Подростковый возраст как чувствительный период развития мозга (2015)

Стадия публикации: в прессе Исправлено доказательство

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

Определение пластичности и чувствительных периодов

В 1960s Wiesel и Hubel исследовали влияние монокулярной депривации на 1-4 месяцев после открытия глаза. Нейроны в соответствующей зрительной коре впоследствии потеряли отзывчивость к стимулам, направленным на ранее лишенный глаз, и начали реагировать преимущественно на незатронутый глаз [1, 2]. Монокулярная депривация в первые 3 месяцы жизни также была связана с атрофией в клетках таламуса, получавших вход от лишенного глаза. Восстановление после этой атрофии было очень ограниченным даже после 5 лет воздействия света. Напротив, монокулярная депривация после 3 месяцев возраста практически не вызывала физиологических, морфологических или поведенческих эффектов [3, 4]. Результаты этих исследований были взяты за доказательство того, что первые несколько месяцев жизни образуют чувствительный период для развития перцепции, во время которого усиливается нейронная пластичность [5].

Пластичность описывает способность нервной системы адаптировать ее структуру и функцию в ответ на экологические требования, опыт и физиологические изменения [6]. Человеческий мозг сохраняет базовый уровень пластичности на протяжении всей жизни - это известно как зависимая от опыта пластичность и лежит в основе всего обучения [7]. Пластичность в чувствительные периоды, напротив, является опытным - организм «ожидает» подвергаться воздействию определенного раздражителя за это время [7].

Чувствительные периоды первоначально назывались «критическими периодами». Этот термин используется реже, потому что с тех пор стало ясно, что некоторое восстановление функции может быть возможно даже вне временного окна с наивысшей чувствительностью. В случае визуального развития позднее исследование монокулярной депривации у котят показало, что животных можно обучить использовать изначально лишенный глаз после того, как он будет обнаружен, и это может привести к определенному уровню выздоровления [8].

Исследования чувствительных периодов зрительной системы у людей основывались на естественных случаях визуальной депривации у лиц, родившихся с катарактой, которые закрывают линзу глаза. Взгляд может быть восстановлен после процедур отмены катаракты. Исследования разворота катаракты показывают различия между чувствительными периодами для нормального зрительного развития, периоды чувствительности к лишениям и периоды восстановления после лишения [9]. Например, для остроты зрения период типичного развития визуально обусловлен в течение первых 7 лет жизни, но люди по-прежнему чувствительны к лишениям до 10 лет, и некоторое восстановление функции может быть возможно на протяжении всей жизни [10].

Развитие языка также, как правило, демонстрирует повышенную пластичность в детстве [11, 12], хотя для языка не существует единого чувствительного периода. Различные лингвистические способности приобретаются частично разделяемыми нейронными системами, и они могут различаться в зависимости от депривации и периодов повышенной пластичности [13]. Например, врожденная глухота связана с измененной обработкой грамматической информации, тогда как семантическая обработка, по-видимому, нечувствительна к слуховой недостаточности [14]. Это подчеркивает специфику чувствительных периодов.

Работа над молекулярными механизмами, лежащими в основе ранних чувствительных периодов, показала, что баланс возбуждающей и тормозной нейротрансмиссии является триггером повышенной пластичности и что молекулярные «тормоза» обычно ограничивают пластичность в конце чувствительных периодов [15]. Время начала и смещения чувствительных периодов является податливым. Исследования с обезьянами показали, что чувствительный к лицу период в начале жизни может быть увеличен на 2 или более лет, если в это время младенческие обезьяны не подвергаются воздействию раздражителей. Таким образом, личная депривация задерживает начало чувствительного периода [16]. Конец чувствительного периода может в некоторых случаях быть самогенерированным: обучение может стимулировать приверженность нейронных структур, эффективно уменьшая пластичность [17, 18]. Например, восприятие лица подвергается перцептуальному сужению, в ходе которого люди становятся лучше обрабатывать категорию лиц, на которые они наиболее подвержены, за счет категорий, которые они видят реже, производя такие эффекты, как предвзятость восприятия лица в собственной расы [19]. Другим объяснением конца чувствительных периодов является то, что нейропластичность фактически не снижается, но вместо этого существует менее или менее разнообразная экологическая стимуляция [18].

Большинство исследований по чувствительным периодам сосредоточились на раннем детстве, тогда как опыт-ожидаемая пластичность в более поздние периоды развития несколько пренебрегали. Исследователи начали рассматривать возможность того, что подростковый возраст представляет собой «второй период повышенной пластичности» (Steinberg, 2014 [20], п. 9; также см [21, 22]). Подростковый возраст, период жизни, который начинается в период полового созревания и заканчивается в тот момент, когда индивид достигает самостоятельной роли в обществе [23], характеризуется заметными изменениями в структуре и функции мозга (Box 1). В этой статье мы исследуем три области развития подростков, которые предлагается характеризовать повышенной пластичностью: памятью, социальной обработкой и последствиями употребления наркотиков. Мы утверждаем, что успехи в исследованиях в области развития дали интригующие данные, которые согласуются с повышенной пластичностью в подростковом возрасте. Однако, несмотря на недавние успехи, конкретных доказательств для чувствительных периодов в основном не хватает.

+

Box 1

Нейрокогнитивное развитие в подростковом возрасте

Какие доказательства будут соответствовать подростку, являющемуся чувствительным периодом?

Если бы подростковый возраст действительно был чувствительным периодом, ожидалось бы определенных закономерностей в данных развития. Во-первых, влияние специфического стимула на мозг и поведение должно быть выше в подростковом возрасте, чем до или после. По этой причине необходимы исследования, сравнивающие детей, подростков и взрослых. Только если рассматривать все эти возрастные группы, можно ли оценить, является ли подростковый период автономным периодом повышенной пластичности (Рисунок 1, Модель A), непрерывный чувствительный период с детством (Рисунок 1, Модель B) или вообще не представляет собой чувствительный период (Рисунок 1, Модель C).

В результате различий в сроках созревания различных областей и схем мозга [24], ожидалось значительное изменение в начале и вне набора чувствительных периодов для разных стимулов. Так же, как раннее развитие характеризуется несколькими чувствительными периодами [9, 13], подростковый возраст не считается чувствительным периодом сам по себе; вместо этого предлагается, чтобы в подростковом возрасте наблюдались определенные периоды, в течение которых ожидается определенный вклад от окружающей среды.

Если определенные экологические стимулы действительно оказывают повышенное влияние в течение этого времени, мы ожидаем, что там будет усиленное обучение, особенно навыков позднего созревания. Это будет обсуждаться в следующем разделе о памяти. Отсутствие стимуляции или аберрантной стимуляции также будет иметь непропорциональный эффект в течение этого времени. Эта особенность чувствительных периодов будет обсуждаться в разделе о влиянии социального стресса.

Подростковая пластичность может отличаться от пластичности в начале развития, потому что, в отличие от младенцев и маленьких детей, подростки более склонны и могут активно выбирать экологические стимулы, которые они испытывают. Как правило, в детстве окружающая среда более структурирована родителями или опекунами, в то время как подростки имеют больше самостоятельности, чтобы выбирать, что испытывать и с кем [25]. Таким образом, мы можем ожидать значительную степень индивидуальных различий в чувствительных периодах в подростковом возрасте, а некоторые чувствительные периоды могут когда-либо испытывать только подростки. Это будет обсуждаться в разделе о влиянии употребления наркотиков.

Подростковый возраст как чувствительный период памяти

В возрасте 35 мы с большей вероятностью будем вспоминать автобиографические воспоминания с возрастов 10 до 30 лет, чем воспоминания до или после этого периода, явление, называемое «реминисценцией» [26]. Буква воспоминаний удивительно прочная и показывает аналогичную картину при тестировании с различными мнемоническими тестами и в разных культурах [26, 27]. Помимо автобиографических событий, отзыв музыки, книг, фильмов и общественных событий из подросткового возраста также превосходит по сравнению с другими периодами жизни [28, 29]. Даже мирские события, произошедшие в подростковом возрасте и в раннем взрослом возрасте, по-видимому, чрезмерно представлены в памяти, что говорит о том, что в это время жизни повышается способность к ямостям [30]. Например, крупномасштабное исследование показало пик других аспектов памяти, таких как вербальная и зрительно-пассивная память между 14 и 26 годами возраста [31]. Хотя эти данные указывают на чувствительные периоды, необходимы учебные исследования, чтобы предоставить экспериментальные данные для чувствительных периодов памяти.

Учебные занятия доступны для рабочей памяти (WM), возможности хранения и управления информацией [32]. Простые аспекты WM, такие как задержка пространственного отзыва, могут достигнуть зрелости в детстве [33]. Более сложные возможности WM, такие как стратегический самостоятельный пространственный поиск, продолжают улучшаться в раннем подростковом возрасте [33]. Такие сложные задачи WM вербуют лобные области, которые проявляют особенно затяжное развитие в подростковом возрасте [34] (Box 1).

Имеются некоторые доказательства пластичности ВМ в развитии. Для детей и молодых подростков выгоды в обучении по методу «n-back type», но не обучение на основе знаний, перенесены на усовершенствования в области разведывательной информации [35]. Улучшения поддерживались в течение 3-месячного периода, в течение которого не проводилось никакой дополнительной подготовки. Обучение ВМ может быть эффективным для подростков с плохим функционированием исполнительных органов, а также для типично развивающихся мер контроля [36]. Тем не менее, мы пока не знаем, насколько подростки могут влиять на эффекты обучения по сравнению с детьми или взрослыми. Исследования, в которых дети, подростки и взрослые подвергаются когнитивной подготовке, и эффекты сравниваются с активными группами контроля, которые получают обучение плацебо, будут особенно информативными в определении того, является ли подростковый период чувствительным периодом для развития ВМ [37]. Такие исследования могут непосредственно информировать образовательные мероприятия и политику (Box 2).

+

Box 2

Образование в подростковом возрасте

Подростковый возраст как чувствительный период воздействия стресса на психическое здоровье

Многие психические заболевания имеют свое начало в подростковом возрасте и в раннем взрослом возрасте [38, 39]. Продольное исследование показало, что 73.9% взрослых с психическим расстройством получили диагноз до 18 лет и 50.0% до 15 лет [40]. Считается, что психические расстройства могут быть частично вызваны воздействием стресса в детском или подростковом возрасте [41]. Считается, что социальный стресс, в частности, имеет непропорциональное влияние за это время [41]. Например, опыт аккультурного стресса, связанный с миграцией, предсказывает продольно интернализирующие симптомы, такие как депрессия и беспокойство в подростковом возрасте [42]. Однако есть свидетельства того, что издевательство в детстве (возраст 7 или 11) также оказывает продолжительное воздействие на физическое и психическое здоровье во взрослом возрасте [43].

Исследования грызунов дают возможность манипулировать экспериментальным воздействием социального стресса и предлагают ценную информацию о пагубных последствиях стресса в подростковом возрасте. Подростковый возраст у самок крыс длится примерно от постнатального дня (PND) 30 до 60, а от PND 40 до 80 у мужчин. У самцов мышей отрочество длится от PND 20 до 40, а от PND 25 до 55 у мужчин [44]. Следует отметить, что в литературе имеются значительные различия в возрасте грызунов, отнесенных к категории подростков или взрослых [44]. Было показано, что крысы-подростки, подвергшиеся повторному поражению доминирующим индивидуумом, проявляют разные поведенческие закономерности (большее избегание, а не агрессию), и меньше восстанавливаются от возобновления стресса по сравнению со взрослыми крысами. Воздействие стресса в подростковом возрасте (по сравнению с взрослой жизнью) у крыс также было связано с меньшей активацией нейронов в областях префронтальной коры, цингуляции и таламуса [45]. Это исследование не включало несовершеннолетних, ограничивающих выводы для чувствительных периодов.

Отсутствие какой-либо социальной стимуляции также может иметь пагубные последствия. Было показано, что социальная изоляция у самцов и самцов крыс оказывает необратимое воздействие на некоторые аспекты исследовательского поведения, но только если изоляция произошла между PND 25 и 45, но не раньше или после [46]. Таким образом, это представляется уязвимым периодом для социальной депривации у крыс. Хотя эта парадигма не была непосредственно переведена на людей, исследования показали, что подростки-подростки проявляют больший уровень беспокойства в ответ на социальную изоляцию, чем взрослые [47, 48]. Социальная изоляция также связана с развитием социальной тревоги в подростковом возрасте [49]. Предоставление доказательств влияния социальной изоляции на развитие у людей не только важно с теоретической точки зрения, но также может способствовать разработке и временному вмешательству в психическое здоровье, направленному на повышение устойчивости к социальной изоляции.

Подростковый возраст может также быть чувствительным периодом для восстановления после опыта социального стресса [50]. Обучение страху исчезновения является ключевым для здорового ответа на стресс, например [51]. Для психиатрических состояний, таких как посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР), стресс сохраняется, хотя стрессор больше не присутствует. Было обнаружено, что в подростковом возрасте наблюдается ослабление обучения исчезновению по сравнению с детством и взрослой жизнью - как у людей, так и у мышей (Рисунок 2) [50]. Данные грызунов в ходе исследования показали, что отсутствие синаптической пластичности в передней части предротовой коры в подростковом возрасте связано с уменьшением исчезновения страха. Это означает, что лечение десенсибилизации, основанное на принципах обучения исчезновению страха, может быть менее эффективным в подростковом возрасте и подчеркивает необходимость разработки альтернативных методов лечения для этой возрастной группы. Особая сила этого исследования заключается в том, что он включает в себя детские, подростковые и взрослые возрастные группы, а также предоставление нейронных доказательств у грызунов. Результаты показывают, что подростковый возраст может быть чувствительным или уязвимым периодом для восстановления после стресса.

Подростковый возраст как чувствительный период воздействия на употребление наркотиков

Подростковый возраст - это время повышенного участия в рискованных видах поведения в области здоровья, таких как небезопасное сексуальное поведение, опасное вождение и эксперименты с алкоголем и другими наркотиками [52, 53]. Это увеличение рискованного поведения может быть частично опосредовано увеличением времени, проведенного с друзьями, а не с семьей [54]. Когда вместе со своими друзьями подростки с большей вероятностью будут участвовать в рискованном поведении, чем в одиночку [55]. Молодые подростки, по-видимому, особенно подвержены влиянию сверстников на восприятие риска по сравнению с другими возрастными группами (Рисунок 3) [56]. Это исследование показало степень социального влияния на восприятие риска в разных возрастных группах и показало, что, в то время как дети, молодые люди и взрослые были в большей степени подвержены влиянию взглядов взрослых на риск, молодые подростки были в большей степени подвержены влиянию мнений подростков по сравнению с мнения взрослых. Средние подростки не показали разницы в уровне влияния мнения взрослых и подростков о рисках, предполагая, что это переходный этап в развитии.

Когда со сверстниками подростки с большей вероятностью будут заниматься рискованным поведением, таким как употребление наркотиков [57]. Подростки, чьи друзья регулярно потребляют табак, алкоголь и каннабис, чаще всего используют наркотики, например [58]. Каннабис является одним из наиболее широко используемых рекреационных препаратов среди подростков и взрослых в США и Великобритании [59, 60]. Было подсчитано, что 15.2% европейцев в возрасте 15 до 24 использовали каннабис в прошлом году и 8% за последний месяц [61]. Считается, что воздействие каннабиноидов в раннем подростковом возрасте приводит к длительным изменениям в структуре мозга и когнитивном дефиците, что делает подростковый период уязвимым для его последствий [62, 63].

Рекреационное использование каннабиса до возраста 18 (но не во взрослой жизни) или тяжелое употребление в любом возрасте связано с атрофией серого вещества во временном полюсе взрослого, парафтопакампальной извилине и insula [64]. Продольные данные показали, что самосогласованное постоянное употребление каннабиса между 13 и 15 годами связано со значительным снижением IQ [65]. Чем дольше период потребления каннабиса, тем больше снижение IQ [65]. Это снижение IQ было признано более выраженным у участников, которые использовали каннабис до возраста 18 по сравнению с теми, кто начал использовать каннабис после 18. Эти данные свидетельствуют о том, что развивающийся мозг подростков может быть особенно чувствителен к неблагоприятным последствиям употребления каннабиса. Следует, однако, отметить, что альтернативные объяснения, такие как ранее существовавшие расстройства настроения или тревожные расстройства, опосредующие как использование каннабиса, так и когнитивные проблемы, не могут быть исключены в этом исследовании [66]. Эти исследования также не включали более молодые возрастные группы, и вполне возможно, что развивающийся мозг в детстве проявил бы подобную или даже большую чувствительность к каннабису, чем в подростковом возрасте. Однако, даже если бы это было так, такие чувствительности обычно не были бы выражены у людей, потому что подростковый возраст или взрослую жизнь обычно являются первой потенциальной точкой контакта с рекреационными наркотиками.

Молекулярные и клеточные данные о влиянии каннабиса в подростковом возрасте являются скудными, но есть некоторые косвенные доказательства повышенной чувствительности. Было показано, что каннабис влияет на эндоканнабиноидную систему, которая наряду с другими нейротрансмиттерными системами (например, глутаматергическими и допаминергическими системами) подвергается значительной реструктуризации в подростковом возрасте [67]. Хотя два ключевых каннабиноидных рецептора CB1 и CB2 уже присутствуют в эмбрионе грызунов (гестационный день 11-14 [68]), нейроанатомическое распределение и количество изменений рецепторов во время развития. Было обнаружено, что экспрессия рецептора CB1 в нескольких областях мозга достигает максимума с началом полового созревания у самцов и мужских грызунов [69]. Любое нарушение, вызванное воздействием каннабиса в течение подросткового периода, может оказывать длительное воздействие на эндоканнабиноидную систему, которая влияет на нейроразвивающие процессы, включая нейронный генезис, нервную спецификацию, миграцию нейронов, удлинение аксонов и образование глии [70, 71, 72]. Например, воздействие D9-тетрагидроканнабинола (THC), основного психоактивного ингредиента в каннабисе, во время полового созревания у самок крыс (PND 35-45) приводило к снижению плотности и функциональности рецептора CB1 в нескольких областях мозга [73]. Однако сравнительные данные других возрастных групп отсутствуют.

Убедительные доказательства того, что подростки чувствительны к употреблению наркотиков, получены из ряда исследований, посвященных хроническому воздействию каннабиноидов на самцов грызунов. Воздействие каннабиноидов в подростковом возрасте (PND 40–65) предсказывало долгосрочный когнитивный дефицит в зрелом возрасте (память распознавания объектов), тогда как подобное воздействие у препубертатных (PND 15–40) и молодых взрослых грызунов (> PND 70) не было связано с такими стойкими дефицит [74, 75]. Однако неясно, могут ли эти данные непосредственно перевести на людей. Следует также отметить, что только подмножество подростков-подростков экспериментирует с наркотиками, такими как каннабис. Будущие исследования необходимы для изучения индивидуальных различий, особенно в отношении влияния сверстников и поведения, связанного с риском, для понимания того, когда и для кого подростковый возраст может быть уязвимым периодом для употребления наркотиков.

Заключительные замечания

Доказательства пластичности в памяти и последствия социального стресса и употребления наркотиков согласуются с предложением о том, что подростковый период является чувствительным периодом для определенных областей развития. Самым сильным доказательством чувствительных периодов до настоящего времени являются исследования грызунов, свидетельствующие о повышенной уязвимости к разрушительным последствиям социальной изоляции и использования каннабиса, а также к уменьшению обучения исчезновению страха. Однако мало доказательств в отношении подросткового подросткового возраста. Необходимы исследования о воздействии обучения или стресса на детское детство, юность и взрослую жизнь (см. «Выдающиеся вопросы»).

+

Выдающиеся вопросы

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить Кэтрин Миллс за полезные комментарии к рукописи. DF финансируется Отделом психологии и языковых наук UCL. SJB финансируется при финансовой поддержке Университета Королевского общества. Наши исследования финансируются Фондом Наффилда и Wellcome Trust.

Опубликовано в Интернете: сентябрь 23, 2015