), redusert oppgaverelatert adolescent orbitofrontal cortex-neuronal inhibering kan være direkte relatert til større skala neurale kodingsforskjeller observert i denne studien og beskrevet av andre. Endelig utviste i en stor del av oppgaven ungdommer større overprøve-spike-timingvariabilitet, noe som kunne indikere lavere signal-støy i ungdomsprefrontal cortex. Derfor, etterhånden som prefrontale cortex utvikler seg, kan økt phasisk inhibering på enkeltenhetsnivået støtte større intra- og interregionalt nevralkoordinasjon og behandlingseffektivitet.

  

Figur 1

A) Skjematisk av oppførselsoppgaven. Rotter utførte en instrumental oppførsel inne i et standard operantkammer. Hvert forsøk begynte med utbruddet av et cue-lys i et nese-poke hull (Cue). Hvis rotten stakk inn i det hullet mens lyset var på (Poke) ...

5. Neurobehavioral hypoteser

Med alle de nevrodevelopmentale endringene i ungdomsårene, hva står for de spesifikke atferdsforskjellene og sårbarhetene i denne perioden? De forrige delene beskriver bevis for ulike adolescente neurodevelopmental endringer og aldersrelaterte atferdsforskjeller og sårbarheter. Her presenterer vi flere hypoteser eller modeller som eksplisitt forbinder ungdomsforskjeller i motivert atferd, sosial utvikling og adferdshemming med modenhet av spesifikke nevrale kretser (Tabell 2).

  

Tabell 2

Neurobehavioral hypoteser som integrerer ungdomsadferddsendringer med hjerneutvikling

Ungdomsforbedring av et sosialt informasjonsbehandlingsnettverk er en modell som forbinder ungdoms sosial utvikling med hjernens endringer (Nelson et al., 2005). Dette rammeverket beskriver tre sammenhengende funksjonelle noder med tydelige nevrale strukturelle underpinninger: detekteringskoden (inferior occipital cortex, inferior og anterior temporal cortex, intraparietal sulcus, fusiform gyrus og overlegen temporal sulcus), den affektive knuten (amygdala, ventral striatum, septum, sengekjerne av stria terminalis, hypotalamus og orbitofrontal cortex under visse forhold), og kognitiv regulatorisk knutepunkt (deler av prefrontale cortex). Deteksjonsnoden bestemmer om stimuli inneholder sosial informasjon, som videre behandles av den affektive knuten som imbues slike stimuli med følelsesmessig betydning. Kognitiv regulatorisk knuteprosess behandler videre denne informasjonen, utfører mer komplekse operasjoner relatert til å oppfatte andres mentale tilstand, hindre prepotensielle responser og generere målrettet adferd (Nelson et al., 2005). Ungdomsforandringer i følsomheten og samspillet mellom disse noder er hypotetisert for å intensivere sosiale og emosjonelle erfaringer, påvirker ungdomsbeslutninger sterkt og bidrar til utviklingen av psykopatologier i denne perioden (Nelson et al., 2005).

Den triadiske nodemodellen (Ernst et al., 2006) antyder at den spesifikke utviklingsbanen i hjernegrupper som underkaster seg affektiv behandling og kognitiv kontroll, og balansen mellom dem, kan ligge til grunn for risikoen for tilbøyelighet til ungdom. Denne modellen er også basert på aktiviteten til tre noder som svarer til bestemte hjernegrupper. I dette tilfellet er en knutepunkt som er ansvarlig for belønningstilnærming (ventral striatum) i balanse med en straffevirkningsnode (amygdala). En modulasjonskode (prefrontal cortex) påvirker den relative innflytelsen av disse kompensasjonskreftene, og risikofylt atferd vil skyldes en endelig kalkulatorisk tilnærming. Ifølge denne modellen, i situasjoner som involverer noen probabilistisk avvei mellom appetitiv og aversive stimuli, er tilnærmingskoden mer dominerende hos ungdom. Hyperaktivitet eller overfølsomhet i et belønnings-tilnærmingssystem kan ellers bli justert ved aktivitet i porsjoner av prefrontal cortex, men underutviklingen hos ungdom tillater ikke tilstrekkelig selvovervåking og inhibitorisk kontroll (Ernst og Fudge, 2009).

Casey og kollegaer hypoteser at forskjeller i utviklingssporet av ungdomsprefrontal cortex versus subkortiske strukturer (f.eks. Ventralstriatum og amygdala) sammen med sammenhengen mellom dem, kan utgjøre ungdomsadferddsegenskaper (Casey et al., 2008; Somerville og Casey, 2010; Somerville et al., 2010). Under en oppgave som innebar mottak av ulike belønningsverdier, var omfanget av ungdomsaktivitet i kjernen accumbens lik den for voksne (selv med større størrelser) mens mønsteret av orbitofrontal kortikal aktivitet så mer ut som hos barn enn voksne (Galvan et al., 2006). Relativ modenhet av subkortiske systemer og ufruktbarhet i prefrontale cortex, som er kritisk for kognitiv kontroll, kan føre til en større ungdomstilgjengelighet mot sensasjonssøk og risikotaking. Nøkkelen her, som i den triadiske node-modellen, er konseptet om en relativ interregional ubalanse i ungdomsårene, i motsetning til barndommen når disse regionene er alle relativt umodne og voksenlivet når de er alle modne (Somerville et al., 2010). Denne modellen ligner også Steinbergs rammeverk, der den relative reduksjonen i risikotaking fra ungdomsår til voksenliv skyldes utviklingen av kognitive kontrollsystemer, tilkoblinger som letter integrasjonen av kognisjon og påvirkning blant kortikale og subkortiske regioner og forskjeller i belønningslønn eller følsomhet (Steinberg, 2008).

Sentralt tema for disse modellene er at det hos ungdom er forskjeller i følsomhet, nivå eller effekt av aktivitet i kortikale og subkortiske regioner innenfor nettverk som underser emosjonell behandling og kognitiv kontroll. Basert på våre data og andre bevis antas det at slike forskjeller kan være et resultat av redusert neuronal koordinering og behandlingseffektivitet hos ungdom som manifesterer som følge av mindre effektiv informasjonsoverføring mellom regioner og ubalanser i nevronisk eksitasjon og inhibering i kritiske hjernegrupper , som den orbitofrontale cortex og deler av de basale ganglia. Som beskrevet tidligere, vitro Arbeidet har vist dramatiske endringer i ekspressjonsmønstrene av forskjellige reseptorer, og effektene av reseptoraktivering, inkludert responsen av hemmende hurtigspikende interneuroner til dopamin og NMDA-reseptorstimulering. Slike endringer ville forventes å påvirke både eksitasjonsbalansen og inhiberingen og koordinasjonen av nevrongrupper. Ettersom hurtigspikende interneuronaktivitet er kritisk for å kontrollere den nøyaktige timingen av nevrale aktivitet og inngrep av oscillasjoner, kan utviklingsskiftene i ungdomsinteruronaktivitet og deres respons på nevromodulatorer som dopamin være sentral for noen av disse aldersrelaterte behandlingsforskjeller. Som et resultat av dette kan ungdomsnoral aktivitet være mindre velkoordinert, støyende og mer lokal, og kanskje også mer følsom for de adfærdsaktiverende effektene av belønninger, nyhet eller andre fremtredende stimuli. Redusert interregional oscillatorisk koordinering, ytterligere hindret av ufullstendig myelinisering, kan sammen regne med den mindre fordelte funksjonelle aktiviteten observert i bildeundersøkelser. Den tidligere nevnte tendensen for ungdom til å favorisere risikofylte valg i følelsesmessig belastede sammenhenger kan også være relatert til en kombinasjon av redusert interregional kommunikasjon (f.eks. Svikt i prefrontal cortex for effektivt å dempe subkortiske "go" -signaler i basalganglia) og overdrevet aktivering og / eller redusert inhibering til fremtredende signaler i sammenheng med motivert oppførsel, som vi observerte under belønningsforventning i orbitofrontale cortex.

6. Sammendrag

Som vi har lært mer om de spesifikke hjerne- og adferdsmessige endringene i ungdomsårene, har flere neurobehavioral-modeller blitt foreslått. Sentralt i de fleste av disse er tanken om at ufruktbar nevronbehandling i prefrontal cortex og andre kortikale og subkortiske regioner, sammen med deres interaksjon, fører til atferd som er forspent mot risiko, belønning og følelsesmessig reaktivitet i ungdomsperioden. Nyere arbeid med utvikling av hemmerende interneuron-kretser og deres skiftende interaksjon med neuromodulatoriske systemer i ungdomsårene kan også kaste lys på hvorfor sykdommer som skizofreni vanligvis manifesterer seg på dette tidspunktet. Ved å bruke teknikker som fMRI hos mennesker og elektrofysiologiske opptak i laboratoriedyr, begynner vi å identifisere nærmere hvordan ungdommer behandler belønning og andre aspekter av motivert atferd forskjellig fra voksne. Å gjøre det er et kritisk skritt mot å fastslå hjernens baserte sårbarheter for normal ungdomsadferd og forståelse av patofysiologien til de psykiatriske sykdommene som utvikles i denne perioden.

Fotnoter

Referanser