Neurobiologia wieku dojrzewania: zmiany w architekturze mózgu, dynamika funkcjonalna i tendencje behawioralne (2011)

1. Wstęp

Adolescencja to okres, w którym jednostki obserwują fizyczne zmiany w swoim ciele, doświadczają nowych zainteresowań i pragnień oraz zyskują większą wolność, niezależność i odpowiedzialność. Chociaż jest to różnie definiowane, ogólnie uważa się, że okres dojrzewania rozpoczyna się wraz z początkiem okresu dojrzewania i kończy się wraz z przyjęciem przez osobę dorosłych ról społecznych (Dahl, 2004; Włócznia, 2000). Okres dojrzewania, który obejmuje wzmożony wzrost, zmiany w budowie ciała, rozwój gonad oraz drugorzędowych narządów i cech płciowych, a także zmiany w układzie sercowo-naczyniowym i oddechowym, przypada zazwyczaj na okres od 10 do 17 lat u dziewcząt i od 12 do 18 lat u chłopców (Falkner i Tanner, 1986). W takim przypadku nastolatek przechodzi różnorodne przemiany poznawcze, behawioralne i psychospołeczne. Różne zmiany zachodzące w okresie dojrzewania nie zaczynają się i nie kończą razem, dlatego też zagadka powiązania zmian w mózgu nastolatków z zachowaniem stanowi wyzwanie. Badanie okresu dojrzewania przypomina strzelanie do ruchomego celu – badacze wyznaczają grupy „młodzieżowe” w różnym wieku i na różnym poziomie rozwoju. Co więcej, od połowy XIX w^th przez 20^th wieku, w świecie zachodnim obserwuje się wcześniejszy średni wiek wystąpienia pierwszej miesiączki (Falkner i Tanner, 1986; Tanner, 1990). Proces edukacji jest bardziej długotrwały, a jednostki zwykle dłużej czekają na rozpoczęcie kariery zawodowej, zawarcie związku małżeńskiego i urodzenie dzieci (Dahl, 2004). Zatem długość okresu dorastania nie jest stała (i ulega wydłużeniu) i chociaż jest on powiązany z wieloma biologicznymi procesami rozwojowymi, to jednak częściowo jest definiowany na podstawie kryteriów psychospołecznych i behawioralnych. Mając na uwadze te zastrzeżenia, w recenzowanej literaturze okres dojrzewania u ludzi definiuje się przede wszystkim jako drugą dekadę życia, u małp jako wiek od dwóch do czterech lat, a u gryzoni jako od czwartego do szóstego lub siódmego tygodnia.

Pomimo niejasności definicyjnych dobrze wiadomo, że w tym okresie zachodzą poważne zmiany, w tym różnorodne charakterystyczne zmiany w zachowaniu obserwowane u różnych gatunków. Wzmożone są zachowania społeczne (np.Csikszentmihalyi i in., 1977), nowości i poszukiwania sensacji (Adriani i wsp., 1998; Stansfield i Kirstein, 2006; Stansfield i in., 2004), tendencje do podejmowania ryzyka (Włócznia, 2000; Steinberg, 2008), Emocjonalna niestabilność (Steinberg, 2005) i impulsywność (Adriani i Laviola, 2003; Chambers i in., 2003; Fairbanks i in., 2001; Vaidya i in., 2004). Relacje rówieśnicze stają się dominujące i pojawia się większa skłonność do poszukiwania zabawnych i ekscytujących doświadczeń (Nelson i in., 2005). Zwiększone poszukiwanie nowości i doznań może mieć charakter ewolucyjny, adaptacyjny, ponieważ te zachowania mogą zwiększyć szanse coraz bardziej niezależnego nastolatka na znalezienie pożywienia i partnera (Włócznia, 2010). We współczesnym społeczeństwie cechy te mogą jednak wiązać się z podejmowaniem niepotrzebnego ryzyka. Dlatego okres dojrzewania uważany jest za okres wrażliwości behawioralnej: nastolatki częściej eksperymentują z tytoniem, nielegalnymi narkotykami i alkoholem; jechać lekkomyślnie; uprawiać seks bez zabezpieczenia; i mają konflikty interpersonalne (Arnett, 1992; Arnett, 1999; Chambers i in., 2003; Włócznia, 2000). Ryzykowne podejmowanie ryzyka przez młodzież jest bardziej prawdopodobne w grupach (np. wypadki samochodowe), gdy pewne zachowania są postrzegane przez rówieśników jako akceptowalne (np. seks bez zabezpieczenia, zażywanie narkotyków) (Steinberg, 2008) oraz w sytuacjach naładowanych emocjonalnie (Figner i in., 2009). Tak więc, chociaż nastolatki przetrwały potencjalne problemy zdrowotne występujące we wczesnym dzieciństwie, ich wskaźniki zachorowalności i śmiertelności są dwukrotnie większe niż u dzieci przed okresem dojrzewania (Dahl, 2004).

Oprócz dodatkowego ryzyka normalna Okres dojrzewania to także czas, w którym często ujawniają się objawy różnych chorób psychicznych, w tym zaburzeń nastroju, zaburzeń odżywiania i zaburzeń psychotycznych, takich jak schizofrenia (Paus i in., 2008; Sosna, 2002; Sisk and Zehr, 2005; Volkmar, 1996). W tym okresie zachodzi szeroka gama zmian neurobiologicznych, które napędzają wszystko, począwszy od kaskady sygnałów hormonalnych inicjujących dojrzewanie (Sisk and Zehr, 2005), do zwiększenia zdolności poznawczych i zmian motywacyjnych (Doremus-Fitzwater i in., 2009; Luna i in., 2004). Dokładne zrozumienie, jak mózg rozwija się w okresie dojrzewania i powiązanie takich zmian zarówno z normalnymi tendencjami behawioralnymi, jak i stanami patologicznymi, ma kluczowe znaczenie dla zdrowia publicznego. Tutaj dokonujemy przeglądu niektórych zmian behawioralnych i neurorozwojowych zachodzących w okresie dojrzewania oraz omawiamy kilka modeli, które je łączą, w tym naszą własną hipotezę o zmniejszonej wydajności przetwarzania.

2. Zachowanie nastolatków

Badania na gryzoniach i ludziach wykazały, że nastolatki wykazują większy „impulsywny wybór”, definiowany jako preferencja mniejszych nagród, które pojawiają się wcześniej, w stosunku do większych opóźnionych nagród, co mierzono za pomocą zadań polegających na dyskontowaniu opóźnień (Adriani i Laviola, 2003; Steinberg i in., 2009). Warto zauważyć, że w badaniach na ludziach tę różnicę wykazują jedynie młodsi nastolatkowie; ze zniżkami opóźnionymi, osiągającymi poziom dla dorosłych w wieku 16–17 lat (Steinberg i in., 2009). Dorastający ludzie również uzyskują wyższe wyniki w Skali Poszukiwania Doznań niż dorośli, przy czym mężczyźni wykazują wyższy poziom niż kobiety (Zuckerman i in., 1978). Poszukiwanie doznań to „potrzeba różnorodnych, nowych i złożonych doznań i doświadczeń…” (Zuckerman i in., 1979, s. 10), która może pojawiać się samodzielnie lub łącznie z impulsywnością. Poszukiwanie wrażeń jest największe we wczesnym i środkowym okresie dojrzewania, a później jest mniejsze, podczas gdy kontrola impulsów wydaje się stale poprawiać w okresie nastoletnim, co sugeruje, że podlegają one różnym procesom biologicznym (Steinberg i in., 2008). Zgodnie z ludzkimi dowodami na wzmożone poszukiwanie wrażeń przez młodzież, dorastające gryzonie wolą nowości (Adriani i wsp., 1998; Douglas i in., 2003; Stansfield i in., 2004), wykazują większą lokomocję wywołaną nowościami (Stansfield i Kirstein, 2006; Sturman i in., 2010) i spędzają więcej czasu na eksplorowaniu otwartych ramion w labiryncie na podwyższeniu plus niż dorośli (Adriani i wsp., 2004; Macrì i in., 2002).

Można się spodziewać tendencji nastolatków do poszukiwania nowych doświadczeń, nawet ryzykując krzywdę fizyczną lub społeczną, jeśli ich zdolność do oceny ryzyka lub obliczenia prawdopodobieństwa wyniku jest słabo rozwinięta. W tym czasie zdolności poznawcze nadal się rozwijają (Luna i in., 2004; Włócznia, 2000). Według Piageta okres działania formalnego, który wiąże się z bardziej abstrakcyjnym rozumowaniem, pełną dojrzałość osiąga w okresie adolescencji (Schustera i Ashburna, 1992) i może być słabiej rozwinięty u niektórych osób. Ponadto utrzymujący się egocentryzm, w którym nastolatki doświadczają „wyimaginowanej publiczności” wraz z „osobistą bajką” o wyjątkowych uczuciach, może sprawić, że uwierzą w swoją wyjątkowość i zyskają poczucie niezniszczalności (Arnett, 1992; Elkind, 1967). Jednakże od połowy okresu dojrzewania następuje jedynie niewielka poprawa funkcji poznawczych (Luna i in., 2004; Włócznia, 2000), a nawet małe dzieci wykazują dokładne, ukryte rozumienie prawdopodobieństwa (Acredolo i in., 1989). Co więcej, niewiele jest dowodów na to, że nastolatki faktycznie postrzegają siebie jako osoby niewrażliwe na zagrożenia lub nie doceniają ryzyka; w rzeczywistości często przeceniają ryzyko, takie jak ryzyko zajścia w ciążę w ciągu roku, pójścia do więzienia lub młodej śmierci (de Bruin i in., 2007). Wreszcie, wszelkie poznawcze wyjaśnienia podejmowania ryzyka przez młodzież muszą uwzględniać fakt, że dzieci podejmują mniejsze ryzyko, a mimo to są mniej rozwinięte poznawczo niż nastolatki.

Alternatywnie, różnice w zachowaniu nastolatków mogą odnosić się do różnic w strategiach poznawczych. Jedna z hipotez, zwana „teorią rozmytego śladu”, stwierdza, że ​​nastolatkom nie tylko brakuje zdolności poznawczych, ale bardziej wyraźnie niż dorośli przetwarzają szczegóły ryzyka i korzyści wynikających z wyborów. Paradoksalnie nastolatki mogą zachowywać się bardziej racjonalnie niż dorośli, dokładniej obliczając oczekiwane wartości różnych opcji, ale może to prowadzić do podejmowania większego ryzyka (Rivers i in., 2008). Według Rivers i współpracownicy (2008)w miarę rozwoju przechodzimy od robienia bardziej dosłownego „dosłownego” do „rozmytej” heurystyki na poziomie sedna sprawy, która oddaje istotę lub wynik końcowy bez szczegółów. Prawdopodobnie poprawia to efektywność podejmowania decyzji i odwodzi nas od ryzykownych wyborów, ponieważ mamy tendencję do unikania potencjalnych niekorzystnych skutków bez oceny rzeczywistego prawdopodobieństwa. Na przykład, w przeciwieństwie do nastolatków, dorośli preferują wybory, które wiążą pewność ze zwiększonymi zyskami lub zmniejszonymi stratami, zamiast probabilistycznych alternatyw o identycznych oczekiwanych wartościach (Rivers i in., 2008). Ogólnie rzecz biorąc, intrygujący jest pomysł, że wybory nastolatków mogą odzwierciedlać różnice w strategii poznawczej, ale nie braki w przewidywaniu wyników. Przyszłe badania neuroobrazowe i fizjologiczne dotyczące podejmowania decyzji przez młodzież mogą zyskać na rozważeniu możliwości, że różnice w dokładnym wzorcu aktywności neuronowej, nawet w obrębie tych samych obszarów mózgu, wraz z poziomem integracji między różnymi regionami, mogą ułatwić alternatywne style rozważań poznawczych.

Większa lekkomyślność nastolatków może wynikać z różnic w sposobie doświadczania ryzyka i nagrody. Jednym z wyjaśnień jest to, że nastolatki doświadczają więcej negatywnych afektów i obniżonego nastroju oraz mogą odczuwać mniejszą przyjemność z bodźców o niskiej lub umiarkowanej wartości motywacyjnej. Młodzież poszukiwałaby zatem bodźców o większej intensywności hedonicznej, aby zaspokoić braki w doświadczeniu nagrody (zob. Włócznia, 2000). Potwierdzają to badania wykazujące różnice w wartości hedonicznej roztworów sacharozy u dorosłych w porównaniu z młodzieżą. Gdy stężenie sacharozy przekroczy punkt krytyczny, wartość hedoniczna gwałtownie maleje; jednakże takie spadki są mniej wyraźne lub nie występują w przypadku dzieci i młodzieży (De Graaf i Zandstra, 1999; Vaidya i in., 2004). Alternatywnym wyjaśnieniem jest to, że nastolatki mają większą wrażliwość na wzmacniające właściwości przyjemnych bodźców. Każda z możliwości jest zgodna z modelami zwierzęcymi, w których młodzież spożywała więcej roztworu sacharozy (Vaidya i in., 2004), preferują komnaty kojarzone wcześniej z interakcjami społecznymi (Douglas i in., 2004) i wykazują większą wartość motywacyjną w przypadku narkotyków, takich jak nikotyna, alkohol, amfetamina i kokaina, niż u dorosłych (Badanich i in., 2006; Brenhouse and Andersen, 2008; Shram i in., 2006; Włócznia i Varlinskaya, 2010; Vastola i in., 2002). Nie zawsze jednak jest to widoczne (Frantz i in., 2007; Mathews i McCormick, 2007; Shram i in., 2008), a zwiększone preferencje nastolatków dotyczące narkotyków mogą być również związane ze zmniejszoną wrażliwością na niepożądane skutki uboczne i zespołem odstawienia (Little i in., 1996; Moy i in., 1998; Schramm-Sapyta i in., 2007; Schramm-Sapyta i in., 2009). Podobnie nastolatki mogą wykazywać się bardziej ryzykownymi zachowaniami, jeśli ich ocena możliwych negatywnych konsekwencji jest mniej motywująca lub wyraźna (lub jeśli sama ekscytacja związana z podejmowaniem ryzyka zwiększa prawdopodobieństwo takiego zachowania).

Innym czynnikiem, który może wyjaśniać pewne różnice w zachowaniu nastolatków, jest wpływ emocji (wartościowość, uczucia, pobudzenie i określone stany emocjonalne) na zachowanie. Różnice w zachowaniu mogą pojawić się, jeśli nastolatki inaczej doświadczają emocji lub jeśli emocje w różny sposób wpływają na podejmowanie decyzji w okresie zwiększonej intensywności i zmienności emocjonalnej (Arnett, 1999; Buchanan i in., 1992). Często uważa się, że emocje utrudniają podejmowanie racjonalnych decyzji. Chociaż może to być prawdą w niektórych przypadkach (zwłaszcza gdy treść emocjonalna jest niezwiązana lub nieistotna w kontekście decyzji), w niedawnych pracach zbadano, w jaki sposób emocje mogą poprawić pewne decyzje. Na przykład hipoteza markera somatycznego stwierdza, że ​​w sytuacjach niejednoznacznych procesy emocjonalne mogą korzystnie kierować zachowaniem (Damasio, 1994). Zadanie związane z hazardem w stanie Iowa zostało zaprojektowane w celu sprawdzenia procesu podejmowania decyzji w warunkach niepewności (Bechara i in., 1994). Osoby z uszkodzeniami brzuszno-przyśrodkowej PFC lub ciała migdałowatego mają trudności z faworyzowaniem korzystnej strategii unikania ryzyka, co sugeruje, że braki w integracji informacji emocjonalnych mogą prowadzić do błędnych decyzji (Bechara i in., 1999; Bechara i in., 1996). Nastolatki i dorośli mogą różnić się sposobem uwzględniania informacji emocjonalnych w podejmowaniu decyzji: nastolatki mogą być mniej biegli w interpretowaniu lub integrowaniu odpowiednich treści emocjonalnych lub mniej skuteczni w tworzeniu takich skojarzeń. Cauffman i in. (2010) niedawno przetestowali dzieci, młodzież i dorosłych pod kątem zmodyfikowanej wersji zadania hazardowego stanu Iowa; zaobserwowali, że chociaż zarówno młodzież, jak i dorośli z czasem poprawiali proces podejmowania decyzji, dorośli robili to szybciej. Inne badanie wykazało, że dopiero w połowie lub w późnym okresie dojrzewania uczestnicy poprawili swoje wyniki w wykonywaniu zadań związanych z hazardem i że poprawa ta zbiegła się z pojawieniem się fizjologicznych korelatów pobudzenia (Crone i van der Molen, 2007). Wyniki te sugerują, że nastolatki mogą być mniej skuteczne w formułowaniu i interpretowaniu odpowiednich informacji afektywnych niezbędnych do uniknięcia ryzykownych decyzji.

Zgodnie z Rivers i współpracownicy (2008) różnice w efektywnym przetwarzaniu sedna sprawy sprawiają, że nastolatki są bardziej podatne na potencjalnie szkodliwy wpływ pobudzenia na podejmowanie decyzji. W warunkach zwiększonego pobudzenia zmniejszenie zahamowania behawioralnego może spowodować przejście z trybu „rozsądnego” do trybu „reaktywnego” lub impulsywnego. Dalej argumentują, że tendencja nastolatków do bardziej dosłownego i analitycznego przetwarzania zwiększa to prawdopodobieństwo, podczas gdy wartości i uprzedzenia wynikające z prostszego przetwarzania „istoty” u dorosłych są bardziej odporne na stan pobudzenia (Rivers i in., 2008). Inni argumentowali również, że zachowanie nastolatków może być szczególnie wrażliwe na warunki wysokiego pobudzenia emocjonalnego (Dahl, 2001; Włócznia, 2010). Ostatnie badanie autorstwa Figner i współpracownicy (2009) bezpośrednio przetestowali tę hipotezę, używając zadania mierzącego podejmowanie ryzyka w różnych warunkach afektywnych. Młodzież i dorośli wykonywali Zadanie Karty Columbia, podczas którego badano poziom tolerowanego ryzyka w warunkach większego/mniejszego pobudzenia i przy zmieniających się czynnikach, które można wykorzystać do podejmowania bardziej świadomych decyzji (takich jak wielkość zysków/strat i ich prawdopodobieństwo ). Młodzież podejmowała większe ryzyko niż dorośli tylko w stanie wysokiego pobudzenia i w tym kontekście wielkość i prawdopodobieństwo zysków/strat wpływały na młodzież w mniejszym stopniu, co sugeruje uproszczone wykorzystanie informacji przez młodzież w warunkach zwiększonego pobudzenia (Figner i in., 2009).

Łącznie badania te wskazują, że chociaż nastolatki często rozumują i zachowują się jak dorośli, w pewnych kontekstach istnieją różnice w ich strategii poznawczej i/lub reakcji na ryzyko i nagrodę, szczególnie w warunkach zwiększonego pobudzenia emocjonalnego. Te zmiany w zachowaniu prawdopodobnie odzwierciedlają znaczny rozwój sieci mózgowych – w tym struktur w PFC, zwojach podstawnych i układach neuromodulacyjnych (np. Dopamina) – które są krytyczne dla motywowanego zachowania (Tabela 1).

  

Tabela 1

Różnice w zachowaniu nastolatków i neurorozwój strukturalny

3. Neurorozwój strukturalny młodzieży

Mózg nastolatka przechodzi dramatyczne zmiany w morfologii ogólnej. Badania obrazowania strukturalnego człowieka wykazały, że w całej korze mózgowej następuje utrata istoty szarej w okresie dojrzewania, przy czym redukcja istoty szarej w częściach płata skroniowego i grzbietowo-bocznej PFC występuje w późnym okresie dojrzewania.Gogtay i in., 2004; Sowell i in., 2003; Sowell i in., 2001; Sowell i in., 2002). Redukcja istoty szarej jest również widoczna w prążkowiu i innych strukturach podkorowych (Sowell i in., 1999; Sowell i in., 2002). Zmiany te mogą być związane z masowym przycinaniem synaps obserwowanym w tym okresie w badaniach na zwierzętach (Rakic ​​i in., 1986; Rakic ​​i in., 1994), chociaż niektórzy kwestionują to połączenie, ponieważ boutony synaptyczne stanowią tylko niewielką część objętości kory (Paus i in., 2008). Obrazowanie ludzi ujawniło również, że w okresie dojrzewania istota biała zwiększa się w korowych i podkorowych drogach włókiennych (Asato i in., 2010; Benes i in., 1994; Paus i in., 2001; Paus i in., 1999), wynikający ze zwiększonej mielinizacji, kalibru aksonów lub obu (Paus, 2010). Zmiany we wzorcach łączności zachodzą również w okresie dojrzewania. Na przykład zaobserwowano kiełkowanie i wzrost aksonów w obwodach łączących ciało migdałowate z miejscami docelowymi w korze mózgowej (Cunningham i in., 2002), a między PFC a prążkowiem i innymi obszarami obserwuje się zwiększenie ilości istoty białej (Asato i in., 2010; Giedd, 2004; Gogtay i in., 2004; Liston i in., 2006; Paus i in., 2001; Sowell i in., 1999).

W dokładniejszej skali badania na szczurach i naczelnych wykazały liczne różnice w układach neuroprzekaźników u nastolatków. U nastolatków występuje tendencja do nadmiernej ekspresji receptorów dopaminergicznych, adrenergicznych, serotoninergicznych i endokannabinoidowych w wielu regionach, po czym następuje redukcja do poziomu u dorosłych.Lidow i Rakic, 1992; Rodriguez de Fonseca i in., 1993). Wyrażają one receptory dopaminowe D1 i D2 na wyższych poziomach w celach podkorowych, takich jak prążkowie grzbietowe i jądro półleżące, chociaż u niektórych nie stwierdzono zmniejszonej ekspresji w tym ostatnim regionie u dorosłych (Gelbard i in., 1989; Tarazi i Baldessarini, 2000; Tarazi i wsp., 1999; Teicher i wsp., 1995). W okresie dojrzewania zachodzą również zmiany w produkcji i obrocie dopaminy, a także dowody na zmiany w dalszych skutkach wiązania receptora z ligandem (Badanich i in., 2006; Cao i in., 2007; Coulter i in., 1996; Laviola i wsp., 2001; Tarazi i wsp., 1998). Funkcjonalnie, istnieją dowody pochodzące ze znieczulonych szczurów, że spontaniczna aktywność neuronów dopaminowych śródmózgowia osiąga szczyt w okresie dojrzewania, a następnie maleje (McCutcheon i Marinelli, 2009). Zmiany rozwojowe w obwodach i aktywności mezokortykolimbicznej dopaminy mogą leżeć u podstaw pewnych różnic w zachowaniach motywowanych ogólnie, a w szczególności w podejmowaniu ryzyka i podatności na uzależnienia. W kilku badaniach zaobserwowano zmniejszone działanie psychomotoryczne leków pobudzających u dorastających zwierząt, ale wzmocnione lub podobne działanie wzmacniające (Adriani i wsp., 1998; Adriani i Laviola, 2000; Badanich i in., 2006; Bolanos i in., 1998; Frantz i in., 2007; Laviola i wsp., 1999; Mathews i McCormick, 2007; Włócznia i hamulec, 1983). Natomiast młodzież jest bardziej wrażliwa na kataleptyczne działanie neuroleptyków (np. haloperidolu), które są antagonistami receptorów dopaminy (Włócznia i hamulec, 1983; Spear i in., 1980; Teicher i wsp., 1993). Niektórzy sugerują, że ten wzorzec, wraz ze wzmożoną eksploracją i poszukiwaniem nowości, wskazuje, że układ dopaminowy u nastolatków znajduje się w pobliżu „sufitu funkcjonalnego” na początku badania (Chambers i in., 2003).

Kilka dowodów sugeruje, że równowaga wielkoskalowej neurotransmisji pobudzającej i hamującej jest znacznie odmienna u nastolatków w porównaniu z dorosłymi. Poziom GABA, głównego neuroprzekaźnika hamującego w mózgu, wzrasta liniowo w okresie dojrzewania w przodomózgowiu szczura.Hedner i in., 1984). Ekspresja aktywujących receptorów glutaminianu NMDA na szybko rozwijających się neuronach (uważanych za interneurony hamujące) zmienia się dramatycznie w PFC nastolatków. W tym czasie zdecydowana większość szybko rosnących interneuronów nie wykazuje prądów synaptycznych, w których pośredniczy receptor NMDA (Wang i Gao, 2009). Dodatkowo modulujący wpływ zmian wiązania receptora dopaminy w okresie dojrzewania (O'Donnell i Tseng, 2010). Dopiero w tym czasie aktywacja receptorów dopaminy D2 zwiększa aktywność interneuronów (Tseng i O'Donnell, 2007). Co więcej, synergistyczna interakcja między aktywacją receptora dopaminy D1 i receptorem NMDA zmienia się w okresie dojrzewania, umożliwiając depolaryzację plateau, co może ułatwiać zależną od kontekstu plastyczność synaptyczną (O'Donnell i Tseng, 2010; Wang i O'Donnell, 2001). Te zmiany w sygnalizacji dopaminy, glutaminianu i GABA u nastolatków sugerują podstawowe różnice w aktywności nerwowej w mózgu nastolatka. Wszystkie te systemy są niezbędne dla procesów poznawczych i emocjonalnych. Ich dysfunkcja jest powiązana z wieloma chorobami psychicznymi, od zaburzeń nastroju i uzależnień po schizofrenię.

4. Neurorozwój funkcjonalny młodzieży

Badania neuroobrazowe wykazały różnice w aktywności funkcjonalnej nastolatków w kilku obszarach przodomózgowia. Różnice te obserwuje się przede wszystkim w obszarach mózgu, które kodują znaczenie emocjonalne (np. ciało migdałowate), integrują informacje sensoryczne i emocjonalne w celu obliczenia oczekiwań dotyczących wartości (np. kora oczodołowo-czołowa) i odgrywają różne role w motywacji, wyborze działań i uczeniu się skojarzeń (np. prążkowie). W porównaniu z dorosłymi nastolatki mają zmniejszoną odpowiedź hemodynamiczną w bocznej korze oczodołowo-czołowej i zwiększoną aktywność prążkowia brzusznego na nagrody (Ernst i in., 2005; Galvan i in., 2006). Inni odkryli zmniejszoną aktywność prawego prążkowia brzusznego i prawego przedłużonego ciała migdałowatego podczas oczekiwania na nagrodę, bez zaobserwowanych różnic w aktywności związanych z wiekiem po wyniku wzmocnienia (Bjork i in., 2004). W przypadku podejmowania decyzji u nastolatków podczas ryzykownych wyborów stwierdzono zmniejszoną aktywację PFC prawego przedniego obręczy i lewego oczodołowo-czołowego/brzuszno-bocznego obszaru w porównaniu z dorosłymi (Eshel i in., 2007). Młodzież aktywowała również prążkowie brzuszne i korę oczodołowo-czołową silniej niż dorośli, ponieważ podejmowały większe ryzyko podczas gry w prowadzenie samochodu ze stoperem – efekt wynikał z ukrytej presji rówieśników (Chein i in., 2011).

W kilku badaniach zaobserwowano niedojrzałość systemów kontroli poznawczej u nastolatków wraz z gorszą wydajnością behawioralną (Luna i in., 2010). Na przykład podczas zadań wymagających zahamowania dominującej odpowiedzi (której skuteczność poprawia się wraz z wiekiem) u nastolatków w niektórych podregionach zaobserwowano zwiększoną aktywność PFC, a w innych zmniejszoną (Bunge i in., 2002; Rubia i in., 2000; Tamm i in., 2002). Podczas zadania kontroli poznawczej przeciwko sakkadzie aktywność prążkowia brzusznego u nastolatków (ale nie u dorosłych) była zmniejszona podczas oglądania wskazówki wskazującej, czy nagroda była dostępna podczas danej próby, ale była bardziej aktywowana niż jej odpowiednik u dorosłego podczas oczekiwania na nagrodę (Geier i in., 2009). Zatem nastolatki na ogół aktywują podobne struktury poznawcze i afektywne jak dorośli, choć często z różną siłą, wzorami przestrzennymi i czasowymi lub poziomami wzajemnych powiązań funkcjonalnych (Hwang i in., 2010).

Dojrzewanie połączeń wewnątrz- i międzyregionalnych oraz koordynacja neuronalna mogą odgrywać kluczową rolę w rozwoju zachowań nastolatków. Istnieje bezpośredni związek pomiędzy pomiarami ilości istoty białej czołowo-prążkowiowej, której ilość wzrasta w okresie dojrzewania, a wynikami kontroli hamowania.Liston i in., 2006). Rozwój istoty białej jest również bezpośrednio powiązany z lepszą integracją funkcjonalną obszarów istoty szarej, co sugeruje bardziej rozproszoną aktywność sieciową poprzez rozwój (Stevens i in., 2009). Potwierdza to badanie, w którym przy użyciu MRI funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku oraz analizy wykresów zaobserwowano przejście od większej łączności z anatomicznie położonymi węzłami do sieci, które były szerzej zintegrowane we wszystkich węzłach w wieku dorosłym, niezależnie od odległości (Fair i in., 2009). Podobnie związany z wiekiem wzrost integracji funkcjonalnej obszarów czołowych i ciemieniowych zapewnia lepszą skuteczność kontroli hamowania odgórnego w zadaniu przeciwsakkadowym (Hwang i in., 2010). Rozwój istoty białej, szybkie przycinanie synaps (które są w dużej mierze lokalnymi połączeniami pobudzającymi) i zmiany rozwojowe w lokalnej aktywności interneuronów mogą razem ułatwiać szerszą koordynację funkcjonalną między obszarami mózgu poprzez rozwój. Mniej rozpowszechnioną aktywność u nastolatków wykazano także w innym zadaniu kontroli poznawczej (Velanova i in., 2008). Jednocześnie rozproszony sygnał funkcjonalny, nieskorelowany z wykonaniem zadania, maleje w miarę rozwoju (Durston i in., 2006). Zatem wzorzec korzystania przez dorosłych z bardziej rozproszonych sieci zbiega się ze zmniejszoną aktywnością niezwiązaną z zadaniem, co wskazuje na większą efektywność wzorca i zakresu przetwarzania korowego.

Badania elektrofizjologiczne dostarczyły także dowodów na dalszy rozwój odpowiedzi neuronalnych oraz większą skoordynowaną aktywność lokalną i dalekosiężną w okresie dojrzewania. Na przykład warunkowa zmienność ujemna, która jest potencjałem związanym z ujemnym napięciem związanym ze zdarzeniem podczas przygotowywania reakcji, rozwija się dopiero w późnym dzieciństwie i nadal staje się większa w okresie dojrzewania (Bender i in., 2005; Segalowitz i Davies, 2004). Uważa się, że odzwierciedla to związane z wiekiem różnice w rozkładzie przetwarzania uwagi i kontroli motorycznej przez PFC (Segalowitz i in., 2010). Inną zmianą elektrofizjologiczną związaną z wiekiem jest pojawienie się silnego dodatniego szczytu (P300) w przybliżeniu 300 ms po przyjęciu bodźca. Dojrzały wzór P300 pojawia się dopiero w wieku około 13 lat (Segalowitz i Davies, 2004). Wreszcie, negatywność związana z błędami to ujemne napięcie skupione w przedniej części kory obręczy podczas prób błędów w różnych zadaniach. Chociaż istnieje pewna zmienność w wieku jego pojawienia się, wydaje się, że pojawia się około połowy okresu dojrzewania (Segalowitz i Davies, 2004). Odkrycia te dostarczają dodatkowych dowodów na ciągłe dojrzewanie przetwarzania kory przedczołowej w okresie dojrzewania. Segalowitz i współpracownicy odkryli również, że stosunek sygnału do szumu sygnałów elektrycznych u dzieci i młodzieży był często niższy niż u dorosłych. Może to być spowodowane niedojrzałością funkcjonalną lub niestabilnością wewnątrzosobniczą obszarów mózgu wytwarzających te sygnały (Segalowitz i in., 2010). Może to również odzwierciedlać zmniejszoną koordynację neuronową u nastolatków w obrębie obszarów mózgu i pomiędzy nimi. Interpretacja ta jest zgodna z pracą wykonaną przez Uhlhaas i współpracownicy (2009b), w którym rejestrowano elektroencefalogramy (EEG) u dzieci, młodzieży i dorosłych podczas zadania rozpoznawania twarzy. Zaobserwowali zmniejszoną moc oscylacyjną w paśmie theta (4–7 Hz) i gamma (30–50 Hz) u nastolatków w porównaniu z dorosłymi. Dodatkowo zaobserwowano większą synchronizację fazową dalekiego zasięgu w pasmach theta, beta (13–30 Hz) i gamma, a także lepszą wydajność zadań u dorosłych. Oscylacje EEG wynikają z wahań pobudliwości neuronów i uważa się, że regulują moment wystąpienia impulsu (Frytki, 2005). Pomiary synchronizacji w określonych pasmach częstotliwości ułatwiają komunikację między grupami neuronowymi i mogą mieć kluczowe znaczenie dla wielu procesów percepcyjnych i poznawczych (Uhlhaas i in., 2009a). Zatem odkrycia te stanowią dowód na wzmożone skoordynowane przetwarzanie lokalne i lepszą komunikację międzyregionalną od okresu dojrzewania do dorosłości (Uhlhaas i in., 2009b).

Innym użytecznym podejściem do badania zmian aktywności neuronalnej w okresie dojrzewania jest metoda in vivo zapis elektrofizjologiczny z wszczepionych układów elektrod u nieprzytomnych zwierząt. Technika ta umożliwia rejestrację aktywności poszczególnych neuronów, a także potencjałów pola na większą skalę. Niedawno przeprowadziliśmy takie badanie, w którym dorastające i dorosłe szczury wykonywały proste zachowanie ukierunkowane na cel (Rysunek 1a), ponieważ nagrania zostały pobrane z kory oczodołowo-czołowej. Podczas gdy młodzież i dorośli zachowywali się tak samo, zaobserwowano uderzające różnice w kodowaniu neuronowym związane z wiekiem, zwłaszcza w zakresie nagrody (Sturman i Moghaddam, 2011). Oznacza to, że nawet jeśli zachowanie może wydawać się podobne, kora przedczołowa u nastolatków jest w innym stanie niż u dorosłych. Konkretnie, neurony kory oczodołowo-czołowej u nastolatków stały się znacznie bardziej podekscytowane nagrodą, podczas gdy odsetek neuronów hamowanych u nastolatków był znacznie mniejszy w tym czasie i w innych momentach zadania (Rysunek 1b). Ponieważ hamowanie neuronowe ma kluczowe znaczenie dla kontrolowania dokładnego harmonogramu impulsów i porywania zsynchronizowanej aktywności oscylacyjnej (Cardin i in., 2009; Fries i in., 2007; Sohal i in., 2009), zmniejszone hamowanie neuronów kory oczodołowo-czołowej u nastolatków związane z zadaniami może być bezpośrednio związane z różnicami w kodowaniu neuronowym na większą skalę obserwowanymi w tym badaniu i opisanymi przez innych. Wreszcie, przez większą część zadania nastolatki wykazywały większą zmienność w czasie impulsów między próbami, co mogło wskazywać na niższy stosunek sygnału do szumu w korze przedczołowej u nastolatków. Dlatego w miarę rozwoju kory przedczołowej zwiększone hamowanie fazowe na poziomie pojedynczej jednostki może wspierać lepszą wewnątrz- i międzyregionalną koordynację neuronową i wydajność przetwarzania.

  

Rysunek 1

A) Schemat zadania behawioralnego. Szczury zachowywały się instrumentalnie w standardowej komorze operacyjnej. Każda próba rozpoczynała się od pojawienia się światła sygnalizacyjnego w otworze w nosie (Cue). Jeśli szczur wszedł do tej dziury, gdy światło było włączone (Szturchnięcie) ...

5. Hipotezy neurobehawioralne

Biorąc pod uwagę wszystkie zmiany neurorozwojowe występujące w okresie dojrzewania, co odpowiada za szczególne różnice w zachowaniu i podatność na zagrożenia w tym okresie? W poprzednich sekcjach przedstawiono dowody na różnorodne zmiany neurorozwojowe u nastolatków oraz związane z wiekiem różnice w zachowaniu i podatności na zagrożenia. Poniżej przedstawiamy kilka hipotez lub modeli, które wyraźnie łączą różnice między nastolatkami w zachowaniach motywowanych, rozwoju społecznym i hamowaniu zachowań z dojrzałością określonych obwodów nerwowych (Tabela 2).

  

Tabela 2

Hipotezy neurobehawioralne integrujące zmiany zachowania nastolatków z rozwojem mózgu

Udoskonalenie sieci przetwarzania informacji społecznych przez młodzież to jeden z modeli łączących rozwój społeczny nastolatków ze zmianami w mózgu (Nelson i in., 2005). Ramy te opisują trzy wzajemnie połączone węzły funkcjonalne o odrębnych podstawach struktury nerwowej: węzeł detekcyjny (kora potyliczna dolna, kora skroniowa dolna i przednia, bruzda śródciemieniowa, zakręt wrzecionowaty i bruzda skroniowa górna), węzeł afektywny (ciało migdałowate, prążkowie brzuszne, przegroda, jądro łoża prążka końcowego, podwzgórze i w niektórych stanach kora oczodołowo-czołowa) oraz węzeł poznawczo-regulacyjny (części kory przedczołowej). Węzeł detekcyjny określa, czy bodźce zawierają informację społeczną, która jest dalej przetwarzana przez węzeł afektywny, który nadaje takim bodźcom znaczenie emocjonalne. Węzeł poznawczo-regulacyjny dalej przetwarza te informacje, wykonując bardziej złożone operacje związane z postrzeganiem stanów psychicznych innych, hamowaniem dominujących reakcji i generowaniem zachowań ukierunkowanych na cel (Nelson i in., 2005). Przypuszcza się, że zmiany wrażliwości i interakcji tych węzłów u nastolatków intensyfikują doświadczenia społeczne i emocjonalne, silnie wpływają na podejmowanie decyzji przez młodzież i przyczyniają się do pojawienia się psychopatologii w tym okresie (Nelson i in., 2005).

Triadyczny model węzła (Ernst i in., 2006) zakłada, że ​​specyficzna trajektoria rozwoju obszarów mózgu odpowiedzialnych za przetwarzanie afektywne i kontrolę poznawczą, a także równowaga między nimi, może leżeć u podstaw skłonności nastolatków do podejmowania ryzyka. Model ten również opiera się na aktywności trzech węzłów odpowiadających określonym obszarom mózgu. W tym przypadku węzeł odpowiedzialny za podejście do nagrody (prążkowie brzuszne) jest w równowadze z węzłem unikania kary (ciało migdałowate). Węzeł modulacyjny (kora przedczołowa) wpływa na względny wpływ tych równoważących sił, a ryzykowne zachowanie będzie wynikać z ostatecznego podejścia faworyzującego rachunek różniczkowy. Zgodnie z tym modelem w sytuacjach, w których występuje probabilistyczny kompromis między bodźcami apetytywnymi i awersyjnymi, węzeł podejścia jest bardziej dominujący u nastolatków. Nadpobudliwość lub nadwrażliwość układu nagrody może w przeciwnym razie zostać skorygowana przez aktywność części kory przedczołowej, jednak jej niedorozwój u nastolatków nie pozwala na odpowiednią samokontrolę i kontrolę hamowania (Ernst and Fudge, 2009).

Casey i wsp. wysuwają hipotezę, że różnice w trajektorii rozwoju kory przedczołowej u nastolatków w porównaniu ze strukturami podkorowymi (np. prążkowiem brzusznym i ciałem migdałowatym), wraz z połączeniami między nimi, mogą wyjaśniać skłonności behawioralne u nastolatków (Casey i in., 2008; Somerville i Casey, 2010; Somerville i in., 2010). Podczas wykonywania zadania polegającego na otrzymywaniu nagród o różnej wartości zakres aktywności jądra półleżącego u nastolatków był podobny do tego u dorosłych (choć był większy), natomiast wzór aktywności kory oczodołowo-czołowej bardziej przypominał aktywność dzieci niż dorosłych (Galvan i in., 2006). Względna dojrzałość układów podkorowych i niedojrzałość kory przedczołowej, która ma kluczowe znaczenie dla kontroli poznawczej, może prowadzić do większej skłonności nastolatków do poszukiwania wrażeń i podejmowania ryzyka. Kluczem tutaj, podobnie jak w triadycznym modelu węzłów, jest koncepcja względnej nierównowagi międzyregionalnej w okresie dojrzewania, w przeciwieństwie do dzieciństwa, gdy wszystkie te regiony są stosunkowo niedojrzałe, i dorosłości, gdy wszystkie są dojrzałe (Somerville i in., 2010). Model ten jest również podobny do modelu Steinberga, według którego względny spadek podejmowania ryzyka od okresu dojrzewania do dorosłości wynika z rozwoju systemów kontroli poznawczej, połączeń ułatwiających integrację poznania i afektu między obszarami korowymi i podkorowymi oraz różnic w istotności nagrody lub wrażliwość (Steinberg, 2008).

Głównym tematem tych modeli jest to, że u nastolatków istnieją różnice w wrażliwości, poziomie lub efekcie aktywności w obszarach korowych i podkorowych w sieciach, które służą przetwarzaniu emocjonalnemu i kontroli poznawczej. Na podstawie naszych danych i innych dowodów postawiliśmy hipotezę, że takie różnice mogą wynikać ze zmniejszonej koordynacji neuronalnej i wydajności przetwarzania u nastolatków, co objawia się mniej efektywnym transferem informacji między regionami oraz brakiem równowagi w pobudzeniu i hamowaniu neuronów w krytycznych obszarach mózgu , takie jak kora oczodołowo-czołowa i części zwojów podstawy. Jak opisano wcześniej, in vitro prace wykazały dramatyczne zmiany we wzorcach ekspresji różnych receptorów oraz skutki aktywacji receptorów, w tym odpowiedź hamujących szybko rosnących interneuronów na stymulację receptora dopaminy i NMDA. Oczekuje się, że takie zmiany wpłyną zarówno na równowagę pobudzenia i hamowania, jak i koordynację grup neuronowych. Ponieważ szybko rosnąca aktywność interneuronów ma kluczowe znaczenie dla kontrolowania dokładnego czasu aktywności neuronów i porywania oscylacji, zmiany rozwojowe w aktywności interneuronów u nastolatków i ich reakcja na neuromodulatory, takie jak dopamina, mogą mieć kluczowe znaczenie dla niektórych z tych różnic w przetwarzaniu związanych z wiekiem. W rezultacie aktywność neuronowa u nastolatków może być mniej skoordynowana, głośniejsza i bardziej lokalna, a także być może bardziej wrażliwa na behawioralnie aktywujące skutki nagród, nowości lub innych istotnych bodźców. Zmniejszona międzyregionalna koordynacja oscylacyjna, dodatkowo utrudniona przez niepełną mielinizację, może łącznie wyjaśniać mniej rozproszoną aktywność funkcjonalną obserwowaną w badaniach obrazowych. Wspomniana wcześniej tendencja nastolatków do faworyzowania ryzykownych wyborów w kontekstach naładowanych emocjonalnie może być również powiązana z połączeniem ograniczonej komunikacji międzyregionalnej (np. niezdolność kory przedczołowej do skutecznego tłumienia podkorowych sygnałów „start” w zwojach podstawy mózgu) i przesadnej aktywacja i/lub zmniejszone hamowanie istotnych sygnałów w kontekście zachowań motywowanych, jak zaobserwowaliśmy podczas oczekiwania na nagrodę w korze oczodołowo-czołowej.

6. Streszczenie

Gdy dowiedzieliśmy się więcej o specyficznych zmianach w mózgu i zachowaniu zachodzących w okresie dojrzewania, zaproponowano kilka modeli neurobehawioralnych. Centralnym punktem większości z nich jest pogląd, że niedojrzałe przetwarzanie neuronowe w korze przedczołowej oraz innych obszarach korowych i podkorowych, wraz z ich interakcjami, prowadzi do zachowań ukierunkowanych na ryzyko, nagrodę i reaktywność emocjonalną w okresie dojrzewania. Niedawne prace nad rozwojem hamujących obwodów międzyneuronowych i ich zmieniającą się interakcją z układami neuromodulacyjnymi w okresie dojrzewania mogą również rzucić światło na to, dlaczego choroby takie jak schizofrenia zwykle ujawniają się w tym okresie. Wykorzystując techniki takie jak fMRI u ludzi i zapisy elektrofizjologiczne u zwierząt laboratoryjnych, zaczynamy dokładniej identyfikować, w jaki sposób nastolatki inaczej niż dorośli przetwarzają nagrodę i inne aspekty motywowanego zachowania. Jest to kluczowy krok w stronę ustalenia słabych punktów normalnego zachowania nastolatków w mózgu oraz zrozumienia patofizjologii chorób psychicznych, które rozwijają się w tym okresie.

Przypisy

Referencje