Neurobiologi av ungdomar: förändringar i hjärnarkitektur, funktionell dynamik och beteendestendenser (2011)

1. Inledning

Ungdom är en period där individer observerar fysiska förändringar i sina kroppar, upplever nya intressen och önskningar och befinner sig i större frihet, oberoende och ansvar. Trots att det var varierat definierat anses ungdomar generellt att börja med puberteten och sluten som man tar på sig vuxna sociala roller (Dahl, 2004; Spjut, 2000). Puberteten - som medför ökad tillväxt, förändringar i kroppssammansättning, utveckling av gonader och sekundära sexuella organ och egenskaper samt förändringar i hjärt- och luftvägarna - uppträder vanligen från ålder 10 till 17 hos tjejer och 12 till 18 hos pojkar (Falkner och Tanner, 1986). Eftersom detta inträffar genomgår ungdomar en mängd olika kognitiva, beteendemässiga och psykosociala övergångar. De olika förändringarna i ungdomar börjar inte alla och slutar tillsammans, och därmed är pusslet av relaterade ungdomar med förändrad beteende utmanande. Att studera ungdomar är som att skjuta på ett rörligt mål, med forskare som betecknar "tonåriga" grupper av olika åldrar och utvecklingsnivåer. Dessutom från mitten av 19^th genom 20^th århundradet har en tidigare medelålder för menarche observerats i västvärlden (Falkner och Tanner, 1986; Tanner, 1990). Utbildningsförfarandet är längre och individer tenderar att vänta längre innan de börjar sin karriär, gifter sig och har barn (Dahl, 2004). Således är längden på ungdomar inte fixerad (och har förlängts) och medan perioden korrelerar med många biologiska utvecklingsprocesser, definieras den delvis enligt psykosociala och beteendemässiga kriterier. Med dessa överväganden i åtanke har litteraturen som granskats här i första hand definierat ungdomar hos människor som andra årtionden av livet, hos aber som ålder två till fyra år och hos gnagare som vecka fyra till vecka sex eller sju.

Trots de definitionella tvetydigheterna är det välkänt att under denna period förekommer stora övergångar, inklusive en rad karakteristiska beteendeförändringar som ses över olika arter. Det finns ökat socialt beteende (Csikszentmihalyi et al., 1977), nyhet och sensationssökning (Adriani et al., 1998; Stansfield och Kirstein, 2006; Stansfield et al., 2004), tendenser mot risktagande (Spjut, 2000; Steinberg, 2008), känslomässig instabilitet (Steinberg, 2005) och impulsivitet (Adriani och Laviola, 2003; Chambers et al., 2003; Fairbanks et al., 2001; Vaidya et al., 2004). Peerrelationer blir dominerande, och det finns större lust att söka roliga och spännande upplevelser (Nelson et al., 2005). Ökad nyhet och sensationssökning kan vara evolutionärt adaptiv, eftersom dessa beteenden kan förbättra den alltmer oberoende ungdomens chanser att hitta mat och en kompis (Spjut, 2010). I det moderna samhället kan dock dessa egenskaper förknippas med att ta onödiga risker. Därför betraktas ungdomar som en period av beteendessårbarhet: tonåringar är mer benägna att experimentera med tobak och olagliga droger och alkohol; kör hänsynslöst; engagera sig i oskyddad sex; och har interpersonella konflikter (Arnett, 1992; Arnett, 1999; Chambers et al., 2003; Spjut, 2000). Det är mer sannolikt att ungdomar tar risker i grupper (t.ex. fordonsolyckor), när vissa beteenden uppfattas vara acceptabla av sina kamrater (t.ex. oskyddad sex, narkotikamissbruk) (Steinberg, 2008) och i känslomässigt laddade situationer (Figner et al., 2009). Således, medan ungdomar har överlevt de potentiella hälsoproblemen i tidig barndom är deras morbiditet och mortalitetsnivå dubbelt så stor som hos barn som är föregångare (Dahl, 2004).

Förutom de ökade riskerna med normala ungdomsutveckling är det också den tid då symptom på olika psykiska sjukdomar uppenbarar sig, inklusive humörsjukdomar, ätstörningar och psykotiska störningar som schizofreni (Paus et al., 2008; Pine, 2002; Sisk och Zehr, 2005; Volkmar, 1996). Under denna period finns en stor mängd neurobiologiska förändringar som driver allt från en kaskad av hormonella signaler som initierar puberteten (Sisk och Zehr, 2005), ökad kognitiv förmåga och motivationsförändringar (Doremus-Fitzwater et al., 2009; Luna et al., 2004). Att förstå exakt hur hjärnan utvecklas genom ungdomar och relatera sådana förändringar till både normala beteendestendenser och patologiska förhållanden är avgörande för folkhälsan. Här granskar vi några av de beteendemässiga och neurodevelopmentala förändringarna i tonåren och diskuterar flera modeller som förbinder dem, inklusive vår egen hypotes om minskad bearbetningseffektivitet.

2. Adolescent beteende

Studier på gnagare och människor har visat att ungdomar uppvisar större "impulsivt val", definieras som preferensen för mindre belöningar som sker tidigare än större försenade belöningar, mätt med fördröjningsrabatteringar (Adriani och Laviola, 2003; Steinberg et al., 2009). Det är anmärkningsvärt att i yngre barn endast yngre tonåringar uppvisar denna skillnad. med fördröjningsrabattning når vuxenivåer efter ålder 16-17 (Steinberg et al., 2009). Adolescenta människor scorer också högre på Sensation-Seeking Scale än vuxna, med män som uppvisar högre nivåer än kvinnor (Zuckerman et al., 1978). Sensationssökande är "behovet av olika, nya och komplexa känslor och erfarenheter ..." (Zuckerman et al., 1979, s. 10), som kan uppträda oberoende, eller tillsammans med impulsivitet. Sensationssökande är störst under tidig till mitten av tonåren och lägre därefter, medan impulskontrollen tycks förbättras stadigt under tonåren, vilket tyder på att de är underordnade av olika biologiska processer (Steinberg et al., 2008). I överensstämmelse med mänskligt bevis på ökad ungdomssensation söker yngre gnagare föredra nyhet (Adriani et al., 1998; Douglas et al., 2003; Stansfield et al., 2004) uppvisar större nyhetsinducerad rörelse (Stansfield och Kirstein, 2006; Sturman et al., 2010), och spendera mer tid på att utforska öppna armar i en förhöjd plus labyrint än vuxna (Adriani et al., 2004; Macrì et al., 2002).

Ungdomars tendenser att söka nya erfarenheter, även med risk för fysisk eller social skada, kan förväntas om deras förmåga att bedöma risk eller beräkna utfallssannolikheten är underutvecklad. Kognitiva förmågor fortsätter att utvecklas vid denna tidpunkt (Luna et al., 2004; Spjut, 2000). Enligt Piaget når den formella verksamhetsperioden, som är förknippad med mer abstrakt resonemang, full fullmognad under tonåren (Schuster och Ashburn, 1992), och kan vara mindre välutvecklade hos vissa individer. Också persistensen av egocentrism, där tonåringar upplever en "imaginär publik" tillsammans med "personliga skönheten" av unika känslor, kan få dem att tro att de är exceptionella och ge dem en känsla av osårbarhet (Arnett, 1992; Elkind, 1967). Men endast blygsamma kognitiva förbättringar framträder från medeltidenLuna et al., 2004; Spjut, 2000), och till och med unga barn uppvisar en exakt implicit förståelse av sannolikheten (Acredolo et al., 1989). Vidare finns det få tecken på att ungdomar faktiskt uppfattar sig som osårbar eller underskattad risk. i själva verket överskattar de ofta risken, till exempel chansen att de blir gravid inom ett år, gå i fängelse eller dö unga (de Bruin et al., 2007). Slutligen måste varje kognitiv förklaring till ungdomsrisker ta hänsyn till det faktum att barn tar färre risker och ändå är mindre kognitivt utvecklade än ungdomar.

Alternativt kan adolescent behavioral disparities relatera till skillnader i kognitiva strategier. En hypotes, som kallas "fuzzy trace theory", säger att långt ifrån saknar kognitiv förmåga behandlar ungdomar risk / nytta detaljer av val mer explicit än vuxna. Paradoxalt sett kan ungdomar uppträda mer rationellt än vuxna genom att uttryckligen beräkna de förväntade värdena för olika alternativ, men detta kan leda till ökad riskupptagning (Rivers et al., 2008). Enligt Floder och kollegor (2008)genom utveckling utvecklas vi från att göra mer bokstavligt "verbatim" till en "fuzzy" heuristisk genomsökning som fångar kärnan eller bottenlinjen utan några detaljer. Detta ökar förmodligen effektiviteten i beslutsfattandet och tenderar att förspänna oss bort från riskfyllda val eftersom vi tenderar att undvika potentiella negativa resultat utan att bedöma de faktiska sannolikheterna som är inblandade. Till exempel, till skillnad från ungdomar, föredrar vuxna val som ger säkerhet för ökade vinster eller reducerade förluster över probabilistiska alternativ med identiska förväntade värden (Rivers et al., 2008). Sammanfattningsvis är tanken att ungdomens val skulle kunna återspegla skillnader i kognitiv strategi - men inte brister i resultatprediktionen - spännande. Framtida neuroimaging och fysiologiska studier av ungdomens beslutsfattande kan dra nytta av att möjligheten att skillnader i det precisa mönstret av neuralt aktivitet, även inom samma hjärnregioner, tillsammans med graden av integration mellan olika regioner, skulle kunna underlätta alternativa kognitiva överväganden.

Ungdomarnas större hänsynslöshet kan bero på skillnader i hur de upplever risk och belöning. En förklaring är att mänskliga ungdomar upplever mer negativ påverkan och depression, och kan känna mindre glädje av stimuli med lågt eller måttligt incitamentsvärde. Ungdomar skulle därför söka stimulans med större hedonisk intensitet för att tillfredsställa en brist i deras erfarenhet av belöning (se Spjut, 2000). Detta stöds av studier som visar skillnader i det hedoniska värdet av sackaroslösningar hos vuxna kontra ungdomar. När sackaros koncentrationer överstiger en kritisk punkt, det hedonala värdet sjunker kraftigt. Sådana minskningar är dock mindre uttalade eller obefintliga hos barn och ungdomar (De Graaf och Zandstra, 1999; Vaidya et al., 2004). En alternativ förklaring är att ungdomar har större känslighet för de förstärkande egenskaperna hos roliga stimuli. Antingen är möjligheten förenlig med djurmodeller där ungdomar konsumerar mer sackaroslösning (Vaidya et al., 2004), föredrar kamrar som tidigare associerats med social interaktion (Douglas et al., 2004) och visa bevis för högre incitamentsvärde för droger som nikotin, alkohol, amfetamin och kokain än vuxna (Badanich et al., 2006; Brenhouse och Andersen, 2008; Shram et al., 2006; Spjut och Varlinskaya, 2010; Vastola et al., 2002). Detta ses emellertid inte alltid (Frantz et al., 2007; Mathews och McCormick, 2007; Shram et al., 2008) och ökad adolescent läkemedelspreferens kan också relateras till minskad känslighet för aversiva biverkningar och tillbakadragande (Little et al., 1996; Moy et al., 1998; Schramm-Sapyta et al., 2007; Schramm-Sapyta et al., 2009). På samma sätt kan ungdomar utföra mer riskfyllda beteenden om deras bedömning av möjliga aversiva konsekvenser är mindre motiverande eller tydlig (eller om spänningen i riskupptagning gör sådant beteende mer troligt).

En annan faktor som kan redogöra för vissa adolescenta beteendemässiga skillnader är påverkan av känslor (valens, känslor, upphetsning och specifika känslomässiga tillstånd) på beteende. Beteendemässiga skillnader kan uppstå om ungdomar upplever olika känslor, eller om känslor på olika sätt påverkar beslutsfattandet under denna period av ökad känslomässig intensitet och volatilitet (Arnett, 1999; Buchanan et al., 1992). Emotion anses ofta vara ett rationellt beslutsfattande. Även om detta kan vara sant i vissa fall (speciellt när känslomässigt innehåll är orelaterat eller irrelevant till ett beslutsram) har det senaste arbetet undersökt hur känslor kan förbättra vissa beslut. Den somatiska markörhypotesen säger till exempel att i tvetydiga situationer kan emotionella processer med fördel leda beteende (Damasio, 1994). Iowa Gambling Task var utformad för att testa beslutsfattandet under osäkerhetsförhållanden (Bechara et al., 1994). Personer med lesioner av den ventromediala PFC eller amygdala har svårigheter att gynna den fördelaktiga riskförebyggande strategin, vilket tyder på att brist i integrering av känslomässig information kan leda till dåliga beslut (Bechara et al., 1999; Bechara et al., 1996). Ungdomar och vuxna kan skilja sig från hur de integrerar känslomässig information i beslut: ungdomar kan vara mindre skickliga vid tolkning eller integrering av relevanta känslomässiga innehåll eller mindre effektiva vid bildandet av sådana föreningar. Cauffman et al. (2010) nyligen testade barn, ungdomar och vuxna på en modifierad version av Iowa Gambling Task; de observerade att medan både ungdomar och vuxna förbättrade sitt beslutsfattande över tiden gjorde vuxna det snabbare. En annan studie visade att endast genom mid- till sen adolescent förbättrades försökspersonernas speluppgift, och att denna förbättring sammanföll med utseendet på fysiologiska korrelationer av upphetsning (Crone och van der Molen, 2007). Dessa resultat tyder på att ungdomar kan vara mindre effektiva för att bilda eller tolka vilken typ av relevant affektiv information som behövs för att undvika riskfyllda beslut.

Enligt Floder och kollegor (2008) Skillnader i effektiv växtbehandling gör ungdomar mer mottagliga för potentiellt skadliga effekter av upphetsning vid beslutsfattande. Vid tillstånd av ökad upphetsning kan en minskning av beteendehämmande orsaka att man byter från en "räddad" till ett "reaktivt" eller impulsivt läge. De argumenterar vidare för att ungdomens tendens att utföra mer ordinärt analytisk bearbetning gör detta mer sannolikt, medan värdena och förspänningarna i den enklare vuxna "väsentliga" bearbetningen är mer ogenomträngliga för upphetsningstillstånd (Rivers et al., 2008). Andra har också hävdat att ungdomsbeteende kan vara särskilt känsligt för förhållanden med hög känslomässig upphetsning (Dahl, 2001; Spjut, 2010). En ny studie av Figner och kollegor (2009) testade direkt denna hypotes med hjälp av en uppgift som mätt risken under olika affektiva förhållanden. Ungdomar och vuxna utförde Columbia Card-uppgiften, där graden av tolererad risk undersöktes under förhållanden med större / mindre upphetsning och samtidigt varierande faktorer som kunde användas för att fatta mer välgrundade beslut (såsom omfattningen av vinster / förluster och deras sannolikhet ). Ungdomar tog mer risker än vuxna endast i det höga upphetsningstillståndet, och i detta sammanhang påverkades ungdomar mindre av vinst / förlustens storlek och sannolikhet, vilket föreslog förenklad informationsanvändning av ungdomar under tillstånd av ökad upphetsning (Figner et al., 2009).

Sammanfattningsvis indikerar dessa studier att även om tonåren ofta förnuftar och beter sig som vuxna, är det i vissa sammanhang skillnader i deras kognitiva strategi och / eller i deras svar på risk och belöning, särskilt vid tillstånd av ökad känslomässig upphetsning. Dessa beteendeförändringar återspeglar sannolikt den väsentliga utvecklingen av hjärnanätverk, inklusive strukturer i PFC, basalganglia och neuromodulatoriska system (t.ex. dopamin) - som är kritiska för motiverat beteende (Tabell 1).

  

Tabell 1

Adolescenta beteendemässiga skillnader och strukturell neurodevelopment

3. Adolescent strukturell neurodevelopment

Den adolescenta hjärnan genomgår dramatiska förändringar i grovmorfologi. Mänskliga strukturella bildanalyser har visat att genom hela hjärnbarken är det en förlust av grå materia under tonåren, med minskningar av gråmassan i delar av den tidiga loben och dorsolaterala PFC som uppträder vid sen ungdom (Gogtay et al., 2004; Sowell et al., 2003; Sowell et al., 2001; Sowell et al., 2002). Gråämnesminskningar är också uppenbara i striatum och andra subkortiska strukturer (Sowell et al., 1999; Sowell et al., 2002). Dessa förändringar kan relateras till en massiv beskärning av synapser som observerats under denna period från djurstudier (Rakic ​​et al., 1986; Rakic ​​et al., 1994), även om vissa frågor denna koppling som synaptiska boutons utgör endast en liten del av kortikalvolymen (Paus et al., 2008). Mänsklig bildbehandling har också visat att vit materia ökar genom ungdomar i kortikala och subkortiska fibrer (Asato et al., 2010; Benes et al., 1994; Paus et al., 2001; Paus et al., 1999), som härrör från ökad myelinering, axonkaliber eller båda (Paus, 2010). Förändringar i anslutningsmöjligheterna förekommer också under ungdomar. Exempelvis har axonal spiring och tillväxt observerats i kretsar som förbinder amygdala med kortikala mål (Cunningham et al., 2002) och ökande åtgärder av vit materia observeras mellan PFC och striatum och andra områden (Asato et al., 2010; Giedd, 2004; Gogtay et al., 2004; Liston et al., 2006; Paus et al., 2001; Sowell et al., 1999).

I en finare skala har råtta och primatstudier visat många skillnader i adolescenta neurotransmittorsystem. Ungdomar tenderar att överuttrycka dopaminerga, adrenerga, serotonerga och endokannabinoida receptorer i många regioner följt av beskärning till vuxna nivåer (Lidow och Rakic, 1992; Rodriguez de Fonseca et al., 1993). De uttrycker D1- och D2-dopaminreceptorer vid högre nivåer i subkortiska mål, såsom dorsalstriatum och kärnan accumbens, fastän vissa inte har hittat reducerat vuxet uttryck i denna senare region (Gelbard et al., 1989; Tarazi och Baldessarini, 2000; Tarazi et al., 1999; Teicher et al., 1995). Under ungdomar är det också förändringar i dopaminproduktion och omsättning, liksom bevis för förändringar i nedströms effekter av receptor-ligandbindning (Badanich et al., 2006; Cao et al., 2007; Coulter et al., 1996; Laviola et al., 2001; Tarazi et al., 1998). Funktionellt finns det bevis från bedövade råttor att den spontana aktiviteten hos dopaminneuronerna i mittenhjärnan tappar under tonåren och sedan minskar (McCutcheon och Marinelli, 2009). Utvecklingsförändringar i mesokortikolimbisk dopamin-kretslopp och aktivitet kan ligga till grund för vissa skillnader i motiverat beteende i allmänhet, såväl som riskupptagning och missbruk sårbarhet i synnerhet. Flera studier har observerat reducerade psykomotoriska effekter av stimulerande läkemedel hos ungdomar men förbättrade eller liknande förstärkande effekter (Adriani et al., 1998; Adriani och Laviola, 2000; Badanich et al., 2006; Bolanos et al., 1998; Frantz et al., 2007; Laviola et al., 1999; Mathews och McCormick, 2007; Spjut och broms, 1983). Däremot är ungdomar mer känsliga för de kataleptiska effekterna av neuroleptika (t.ex. haloperidol), vilka är antagonister för dopaminreceptorer (Spjut och broms, 1983; Spear m.fl., 1980; Teicher et al., 1993). Några har föreslagit att detta mönster tillsammans med den ökade prospekterings- och nyhetssökningen indikerar att det adolescenta dopaminsystemet ligger nära ett "funktionellt tak" vid baslinjen (Chambers et al., 2003).

Flera bevislinjer tyder på att balansen mellan storskalig excitatorisk och hämmande neurotransmission är mycket annorlunda hos ungdomar jämfört med vuxna. Nivåerna av GABA, den huvudsakliga hämmande neurotransmittorn i hjärnan, ökar linjärt genom ungdomar i råttaförhöjning (Hedner et al., 1984). Uttrycket av aktiverande glutamat-NMDA-receptorer på snabba neuroner (trodde att vara inhiberande inreuroner) förändras dramatiskt i PFC hos ungdomar. Vid den här tiden uppvisar den stora majoriteten av snabbspikande internuroner inga synaptiska NMDA-receptormedierade strömmar (Wang och Gao, 2009). Dessutom förändras den modulerande effekten av dopamin-receptorbindning under ungdomar (O'Donnell och Tseng, 2010). Det är först vid denna tidpunkt att aktiveringen av dopamin D2-receptorer ökar internuronaktiviteten (Tseng och O'Donnell, 2007). Vidare förändras den synergistiska interaktionen mellan dopamin D1-receptoraktivering och NMDA-receptorn under ungdomar, vilket möjliggör platådepolariseringar som kan underlätta kontextberoende synaptisk plasticitet (O'Donnell och Tseng, 2010; Wang och O'Donnell, 2001). Dessa adolescenta dopamin-, glutamat- och GABA-signaleringsförändringar föreslår grundläggande neurala aktivitetsskillnader i den adolescenta hjärnan. Alla dessa system är viktiga för kognitiva och känslomässiga processer. Deras dysfunktion är inblandad i många psykiatriska sjukdomar, allt från humörsjukdomar och missbruk till schizofreni.

4. Adolescent funktionell neurodevelopment

Neuroimagingstudier har visat skillnader i funktionell aktivitet hos adolescenten i flera förekomområden. Dessa skillnader observeras främst i hjärnregioner som kodar emotionell betydelse (t ex amygdala) integrerar sensorisk och känslomässig information för beräkning av värdesförväntningar (t.ex. orbitofrontal cortex) och spelar olika roller i motivation, handlingsval och föreningsinlärning (t.ex. striatum). Jämfört med vuxna har ungdomar ett minskat hemodynamiskt svar vid lateral orbitofrontal cortex och ökad aktivitet i ventralstriatum till förmåner (Ernst et al., 2005; Galvan et al., 2006). Andra har funnit minskad aktivitet i höger ventralstriatum och höger förlängd amygdala under förväntad förväntning, utan observerade åldersrelaterade aktivitetsskillnader efter vinstutfall (Bjork et al., 2004). I en beslutsfattande uppgift hade ungdomar minskat rätt främre cingulat och vänster orbitofrontal / ventrolateral PFC-aktivering jämfört med vuxna under riskfyllda val (Eshel et al., 2007). Ungdomar aktiverade också sin ventralstriatum och orbitofrontal cortex starkare än vuxna, eftersom de tog större risker under ett Stoplight-körspel - en effekt som drivs av implisitivt övertryck (Chein et al., 2011).

Flera studier har observerat oförmåga hos ungdomskognitiva kontrollsystem tillsammans med sämre beteendeprestanda (Luna et al., 2010). Till exempel, under uppdrag som kräver inhibering av ett prepotent svar (vars resultat förbättras med ålder) har ungdomar ökat PFC-aktivitet i vissa delregioner och minskad aktivitet hos andra (Bunge et al., 2002; Rubia et al., 2000; Tamm et al., 2002). Under en kognitiv kontrolluppgift för antisaccad reducerades den ungdomliga (men inte vuxna) ventralstriatumaktiviteten medan den visade en cue som indikerade om belöning var tillgänglig under en given studie, men den var mer aktiverad än sin vuxna motsvarighet under belöningsförväntan (Geier et al., 2009). På så sätt aktiverar tonåringar i allmänhet liknande kognitiva och affectiva strukturer som vuxna, men ofta med olika storheter eller rumsliga och temporala mönster eller nivåer av funktionell sammankoppling (Hwang et al., 2010).

Mognad av intra- och interregional anslutning och neuronal koordinering kan spela en central roll i ungdomsbeteendeutveckling. Det finns ett direkt samband mellan åtgärder av frontostriatal vit materia, vilket ökar genom ungdomar och hämmande kontrollprestanda (Liston et al., 2006). Utvecklingen av vitmaterial är också direkt relaterad till förbättrad funktionell integrering av gråämnesregioner, vilket föreslår mer distribuerad nätverksaktivitet genom utveckling (Stevens et al., 2009). Detta bekräftas av en undersökning som observerade ett skifte från användning av vilande tillstånd, funktionell anslutnings-MR, tillsammans med grafanalyser, från större anslutning med anatomiskt proximala noder till nätverk som var mer omfattande integrerade över alla noder i vuxen ålder oavsett distans (Fair et al., 2009). På samma sätt stöder åldersrelaterade ökningar i funktionell integration av front- och parietala regioner förbättrad topp-hämmande kontrollprestanda i en antisaccaduppgift (Hwang et al., 2010). Utveckling av vita ämnen, snabba beskärningar av synapser (vilka i stor utsträckning är lokala excitatoriska anslutningar) och utvecklingsskift i lokal internuronaktivitet kan tillsammans underlätta en mer omfattande funktionell samordning mellan hjärnregioner genom utveckling. Mindre utbredd aktivitet hos ungdomar har också visats i en annan kognitiv kontrolluppgift (Velanova et al., 2008). Samtidigt minskar diffus funktionell signal som är okorrelerad med uppgiftens prestanda genom utveckling (Durston et al., 2006). Det vuxna mönstret för att utnyttja mer distribuerade nätverk sammanfaller således med minskad uppgift irrelevant aktivitet, vilket indikerar större effektivitet i mönstret och omfattningen av kortikal behandling.

Elektrofysiologiska studier har också funnit bevis på ytterligare utveckling av neuronresponser och större lokal och långsiktig koordinerad aktivitet genom ungdomar. Till exempel utvecklar den Kontingent Negativa Variationen, som är en negativ spänningsrelaterad händelse-relaterad potential under reaktionsberedningen, endast i sen barndom och fortsätter att bli större genom tonåren (Bender et al., 2005; Segalowitz och Davies, 2004). Detta antas återspegla åldersrelaterade skillnader i distributionen av PFC-bearbetning av uppmärksamhet och verkställande motorstyrning (Segalowitz et al., 2010). En annan åldersrelaterad elektrofysiologisk förändring är utvecklingen av stark positiv topp (P300) ungefär 300 ms efter att ha deltagit i en stimulans. Ett moget P300-mönster visas inte förrän ungefär ålder 13 (Segalowitz och Davies, 2004). Slutligen är den felrelaterade negativiteten en negativ spänning centrerad över den främre cingulära cortexen vid felprov på olika uppgifter. Även om det finns viss variation i åldern av sitt utseende, verkar det komma fram till mid-adolescenten (Segalowitz och Davies, 2004). Dessa fynd ger ytterligare bevis för fortsatt mognad av prefrontal kortikal behandling under ungdomar. Segalowitz och kollegor fann också att signalförhållandet mellan barns och ungdomars elektriska signaler var ofta lägre än hos vuxna. Detta kan bero på funktionell omodernhet eller intra-individuell instabilitet hos hjärnregioner som producerar dessa signaler (Segalowitz et al., 2010). Det kan också återspegla minskad adolescent neuralkoordinering inom och mellan hjärnregioner. Denna tolkning är förenlig med det arbete som utförs av Uhlhaas och kollegor (2009b), i vilken elektroencefalogram (EEG) registrerades hos barn, ungdomar och vuxna under ansiktsigenkänning. De observerade minskad theta (4-7 Hz) och gamma band (30-50 Hz) oscillatorisk effekt hos ungdomar jämfört med vuxna. Dessutom fanns det större långfrekvensfassynkronisering i teta, beta (13-30 Hz) och gamma band, tillsammans med förbättrad uppgift prestanda hos vuxna. EEG-oscillationer beror på fluktuationer i neuronal excitabilitet och man tänker finjustera tidpunkten för spikutgången (Björn fries, 2005). Synkroniseringsåtgärder i specifika frekvensband underlättar kommunikationen mellan neuronala grupper och kan vara kritiska för många perceptuella och kognitiva processer (Uhlhaas et al., 2009a). Dessa resultat är således bevis på ökad samordnad lokal behandling och förbättrad interregional kommunikation från ungdomar till vuxen ålder (Uhlhaas et al., 2009b).

Ett annat användbart tillvägagångssätt för att undersöka neurala aktivitet förändringar genom ungdomar är med in vivo- elektrofysiologisk inspelning från implanterade elektroduppsättningar i vakna uppförande djur. Denna teknik gör det möjligt för en att registrera aktiviteten hos enskilda neuroner såväl som större skalafältpotentialer. Vi har nyligen genomfört en sådan studie, där ungdomar och vuxna råttor utför ett enkelt målriktat beteende (Figur 1a) då inspelningar togs från orbitofrontal cortex. Medan tonåringar och vuxna utför samma beteende observerades slående åldersrelaterade neurala kodningsskillnader, särskilt för att belöna (Sturman och Moghaddam, 2011). Detta indikerar att även när beteendet kan tyckas likartat är den tonåriga prefrontala cortex i ett annat tillstånd än hos vuxna. Närmare bestämt blev adolescenta orbitofrontala cortexneuroner mycket mer upphetsade mot belöningen, medan andelen adolescent-inhiberade neuroner var väsentligt mindre vid den tiden och vid andra punkter i uppgiften (Figur 1b). Eftersom neural inhibering är kritisk för styrning av exakt timing av spikar och medföljande synkroniserad oscillerande aktivitet (Cardin et al., 2009; Fries et al., 2007; Sohal et al., 2009), minskad arbetsrelaterad adolescent orbitofrontal cortex-neuronhämning kan vara direkt relaterad till större skala neurala kodningsskillnader observerade i denna studie och beskrivna av andra. Slutligen uppvisade slutligen en stor del av uppgiftens ungdomar större skillnad mellan spridningstiden, vilket kan indikera lägre signal-brus i ungdomlig prefrontal cortex. Eftersom den prefrontala cortexen utvecklas kan därför ökad fasisk inhibering vid enhetsenivån stödja större intra- och interregional neuralkoordinering och behandlingseffektivitet.

  

Figur 1

A) Schematisk beteendeuppgift. Råttor utförde ett instrumental beteende inuti en standard operantkammare. Varje försök började med början av ett cue-ljus i ett näspinnehål (Cue). Om råttan klev in i det hålet när lampan var på (Poke) .

5. Neurobehavioral hypoteser

Med alla de neurodevelopmentala förändringarna i tonåren, vad står det för de specifika beteendemässiga skillnaderna och sårbarheterna i denna period? De föregående avsnitten beskriver bevis för en mängd olika ungdomssjukdomar i neurodevelopment och åldersrelaterade beteendemässiga skillnader och sårbarheter. Här presenterar vi flera hypoteser eller modeller som explicit kopplar adolescenta skillnader i motiverat beteende, social utveckling och beteendehämning med mognad hos specifika neurala kretsar (Tabell 2).

  

Tabell 2

Neurobehavioral hypoteser som integrerar ungdomar beteendeförändringar med hjärnans utveckling

Adolescent raffinering av ett socialt informationshanteringsnätverk är en modell som kopplar ungdomars sociala utveckling med hjärnans förändringar (Nelson et al., 2005). Denna ram beskriver tre sammankopplade funktionella noder med tydliga neurala strukturella underlag: detekteringsnoden (inferior occipital cortex, inferior och anterior temporal cortex, intraparietal sulcus, fusiform gyrus och överlägsen temporal sulcus), den affectiva noden (amygdala, ventralstriatum, septum, sängkärnan i stria-terminalen, hypotalamus och orbitofrontal cortex vid vissa tillstånd) och det kognitiva reglerande nodet (delar av prefrontal cortex). Detekteringskoden bestämmer huruvida stimuli innehåller social information, vilken vidarebehandlas av den affektiva noden, som stimulerar sådana stimuli med känslomässig betydelse. Den kognitiva regulatoriska noden behandlar vidare denna information, utför mer komplexa operationer relaterade till att uppfatta andras mentala tillstånd, hämma prepotenta svar och generera målriktat beteende (Nelson et al., 2005). Ungdomens förändringar i känsligheten och interaktionen hos dessa noder är hypoteser för att intensifiera sociala och känslomässiga erfarenheter, starkt påverka ungdomens beslutsfattande och bidra till uppkomsten av psykopatologier under denna period (Nelson et al., 2005).

Den triadiska nodmodellen (Ernst et al., 2006) förklarar att den specifika utvecklingsbanan i hjärnregioner som underlättar affektiv bearbetning och kognitiv kontroll, och balansen mellan dem, kan ligga till grund för risken för benägenhet hos ungdomar. Denna modell bygger också på aktiviteten av tre noder som motsvarar specifika hjärnområden. I detta fall är en nod som är ansvarig för belöningsstrategin (ventral striatum) i balans med en straff-undvikande nod (amygdala). En moduleringskod (prefrontal cortex) påverkar den relativa påverkan av dessa kompensationskrafter, och riskabelt beteende kommer att härröra från en slutgiltig beräkningsmetod. Enligt denna modell är inställningsnoden mer dominans hos ungdomar i situationer som involverar viss probabilistisk avvägning mellan aptit och aversiv stimuli. Hyperaktivitet eller överkänslighet i ett belöningssystem kan annars justeras av aktivitet i delar av prefrontal cortex, men dess underutveckling hos ungdomar tillåter inte tillräcklig självövervakning och hämmande kontroll (Ernst och Fudge, 2009).

Casey och kollegor antydar att skillnader i utvecklingsbanan hos ungdomlig prefrontal cortex jämfört med subkortikala strukturer (t.ex. ventralstriatum och amygdala), tillsammans med sambanden mellan dem, kan utgöra hänsyn till ungdomarnas beteendemässiga benägenheter (Casey et al., 2008; Somerville och Casey, 2010; Somerville et al., 2010). Under en uppgift som involverade mottagandet av olika belöningsvärden var graden av ungdomars aktivitet i kärnan accumbens likadan som hos vuxna (även om de hade större storlekar) medan mönstret av orbitofrontal kortikal aktivitet såg mer ut som hos barn än vuxna (Galvan et al., 2006). Den relativa mognaden hos subkortiska system och den förkroppsliga cortexens oförmåga, som är kritisk för kognitiv kontroll, kan leda till en större tonårig benägenhet mot sensationssökande och riskupptagande. Nyckeln här är, som i den triadiska nodmodellen, konceptet om en relativ interregional obalans under tonåren, i motsats till barndomen när dessa regioner är alla relativt omogna och vuxna när de är mogna (Somerville et al., 2010). Denna modell liknar också Steinbergs ramverk, där den relativa minskningen av riskupptagning från tonåren till vuxen ålder beror på utvecklingen av kognitiva kontrollsystem, anslutningar som underlättar integrationen av kognition och påverkan bland kortikala och subkortiska regioner och skillnader i belöningslönhet eller känslighet (Steinberg, 2008).

Det centrala temat för dessa modeller är att det hos ungdomar finns skillnader i känslighet, nivå eller effekt av aktivitet i kortikala och subkortiska områden inom nätverk som subserver emotionell behandling och kognitiv kontroll. Baserat på våra data och andra bevis förutser vi att sådana skillnader kan vara resultatet av minskad neuronal koordinering och behandlingseffektivitet hos ungdomar som manifesteras som ett resultat av mindre effektiv informationsöverföring mellan regioner och obalanser i neuronal excitation och inhibition inom kritiska hjärnregioner , såsom den orbitofrontala cortexen och delar av de basala ganglierna. Som beskrivits tidigare, vitro Arbetet har visat dramatiska förändringar i expressionsmönstren hos olika receptorer och effekterna av receptoraktivering, inklusive responsen av hämmande snabbspikande interneuroner till dopamin och NMDA-receptorstimulering. Sådana förändringar skulle förväntas påverka både balansen av excitation och inhibering och koordinering av neuronala grupper. Eftersom snabbspikande interneuronaktivitet är avgörande för att kontrollera den exakta tidpunkten för neural aktivitet och oscillationerna, kan utvecklingsskiftet i ungdomarinteruronaktivitet och deras svar på neuromodulatorer som dopamin vara central för några av dessa åldersrelaterade behandlingsskillnader. Som ett resultat av detta kan ungdomens neurala aktivitet vara mindre välkoordinerad, bullrigare och mer lokal, och kanske också mer känslig för de beteendeaktiverande effekterna av belöningar, nyhet eller andra framträdande stimuli. Minskad interregional oscillatorisk samordning, som ytterligare hämmas av ofullständig myelinering, kan tillsammans stå för den mindre fördelade funktionella aktiviteten som observeras i bildningsstudier. Den tidigare nämnda tendensen för ungdomar att begå riskfyllda val i känslomässigt belastade sammanhang skulle också kunna relateras till en kombination av minskad interregional kommunikation (t.ex. fel i prefrontal cortex för att effektivt dämpa subkortiska "go" -signaler i basalganglierna) och överdrivna aktivering och / eller minskad inhibering till framträdande signaler i samband med motiverat beteende, som vi observerade under belöningsförväntning i orbitofrontal cortex.

6. Sammanfattning

Som vi har lärt oss mer om de specifika hjärnans och beteendeförändringar av ungdomar har flera neurobehavioralmodeller föreslagits. Centralt för de flesta av dessa är den uppfattningen att omogen neuronal behandling i prefrontal cortex och andra kortikala och subkortiska områden tillsammans med deras interaktion leder till beteende som är förspänt mot risk, belöning och känslomässig reaktivitet under ungdomstiden. Det senaste arbetet med att utveckla inhiberande interneuronkretsar och deras växlande interaktion med neuromodulatoriska system under ungdomar kan också kasta ljus på varför sjukdomar som schizofreni brukar manifestera vid denna tidpunkt. Med hjälp av tekniker som fMRI hos människor och elektrofysiologiska inspelningar i laboratoriedjur börjar vi mer exakt identifiera hur tonåringar behandlar belöning och andra aspekter av motiverat beteende annorlunda än vuxna. Att göra det är ett kritiskt steg mot att fastställa de hjärnbaserade sårbarheterna hos det normala ungdomarbeteendet och att förstå patofysiologin hos de psykiatriska sjukdomar som utvecklas under denna period.

fotnoter

Referensprojekt