制造和加速青少年大脑（2011）

介绍

青春期的特点是，我们采取冲动行为，不考虑长期后果，并采取比成年人更危险的行为（加德纳和斯坦伯格，2005年; 斯科特，1992; Steinberg等，2008）。 这种承担风险的倾向反映在事故，自杀，不安全的性行为和犯罪活动的较高事件中（斯科特，1992）。 15岁及以下的青少年比年长的青少年更冲动，但即使是16岁和17岁的青少年也未能表现出成人的自我控制水平（Feld，2008).

在过去的十年中，一些认知和神经生物学假设被假定为青少年为什么要参与冲动和冒险行为。 传统的青春期记录表明，这是一个与认知控制能力逐步提高相关的发展时期。 认知控制的这种效率被描述为依赖于前额叶皮层的成熟，如成像所证明的（Galvan等，2006; Gogtay等，2004; Hare等，2008; Sowell等，2003）和验尸研究（资产阶级，高盛-拉基奇和拉基奇，1994年; Huttenlocher，1979; Rakic，1994）显示该地区的持续结构和功能发展到年轻的成年期。

改善认知控制与前额皮质成熟的一般模式（克朗和范德莫伦，2007年）表明从儿童期到成年期的发育呈线性增长。 如果认知控制和不成熟的前额叶皮质是单独选择行为的基础，那么儿童应该看起来非常相似或者可能比青少年更糟糕，因为他们的前额皮质和认知能力较差（Casey，Getz和Galvan，2008年）。 然而，在青春期观察到的次优选择和行动代表了发展的变化（Windle等，2008这是儿童期或成年期的独特之处，国家卫生统计中心就青少年行为和死亡率证明了这一点（Eaton等，2008).

这篇综述讨论了大脑在青春期如何变化的主要问题，其方式可以解释风险行为的变化。 我们概述了一个可测试的神经生物学模型，该模型强调皮质下和皮质脑区域之间的动态相互作用，并从进化的角度推测这些系统的出现。 我们提供来自行为和人类大脑成像研究的证据，以在动机环境中的行动框架中支持该模型（Cauffman等，2010; Figner，Mackinlay，Wilkening和Weber，2009年; Galvan，Hare，Voss，Glover和Casey，2007年; Galvan等，2006并解决为什么有些青少年可能比其他青少年更有风险做出导致较差的长期结果的次优决策（Galvan等，2007; Hare等，2008).

青春期神经生物学模型

青春期认知和神经生物学变化的准确概念化必须将青春期视为一个过渡发展时期（Spear，2000），而不是及时的单个快照。 换句话说，为了理解这个发展时期，表征过渡到青春期的过程对于区分这个发展时期的不同属性是必要的（Casey，Galvan和Hare，2005年; 凯西，热刺，利斯顿和达斯顿，2005年）。 建立认知过程的发展轨迹对于表征这些过渡和限制对此期间行为变化的解释至关重要。

我们在此框架内开发了一种可测试的青少年发育神经生物学模型，该模型以啮齿动物模型为基础（Brenhouse，Sonntag和Andersen，2008年; 拉维奥拉，阿德里亚尼，特拉诺瓦和格拉，1999年; Spear，2000）和最近的青春期成像研究（恩斯特等人，2005; Galvan等，2007; Galvan等，2006; Hare等，2008; 萨默维尔，野兔和凯西在印刷中; Van Leijenhorst，Moor等，2010; Van Leijenhorst，Zanolie等，2010). 图1 描绘了这个模型。 青春期的这种表征超越了风险行为与前额叶皮层不成熟的独特联系。 相反，所提出的神经生物学模型说明了必须如何一起考虑皮层下和皮层自上而下的控制区域。 该动画片说明了这些系统的不同发育轨迹，其中皮质下系统如腹侧纹状体比前额叶控制区域更早发育。 根据这个模型，与儿童相比，个体在青春期期间更多地受到功能成熟的皮质下区域的偏见（即皮质下相对于前额皮质控制的不平衡），对于这些儿童，这些系统（即皮质下和前额叶）仍在发育，与成年人相比，这些系统已经完全成熟。

图1

神经生物学模型描绘了相对于涉及欲望和恐惧的皮质下区域的自上而下前额区域的后期发展。 这些系统的发展不平衡被认为是青少年风险选择行为的核心 ...

这种观点为跨越发展的风险行为的非线性变化提供了基础，这是由于皮质下系统相对于不太成熟的自上而下前额控制系统的早期成熟。 凭借开发和经验，这些区域之间的功能连接提供了自上而下控制该电路的机制（Hare等，2008）。 此外，该模型调和了青春期危险行为的健康统计数据的矛盾，以及Reyna和Farley（2006）的精明观察，即青少年完全有能力做出理性决策并理解他们所从事行为的风险。 然而，在情绪突出的情况下，鉴于相对于前额叶控制系统的成熟度，皮质下系统将胜过控制系统（制动器）（加速器）。

该模型与青少年发育模型一致（恩斯特·派恩和哈丁，2006年; 恩斯特，罗密欧和安徒生，2009年; Geier＆Luna，2009年; 尼尔森，莱本卢夫特，麦克卢尔和派恩，2005年; Steinberg，2008; Steinberg等，2009）表明皮质下和皮层区域的差异发展。 例如，Ernst及其同事提出的三元模型（恩斯特等人，2006）将动机行为描述为具有三种不同的神经回路（接近，避免和监管）。 该方法系统涉及奖励行为，并且主要由腹侧纹状体控制。 回避系统涉及回避行为，并且主要由杏仁核控制。 最后，监管系统平衡了进近和避免系统，并且主要由前额叶皮层控制。 因此，青春期增加的冒险行为是由于进近系统的影响更大以及监管系统的影响较弱。

我们的模型与其他模型的不同之处在于，它不仅基于大脑变化的经验证据，而且还包括从青春期到成年期的过渡，以及从童年到青春期的过渡。 此外，我们并未建议纹状体和杏仁核是特异性接近和避免行为，因为最近的研究显示这些结构的价态独立性（Levita等，2009）但是，它们是在检测环境中可能偏向行为的动机和情感相关线索方面的重要系统。 这种对青春期食欲和情绪线索的敏感性已在不同物种中得到描述（见 Spear，2009）并在这里进行审查。

青春期的比较与进化观

从青少年大脑发育的不平衡模型中产生的一个问题是为什么大脑可能被编程以这种方式发展。 这一问题可以通过向后退一步并将青春期的定义视为儿童期和成年期之间的过渡期来解决。 青春期标志着性成熟开始的青春期开始（Graber和Brooks-Gunn，1998年并且可以通过生物标志物来定义。 青春期可以被描述为逐渐过渡到成年期，具有模糊的个体发育时间过程（Spear，2000，p.419）。 关于青春期激素对大脑和行为的影响的完整讨论超出了本文的范围; 看（福布斯与达尔，2010年; 罗密欧，2003）有关该主题的详细评论。

从进化的角度来说，青春期是一个从保护家庭中获得独立的时期，同时也可能使个人处于危害之中（Kelley，Schochet和Landry，2004年）。 跨哺乳动物物种观察到寻求独立的行为，同伴指导的社交互动的增加以及新颖性寻求的增强，这影响了青少年的危险行为倾向（布朗，2004; Chassin等，2004; 科林斯和劳森，2004年; Laviola等，1999）。 这种冒险行为可能被定义为生物驱动的不平衡与不成熟的“自我监管能力”相结合的新颖性和感觉追求之间的不平衡的产物（Steinberg，2004）。 猜测表明，这种发展模式是一种进化特征，因为个体需要从事高风险行为，以便找到一个安全和熟悉的利基，以便找到配偶和生育（Spear，2000）。 因此，冒险似乎与激素驱使青少年寻找性伴侣的时间相吻合。 在当今社会，当青春期可能无限期延长时，与父母同住并有经济依赖并在以后的生活中选择伴侣的孩子，这种行为可能适应性较差。 我们的神经生物学模型表明，这是通过皮质下和皮质系统的不同发育而发生的。 经验行为和影像数据都得到了支持，以支持这种观点。

青少年行为发展

行为发展的核心组成部分是能够抑制不恰当的行为，有利于目标导向的行为，特别是在存在强制性激励的情况下。 这种能力通常被称为认知控制（Casey，Galvan等，2005; 凯西，吉德和托马斯，2000年; Casey，Thomas等，2000）。 我们在皮质驱动的认知过程随年龄变化的背景下回顾经典认知发展文献，并提供行为和神经解剖学证据，以区别于危险行为。

许多经典的发育研究表明，认知控制在整个童年和青春期都会发展（案例，1972; Flavell，Beach和Chinksy，1966年; 基廷和鲍比（1978年）; Pascual-Leone，1970）。 一些理论家认为，这种发展是由于处理速度和效率的提高（例如，Bjorklund，1985, 1987; 案例，1972）），但其他人建议“抑制”过程是关键因素（Harnishfeger和Bjorklund，1993年）。 根据这一说法，童年时期的次优选择是由于更容易受到必须抑制的竞争来源的干扰（例如，（布雷纳德与雷娜（1993）; Casey，Thomas，Davidson，Kunz和Franzen，2002年; Dempster，1993; Diamond，1985; Munakata＆Yerys，2001年）。 因此，最佳决策需要控制冲动（米歇尔·肖达和罗德里格斯，1989年）这种能力在童年和青春期以线性方式成熟（Eigsti等，2006).

相比之下，冒险或寻求奖励的行为似乎在青春期达到顶峰，然后在成年期下降（Eaton等，2008; Windle等，2008并与青春期成熟有关（达尔，2004; Martin等人，2001）。 最近的一项研究 斯坦伯格等人。 （2008） 从感觉寻求行为中描绘出冲动/认知控制的构造，被定义为寻求新奇经验和冒险以实现它们的愿望。 他们测试了10和30年龄之间的个体，并且表明随着年龄的变化寻求感觉的差异遵循曲线模式，感觉寻求峰值在10和15年之间增加并且之后下降或保持稳定。 相反，冲动性的年龄差异遵循线性模式，随着年龄的增加而冲动性降低。

这些发现表明这两种结构具有明显的发育轨迹。 具体而言，冲动性随着童年和青春期的年龄而减少（Casey，Galvan等，2005; Casey，Thomas等，2002; Galvan等，2007），尽管某个人冲动或不冲动的程度存在差异，但不论年龄（Eigsti等，2006）。 与冲动/认知控制相反，感觉寻求/冒险似乎呈现曲线模式，青春期相对于儿童期和成年期增加（Cauffman等，2010; Figner等人，2009; Galvan等，2007）。 正如将在以下部分中回顾的那样，这些研究结果表明，风险行为构建的独特神经系统，与冲动控制的神经系统分开，与冲动控制的长期发展相关的风险承担行为的早期发展（Galvan等，2007; Steinberg等，2008).

青少年大脑发育

最近对青少年大脑发育的研究基于神经影像学方法的进步，这些方法可以很容易地用于发展人群。 这些方法依赖于磁共振成像（MRI）方法，包括：结构MRI，用于测量结构的大小和形状; 功能磁共振成像（fMRI），用于测量大脑活动的模式; 和扩散张量成像（DTI），用于指示白质纤维束的连通性。 我们的皮质和皮质下区域竞争发展模型的证据分别由DTI和fMRI测量的不成熟的结构和功能连接性支持。

青春期对食欲暗示的敏感性

我们的神经生物学模型表明，对动机线索的高度响应和行为控制的不成熟可能会使青少年偏向于寻求立即而非长期的收益。 跟踪儿童期至成年期的皮质下（例如腹侧纹状体）和皮质（例如，前额叶）发育，限制了青春期报告的变化是否与这一发育时期相关，或反映了从童年时期以某种线性模式稳定发生的成熟到成年。

几个研究小组已经表明，与成人相比，青少年在预期和/或接受奖励时表现出更高的腹侧纹状体激活（恩斯特等人，2005; Galvan等，2006; Geier，Terwilliger，Teslovich，Velanova和Luna，2009年; Van Leijenhorst，Zanolie等，2010），与前列腺皮质相对于成人的激活较少。 在最初的一项研究中，检查了整个儿童期到成年期的这种反应，Galvan和她的同事们检查了行为和神经反应，以奖励6对29岁儿童的操作。 他们专注于涉及动物研究中奖励相关学习和行为的大脑电路（彦坂和渡边2000; 佩奇纳，卡尼亚德，贝里奇，奥尔德里奇和壮，2003年; 舒尔茨，2006），成人人体成像研究（例如（Knutson，Adams，Fong和Hommer，2001年; O'Doherty，Kringelbach，Rolls，Hornak和＆Andrews，2001年; Zald等，2004））和成瘾研究（海曼与马林卡（Hyman＆Malenka），2001年; Volkow＆Li，2004年）。 基于啮齿动物模型（Laviola等，1999; Spear，2000）和以前的成像工作（恩斯特等人，2005），他们假设相对于儿童和成人，青少年会表现出对腹侧纹状体的夸大激活，与不太成熟的自上而下的前额控制区域的募集相一致。 他们的研究结果支持这一假设，表明腹侧纹状体青少年大脑活动的空间范围与成人相似，而前额区域的活动程度更接近于儿童。 这两个区域之间的活动程度与青少年腹侧纹状体的活动幅度相关，相对于儿童和成人，这些活动被认为是由于皮质下皮质发育的不平衡所致（见 图2）。 最近的研究显示青少年前额区和皮质下区域相对于成人的功能连接延迟，这为缺乏对处理动机线索相关区域的自上而下控制提供了机制（Hare等，2008).

图2

腹侧纹状体中的活动对于每个受试者的预期奖励作为年龄的函数，显示出大致13至18年之间的活动增强（改编自 Galvan等，2006; 2007).

这些发现与啮齿动物模型部分一致（拉维奥拉（Laviola），马克里（Macri），莫利·弗莱彻（Morley-Fletcher）和阿德里亚尼（Adriani），2003年）和以前的成像研究（恩斯特等人，2005; Van Leijenhorst，Moor等，2010）显示增强的腹侧纹状体活动，以奖励和期待青春期的奖励。 相对于儿童和成人，青少年表现出夸张的腹侧纹状体对奖赏的反应。 然而，儿童和青少年在前额控制区域的反应比成人更不成熟。 这些研究结果表明，相对于儿童或成人，这些区域的不同发育轨迹可能是腹侧纹状体活动增强的基础，这可能反过来与这一发展期间观察到的风险决策增加有关（Figner等人，2009）。 值得注意的是，有几个实验室（恩斯特等人，2005; Galvan等，2006; Geier等，2009; Somerville等人，正在报道中; Van Leijenhorst，Moor等，2010）已经表明青少年腹侧纹状体的反应增强，一个实验室未能观察到这种反应（Bjork等，2004; Bjork，Smith，Chen和Hommer，2010年）未来的研究将需要澄清这种大脑活动模式被观察到或未被观察到的特定条件。

在许多发育性fMRI研究中已经报道了前额叶和皮质下区域的差异募集（Casey，Thomas等，2002; Geier等，2009; Luna等，2001; Monk等，2003; 托马斯等人，2004; Van Leijenhorst，Zanolie等，2010）。 通常，这些发现是根据未成熟的前额区域而不是前额叶和皮质下区域发育之间的不平衡来解释的。 鉴于前额区域在不同背景下指导适当行动的证据（米勒和科恩，2001年），不成熟的前额活动可能会妨碍对未来结果的适当估计和对风险选择的评估，因此可能对奖励评估的影响小于腹侧纹状体。 这种模式与先前的研究结果一致，显示皮层下皮质活动相对于皮质活动升高，当决策受到直接长期收益的影响时（McClure，Laibson，Loewenstein和Cohen，2004年）。 在青春期，相对于儿童期或成年期，未成熟的前额皮质接合可能无法提供对强力激活的奖励处理区域（例如，腹侧纹状体）的充分自上而下的控制，导致前额系统相对于腹侧纹状体在奖励评估中的影响较小。

虽然皮质和皮质下区域的差异募集已经在发展过程中得到了有力的报道，但只有少数研究已经解决了认知控制和奖励系统如何相互作用。 最近的一项研究（Geier等，2009）在青少年和成年人的fMRI期间使用一种抗痉挛任务的版本检查了这种相互作用。 他们的研究结果显示，在金钱受到威胁的试验中，表现得到了提高，青少年观察到了最大的改善（更快和更准确的反应）。 这种表现与青少年腹侧纹状体中的夸大激活相平行，这是因为下一次试验将在他们准备并随后执行抗癫痫时获得奖励。 青少年在控制眼球运动的重要区域也表现出前额叶活动增强。 这些研究结果表明这些控制区域的奖励相关上调。

Geier研究提供了一个例子，说明食欲提示如何促进青少年的认知表现，但是每天生活中青春期的高风险行为表明，食欲提示可能会损害认知决策。 为了验证这一假设，Somerville及其同事（Somerville等人，出版社）在执行go / nogo任务时对儿童，青少年和成年人进行了测试，他们不得不抑制对食欲的社交线索的反应。 她表明，与儿童和成人相比，青少年更难以抵抗食欲上升的社交线索，这些提示比对中性线索的误报更多。 这种行为表现与腹侧纹状体活动增强相平行。 相比之下，前额叶皮层的激活与总体准确性相关，并且随着性能和年龄的改善，活动呈线性下降。 功能连通性分析将背侧纹状体确定为皮质和皮质下信号的关键收敛点。 总的来说，这些研究表明，成年人青少年行为的差异取决于行为的背景。 在有吸引力的情况下，鉴于差异性区域发展，参与检测食欲线索的皮质下系统将胜过（加速器）皮质控制系统（制动器）。 然而，在没有食欲或情绪线索的情况下，皮质控制系统不会受到损害，从而在青少年中获得更佳的表现。

青春期与个体差异

个体控制冲动和冒险的能力各不相同，这种现象已经在心理学中被认可了一段时间（Benthin，Slovic和Severson，1993年）。 因此，一些青少年更有可能从事危险行为，更容易产生较差的结果。 因此，检查个体差异可能有助于确定潜在的生物行为标记，以识别在青春期可能有较大风险的个体。

社会，认知和发展心理学文献中这些能力中报告的个体差异的典型例子是延迟满足（Mischel等，1989）。 通常在3至4岁儿童中评估延迟满足。 孩子被问到他们现在是想要一个小奖励（一个棉花糖）还是一个大奖励（两个棉花糖）。 然后告诉孩子实验者将离开房间以准备即将开展的活动，并向孩子解释如果她留在座位上并且在此期间不吃棉花糖，那么她将获得两者的巨额奖励。棉花糖。 如果孩子没有或不能等，她应该响铃以召唤实验者，从而获得较小的奖励。 一旦孩子明白了这项任务，她就坐在桌旁，带着两个奖励和铃铛。 房间内的干扰最小化，没有玩具，书籍或图片。 实验者在15分钟后或孩子敲响铃声，吃掉奖励或出现任何窘迫迹象后返回。 使用这种范例，Mischel表明孩子们通常会以两种方式中的一种来完成这项任务：1）他们几乎立即响铃以获得棉花糖，这意味着他们只得到一个; 2）他们等待并优化他们的收益，并获得两个棉花糖。 这一观察结果表明，一些人在面对极为突出的激励时控制冲动的能力优于其他人，这种偏见可以在儿童早期就被发现（Mischel等，1989并且似乎仍然存在于青春期和青年期（Eigsti等，2006).

什么可以解释最佳选择行为的个体差异？ 一些理论家推测多巴胺能中脑边缘电路与奖励处理有关，是危险行为的基础（Blum等，2000）。 发育研究提供的神经化学证据表明，在青春期，皮质和皮质下多巴胺系统之间的青少年大脑平衡开始转向更高的皮质多巴胺水平（Brenhouse等，2008; Spear，2000）。 同样，非人类灵长类动物前额叶皮层的多巴胺能神经衰弱延迟到青春期进入成年期，这表明直到成年期才能达到功能成熟（罗森伯格和刘易斯，1995年）。 该电路中的个体差异，如多巴胺相关基因的等位基因变异，导致皮层下区域的多巴胺过少或过多，可能与某些人比其他人更倾向于参与危险行为有关（O'Doherty，2004).

在对货币风险范式做出风险选择之前，腹侧纹状体的活动有所增加（Kuhnen＆Knutson，2005年; 马修斯，席梦思，莱恩和保卢斯，2004年; 蒙塔古和伯恩斯，2002年并且如前所述，青少年表现出夸张的纹状体活动，以奖励相对于儿童或成人的结果（恩斯特等人，2005; Galvan等，2006）。 总的来说，这些数据表明，青少年可能更容易作为一个群体进行风险选择（Figner等人，2009; 加德纳和斯坦伯格，2005年），但是一些青少年比其他青少年更容易从事危险行为，使他们面临更大的负面结果风险。

探讨冒险行为的个体差异， Galvan及其同事（2007） 审查了与奖励相关的神经回路中的活动对大量金钱奖励的响应与人格特质的冒险和冲动性之间的关联。 功能性磁共振成像和风险行为，风险感知和冲动的匿名自我报告评定量表是在7至29岁的个体中获得的。 腹侧纹状体活动与整个发育过程中从事危险行为的可能性之间存在正相关。 该活动根据个人对此类行为的预期正面或负面后果的评级而变化。 那些认为危险行为会导致可怕后果的人，较少激活腹侧纹状体以产生奖励。 这种消极的联想是由儿童参与者驱动的，而在成年人中，这种行为的后果被认为是积极的。

除了将风险与奖励电路联系起来之外，Galvan还表明该电路的活动与冲动性评级之间没有关联（Galvan等，2007）。 相反，她表明冲动与年龄呈负相关。 这一发现与最近的一份报告一致 斯坦伯格（2008） 表现出寻求感和冲动的差异发展，在青春期相对于童年和成年期，寻求感增加，但是冲动遵循随年龄下降的线性模式。 这些发现表明，在青春期期间，某些人可能更倾向于从事危险行为，这是由于发展变化与给定个体从事危险行为的倾向的可变性相一致，而不是冲动的简单变化。 此外，这些个体差异和发展差异可能有助于解释某些个体在与使用毒品（最终导致成瘾）相关的冒险行为中的脆弱性。

结论

人体成像研究显示皮质下皮质电路的结构和功能变化（供审查，Casey，Tottenham，et al。，2005; Giedd等人，1999; Giedd等人，1996; Jernigan等，1991; Sowell等，1999））认知控制和自我调节的并行增加（Casey，Trainor等，1997; 露娜与斯威尼（Luna＆Sweeney），2004年; Luna等，2001; Rubia等，2000; Steinberg，2004; Steinberg等，2008）。 这些变化表明前额区域的激活从扩散到随着时间推移更多的焦点募集的转变（Brown等人，2005; 邦吉等人，2002; Casey，Trainor等，1997; 德斯顿和凯西，2006年; 摩西等人，2002）和青春期皮质下区域的升高（Casey，Thomas等，2002; 德斯顿和凯西，2006年; Luna等，2001）。 尽管神经影像学研究无法明确地描述这种发育变化的机制，但这些体积和结构的变化可能反映了在成熟过程中对这些大脑区域的预测的发展和改进，提示系统随着发育的微调（Hare等，2008; Liston等，2006).

总之，这里综合的研究结果表明，青春期风险增加的行为与皮质下动机和皮质控制区域的不同发育轨迹有关。 然而，这并不是说青少年无法做出理性的决定。 相反，在情绪激动的情况下，更成熟的边缘系统可能在指导行动中赢得前额控制系统。

虽然青春期被区分为以追求奖励和冒险行为为特征的时期（加德纳和斯坦伯格，2005年; Spear，2000）神经反应对奖励的个体差异，使一些青少年比其他青少年更容易冒险，使他们面临更大的风险，如成瘾，药物滥用和死亡率等不良后果。 这些研究结果通过综合与青春期冲动和冒险相关的各种研究结果以及理解个体差异和发展标志物以及导致负面后果的次优选择的倾向，提供了至关重要的基础。

致谢

参考资料