Нейробиология подросткового возраста: изменения в архитектуре мозга, функциональной динамике и поведенческих тенденциях (2011)

1. Введение

Подростковый возраст - это период, когда люди наблюдают за физическими изменениями своего тела, испытывают новые интересы и желания и обретают большую свободу, независимость и ответственность. Хотя подростки обычно различаются по определению, они, как правило, начинаются с наступления половой зрелости и заканчиваются по мере взятия на себя социальных ролей взрослых (Дал, 2004; Копье, 2000). Период полового созревания, который включает в себя ускоренный рост, изменения в составе тела, развитие гонад и вторичных половых органов и характеристик, а также сердечно-сосудистые и респираторные изменения, обычно происходит от возраста 10 до 17 у девочек и от 12 до 18 у мальчиков (Фалькнер и Таннер, 1986). Когда это происходит, подросток подвергается различным когнитивным, поведенческим и психосоциальным изменениям. Различные изменения в подростковом возрасте не все начинаются и заканчиваются вместе, и, таким образом, проблема соотношения изменений мозга у подростков с поведением является сложной. Изучение подросткового возраста похоже на стрельбу по движущейся цели, когда исследователи определяют «подростковые» группы разных возрастов и уровней развития. Кроме того, с середины 19^th Через 20^th более ранний средний возраст менархе наблюдался в западном мире (Фалькнер и Таннер, 1986; Таннер, 1990). Процесс обучения более продолжительный, и люди, как правило, ждут дольше, прежде чем начать свою карьеру, выйти замуж и завести детей (Дал, 2004). Таким образом, продолжительность подросткового периода не является фиксированной (и удлиняется), и хотя этот период коррелирует со многими биологическими процессами развития, он частично определяется в соответствии с психосоциальными и поведенческими критериями. Имея в виду эти предостережения, в литературе, рассмотренной здесь, в первую очередь определяется подростковый возраст у людей как второе десятилетие жизни, у обезьян - от двух до четырех лет, а у грызунов - от четвертой до шестой или седьмой недели.

Несмотря на неоднозначности определений, хорошо известно, что в этот период происходят значительные изменения, в том числе различные характерные поведенческие изменения, наблюдаемые у разных видов. Есть повышенное социальное поведение (Csikszentmihalyi и др., 1977), поиск новизны и ощущений (Адриани и др., 1998; Стэнсфилд и Кирстейн, 2006; Стэнсфилд и др., 2004), склонности к риску (Копье, 2000; Steinberg, 2008), эмоциональная нестабильность (Steinberg, 2005) и импульсивность (Адриани и Лавиола, 2003; Chambers et al., 2003; Фэрбенкс и др., 2001; Vaidya и др., 2004). Отношения со сверстниками становятся доминирующими, и есть большие склонности искать веселья и захватывающих событий (Nelson и др., 2005). Усиление поиска новизны и ощущений может быть эволюционно адаптивным, поскольку такое поведение может повысить шансы все более независимого подростка найти еду и партнера (Копье, 2010). Однако в современном обществе эти особенности могут быть связаны с принятием ненужных рисков. Поэтому подростковый возраст считается периодом поведенческой уязвимости: подростки чаще экспериментируют с табаком, запрещенными наркотиками и алкоголем; водить безрассудно; заниматься незащищенным сексом; и имеют межличностные конфликты (Arnett, 1992; Arnett, 1999; Chambers et al., 2003; Копье, 2000). Риск подросткового риска чаще встречается в группах (например, дорожно-транспортные происшествия), когда определенные виды поведения считаются приемлемыми для сверстников (например, незащищенный секс, употребление наркотиков) (Steinberg, 2008) и в эмоционально заряженных ситуациях (Figner et al., 2009). Таким образом, в то время как подростки пережили потенциальные проблемы со здоровьем в раннем детстве, их заболеваемость и смертность в два раза выше, чем у детей до полового возраста (Дал, 2004).

В дополнение к дополнительным рискам "обычные" развитие подростков, это также время, когда часто проявляются симптомы различных психических заболеваний, включая расстройства настроения, расстройства пищевого поведения и психотические расстройства, такие как шизофрения (Paus et al., 2008; Сосна, 2002; Sisk и Zehr, 2005; Волкмар, 1996). В течение этого периода происходит огромное количество нейробиологических изменений, которые приводят все в движение от каскада гормональных сигналов, которые инициируют половое созревание (Sisk и Zehr, 2005), чтобы повысить когнитивные способности и мотивационные изменения (Doremus-Fitzwater и др., 2009; Luna et al., 2004). Точное понимание того, как мозг развивается в подростковом возрасте, и привязка таких изменений как к нормальным поведенческим тенденциям, так и к патологическим состояниям, чрезвычайно важны для общественного здравоохранения. Здесь мы рассмотрим некоторые поведенческие и нервно-психические изменения подросткового возраста и обсудим несколько моделей, которые их связывают, включая нашу собственную гипотезу о сниженной эффективности обработки.

2. Поведение подростков

Исследования на грызунах и людях показали, что подростки демонстрируют больший «импульсивный выбор», определяемый как предпочтение меньших вознаграждений, которые происходят раньше, чем большие задержанные вознаграждения, по сравнению с задачами, предусматривающими скидку с задержкой (Адриани и Лавиола, 2003; Steinberg et al., 2009). Примечательно, что в исследованиях на людях эта разница проявляется только у подростков младшего возраста; с задержкой дисконтирования, достигающей уровня взрослого к возрасту 16 – 17 (Steinberg et al., 2009). Люди-подростки также имеют более высокий балл по шкале поиска ощущений, чем взрослые, причем мужчины демонстрируют более высокий уровень, чем женщины (Zuckerman и др., 1978). Поиск ощущений - это «потребность в разнообразных, новых и сложных ощущениях и переживаниях…» (Zuckerman et al., 1979, p. 10), которые могут возникать независимо или вместе с импульсивностью. Поиск ощущений наиболее эффективен в раннем и среднем подростковом возрасте, а затем снижается, в то время как импульсный контроль, по-видимому, неуклонно улучшается в течение подростковых лет, что позволяет предположить, что они подвержены различным биологическим процессам (Steinberg et al., 2008). В соответствии с человеческими свидетельствами об усиленном поиске ощущений у подростков, грызуны-подростки предпочитают новизну (Адриани и др., 1998; Douglas et al., 2003; Стэнсфилд и др., 2004), демонстрируют большую локомоцию, вызванную новизной (Стэнсфилд и Кирстейн, 2006; Sturman et al., 2010) и проводить больше времени, изучая распростертые объятия в приподнятом лабиринте, чем взрослые (Адриани и др., 2004; Macrì и др., 2002).

Можно ожидать, что подростки будут стремиться к новому опыту, даже с риском физического или социального вреда, если их способность оценивать риск или вычислять вероятность исхода недостаточно развита. Когнитивные способности продолжают развиваться в это время (Luna et al., 2004; Копье, 2000). Согласно Пиаже, формальный период работы, который связан с более абстрактными рассуждениями, достигает полной зрелости в подростковом возрасте (Шустер и Эшберн, 1992), и может быть менее развитым у некоторых людей. Кроме того, постоянство эгоцентризма, при котором подростки испытывают «воображаемую аудиторию» вместе с «личной басней» уникальных чувств, может заставить их поверить в то, что они исключительны, и придать им чувство неуязвимости (Arnett, 1992; Elkind, 1967). Тем не менее, начиная с середины подросткового возраста, только незначительные когнитивные улучшения (Luna et al., 2004; Копье, 2000), и даже маленькие дети демонстрируют точное неявное понимание вероятности (Акредоло и др., 1989). Кроме того, имеется мало доказательств того, что подростки действительно воспринимают себя как неуязвимый или недооценивающий риск; на самом деле, они часто переоценивают риск, например, вероятность забеременеть в течение года, попасть в тюрьму или умереть молодым (де Брюин и др., 2007). Наконец, любое когнитивное объяснение рискованного поведения подростков должно учитывать тот факт, что дети рискуют меньше и, тем не менее, развиваются когнитивно хуже, чем подростки.

Альтернативно, поведенческие различия подростков могут быть связаны с различиями в когнитивных стратегиях. Одна из гипотез, называемая «теорией нечетких следов», гласит, что подростки не только не испытывают недостатка в когнитивных способностях, но и более детально обрабатывают детали выбора риска / выгоды, чем взрослые. Как это ни парадоксально, подростки могут вести себя более рационально, чем взрослые, более четко вычисляя ожидаемые значения различных вариантов, но это может привести к большему риску (Риверс и др., 2008). В соответствии с Реки и коллеги (2008)в процессе разработки мы переходим от более буквального «дословного» к «нечеткой» эвристике на уровне сущности, которая фиксирует суть или суть без подробностей. Это, по-видимому, повышает эффективность принятия решений и имеет тенденцию уклонять нас от рискованного выбора, поскольку мы склонны избегать потенциальных неблагоприятных результатов без оценки фактических вероятностей. Например, в отличие от подростков, взрослые предпочитают выбор, который придает определенность увеличению прибыли или сокращению потерь по сравнению с вероятностными альтернативами с идентичными ожидаемыми значениями (Риверс и др., 2008). В целом, идея о том, что подростковый выбор может отражать различия в когнитивной стратегии, но не недостатки в прогнозировании результатов, является интригующей. Будущие исследования нейроизображений и физиологии принятия решений у подростков могут выиграть, если учесть возможность того, что различия в точном характере нейронной активности даже в пределах одних и тех же областей мозга, а также уровень интеграции между различными областями могут способствовать альтернативным стилям когнитивного обсуждения.

Большая безрассудство подростков может быть связано с различиями в том, как они испытывают риск и вознаграждение. Одно из объяснений состоит в том, что подростки-люди испытывают больше негативного аффекта и подавленного настроения и могут испытывать меньше удовольствия от стимулов низкой или умеренной стимулирующей ценности. Поэтому подростки будут искать стимулы большей гедонистической интенсивности, чтобы восполнить недостаток своего опыта вознаграждения (см. Копье, 2000). Это подтверждается исследованиями, показывающими различия в гедонической ценности растворов сахарозы для взрослых и подростков. Как только концентрации сахарозы превышают критическую точку, гедонистическое значение резко уменьшается; однако такое снижение менее выражено или отсутствует у детей и подростков (Де Грааф и Зандстра, 1999; Vaidya и др., 2004). Альтернативное объяснение состоит в том, что подростки имеют большую чувствительность к усиливающим свойствам приятных раздражителей. Любая возможность согласуется с моделями на животных, в которых подростки потребляют больше раствора сахарозы (Vaidya и др., 2004), предпочитают палаты, ранее связанные с социальным взаимодействием (Douglas et al., 2004) и свидетельствуют о более высокой стимулирующей ценности таких лекарств, как никотин, алкоголь, амфетамин и кокаин, чем у взрослых (Badanich et al., 2006; Бренхаус и Андерсен, 2008; Shram et al., 2006; Копье и Варлинская, 2010; Vastola и др., 2002). Это не всегда видно, однако, (Frantz et al., 2007; Мэтьюз и Маккормик, 2007; Shram et al., 2008), а повышенное предпочтение наркотиков подросткам также может быть связано со снижением чувствительности к побочным эффектам и абстиненции (Little et al., 1996; Мой и др., 1998; Schramm-Sapyta и др., 2007; Schramm-Sapyta и др., 2009). Аналогичным образом, подростки могут вести себя более рискованно, если их оценка возможных неблагоприятных последствий менее мотивирующая или выраженная (или если само возбуждение риска делает такое поведение более вероятным).

Другим фактором, который может объяснить некоторые подростковые поведенческие различия, является влияние эмоций (валентность, чувства, возбуждение и определенные эмоциональные состояния) на поведение. Поведенческие различия могут возникнуть, если подростки по-разному испытывают эмоции или эмоции по-разному влияют на принятие решений в этот период повышенной эмоциональной интенсивности и волатильности (Arnett, 1999; Бьюкенен и др., 1992). Часто считается, что эмоции омрачают рациональное принятие решений. Хотя в некоторых случаях это может быть правдой (особенно когда эмоциональное содержание не связано или не имеет отношения к контексту решения), в недавней работе было исследовано, как эмоции могут улучшить определенные решения. Например, гипотеза соматического маркера гласит, что в неоднозначных ситуациях эмоциональные процессы могут выгодно направлять поведение (Damasio, 1994). Задача Айовы по азартным играм была разработана для проверки принятия решений в условиях неопределенности (Бечара и др., 1994). Лица с поражениями вентромедиального ПФК или миндалины испытывают трудности в выборе выгодной стратегии избегания риска, предполагая, что недостатки в интеграции эмоциональной информации могут привести к неправильным решениям (Бечара и др., 1999; Бечара и др., 1996). Подростки и взрослые могут отличаться в том, как они интегрируют эмоциональную информацию в решениях: подростки могут быть менее опытными в интерпретации или интеграции соответствующего эмоционального содержания или менее эффективными в формировании таких ассоциаций. Каффман и соавт. (2010) недавно проверил детей, подростков и взрослых на модифицированной версии Iowa Gambling Task; они отметили, что, хотя подростки и взрослые со временем совершенствовали свои решения, взрослые делали это быстрее. Другое исследование продемонстрировало, что только к середине и позднему подростковому возрасту субъекты улучшили свои игровые задачи и что это улучшение совпало с появлением физиологических коррелятов возбуждения (Крона и ван дер Молен, 2007). Эти результаты показывают, что подростки могут быть менее эффективными в формировании или интерпретации соответствующей аффективной информации, необходимой для избежания рискованных решений.

По Реки и коллеги (2008) различия в эффективной обработке сущности делают подростков более восприимчивыми к потенциально вредным эффектам возбуждения при принятии решений. В условиях повышенного возбуждения снижение поведенческого торможения может привести к переключению с «обоснованного» на «реактивный» или импульсивный режим. Они также утверждают, что склонность подростка выполнять более дословно-аналитическую обработку делает это более вероятным, в то время как ценности и уклоны от более простой обработки «суть» для взрослых более непроницаемы для состояния возбуждения (Риверс и др., 2008). Другие также утверждают, что подростковое поведение может быть особенно чувствительным к условиям сильного эмоционального возбуждения (Дал, 2001; Копье, 2010). Недавнее исследование Фигнер и его коллеги (2009) непосредственно проверил эту гипотезу, используя задачу, которая измеряла риск в различных аффективных условиях. Подростки и взрослые выполнили задание Columbia Card, в котором уровень допустимого риска был изучен в условиях большего / меньшего возбуждения и при различных факторах, которые можно использовать для принятия более обоснованных решений (таких как величина прибылей / убытков и их вероятность) ). Подростки подвергались большему риску, чем взрослые, только в состоянии сильного возбуждения, и в этом контексте подростки были менее затронуты величиной / вероятностью выигрыша / убытка, что предполагает упрощенное использование информации подростками в условиях повышенного возбуждения (Figner et al., 2009).

В совокупности эти исследования показывают, что, хотя подростки часто рассуждают и ведут себя как взрослые, в определенных контекстах существуют различия в их когнитивной стратегии и / или в их реакции на риск и вознаграждение, особенно в условиях повышенного эмоционального возбуждения. Эти изменения в поведении, вероятно, отражают существенное развитие мозговых сетей, включая структуры в ПФК, базальных ганглиях и нейромодулирующих системах (например, дофамин), которые имеют решающее значение для мотивированного поведения (Таблица 1).

  

Таблица 1

Подростковые поведенческие различия и структурное нервное развитие

3. Структурное нервное развитие подростков

Мозг подростка претерпевает кардинальные изменения в грубой морфологии. Исследования структурной визуализации человека показали, что во всей коре головного мозга происходит потеря серого вещества в подростковом возрасте, причем уменьшение серого вещества в частях височной доли и дорсолатеральной ПФК происходит в позднем подростковом возрасте (Gogtay и др., 2004; Sowell и др., 2003; Sowell и др., 2001; Sowell и др., 2002). Сокращение серого вещества также очевидно в полосатом теле и других подкорковых структурах (Sowell и др., 1999; Sowell и др., 2002). Эти изменения могут быть связаны с массовой обрезкой синапсов, наблюдаемой в этот период в исследованиях на животных (Rakic ​​et al., 1986; Rakic ​​et al., 1994), хотя некоторые ставят под сомнение эту связь, так как синаптические бутоны составляют лишь небольшую часть объема коры (Paus et al., 2008). Человеческое изображение также показало, что белое вещество увеличивается в подростковом возрасте в кортикальных и подкорковых волокнистых путях (Asato и др., 2010; Benes и др., 1994; Paus et al., 2001; Paus et al., 1999), в результате увеличения миелинизации, калибра аксона или обоих (Paus, 2010). Изменения в моделях подключения также происходят в подростковом возрасте. Например, рост аксонов и рост наблюдались в контурах, соединяющих миндалины с корковыми мишенями (Cunningham et al., 2002), и увеличение количества белого вещества наблюдается между ПФУ и полосатым телом и другими областями (Asato и др., 2010; Giedd, 2004; Gogtay и др., 2004; Liston и др., 2006; Paus et al., 2001; Sowell и др., 1999).

В более мелком масштабе исследования на крысах и приматах продемонстрировали многочисленные различия в системах нейротрансмиттеров у подростков. Подростки имеют тенденцию к избыточной экспрессии дофаминергических, адренергических, серотонинергических и эндоканнабиноидных рецепторов во многих регионах с последующей обрезкой до уровня взрослых (Лидоу и Ракич, 1992; Родригес де Фонсека и др., 1993). Они экспрессируют рецепторы допамина D1 и D2 на более высоких уровнях в подкорковых мишенях, таких как дорсальный стриатум и прилежащее ядро, хотя некоторые не обнаружили сниженной экспрессии у взрослых в этой последней области (Gelbard et al., 1989; Тарази и Балдессарини, 2000; Тарази и др., 1999; Teicher и др., 1995). В подростковом возрасте также наблюдаются изменения в продукции и обороте дофамина, а также имеются свидетельства изменений нижестоящих эффектов связывания рецептор-лиганд (Badanich et al., 2006; Cao et al., 2007; Коултер и др., 1996; Laviola и др., 2001; Тарази и др., 1998). Функционально, у анестезированных крыс есть доказательства того, что спонтанная активность дофаминовых нейронов среднего мозга достигает пика в подростковом возрасте и затем уменьшается (McCutcheon и Marinelli, 2009). Изменения в развитии мезокортиколимбической схемы и активности дофамина могут лежать в основе некоторых различий в мотивированном поведении в целом, а также в отношении риска и уязвимости в зависимости. В нескольких исследованиях наблюдалось снижение психомоторных эффектов стимулирующих препаратов у подростков, но усиление или аналогичные усиливающие эффекты (Адриани и др., 1998; Адриани и Лавиола, 2000; Badanich et al., 2006; Bolanos и др., 1998; Frantz et al., 2007; Laviola и др., 1999; Мэтьюз и Маккормик, 2007; Копье и тормоз, 1983). Напротив, подростки более чувствительны к каталептическим эффектам нейролептиков (например, галоперидол), которые являются антагонистами рецепторов допамина (Копье и тормоз, 1983; Спир и др., 1980; Teicher и др., 1993). Некоторые предположили, что эта модель, наряду с возросшими исследованиями и поиском новинок, указывает на то, что система допамина в подростковом возрасте близка к «функциональному потолку» на исходном уровне (Chambers et al., 2003).

Некоторые данные свидетельствуют о том, что баланс крупномасштабной возбуждающей и тормозной нейротрансмиссии значительно отличается у подростков по сравнению со взрослыми. Уровни ГАМК, основного ингибирующего нейротрансмиттера в головном мозге, линейно возрастают в подростковом возрасте переднего мозга крыс (Хеднер и др., 1984). Экспрессия рецепторов NMDA, активирующих глутамат, на быстрорастущих нейронах (которые считаются ингибирующими интернейронами) резко изменяется в PFC у подростков. В настоящее время подавляющее большинство быстрорастущих интернейронов не проявляют синаптических NMDA-рецепторных токов (Ван и Гао, 2009). Кроме того, модулирующее влияние изменений связывания дофаминовых рецепторов в подростковом возрасте (О'Доннелл и Ценг, 2010 г.). Только к этому времени активация дофаминовых рецепторов D2 увеличивает активность интернейронов (Ценг и О'Доннелл, 2007). Кроме того, синергетическое взаимодействие между активацией дофаминового рецептора D1 и рецептором NMDA изменяется в подростковом возрасте, что допускает деполяризацию плато, которая может способствовать контекстно-зависимой синаптической пластичности (О'Доннелл и Ценг, 2010 г.; Ван и О'Доннелл, 2001). Эти изменения передачи сигналов у подростков дофамином, глутаматом и ГАМК предполагают фундаментальные различия нейронной активности в мозге у подростков. Все эти системы необходимы для когнитивных и эмоциональных процессов. Их дисфункция связана с многочисленными психическими заболеваниями, начиная от расстройств настроения и склонности к шизофрении.

4. Подростковое функциональное нервное развитие

Исследования нейровизуализации показали различия в функциональной активности подростков у нескольких областей переднего мозга. Эти различия в основном наблюдаются в областях мозга, которые кодируют эмоциональную значимость (например, миндалина), интегрируют сенсорную и эмоциональную информацию для вычисления ценностных ожиданий (например, орбитофронтальная кора) и играют различные роли в мотивации, выборе действий и обучении ассоциации (например, стриатуме). По сравнению со взрослыми, подростки имеют пониженный гемодинамический ответ в латеральной орбитофронтальной коре и повышенную активность в вентральном стриатуме к вознаграждениям (Ernst et al., 2005; Galvan и др., 2006). Другие обнаружили снижение активности в правом вентральном стриатуме и правой расширенной миндалине во время ожидания вознаграждения, без наблюдаемых возрастных различий в активности после достижения результата (Bjork и др., 2004). В процессе принятия решений у подростков была снижена активация правого переднего поясного извилины и левой орбитофронтальной / вентролатеральной ПФК по сравнению со взрослыми во время рискованного выбора (Eshel et al., 2007). Подростки также активировали свой вентральный стриатум и орбитофронтальную кору сильнее, чем взрослые, так как они рисковали во время игры за рулем «Стоп-свет» - эффект, вызванный неявным давлением со стороны сверстников (Chein et al., 2011).

В нескольких исследованиях наблюдалась незрелость систем когнитивного контроля у подростков, а также ухудшение поведенческих характеристик (Luna et al., 2010). Например, во время выполнения заданий, требующих ингибирования доминантного ответа (эффективность которого улучшается с возрастом), у подростков повышается активность ПФУ в одних субрегионах и снижается активность в других (Bunge и др., 2002; Rubia и др., 2000; Tamm et al., 2002). Во время задачи антисаккадного когнитивного контроля активность вентрального полосатого тела у подростков (но не у взрослых) была снижена при просмотре сигнала, указывающего, было ли вознаграждение доступным во время данного испытания, но оно было более активным, чем его взрослый аналог во время ожидания вознаграждения (Geier и др., 2009). Таким образом, подростки обычно активируют такие же когнитивные и аффективные структуры, что и взрослые, хотя часто с разными величинами, пространственными и временными закономерностями или уровнями функциональной взаимосвязанности (Hwang et al., 2010).

Созревание внутри- и межрегиональных связей и нейрональной координации может играть центральную роль в поведенческом развитии подростков. Существует прямая взаимосвязь между показателями белого вещества лобного отдела желудка, которое увеличивается в подростковом возрасте, и показателями ингибирующего контроля (Liston и др., 2006). Развитие белого вещества также напрямую связано с улучшенной функциональной интеграцией областей серого вещества, что предполагает более распределенную сетевую активность посредством развития (Стивенс и др., 2009). Это подтверждается исследованием, в котором, используя МРТ функционального соединения в состоянии покоя вместе с анализом графиков, наблюдался переход от большей соединяемости с анатомически проксимальными узлами к сетям, которые были более широко интегрированы во все узлы в зрелом возрасте независимо от расстояния (Fair et al., 2009). Точно так же возрастное увеличение функциональной интеграции лобной и теменной областей поддерживает улучшенную эффективность подавляющего контроля сверху вниз в задаче против каскада (Hwang et al., 2010). Развитие белого вещества, быстрая обрезка синапсов (которые в значительной степени являются локальными возбуждающими связями) и сдвиги в развитии локальной активности интернейронов могут вместе способствовать более обширной функциональной координации между областями мозга посредством развития. Менее широко распространенная активность у подростков также была продемонстрирована в другой задаче когнитивного контроля (Веланова и др., 2008). В то же время диффузный функциональный сигнал, не связанный с выполнением задачи, уменьшается в процессе разработки (Durston и др., 2006). Таким образом, модель использования более распределенных сетей для взрослых совпадает с уменьшенной не относящейся к задачам активностью, что указывает на большую эффективность в структуре и степени корковой обработки.

Электрофизиологические исследования также обнаружили доказательства дальнейшего развития нейрональных реакций и большей локальной и долгосрочной скоординированной активности в подростковом возрасте. Например, условное отрицательное отклонение, которое представляет собой потенциал, связанный с отрицательным напряжением, во время подготовки ответа, развивается только в позднем детстве и продолжает увеличиваться в подростковом возрасте (Бендер и др., 2005; Сегаловиц и Дэвис, 2004). Считается, что это отражает возрастные различия в распределении обработки внимания ПФУ и исполнительного моторного контроля (Сегаловиц и др., 2010). Другим возрастным электрофизиологическим изменением является развитие сильного положительного пика (P300) приблизительно через 300 мс после обращения к стимулу. Зрелый образец P300 появляется только приблизительно до возраста 13 (Сегаловиц и Дэвис, 2004). Наконец, связанный с ошибкой отрицательный фактор - это отрицательное напряжение, центрированное над передней поясной извилиной корой во время испытаний на ошибки различных задач. Хотя существует некоторая изменчивость в возрасте его появления, это, кажется, прибывает в середине подросткового возраста (Сегаловиц и Дэвис, 2004). Эти данные предоставляют дополнительные доказательства продолжающегося созревания префронтальной кортикальной обработки в подростковом возрасте. Сегаловиц и коллеги также обнаружили, что отношение сигнал / шум электрических сигналов у детей и подростков часто было ниже, чем у взрослых. Это может быть связано с функциональной незрелостью или нестабильностью внутричерепных областей мозга, производящих эти сигналы (Сегаловиц и др., 2010). Это может также отражать снижение подростковой нервной координации внутри и между областями мозга. Эта интерпретация согласуется с работой, выполненной Ульхаас и коллеги (2009b), в котором электроэнцефалограммы (ЭЭГ) были записаны у детей, подростков и взрослых во время задачи распознавания лица. Они наблюдали снижение колебательной силы тета (4 – 7 Гц) и гамма-диапазона (30 – 50 Гц) у подростков по сравнению со взрослыми. Кроме того, была улучшена фазовая синхронизация на больших расстояниях в диапазонах тета, бета (13 – 30 Гц) и гамма, а также улучшилось выполнение заданий у взрослых. Колебания ЭЭГ обусловлены колебаниями возбудимости нейронов и, как полагают, для точной настройки времени пикового выхода (Fries, 2005). Измерения синхронности в определенных полосах частот облегчают связь между нейронными группами и могут иметь решающее значение для многочисленных процессов восприятия и когнитивных процессов (Ульхаас и др., 2009a). Таким образом, эти данные свидетельствуют об усилении скоординированной местной обработки и улучшении межрегиональной коммуникации от подросткового возраста до зрелого возраста (Ульхаас и др., 2009b).

Еще один полезный подход для изучения изменений нейронной активности в подростковом возрасте заключается в в естественных условиях электрофизиологическая запись из имплантированных электродных матриц у бодрствующих животных. Этот метод позволяет регистрировать активность отдельных нейронов, а также более широкие потенциалы поля. Недавно мы провели такое исследование, в котором крысы-подростки и взрослые совершали простое целенаправленное поведение (Рисунок 1a) как записи были взяты из орбитофронтальной коры. В то время как подростки и взрослые вели себя одинаково, наблюдались разительные возрастные различия в нейронном кодировании, особенно для вознаграждения (Штурман и Мохаддам, 2011). Это указывает на то, что даже когда поведение может выглядеть схожим, префронтальная кора подростка находится в другом состоянии, чем у взрослых. В частности, нейроны подростковой орбитофронтальной коры стали гораздо более возбужденными к награде, в то время как доля ингибированных нейронов подростков была значительно меньше в то время и в других точках задачи (Рисунок 1b). Поскольку нейронное торможение имеет решающее значение для контроля точного времени всплесков и увлечения синхронизированной колебательной активности (Кардин и др., 2009; Фрис и др., 2007; Sohal et al., 2009), уменьшенное связанное с заданием ингибирование нейронов у подростковой орбитофронтальной коры может быть напрямую связано с крупномасштабными различиями нейронного кодирования, наблюдаемыми в этом исследовании и описанными другими. Наконец, на протяжении большей части этой задачи подростки демонстрировали большую изменчивость временного интервала между испытаниями, что может указывать на более низкий сигнал-шум в префронтальной коре у подростков. Следовательно, по мере развития префронтальной коры, повышенное фазовое торможение на уровне отдельных единиц может поддерживать большую внутри- и межрегиональную нейронную координацию и эффективность обработки.

  

Рисунок 1

А) Схема поведенческого задания. Крысы проводили инструментальное поведение внутри стандартной оперантной камеры. Каждое испытание начиналось с появления контрольной лампы в дырочке в носу (Cue). Если крыса ткнула в эту дыру, когда свет был включен (Poke) ...

5. Нейроповеденческие гипотезы

Что объясняется специфическими поведенческими различиями и уязвимостями этого периода при всех изменениях подросткового возраста в области развития нервной системы? В предыдущих разделах приводятся данные о разнообразных изменениях нервного развития у подростков и возрастных поведенческих различиях и уязвимостях. Здесь мы представляем несколько гипотез или моделей, которые явно связывают подростковые различия в мотивированном поведении, социальном развитии и поведенческом торможении со зрелостью определенных нервных цепей (Таблица 2).

  

Таблица 2

Нейроповеденческие гипотезы, объединяющие изменения поведения подростков с развитием мозга

Усовершенствование сети обработки социальной информации для подростков является одной из моделей, связывающих социальное развитие подростков с изменениями мозга (Nelson и др., 2005). Этот каркас описывает три взаимосвязанных функциональных узла с различными нервными структурными подкреплениями: узел обнаружения (нижняя затылочная кора, нижняя и передняя височная кора, внутрипариетальная борозда, веретенообразная извилина и верхняя височная борозда), аффективный узел (миндалина, вентральный стриатум, перегородка, ядро ложа stria Terminalis, гипоталамус и орбитофронтальная кора в некоторых условиях) и когнитивно-регуляторный узел (участки префронтальной коры). Узел обнаружения определяет, содержат ли стимулы социальную информацию, которая затем обрабатывается аффективным узлом, который придает этим стимулам эмоциональную значимость. Когнитивно-регуляторный узел дополнительно обрабатывает эту информацию, выполняя более сложные операции, связанные с восприятием психических состояний других людей, подавляя доминантные реакции и генерируя целенаправленное поведение (Nelson и др., 2005). Предполагается, что изменения чувствительности и взаимодействия этих узлов у подростков усиливают социальный и эмоциональный опыт, оказывают сильное влияние на принятие решений подростками и способствуют появлению психопатологий в этот период (Nelson и др., 2005).

Модель триадного узла (Ernst et al., 2006) полагает, что специфическая траектория развития областей мозга, на которых сохраняется аффективная обработка и когнитивный контроль, и баланс между ними могут лежать в основе склонности подростков к риску. Эта модель также основана на активности трех узлов, соответствующих конкретным областям мозга. В этом случае узел, отвечающий за приближение вознаграждения (вентральный стриатум), находится в равновесии с узлом избегания наказания (миндалина). Узел модуляции (префронтальная кора) влияет на относительное влияние этих противодействующих сил, и рискованное поведение будет результатом подхода, способствующего окончательному исчислению. Согласно этой модели, в ситуациях, включающих некоторый вероятностный компромисс между стимулами аппетита и отвращения, узел подхода является более доминирующим у подростков. Гиперактивность или гиперчувствительность системы, основанной на вознаграждении, в противном случае могут быть скорректированы с помощью активности в частях префронтальной коры, однако ее недостаточное развитие у подростков не позволяет адекватного самоконтроля и подавляющего контроля (Эрнст и Фадж, 2009).

Кейси и его коллеги выдвигают гипотезу о том, что различия в траектории развития префронтальной коры подростка в сравнении с подкорковыми структурами (например, вентральным стриатумом и миндалевидным телом), а также связи между ними могут объяснять поведенческие склонности подростков (Кейси и др., 2008; Сомервилл и Кейси, 2010; Somerville et al., 2010). Во время задачи, связанной с получением различных значений вознаграждения, степень подростковой активности в прилежащем ядре была аналогична таковой у взрослых (хотя и с большими величинами), тогда как структура орбитофронтальной корковой активности была больше похожа на таковую у детей, чем у взрослых (Galvan и др., 2006). Относительная зрелость подкорковых систем и незрелость префронтальной коры, которая имеет решающее значение для когнитивного контроля, может привести к большей склонности подростков к поиску ощущений и риску. Ключевым моментом здесь, как и в модели триадных узлов, является концепция относительного межрегионального дисбаланса в подростковом возрасте, в отличие от детства, когда все эти регионы относительно незрелые, и взрослой жизни, когда они все зрелые (Somerville et al., 2010). Эта модель также похожа на систему Штейнберга, в которой относительное снижение риска от подросткового возраста до зрелого возраста обусловлено развитием систем когнитивного контроля, связей, облегчающих интеграцию познания и аффекта между корковыми и подкорковыми областями, а также различиями в значимости вознаграждения. или чувствительность (Steinberg, 2008).

Центральная тема этих моделей заключается в том, что у подростков существуют различия в чувствительности, уровне или эффекте активности в корковых и подкорковых областях внутри сетей, которые сохраняют эмоциональную обработку и когнитивный контроль. Основываясь на наших данных и других фактических данных, мы предполагаем, что такие различия могут быть результатом снижения координации нейронов и эффективности обработки у подростков, что проявляется в результате менее эффективной передачи информации между регионами и дисбалансов в возбуждении и торможении нейронов в критических областях мозга такие как орбитофронтальная кора и части базальных ганглиев. Как описано ранее, в пробирке работа продемонстрировала кардинальные изменения в паттернах экспрессии различных рецепторов, а также эффекты активации рецепторов, включая реакцию ингибиторных быстрорастущих интернейронов на стимуляцию дофамина и NMDA-рецепторов. Ожидается, что такие изменения повлияют как на баланс возбуждения и торможения, так и на координацию нейрональных групп. Поскольку быстродействующая активность интернейронов имеет решающее значение для контроля точного времени нейронной активности и захвата колебаний, сдвиги в развитии активности межнейронов у подростков и их реакция на нейромодуляторы, такие как дофамин, могут быть центральными для некоторых из этих возрастных технологических различий. В результате этого нервная активность подростков может быть менее хорошо скоординированной, шумной и более локальной, а также, возможно, более чувствительной к поведенчески активирующим эффектам вознаграждений, новизны или других значимых стимулов. Сниженная межрегиональная колебательная координация, дополнительно затрудненная неполной миелинизацией, может в совокупности учитывать менее распределенную функциональную активность, наблюдаемую в исследованиях визуализации. Ранее упоминавшаяся тенденция для подростков отдавать предпочтение рискованному выбору в эмоционально заряженных контекстах также может быть связана с сочетанием сниженной межрегиональной коммуникации (например, неспособность префронтальной коры эффективно ослаблять субкортикальные «ходовые» сигналы в базальных ганглиях) и преувеличивать Активация и / или снижение ингибирования явных признаков в контексте мотивированного поведения, как мы наблюдали во время ожидания вознаграждения в орбитофронтальной коре.

6. Резюме

Поскольку мы узнали больше о специфических изменениях мозга и поведения подростков, было предложено несколько нейроповеденческих моделей. Центральным для большинства из них является представление о том, что незрелая обработка нейронов в префронтальной коре и других корковых и подкорковых областях, наряду с их взаимодействием, приводит к поведению, которое смещено в сторону риска, вознаграждения и эмоциональной реактивности в течение подросткового периода. Недавняя работа по разработке тормозных межнейронных цепей и их изменяющегося взаимодействия с нейромодулирующими системами в подростковом возрасте может также пролить свет на то, почему такие болезни, как шизофрения, обычно проявляются в это время. Используя такие методы, как МРТ у людей и электрофизиологические записи у лабораторных животных, мы начинаем более точно определять, как подростки обрабатывают вознаграждение и другие аспекты мотивированного поведения в отличие от взрослых. Это является критически важным шагом к установлению уязвимости мозга в отношении нормального поведения подростков и пониманию патофизиологии психических заболеваний, которые развиваются в этот период.

Сноски

Рекомендации