Okres dojrzewania jako wrażliwy okres rozwoju mózgu (2015)

Etap publikacji: W prasie poprawiono dowód

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

Definiowanie plastyczności i okresów wrażliwych

W 1960, Wiesel i Hubel badali wpływ monokularnej deprywacji na 1 – 4 miesiące po otwarciu oka. Neurony w odpowiedniej korze wzrokowej następnie straciły zdolność reagowania na bodźce skierowane w stronę uprzednio pozbawionego oka i zaczęły reagować preferencyjnie na oko pozbawione wrażenia [1, 2]. Niedobór monokularny w pierwszych miesiącach 3 życia był również związany z zanikiem komórek we wzgórzu otrzymujących dane wejściowe od pozbawionego oka. Odzyskiwanie po tej atrofii było bardzo ograniczone, nawet po 5 latach ekspozycji na światło. W przeciwieństwie do tego, deprywacja jednooczna po 3 miesięcy nie przyniosła praktycznie żadnych efektów fizjologicznych, morfologicznych ani behawioralnych [3, 4]. Wyniki tych badań zostały wykorzystane jako dowód, że pierwsze kilka miesięcy życia tworzy wrażliwy okres rozwoju percepcyjnego, podczas którego zwiększa się plastyczność neuronów [5].

Plastyczność opisuje zdolność układu nerwowego do dostosowania swojej struktury i funkcji w odpowiedzi na wymagania środowiskowe, doświadczenia i zmiany fizjologiczne [6]. Ludzki mózg zachowuje podstawowy poziom plastyczności przez całe życie - jest to znane jako plastyczność zależna od doświadczenia i leży u podstaw wszelkiego uczenia się [7]. Plastyczność podczas wrażliwych okresów, przeciwnie, jest oczekiwaniem na doświadczenie - organizm „oczekuje”, że będzie narażony na określony bodziec w tym czasie [7].

Okresy wrażliwe były początkowo określane jako „okresy krytyczne”. Termin ten jest obecnie używany rzadziej, ponieważ od tego czasu stało się jasne, że pewne odzyskanie funkcji może być możliwe nawet poza oknem czasowym o najwyższej czułości. W przypadku rozwoju wizualnego, późniejsze badania nad niedowidzeniem jednoocznym u kociąt wykazały, że zwierzęta mogą być szkolone do używania początkowo pozbawionego oka oka po jego odkryciu, a to może spowodować pewien poziom wyzdrowienia [8].

Badania nad wrażliwymi okresami układu wzrokowego u ludzi opierają się na naturalnie występujących przypadkach deprywacji wzrokowej u osób urodzonych z zaćmą, które zamykają soczewkę oka. Wzrok można odzyskać po zabiegach odwrócenia zaćmy. Badania odwrócenia zaćmy wskazują na różnice między okresami wrażliwości na normalny rozwój wzrokowy, okresy wrażliwości na deprywację i okresy powrotu do zdrowia po deprywacji [9]. Na przykład w przypadku ostrości wzroku okres typowego wizualnie rozwoju rozciąga się na pierwsze lata życia 7, ale osoby pozostają wrażliwe na deprywację do wieku 10, a pewne przywrócenie funkcji może być możliwe przez całe życie [10].

Rozwój języka również ogólnie wykazuje podwyższoną plastyczność w dzieciństwie [11, 12], chociaż nie ma jednego okresu poufności dla języka. Różne zdolności językowe są nabywane przez częściowo rozdzielne systemy neuronowe, które mogą różnić się pod względem odpowiedzi na deprywację i okresów podwyższonej plastyczności [13]. Na przykład wrodzona głuchota jest związana ze zmienionym przetwarzaniem informacji gramatycznych, podczas gdy przetwarzanie semantyczne wydaje się być niewrażliwe na deprywację słuchową [14]. Podkreśla to specyfikę wrażliwych okresów.

Prace nad mechanizmami molekularnymi leżącymi u podstaw wczesnych okresów wrażliwości wykazały, że równowaga neurotransmisji pobudzającej i hamującej jest przyczyną zwiększonej plastyczności i że molekularne „hamulce” zwykle ograniczają plastyczność pod koniec okresów wrażliwych [15]. Czas wystąpienia i przesunięcia okresów wrażliwych jest zmienny. Badania na małpach wykazały, że okres wrażliwości na twarz na początku życia może być wydłużony o 2 lub więcej lat, jeśli małpy niemowlęce nie są narażone na bodźce twarzy w tym czasie. Pozbawienie twarzy opóźnia zatem początek okresu wrażliwego [16]. Koniec wrażliwego okresu może w niektórych przypadkach być generowany samodzielnie: uczenie się może napędzać zaangażowanie struktur nerwowych, skutecznie zmniejszając plastyczność [17, 18]. Percepcja twarzy ulega na przykład zmniejszeniu percepcyjnemu, podczas którego jednostki stają się lepsze w przetwarzaniu kategorii twarzy, na które są najbardziej narażone kosztem kategorii, które widzą rzadziej, wytwarzając efekty, takie jak tendencja do postrzegania twarzy przez własną rasę [19]. Innym wyjaśnieniem końca wrażliwych okresów jest fakt, że neuroplastyczność nie jest faktycznie zmniejszona, ale zamiast tego istnieje mniej lub mniej zróżnicowana stymulacja środowiskowa [18].

Większość badań dotyczących okresów wrażliwych koncentrowała się na wczesnym dzieciństwie, podczas gdy plastyczność oczekiwana w późniejszych okresach rozwojowych została nieco zaniedbana. Naukowcy zaczęli rozważać możliwość, że dorastanie stanowi „drugi okres podwyższonej plastyczności” (Steinberg, 2014 [20], str. 9; Zobacz także [21, 22]). Okres dojrzewania, okres życia rozpoczynający się w okresie dojrzewania i kończący się w momencie, w którym jednostka osiąga niezależną rolę w społeczeństwie [23], charakteryzuje się wyraźnymi zmianami w strukturze i funkcji mózgu (Box 1). W tym artykule badamy trzy obszary rozwoju młodzieży, które proponuje się charakteryzować podwyższoną plastycznością: pamięć, przetwarzanie społeczne i skutki zażywania narkotyków. Argumentujemy, że postępy w badaniach rozwojowych dały intrygujące dane, które są zgodne ze zwiększoną plastycznością w okresie dojrzewania. Jednak pomimo ostatnich postępów brakuje konkretnych dowodów na wrażliwe okresy.

+

Box 1

Rozwój neurokognitywny w okresie dojrzewania

Jakie dowody byłyby zgodne z okresem dojrzewania będącym okresem wrażliwym?

Gdyby okres dojrzewania był rzeczywiście okresem wrażliwym, należałoby oczekiwać pewnych wzorów danych rozwojowych. Po pierwsze, wpływ określonego bodźca na mózg i zachowanie powinien być wyższy w okresie dojrzewania niż przed lub po. Z tego powodu potrzebne są badania porównujące dzieci, młodzież i dorosłych. Tylko wtedy, gdy wszystkie te grupy wiekowe są brane pod uwagę, można ocenić, czy dojrzewanie jest samodzielnym okresem podwyższonej plastyczności (Rysunek 1, Model A), ciągły okres wrażliwości z dzieciństwem (Rysunek 1, Model B), lub w ogóle nie reprezentuje wrażliwego okresu (Rysunek 1, Model C).

W wyniku różnic w czasie dojrzewania różnych regionów i obwodów mózgu [24], spodziewano się znacznej zmienności początku i końca czułych okresów dla różnych bodźców. Tak jak wczesny rozwój charakteryzuje się wieloma wrażliwymi okresami [9, 13], dorastanie nie jest uważane za okres wrażliwy per se; zamiast tego proponuje się pewne okresy w okresie dojrzewania, podczas których oczekuje się określonego wkładu ze środowiska.

Gdyby w tym czasie pewne bodźce środowiskowe wywarły większy wpływ, spodziewalibyśmy się, że nastąpi lepsze uczenie się, zwłaszcza umiejętności późnego dojrzewania. Zostanie to omówione w następnym rozdziale dotyczącym pamięci. Oczekuje się, że brak stymulacji lub nieprawidłowej stymulacji miałby w tym czasie nieproporcjonalny skutek. Ta cecha wrażliwych okresów zostanie omówiona w części poświęconej skutkom stresu społecznego.

Plastyczność młodzieży może się różnić od plastyczności na wczesnym etapie rozwoju, ponieważ w przeciwieństwie do niemowląt i małych dzieci, młodzież jest bardziej prawdopodobna i jest w stanie aktywnie wybierać bodźce środowiskowe, których doświadczają. Ogólnie, w dzieciństwie, środowiska są bardziej zorganizowane przez rodziców lub opiekunów, podczas gdy młodzież ma większą autonomię, aby wybrać, czego doświadczyć iz kim [25]. Możemy zatem oczekiwać dużego stopnia indywidualnych różnic we wrażliwych okresach w okresie dojrzewania, a niektóre wrażliwe okresy mogą być doświadczane tylko przez podgrupę nastolatków. Zostanie to omówione w części dotyczącej skutków używania narkotyków.

Okres dojrzewania jako okres wrażliwy na pamięć

W wieku 35 bardziej przypominamy sobie wspomnienia autobiograficzne z epok 10 do lat 30 niż wspomnienia sprzed tego okresu lub po nim, zjawisko określane jako „wspomnienie bump” [26]. Przypomnienie reminiscencji jest niezwykle solidne i wykazuje podobny wzór podczas testowania z różnymi testami mnemonicznymi iw różnych kulturach [26, 27]. Oprócz wydarzeń autobiograficznych, wspominanie muzyki, książek, filmów i wydarzeń publicznych z okresu dojrzewania jest również lepsze niż w innych okresach życia [28, 29]. Nawet przyziemne wydarzenia, które miały miejsce w okresie dojrzewania i wczesnej dorosłości, wydają się być nadmiernie reprezentowane w pamięci, co sugeruje, że zdolność mnemoniczna jest zwiększona w tym okresie życia [30]. Na przykład, badanie na dużą skalę wykazało szczyt innych aspektów pamięci, takich jak pamięć werbalna i wizualno-przestrzenna między 14 i 26 lat [31]. Chociaż dane te sugerują wrażliwe okresy, potrzebne są badania szkoleniowe, aby dostarczyć eksperymentalnych dowodów na wrażliwe okresy pamięci.

Dostępne są badania szkoleniowe dla pamięci roboczej (WM), możliwość przechowywania i manipulowania informacjami [32]. Proste aspekty WM, takie jak opóźnione odwołanie przestrzenne, mogą osiągnąć dojrzałość w dzieciństwie [33]. Bardziej złożone zdolności WM, takie jak strategiczne samodzielne wyszukiwanie przestrzenne, nadal się poprawiają w okresie wczesnej młodości [33]. Takie złożone zadania WM rekrutują czołowe regiony, które wykazują szczególnie przedłużający się rozwój w okresie dojrzewania [34] (Box 1).

Istnieją pewne dowody na plastyczność WM w rozwoju. W przypadku dzieci i młodzieży dorastanie w szkoleniu WM typu n-back, ale nie w oparciu o wiedzę, przeniesiono na poprawę płynnej inteligencji [35]. Usprawnienia zostały utrzymane w okresie 3-miesiąc, w którym to czasie nie przeprowadzono żadnego dalszego szkolenia. Szkolenie WM może być skuteczne u młodzieży o słabym funkcjonowaniu wykonawczym, a także w typowo rozwijających się kontrolach [36]. Jednak nie wiemy jeszcze, jak efekty treningu różnią się u nastolatków w porównaniu z dziećmi lub dorosłymi. Badania, w których dzieci, młodzież i dorośli przechodzą szkolenie poznawcze, a efekty są porównywane z aktywnymi grupami kontrolnymi, które otrzymują trening placebo, będą szczególnie pomocne w określeniu, czy okres dojrzewania stanowi wrażliwy okres rozwoju WM [37]. Takie badania mogą bezpośrednio informować o interwencjach edukacyjnych i politykach (Box 2).

+

Box 2

Edukacja w okresie dojrzewania

Okres dojrzewania jako okres wrażliwy na skutki stresu dla zdrowia psychicznego

Wiele chorób psychicznych pojawia się w okresie dojrzewania i wczesnej dorosłości [38, 39]. Badanie podłużne wykazało, że 73.9% dorosłych z zaburzeniami psychicznymi otrzymał diagnozę przed ukończeniem 18 lat i 50.0% przed 15 lat [40]. Uważa się, że zaburzenia psychiczne mogą być częściowo wywołane przez ekspozycję na stres w dzieciństwie lub okresie dojrzewania [41]. Uważa się, że stres społeczny ma w tym czasie nieproporcjonalny wpływ [41]. Doświadczenie stresu akulturacyjnego związanego z migracją, na przykład, przewiduje długotrwałe internalizację objawów, takich jak depresja i lęk w okresie dojrzewania [42]. Istnieją jednak również dowody, że zastraszanie w dzieciństwie (wiek 7 lub 11) ma również trwały wpływ na zdrowie fizyczne i psychiczne w wieku dorosłym [43].

Badania nad gryzoniami dają możliwość manipulowania eksperymentalnie narażeniem na stres społeczny i dają cenne informacje na temat szkodliwych skutków stresu w okresie dojrzewania. Dorastanie u samic szczurów trwa około od dnia poporodowego (PND) 30 do 60 i od PND 40 do 80 u mężczyzn. U samic myszy okres dojrzewania trwa od PND 20 do 40, a od PND 25 do 55 u samców [44]. Należy zauważyć, że w literaturze występuje znaczna zmienność wieku gryzoni klasyfikowanych jako dorastające lub dorosłe [44]. Wykazano, że dorastające szczury poddawane powtarzającej się porażce przez dominującą osobę mają różne wzorce zachowań (bardziej unikanie niż agresja) i odzyskują mniej po ponownym stresie, w porównaniu z dorosłymi szczurami. Narażenie na stres w okresie dojrzewania (w porównaniu z dorosłością) u szczurów było również związane z mniejszą aktywacją neuronów w obszarach kory przedczołowej, zakrętu obręczy i wzgórza [45]. W badaniu tym nie uwzględniono osobników młodocianych, ograniczając wnioski dla wrażliwych okresów.

Brak jakiejkolwiek stymulacji społecznej może mieć również szkodliwe skutki. Wykazano, że izolacja społeczna u samców i samic szczurów ma nieodwracalny wpływ na niektóre aspekty zachowania eksploracyjnego, ale tylko wtedy, gdy izolacja nastąpiła między PND 25 a 45, ale nie przed lub po [46]. Wydaje się zatem, że jest to wrażliwy okres deprywacji społecznej u szczurów. Chociaż ten paradygmat nie został bezpośrednio przetłumaczony na ludzi, badania wykazały, że ludzka młodzież wykazuje większy poziom lęku w odpowiedzi na wykluczenie społeczne niż dorośli [47, 48]. Wykluczenie społeczne jest również związane z rozwojem lęku społecznego w okresie dojrzewania człowieka [49]. Dostarczenie dowodów na wpływ izolacji społecznej na rozwój u ludzi jest ważne nie tylko z teoretycznego punktu widzenia, ale może również pomóc w opracowaniu interwencji w zakresie zdrowia psychicznego i wzmocnieniu ich odporności na wykluczenie społeczne.

Okres dojrzewania może być także wrażliwym okresem dla wyzdrowienia z doświadczenia stresu społecznego [50]. Uczenie się o wygaszaniu strachu jest kluczem do zdrowej reakcji na stres, na przykład [51]. W przypadku zaburzeń psychicznych, takich jak zespół stresu pourazowego (PTSD), stres utrzymuje się, nawet jeśli stresor nie występuje. Stwierdzono, że uczenie się wymierania strachu jest osłabione w okresie dojrzewania w porównaniu z dzieciństwem i dorosłością - zarówno u ludzi, jak iu myszy (Rysunek 2) [50]. Dane z gryzoni w badaniu wykazały, że brak plastyczności synaptycznej w brzuszno-przyśrodkowej korze przedczołowej w okresie dojrzewania wiąże się ze zmniejszeniem wygaszania strachu. Oznacza to, że terapie odczulające, które opierają się na zasadach uczenia się wymierania strachu, mogą być mniej skuteczne w okresie dojrzewania i podkreśla potrzebę opracowania alternatywnych metod leczenia dla tej grupy wiekowej. Szczególna siła tego badania polega na tym, że obejmował on grupy wiekowe dzieci, młodzieży i dorosłych, a także dostarczał dowodów neuronalnych u gryzoni. Wyniki sugerują, że okres dojrzewania może być wrażliwy lub podatny na wyzdrowienie ze stresu.

Okres dojrzewania jako okres wrażliwy na skutki zażywania narkotyków

Okres dojrzewania to czas wzmożonego zaangażowania w ryzykowne zachowania zdrowotne, takie jak niebezpieczne zachowania seksualne, niebezpieczna jazda i eksperymentowanie z alkoholem i innymi narkotykami [52, 53]. Ten wzrost zachowań związanych z podejmowaniem ryzyka może częściowo wynikać ze wzrostu czasu spędzanego z przyjaciółmi, a nie z rodziną [54]. Kiedy wraz z przyjaciółmi, młodzież jest bardziej narażona na ryzykowne zachowania niż gdy jest sama [55]. Młode nastolatki wydają się być szczególnie podatne na wpływ rówieśników na postrzeganie ryzyka w porównaniu z innymi grupami wiekowymi (Rysunek 3) [56]. W badaniu tym mierzono stopień wpływu społecznego na postrzeganie ryzyka w różnych grupach wiekowych i stwierdzono, że podczas gdy dzieci, młodzi dorośli i dorośli byli bardziej pod wpływem opinii dorosłych na temat ryzyka, młodzi nastolatkowie mieli większy wpływ na opinie nastolatków w porównaniu z opinie dorosłych. Młodzież w średnim wieku nie wykazała różnicy w poziomie wpływu opinii dorosłych i nastolatków na ryzyko, sugerując, że jest to etap przejściowy w rozwoju.

W przypadku rówieśników młodzież jest bardziej narażona na ryzykowne zachowania, takie jak zażywanie narkotyków [57]. Młodzież, której przyjaciele regularnie spożywają tytoń, alkohol i konopie indyjskie, częściej używa narkotyków samodzielnie, na przykład [58]. Konopie indyjskie są jednym z najczęściej stosowanych leków rekreacyjnych wśród młodzieży i dorosłych w USA i Wielkiej Brytanii [59, 60]. Szacuje się, że 15.2% Europejczyków w wieku 15 na 24 użył konopi indyjskich w ciągu ostatniego roku, a 8% w ostatnim miesiącu [61]. Uważa się, że ekspozycja na kannabinoidy we wczesnym okresie dojrzewania prowadzi do trwałych zmian w strukturze mózgu i deficytach poznawczych, co może sprawić, że okres dojrzewania stanie się podatny na skutki jego działania [62, 63].

Rekreacyjne zażywanie konopi indyjskich przed osiągnięciem wieku 18 (ale nie w wieku dorosłym) lub intensywne używanie w dowolnym wieku było związane z atrofią istoty szarej w dorosłym biegunie skroniowym, zakręcie przyhipokampowym i insula [64]. Dane podłużne wskazują, że zgłaszane przez siebie trwałe zażywanie konopi indyjskich między 13 a 15 lat wiąże się ze znacznym spadkiem IQ [65]. Im dłuższy okres konsumpcji konopi, tym większy spadek IQ [65]. Ten spadek IQ okazał się bardziej wyraźny u uczestników, którzy używali konopi przed wiekiem 18 w porównaniu z osobami, które zaczęły stosować konopie indyjskie po 18. Odkrycia te sugerują, że rozwijający się mózg nastolatków może być szczególnie wrażliwy na niekorzystne konsekwencje zażywania konopi indyjskich. Należy jednak zauważyć, że w tym badaniu nie można wykluczyć alternatywnych wyjaśnień, takich jak istniejące wcześniej zaburzenia nastroju lub zaburzenia lękowe pośredniczące zarówno w zażywaniu konopi, jak i problemach poznawczych [66]. Badania te nie obejmowały również młodszych grup wiekowych i możliwe jest, że rozwijający się mózg w dzieciństwie wykazywałby podobną lub nawet większą wrażliwość na konopie niż w okresie dojrzewania. Jednak nawet gdyby tak było, takie wrażliwości zazwyczaj nie byłyby wyrażane u ludzi, ponieważ dorastanie lub dorosłość będą zazwyczaj pierwszym potencjalnym punktem kontaktu z narkotykami rekreacyjnymi.

Dane molekularne i komórkowe dotyczące wpływu konopi w okresie dojrzewania są rzadkie, ale istnieją pewne pośrednie dowody na zwiększoną wrażliwość. Wykazano, że konopie indyjskie wpływają na układ endokannabinoidowy, który wraz z innymi układami neuroprzekaźnikowymi (np. Układami glutaminergicznymi i dopaminergicznymi) ulega rozległej restrukturyzacji w okresie dojrzewania [67]. Podczas gdy dwa kluczowe receptory kanabinoidowe CB1 i CB2 są już obecne w zarodku gryzonia (dzień ciążowy 11 – 14 [68]), rozkład neuroanatomiczny i liczba zmian receptorów podczas rozwoju. Stwierdzono, że ekspresja receptora CB1 w kilku regionach mózgu osiąga szczyt wraz z początkiem dojrzewania u samic i samców gryzoni [69]. Wszelkie zaburzenia spowodowane ekspozycją na konopie w okresie dojrzewania mogą mieć trwały wpływ na układ endokannabinoidowy, który wpływa na procesy neurorozwojowe, w tym genezę neuronów, specyfikację neuronów, migrację neuronów, wydłużenie aksonów i tworzenie glejów [70, 71, 72]. Na przykład ekspozycja na D9-tetrahydrokannabinol (THC), główny składnik psychoaktywny konopi, w okresie dojrzewania u samic szczurów (PND 35 – 45) spowodowała spadek gęstości receptora CB1 i funkcjonalności w kilku regionach mózgu [73]. Brakuje jednak danych porównawczych z innych grup wiekowych.

Mocne dowody na okres młodzieńczej wrażliwości na używanie narkotyków pochodzą z zestawu badań dotyczących przewlekłej ekspozycji na kannabinoidy u samców gryzoni. Narażenie na kannabinoidy w wieku młodzieńczym (dzień 40–65 po urodzeniu) przewidywało długoterminowe deficyty poznawcze w wieku dorosłym (pamięć rozpoznawania obiektów), podczas gdy podobna ekspozycja u gryzoni w wieku przed pokwitaniem (dzień 15–40 po urodzeniu) i młodych dorosłych gryzoni (dzień po dniu 70 po urodzeniu) nie była powiązana z takimi uporczywymi deficyty [74, 75]. Nie jest jednak jasne, czy ten dowód bezpośrednio przekłada się na ludzi. Należy również zauważyć, że tylko część ludzkiej młodzieży eksperymentuje z lekami, takimi jak konopie indyjskie. Potrzebne są dalsze badania, aby zbadać różnice indywidualne, szczególnie w odniesieniu do wpływu rówieśników i zachowań ryzykownych, aby zrozumieć, kiedy i dla kogo dorastanie może być podatnym okresem zażywania narkotyków.

Uwagi końcowe

Dowody na plastyczność pamięci i skutki stresu społecznego i zażywania narkotyków są zgodne z propozycją, że okres dojrzewania jest wrażliwym okresem dla pewnych obszarów rozwoju. Najsilniejsze dowody na dotąd wrażliwe okresy pochodzą z badań na gryzoniach wykazujących zwiększoną podatność na destrukcyjne skutki izolacji społecznej i zażywania pochodnych konopi, a także ograniczenie uczenia się wymierania strachu. Istnieje jednak niewiele rozstrzygających dowodów na dojrzewanie człowieka. Potrzebne są badania nad skutkami treningu lub stresu w dzieciństwie, okresie dojrzewania i dorosłości (patrz Wybrane pytania).

+

Wyjątkowe pytania

Podziękowanie

Chcielibyśmy podziękować Kathryn Mills za pomocne komentarze do manuskryptu. DF jest finansowany przez Wydział Psychologii i Nauk Językowych UCL. SJB jest finansowane przez stypendium naukowe Towarzystwa Królewskiego. Nasze badania są finansowane przez Nuffield Foundation i Wellcome Trust.

Opublikowane online: wrzesień 23, 2015