Развитие мозга: влияние вмешательств на детей и подростков

В двадцать первом веке на научную медицину сильно повлияла гипотеза о происхождении здоровья и болезней в процессе развития. Эта гипотеза предполагает, что сложные заболевания и расстройства человека, независимо от возраста, в котором началось развитие патологии, уходят корнями в детство и юность и являются результатом динамики различных сил, которые обосновывают развитие человека.

Человеческий мозг является самой сложной биологической системой, состоящей из множества функционально различных областей, структурно различных нейронных цепей и морфологически различных типов клеток. Его продолжительность жизни очень динамична, охватывая непрерывность и изменения как на структурном, так и на функциональном уровнях. Мозг имеет уникальную траекторию развития по сравнению с остальными частями тела. В то время как при рождении вес младенца составляет примерно 6 процентов от веса взрослого человека, мозг уже составляет 25 процентов от веса мозга взрослого человека, к двум годам эти пропорции составляют 20 и 77 процентов соответственно.

Быстрый темп роста мозга сопровождается медленными темпами его функционального созревания, которое продолжается в раннем взрослом возрасте. Одним из основных положений развития является то, что как структурные, так и функциональные характеристики развития мозга являются высокоинформативными предикторами соотношения продолжительности жизни, здоровья и болезней. Поскольку мозг обосновывает изменение поведения, понимание его развития является ключевым при разработке и распространении вмешательств, которые максимизируют здоровое развитие и сводят к минимуму возникновение  расстройств.

Развитие мозга человека

Под развитием человеческого мозга понимается анатомическое его созревание и функциональное совершенствование.

Анатомическое созревание мозга

Этот процесс характеризуется постоянными динамическими изменениями на протяжении всей жизни. В послеродовом периоде он следует перевернутой U-образной траектории (∩), которая достигает максимума примерно в возрасте восьми лет, а затем монотонно снижается. Мозг созревает по двум его измерениям: серому и белому веществу. Серое вещество состоит в основном из тел нейрональных клеток, которые определяют цвет, а также дендритов, немиелинизированных и относительно небольшого количества миелинизированных аксонов, глиальных клеток, включая астроглию и олигодендроциты, синапсы и капилляры. Белое вещество состоит в основном из миелинизированных аксонов, миелина, который определяет цвет, и относительно небольшого количества тел нейрональных клеток. В общем и упрощенном виде серое вещество формирует структуры мозга, а белое вещество обеспечивает связь этих структур. Оба необходимы для выполнения всех функций мозга. Серое и белое вещество имеют разные траектории развития, их относительные пропорции и темпы накопления различаются на разных стадиях развития и в здоровом, и в «неупорядоченном» мозге.

К шести годам мозг достигает примерно 95 процентов своего взрослого объема. Его размер у мальчиков примерно на 10 процентов больше, чем у девочек. Это гендерное различие сохраняется на протяжении всей жизни, хотя тела мальчиков не становятся больше, чем тела девочек до подросткового возраста, что предполагает разделение траекторий созревания мозга и размеров тела.

Траектория развития серого вещества достигает максимума в раннем детстве, предшествуя пику общего объема мозга, а затем постепенно неравномерно уменьшается по всему мозгу. Количество серого вещества достигает пика раньше всего в первичных сенсомоторных областях и позже всего в ассоциативных областях более высокого порядка. Объем белого вещества постепенно увеличивается в раннем взрослом возрасте. Миелинизация не только улучшает параметры передачи сигналов, но и повышает связность и сетевые свойства мозга. Некоторые данные свидетельствуют о том, что увеличение белого вещества связано с появлением специфических психологических функций, таких как речь.

Последние технологические достижения привели к дифференциации объема коры на два основных компонента: толщину коры и площадь поверхности коры. Толщина коры в большинстве областей мозга демонстрирует линейное монотонное снижение, происходящее в основном одинаково у мальчиков и девочек в возрасте от 4,5 до 22 лет, причем пик толщины коры проявляется не позднее 8 лет.

Ключевые моменты:

• Наблюдается значительная вариабельность индивидуального размера мозга, что затрудняет индивидуальные клинические прогнозы.
• Незначительные отклонения от нормальных траекторий развития анатомии мозга, по крайней мере, связаны с рядом нарушений развития, если не причинных факторов.
• Существуют различные показатели развития мозга, и некоторые из них кажутся более клинически информативными, чем другие. Например, доказана связь толщины коры с проявлением нарушений развития.
• Толщина коры, по-видимому, коррелирует с выполнением сложных когнитивных задач.
• Разные области мозга имеют разную динамику созревания. В целом, филогенетически новые области созревают позже, чем более старые, а ассоциативные области более высокого порядка созревают после соматосенсорных областей более низкого порядка. Например, дисбаланс в развитии между сетями лимбической системы более раннего созревания и лобными системами более позднего созревания может объяснить психологическую и поведенческую структуру подросткового возраста.
• Созревающий мозг характеризуется изменением его функциональных свойств, в частности его связности, которая достигает пика в подростковом возрасте и определяется физическими связями между областями мозга, развивающимися совместно, паттернами совместной активации между областями мозга, занятыми конкретными задачами.

Функциональное развитие

Человеческий мозг обычно представлен как система многоуровневых сетей высокоорганизованных нейронов, где пространственно-временная биохимическая и биоэлектрическая активность придает специализированную функциональность структурно-анатомическим компонентам мозга. Связь между структурой и функцией является двунаправленной, так что конкретные анатомические характеристики, такие как поражения, развитие синапсов и миелинизация, определяют параметры функциональности конкретной сети. Функциональная динамика сети может изменять физические характеристики базовой структуры мозга. От зачатия на протяжении всей жизни и до старения траектория развития этой системы определяется непрерывным совместным влиянием генома каждого человека и окружающей среды – непосредственной системы факторов окружающей среды, которые влияют на здоровье и поведение человека. Понимание стабильности и гибкости системы является фундаментальной задачей современной науки.

Поскольку система в целом и каждая сеть по отдельности возникают в процессе развития, исследования традиционно включали исследования того, где в мозге может быть локализована сеть и как она работает. В таких исследованиях исторически использовались методы анатомической локализации, например, с помощью операции на головном мозге или аутопсии, но эти методы имеют ограниченную ценность для живых людей. Более современные методы (электроэнцефалография, позитронно-эмиссионная томография, функциональная магнитно-резонансная томография и спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона / оптимальная визуализация), основанные на различных технологических достижениях, изучают мозг живых людей, где основное внимание, наряду с анатомической структурой, уделяется функциональной связности. Эти методы, которые сначала требовали технологий, навыков, затрат и безопасности, развивались, чтобы минимизировать эти требования и максимизировать безопасность (например, применимость к педиатрическому населению), переносимость (например, использование в минимально оборудованных условиях) и использование (например, удобство использования в условиях с ограниченными ресурсами).

Современный взгляд на траекторию развития функциональных сетей мозга и их систем сводится к следующему:

• От младенчества до зрелого возраста свойства сети изменяются таким образом, что изначально сильные корреляции между мозговой активностью в близко расположенных анатомических областях имеют тенденцию ослабевать, в то время как изначально слабые корреляции между более отдаленными областями имеют тенденцию к увеличению.
• Это изменение в распределении корреляций может быть связано с анатомическими изменениями в развитии мозга: синаптической обрезкой, то есть процессом устранения синапсов, соединяющих разные нейроны. Синаптическое сокращение может быть движущим фактором, обосновывающим уменьшение проксимальных корреляций, тогда как миелинизация — процесс формирования миелиновой оболочки вокруг нерва, позволяющей нервным импульсам проходить быстрее — может быть движущим фактором увеличения дистальных корреляций.
• Увеличение функциональной связности в процессе развития, по-видимому, по крайней мере, частично обусловлено спонтанными или организованными сопутствующими проявлениями активности, а именно совместной активацией различных структур мозга в контексте, например, неявного или явного обучения, на основе которого функциональные связи внутри мозга могут укрепляться по мере приобретения новых навыков.
• Считается, что функционально разные нейронные сети имеют разные сроки созревания.
• Характеристики функциональных сетей связаны во взрослом возрасте с показателями интеллектуальной деятельности и исполнительного контроля. Хотя сопоставимые данные по детям ограничены, тщательное изучение траекторий развития функциональных сетей мозга в сочетании с другими системами созревания — например, речью, познанием и саморегуляцией – может улучшить понимание развития человека как системной трансформации взрослеющего человека, управляемой мозгом.

Динамика развития мозга в геноме и окружающей среде

Мозг представляет собой очень открытую и модифицируемую систему — нейронные цепи, установленные в раннем возрасте, подвергаются ремоделированию по мере развития их взрослых функциональных свойств в ответ как на геномные, так и на экологические сигналы. Это пространство для различных интерпретаций одного генотипа, то есть когда один и тот же генотип может проявлять разные фенотипы в различных условиях, называется пластичностью. Способность человеческого мозга реагировать на окружающую среду и ее колебания представляет собой адаптивную систему, которая позволяет людям лучше выживать и размножаться. Другими словами, мозг, метафорически, является центром, соединяющим различные информационные потоки из генома и окружающей среды, что позволяет организму интерпретировать и адаптироваться к генетическим и экологическим силам.

Требования к питанию

Адекватное сбалансированное питание мозга (как наиболее метаболически активного органа) в пренатальном и постнатальном периодах имеет важное значение для его развития и для правильного созревания нейронных механизмов, обеспечивающих развитие ребенка.

Неопровержимые доказательства свидетельствуют о том, что недоедание, особенно тяжелое, имеет значительные и долгосрочные последствия для развития. Недоедание замедляет развитие мозга, истончая кору головного мозга и уменьшая количество нейронов, синапсов, дендритной разветвленности и миелинизации – все это уменьшает размер мозга, что, в свою очередь, бросает вызов функциональным свойствам мозга. В частности, это подтверждается многочисленными исследованиями головного мозга пациентов с белково-энергетической недостаточностью. Ученые продемонстрировали церебральную атрофию и расширение желудочков, что может привести к неадекватным моделям мозговой активности. Реабилитация питания в детском и подростковом возрасте может обратить вспять эти последствия, по крайней мере, частично.

Аналогичным образом, адекватные специфические микроэлементы необходимы для развития мозга. Например, как острая нехватка йода, так и сильное воздействие нейротоксинов, таких как свинец, приводят к необратимому повреждению головного мозга. Адекватная концентрация витамина А необходима для развития зрительной системы – слишком высокие или слишком низкие уровни (внутриутробные) могут быть тератогенными.

Кроме того, между различными витаминами наблюдается сложная динамика: пренатальный дисбаланс между фолиевой кислотой и витамином В₁₂ может увеличить риск послеродовой резистентности к инсулину, что связано с ухудшением когнитивного развития.

Было доказано, что конкретные стратегии, такие как йодирование соли для предотвращения дефицита йода, а также пищевые добавки для предотвращения дефицита железа и специальные добавки с микроэлементами в группах населения, не имеющих продовольственной безопасности, эффективны для предотвращения дефицита питательных веществ.

Экологический опыт

Существенные данные свидетельствуют о том, что как серое, так и белое вещество восприимчивы к агрессивным воздействиям окружающей среды. Хотя направление причинно-следственной связи — от мозга к поведению или от поведения к мозгу — часто неясно, бесспорно, что окружающая среда является важнейшим компонентом изменений в структуре и функциях мозга. Например, у детей, подвергшихся сильному воздействию загрязнения воздуха, наблюдаются изменения белого вещества префронтальной области и предвестники болезни Альцгеймера.

Анатомические различия в мозге также связаны с характеристиками пренатальной и послеродовой среды. Например, пренатальный материнский стресс связан со снижением плотности дендритных корешков во многих областях мозга (таких как гиппокамп, передняя поясная извилина и орбитофронтальная кора), что подтверждает эмоциональную регуляцию. И наоборот, ранняя материнская поддержка в послеродовой период в значительной степени предсказывает в школьном возрасте здоровое развитие гиппокампа, области мозга, ключевой для памяти и модуляции стресса.

Нейропластичность

Основной принцип нейропластичности заключается в том, что изменение поведения связано с определенным увеличением или потерей синапсов в нейронных сетях. Множество факторов различают типы нейропластичности в типично развивающемся мозге.

Нейропластичность можно охарактеризовать следующим образом:

• Опыт-ожидающий. Когда структурные или функциональные изменения в мозге требуют определенных видов опыта, например, созревания бинокулярного зрения.
• Опыт-независимый. Когда изменения в мозге происходят спонтанно и переопределяют его первоначальную структуру и функцию, например, развитие латерального коленчатого ядра при созревании зрительной системы.
• Зависит от опыта. Когда изменения в мозге позволяют приобретать новые модели поведения, например, все виды обучения.

Нейропластичность связана с актуальностью, частотой, интенсивностью и последовательностью переживаний. Она может быть адаптивной, как при приобретении нового навыка, или неадаптивной, как при формировании зависимости или расстройства.

Опыт может вызвать качественно разные изменения в разных областях мозга. Кроме того, сами пластические изменения меняются со временем, например, перепроизводство синапсов на ранних стадиях развития устраняется путем обрезки в подростковом возрасте, которая продолжается и во взрослом возрасте. Одна из наиболее быстро развивающихся областей исследований касается динамики нейропластичности младенцев и малышей в ответ на серьезные негативные воздействия окружающей среды (к примеру, жестокое обращение с ребенком и т.д.).

Приобретение навыков и изменения в мозге

Существуют различные поведенческие локусы, связанные с изменениями в мозге, но в настоящем обзоре коснемся лишь четырех, значимых в развитии: ранняя привязанность, развитие речи, приобретение грамотности, умение считать и саморегуляция.

Раннее окружение и привязанность

Нетипичное раннее развитие, при котором нарушается связь привязанности между детьми и значимыми для него другими людьми — матерями, отцами или лицами, осуществляющими основной уход, — чрезвычайно вредно для развития мозга и поведения. Одним из источников таких доказательств являются исследования сиротства, когда дети воспитываются в учреждениях, часто характеризующихся недостатками питания, физических, стимулирующих (то есть когнитивных, языковых и эмоциональных) и ухода. Дети, воспитанные в учреждениях, как правило, характеризуются отклонениями от типичного развития мозга, в частности, распределенной сетью изменений в белом веществе — лимбическими и паралимбическими путями, лобно-триатальной схемой и путями сенсорной обработки.

Развитие речи

Нейронные признаки овладения речью обнаруживаются на очень ранних стадиях развития. Эти нейронные сигнатуры, хотя сами по себе динамически трансформируются, в значительной степени предсказывают множество других показателей развития ребенка, как лингвистических, так и неязыковых.

Детям требуется несколько ключевых элементов для прогресса в процессе овладения речью:

• Во-первых, дети должны быть погружены в среду, в которой они подвергаются высокочастотному воздействию речи, потому что механизм, который считается наиболее часто используемым, — это статистическое обучение, которое предполагает постоянное воздействие языковых данных, чтобы лингвистические ментальные представления могли быть выведены и автоматизированы. Тем не менее, простого воздействия языковых стимулов, какими бы интенсивными они ни были, недостаточно.
• Во-вторых, мотивация к изучению языка является социальной и требует наличия социального контекста для овладения речью. Оно затрагивает и влияет на вычислительные и социальные области мозга. Чтобы овладеть речью, дети используют и совершенствуют системы когнитивных и социальных навыков. Таким образом, пути взаимодействия мозга и поведения, которые лежат в основе и сопровождают процесс овладения речью, очень динамичны и ориентированы на будущее, поскольку их свойства предсказывают последующие шаги в развитии ребенка.

Эти условия — статистическое воздействие и социальный контекст — формируют соответствующие цели для улучшения типичного и устранения нетипичного развития мозга и поведения.

Грамотность и умение считать

Были проведены многочисленные исследования, чтобы выделить и отобразить конкретные пути в мозге или функциональные системы, которые поддерживают грамотность и умение считать. Очевидно, что приобретение этих навыков основано на использовании областей мозга, которые структурно и функционально реорганизуются при переработке и рекрутируются в системы приобретения.

Грамотность

Системы грамотности, по-видимому, задействуют области мозга, отвечающие за раннее видение, анализ сценариев, анализ речи и их взаимные ассоциации. Сообщается, что грамотные люди демонстрируют многочисленные преимущества по сравнению с неграмотными в скорости и точности обработки как буквенных, так и графических материалов. Специфика чтения как навыка, отличающего грамотных и неграмотных людей, отражается в том факте, что чтение задействует определенную область мозга, расположенную в левой вентральной затылочно-височной коре, чтобы стать областью визуальной словоформы (VWFA – здесь и далее по тексту обозначение международных аббревиатур терминов) — областью, которая демонстрирует специфические, универсальные и воспроизводимые реакции на сценарий. Паттерны активации в этой области коррелируют со степенью овладения чтением.

Важно, чтобы пластичность взрослых в этой области лежит в основе способности приобретать умение распознавать написанный (напечатанный) текст — графическое представление разговорного языка (чтение). Также важно то, что VWFA тесно связана, как структурно, так и функционально, с областями мозга, которые поддерживают разговорную речь.

Поскольку чтение предполагает переход от видения к речи, оно требует активации речевой сети или, по крайней мере, ее компонента. Действительно, грамотные, по сравнению с неграмотными, демонстрируют повышенную и измененную активацию связанной с речью кортикальной и подкорковой сети (в частности, planum temporale [PT] – область мозга, которая поддерживает, наряду с окружающими областями, нейронные представления согласных и гласных разговорной речи).

Это означает, что приобретение грамотности не только приводит к созданию специальных систем, поддерживающих чтение, но и изменяет другие системы, поддерживающие связанные функции, улучшая и автоматизируя их. Грамотность улучшает связь между вентральной височной долей (включая VWFA), нижней теменной и задней верхней височной областями (включая PT) за счет усиленной миелинизации. Оно может способствовать автоматизации преобразования графемы в фонему, кристаллизации навыков чтения и последующему развитию связанных когнитивных процессов более высокого порядка, таких как понимание прочитанного. Более того, мастерство чтения увеличивает плотность серого вещества в нескольких областях мозга, которые способствуют созданию и функционированию мозговой системы, поддерживающей грамотность.

Умение считать

Эта область мозга значительно меньше, чем область исследований грамотности, она включает:

• группы многофункциональных нейронов, которые реагируют на такие параметры объекта, как пространство, время, размер и количество объектов, по-видимому, расположеных во внутрипариетальной коре;
• эти нейроны являются частью обширной распределенной сети, учитывая, что, подобно грамотности, умение считать задействует множество процессов, таких как раннее зрение, моторные, пространственные и мнемонические функции;
• исследования нейровизуализации сошлись на внутрипариетальной борозде (новые числовые операции) и угловой извилине (ранее изученные числовые операции) в качестве локусов обработки чисел;
• внутрипариетальная борозда рассматривается как основополагающая структура при построении числовых сетей мозга, она демонстрирует структурные аномалии у лиц с нарушением развития навыков счета – дискалькулией, и изменения плотности серого вещества у математиков.

Саморегуляция

Одной из конечных целей развития является овладение навыками планирования целей (SR): торможения, гибкости ума, устойчивой мотивации, исполнительного контроля и самоуправления. SR является важнейшим элементом динамической системы здоровья и болезней, ключом к продуктивной взрослой жизни и успешному старению. SR поддерживается распределенной системой мозга, основной задачей которой является поддержка адекватной оценки системы требований всех соответствующих факторов к отдельным лицам и последующее формулирование поведения для удовлетворения этих требований. Исполнительная нагрузка уникально усиливается в подростковом возрасте, и в мозге происходят соответствующие изменения. Эти изменения связаны в первую очередь с созреванием префронтальной коры (PFC) и ее связью с другими областями мозга, поскольку она привлекает их для обоснования системы SR.

В частности, следующие изменения достигают максимума в мозге подростков:

• Общее истончение коры и сокращение подкорковых структур (серое вещество), а также увеличение объема и усиление организации мозговых связей (белое вещество). Это приводит к более эффективному функционированию внутри и между сетями мозга.
• В региональных объемах мозга возникают повышенные различия, а функциональные реакции мозга на вознаграждение усиливаются.
• Созревание PFC и сети SR требует воздействия ключевых факторов окружающей среды, таких как положительный стимул и вознаграждение. Такие воздействия особенно важны в подростковом возрасте, поскольку они сочетаются с возрастным опытом – ожидаемым повышением дофаминергического тонуса (то есть степени распределения нейромедиатора дофамина) в мозге.

Дофаминергическая сигнализация — задействование систем вознаграждения, основанных на дофамине, воздействие на неопределенную и рискованную среду, поведенческие исследования и поиск независимости – способствует созреванию PFC и связанной с ним распределенной системы в целом и перекрестных помех между подкорковыми (лимбическими) и корковыми (префронтальными) областями в частности. По мере того, как происходит консолидация посредством обучения, возникает система мозга, роль которой заключается в поддержке принятия решений на основе расчетов вероятности и величины риска и вознаграждения.

Наши текущие знания о развитии систем мозга, подтверждающих SR, хотя в основном основаны на эмпирических данных, а не на объяснениях, предлагают несколько подходов к вмешательству (лечению, коррекционной практике). Эти вмешательства связаны с характером реакции на вознаграждение, ее пересечением с социальными стремлениями, социально-эмоциональным контекстом и содержанием.

Развитие мозга — видео