Alai

Mózg w pierwszych dwóch latach

Niektóre z najbardziej dramatycznych zmian fizycznych zachodzą w ciągu pierwszych dwóch lat rozwoju mózgu. Rodzimy się z większością komórek mózgowych, które kiedykolwiek będziemy mieć; to znaczy, około 85 miliardów neuronów, których funkcją jest przechowywanie i przekazywanie informacji (Huttenlocher & Dabholkar, 1997). Chociaż większość neuronów mózgu jest obecna w momencie narodzin, nie są one w pełni dojrzałe.

Rys. 3.4.1. Badania pokazują, że już w wieku 4-6 miesięcy niemowlęta wykorzystują do przetwarzania informacji podobne obszary mózgu, co dorośli. Image from Deen et al., 2017.

Komunikacja w obrębie ośrodkowego układu nerwowego (OUN), który składa się z mózgu i rdzenia kręgowego, rozpoczyna się od komórek nerwowych zwanych neuronami. Neurony łączą się z innymi neuronami poprzez sieci włókien nerwowych zwanych aksonami i dendrytami. Każdy neuron ma zazwyczaj pojedynczy akson i liczne dendryty, które są rozłożone jak gałęzie drzewa (niektórzy powiedzą, że wygląda to jak dłoń z palcami). Akson każdego neuronu sięga w kierunku dendrytów innych neuronów w miejscach przecięcia zwanych synapsami, które są krytycznymi połączeniami komunikacyjnymi w mózgu. Aksony i dendryty nie dotykają się, zamiast tego impulsy elektryczne w aksonach powodują uwalnianie substancji chemicznych zwanych neuroprzekaźnikami, które przenoszą informacje z aksonu neuronu wysyłającego do dendrytów neuronu odbierającego.

Rysunek 3.4.2. Neuron.

Synaptogeneza i przycinanie synaptyczne

Pomimo że większość ze 100 do 200 miliardów neuronów w mózgu jest obecna w chwili narodzin, nie są one w pełni dojrzałe. Każda ścieżka neuronalna tworzy tysiące nowych połączeń w okresie niemowlęctwa i dzieciństwa. Synaptogeneza, lub tworzenie połączeń między neuronami, trwa od okresu prenatalnego tworząc tysiące nowych połączeń podczas niemowlęctwa i maluchów. W ciągu najbliższych kilku lat, dendryty, lub połączenia między neuronami, będzie przechodzić okres przejściowej wybujałości lub tymczasowy dramatyczny wzrost (wybujały, ponieważ jest tak szybki i przejściowy, ponieważ niektóre z nich są tymczasowe). Podczas tych wczesnych lat następuje takie namnożenie tych dendrytów, że w wieku 2 lat pojedynczy neuron może mieć tysiące dendrytów.

Po tym dramatycznym wzroście, ścieżki neuronowe, które nie są używane zostaną wyeliminowane przez proces zwany synaptycznego przycinania, gdzie połączenia neuronowe są zmniejszone, dzięki czemu te, które są używane znacznie silniejsze. Uważa się, że przycinanie powoduje, że mózg działa bardziej efektywnie, co pozwala na opanowanie bardziej złożonych umiejętności (Hutchinson, 2011). Doświadczenie będzie kształtować, które z tych połączeń są utrzymywane, a które tracone. Ostatecznie, około 40 procent tych połączeń zostanie utraconych (Webb, Monk i Nelson, 2001). Przejściowa bujność pojawia się w ciągu pierwszych kilku lat życia, a przycinanie trwa przez całe dzieciństwo i okres dojrzewania w różnych obszarach mózgu. Aktywność ta występuje głównie w korze mózgowej lub cienkiej zewnętrznej powłoce mózgu zaangażowanej w dobrowolną aktywność i myślenie.

Video 3.4.1. How Baby Brains Develop wyjaśnia niektóre ze zmian w mózgu spodziewanych w pierwszych kilku latach życia.

Mielinizacja

Inną istotną zmianą zachodzącą w ośrodkowym układzie nerwowym jest rozwój mieliny, powłoki tkanek tłuszczowych wokół aksonu neuronu (Carlson, 2014). mielina pomaga izolować komórkę nerwową i przyspiesza tempo przekazywania impulsów z jednej komórki do drugiej. Wzrost ten usprawnia budowanie ścieżek neuronalnych oraz poprawia koordynację i kontrolę ruchu i procesów myślowych. W okresie niemowlęcym mielinizacja postępuje szybko, a coraz większa liczba aksonów uzyskuje osłonki mielinowe. Koresponduje to z rozwojem umiejętności poznawczych i motorycznych, w tym rozumienia języka, przyswajania mowy, przetwarzania zmysłów, raczkowania i chodzenia. Mielinizacja w obszarach motorycznych mózgu w okresie wczesnego i średniego dzieciństwa prowadzi do znacznej poprawy w zakresie drobnych i dużych umiejętności motorycznych. Mielinizacja trwa przez okres dojrzewania i wczesnej dorosłości i chociaż w dużej mierze kompletne w tym czasie, osłonki mielinowe mogą być dodawane w regionach istoty szarej, takich jak kora mózgowa, przez całe życie.

struktury mózgu

Po urodzeniu, mózg jest około 25 procent jego masy dorosłego, a w wieku dwóch lat, to jest na 75 procent jego masy dorosłego. Większość aktywności neuronalnej występuje w korze mózgowej lub cienkiej zewnętrznej powłoki mózgu zaangażowanego w dobrowolnej działalności i myślenia. Kora jest podzielona na dwie półkule, a każda półkula jest podzielona na cztery płaty, z których każdy jest oddzielony fałdami zwanymi szczelinami. Jeśli spojrzymy na korę, zaczynając od przodu mózgu i przesuwając się po wierzchu, zobaczymy najpierw płat czołowy (za czołem), który jest odpowiedzialny przede wszystkim za myślenie, planowanie, pamięć i osąd. Po płacie czołowym następuje płat ciemieniowy, który rozciąga się od środka do tyłu czaszki i który jest odpowiedzialny przede wszystkim za przetwarzanie informacji o dotyku. Następny jest płat potyliczny, znajdujący się w tylnej części czaszki, który przetwarza informacje wizualne. Wreszcie, przed płatem potylicznym, między uszami, znajduje się płat skroniowy, który odpowiada za słuch i język.

Rysunek 3.4.3. Płaty mózgu.

Pomimo że mózg rośnie szybko w okresie niemowlęcym, poszczególne regiony mózgu nie dojrzewają w tym samym tempie. Pierwotne obszary motoryczne rozwijają się wcześniej niż pierwotne obszary sensoryczne, a kora przedczołowa, która znajduje się za czołem, jest najsłabiej rozwinięta. W miarę dojrzewania kory przedczołowej dziecko jest w stanie w coraz większym stopniu regulować lub kontrolować emocje, planować działania, strategizować i lepiej oceniać sytuację. To dojrzewanie nie jest w pełni zrealizowane w niemowlęctwie i dzieciństwie, ale trwa przez całe dzieciństwo, dorastanie, i do dorosłości.

Lateralizacja

Lateralizacja jest procesem, w którym różne funkcje stają się zlokalizowane głównie na jednej stronie mózgu. Na przykład, u większości dorosłych, lewa półkula jest bardziej aktywna niż prawa podczas produkcji języka, podczas gdy odwrotny wzór jest obserwowany podczas zadań obejmujących zdolności wizualno-przestrzenne (Springer & Deutsch, 1993). Proces ten rozwija się z czasem, jednak asymetrie strukturalne między półkulami odnotowano nawet u płodów (Chi, Dooling, & Gilles, 1997; Kasprian et al., 2011) i niemowląt (Dubois et al., 2009).

Neuroplastyczność

Na koniec, neuroplastyczność odnosi się do zdolności mózgu do zmian, zarówno fizycznych, jak i chemicznych, w celu zwiększenia jego zdolności adaptacyjnych do zmian środowiskowych i kompensacji urazów. Neuroplastyczność umożliwia nam uczenie się i zapamiętywanie nowych rzeczy oraz dostosowywanie się do nowych doświadczeń. Zarówno doświadczenia środowiskowe, takie jak stymulacja, jak i zdarzenia zachodzące w organizmie człowieka, takie jak hormony i geny, wpływają na plastyczność mózgu. Podobnie jest z wiekiem. Nasze mózgi są najbardziej „plastyczne”, gdy jesteśmy małymi dziećmi, ponieważ to właśnie w tym czasie uczymy się najwięcej o naszym środowisku. Dorosłe mózgi wykazują neuroplastyczność, ale wpływ na nie jest wolniejszy i mniej rozległy niż w przypadku dzieci (Kolb & Whishaw, 2011).

Wideo 3.4.2. Long-term Potentiation and Synaptic Plasticity wyjaśnia, w jaki sposób uczenie się odbywa się poprzez połączenia synaptyczne i plastyczność.

Kontrola niektórych specyficznych funkcji organizmu, takich jak ruch, wzrok i słuch, odbywa się w określonych obszarach kory mózgowej. Jeśli te obszary zostaną uszkodzone, osoba prawdopodobnie straci zdolność do wykonywania odpowiednich funkcji. Na przykład, jeśli niemowlę cierpi na uszkodzenie obszarów rozpoznawania twarzy w płacie skroniowym, prawdopodobnie, on lub ona nigdy nie będzie w stanie rozpoznać twarze (Farah, Rabinowitz, Quinn, & Liu, 2000). Z drugiej strony, mózg nie jest podzielony w całkowicie sztywny sposób. Neurony mózgu mają niezwykłą zdolność do reorganizacji i rozszerzania się w celu pełnienia określonych funkcji w odpowiedzi na potrzeby organizmu, a także do naprawy uszkodzeń. W rezultacie mózg nieustannie tworzy nowe neuronalne szlaki komunikacyjne i przebudowuje istniejące.

Dojrzewanie mózgu w dzieciństwie

Mózg jest około 75 procent jego masy dorosłego przez trzy lata życia. W wieku 6 lat, to jest na 95 procent swojej dorosłej wagi (Lenroot & Giedd, 2006). Mielinizacja i rozwój dendrytów nadal występuje w korze mózgowej, i jak to robi, widzimy odpowiednią zmianę w tym, co dziecko jest w stanie zrobić. Większy rozwój kory przedczołowej, obszaru mózgu znajdującego się za czołem, który pomaga nam myśleć, strategizować, kontrolować uwagę i emocje, sprawia, że coraz łatwiej jest hamować wybuchy emocji i rozumieć, jak grać w gry.

Rys. 3.4.4. Ciało modzelowate.

Wzrost półkul mózgowych i ciała modzelowatego

Pomiędzy 3 a 6 rokiem życia lewa półkula mózgu gwałtownie rośnie. Ta strona mózgu lub półkula jest zazwyczaj zaangażowana w umiejętności językowe. Prawa półkula nadal rośnie przez całe wczesne dzieciństwo i jest zaangażowana w zadania wymagające umiejętności przestrzennych, takich jak rozpoznawanie kształtów i wzorów. Ciało modzelowate, gęste pasmo włókien, które łączy dwie półkule mózgu, zawiera około 200 milionów włókien nerwowych, które łączą półkule (Kolb & Whishaw, 2011).

Ciało modzelowate znajduje się kilka centymetrów poniżej szczeliny podłużnej, która biegnie wzdłuż mózgu i oddziela dwie półkule mózgowe (Garrett, 2015). Ponieważ obie półkule pełnią różne funkcje, komunikują się ze sobą i integrują swoje działania poprzez ciało modzelowate. Dodatkowo, ponieważ przychodzące informacje są kierowane w stronę jednej półkuli, np. informacje wizualne z lewego oka są kierowane do prawej półkuli, ciało modzelowate dzieli się tymi informacjami z drugą półkulą.

Ciało modzelowate przechodzi impuls wzrostowy między 3 a 6 rokiem życia, a to skutkuje poprawą koordynacji między zadaniami prawej i lewej półkuli. Na przykład, w porównaniu do innych osób, dzieci młodsze niż 6 wykazują trudności w koordynacji zabawki Etch A Sketch, ponieważ ich ciało modzelowate nie jest wystarczająco rozwinięte, aby zintegrować ruchy obu rąk (Kalat, 2016).

Dorosły rozwój mózgu

Mózg ludzki nie jest w pełni rozwinięty do czasu, gdy osoba osiąga wiek dojrzewania. W wieku od 10 do 25 lat w mózgu zachodzą zmiany, które mają istotny wpływ na zachowanie. Mózg osiąga 90% swojego dorosłego rozmiaru do czasu, gdy osoba jest w wieku sześciu lub siedmiu lat. Tak więc w okresie dojrzewania mózg nie powiększa się zbytnio. Jednak fałdy w mózgu stają się bardziej złożone aż do późnych lat młodzieńczych. Najbardziej znaczące zmiany w fałdach mózgu w tym czasie zachodzą w częściach kory mózgowej, które przetwarzają informacje poznawcze i emocjonalne. Zmiany w mózgu bezpośrednio wpływają na zmiany w zachowaniu i procesach umysłowych. Omówimy niektóre z tych zagadnień.

Rysunek 3.4.5. Mózg osiąga swoje największe rozmiary we wczesnych latach nastoletnich, ale nadal dojrzewa aż do lat dwudziestych.

Zmiany w mózgu

Do okresu dojrzewania komórki mózgowe nadal rozkwitają w okolicy czołowej. Niektóre z najbardziej znaczących rozwojowo zmian w mózgu zachodzą w korze przedczołowej, która jest zaangażowana w podejmowanie decyzji i kontrolę poznawczą, a także inne wyższe funkcje poznawcze. W okresie dojrzewania, mielinizacja i przycinanie synaptyczne w korze przedczołowej zwiększa się, poprawiając efektywność przetwarzania informacji, a połączenia neuronalne pomiędzy korą przedczołową a innymi regionami mózgu ulegają wzmocnieniu. Jednak ten wzrost wymaga czasu, a wzrost jest nierównomierny.

Układ limbiczny

Układ limbiczny rozwija się lata przed korą przedczołową. Rozwój w układzie limbicznym odgrywa istotną rolę w określaniu nagród i kar oraz przetwarzaniu doświadczeń emocjonalnych i informacji społecznych. Hormony Pubertal celują bezpośrednio w amygdala, a silne doznania stają się zniewalające (Romeo, 2013). Skany mózgu potwierdzają, że kontrola poznawcza, ujawniona w badaniach fMRI, nie jest w pełni rozwinięta aż do dorosłości, ponieważ kora przedczołowa jest ograniczona w połączeniach i zaangażowaniu (Hartley & Somerville, 2015). Przypomnijmy, że obszar ten jest odpowiedzialny za osąd, kontrolę impulsów i planowanie, i wciąż dojrzewa we wczesnej dorosłości (Casey, Tottenham, Liston, & Durston, 2005).

Rysunek 3.4.6. Układ limbiczny.

Dodatkowo zmiany zarówno w poziomie neuroprzekaźników dopaminy, jak i serotoniny w układzie limbicznym sprawiają, że adolescenci są bardziej emocjonalni i lepiej reagują na nagrody i stres. Dopamina jest neuroprzekaźnikiem w mózgu związanym z przyjemnością i dostrajaniem się do środowiska podczas podejmowania decyzji. W okresie dojrzewania wzrasta poziom dopaminy w układzie limbicznym i zwiększa się jej dopaminergiczny dopływ do kory przedczołowej. Zwiększona aktywność dopaminy w okresie dojrzewania może mieć wpływ na podejmowanie ryzyka i podatność na nudę w wieku młodzieńczym. Serotonina jest zaangażowana w regulację nastroju i zachowania. Wpływa ona na mózg w różny sposób. Znana jako „uspokajająca substancja chemiczna”, serotonina łagodzi napięcie i stres. Serotonina hamuje również podniecenie, a czasem lekkomyślność, którą może wywołać dopamina. Jeśli istnieje wada w przetwarzaniu serotoniny w mózgu, impulsywne lub gwałtowne zachowanie może result.

Kora przedczołowa

Kora przedczołowa, część płatów czołowych leżących tuż za czołem, jest często określana jako „CEO mózgu”, centrum kontroli poznawczej. Ten region mózgu jest odpowiedzialny za analizę poznawczą, myślenie abstrakcyjne, moderację „poprawnego” zachowania w sytuacjach społecznych, zdolność do wykonywania dobrego osądu, samoregulację i orientację na przyszłość. Kora przedczołowa przyjmuje informacje ze wszystkich zmysłów i orkiestruje myśli i działania, aby osiągnąć określone cele (Casey, Jones, & Hare, 2008; Walsh, 2004). Około 11 roku życia, ten region mózgu rozpoczyna rozszerzony proces przycinania i mielinizacji i nie jest kompletny aż do blisko 25 roku życia. Ten region mózgu jest jednym z ostatnich, które osiągają dojrzałość. To opóźnienie może pomóc wyjaśnić, dlaczego niektórzy nastolatkowie zachowują się tak, jak się zachowują. Tak zwane „funkcje wykonawcze” kory przedczołowej człowieka obejmują:

• Koncentrację uwagi
• Organizowanie myśli i rozwiązywanie problemów
• Przewidywanie i ważenie możliwych konsekwencji zachowania
• Rozważanie przyszłości i dokonywanie przewidywań
• Formułowanie strategii i planowanie
• Zdolność do równoważenia krótkoterminowychz celami długoterminowymi
• Zmiana/dopasowanie zachowania w przypadku zmiany sytuacji
• Kontrola impulsów i opóźnianie gratyfikacji
• Modulacja intensywnych emocji
• Zahamowanie niewłaściwego zachowania i inicjowanie niewłaściwego zachowania i inicjowanie właściwego zachowania
• Równoczesne rozważanie wielu strumieni informacji w obliczu złożonych i wymagających informacji

Rysunek 3.4.7. Rozwój mózgu trwa do wczesnych lat dwudziestych. Na tym etapie ważny jest zwłaszcza rozwój płatów czołowych.

Różnica w czasie rozwoju układu limbicznego i kory przedczołowej przyczynia się do podejmowania większego ryzyka w okresie dojrzewania. Ponieważ nastolatkowie są zmotywowani do poszukiwania wrażeń, które czasami wynikają z ryzykownych zachowań, częściej angażują się w lekkomyślną jazdę, palenie lub picie, a nie rozwinęli jeszcze kontroli poznawczej, aby oprzeć się impulsom lub skupić się w równym stopniu na potencjalnym ryzyku (Steinberg, 2008). Jeden z wiodących światowych ekspertów w dziedzinie rozwoju nastolatków, Laurence Steinberg, porównuje to do włączania potężnego silnika przed uruchomieniem systemu hamowania. W rezultacie nastolatki są bardziej podatne na ryzykowne zachowania niż dzieci czy dorośli.

Integracja regionów mózgu

Badania rezonansu magnetycznego mózgu pokazują, że procesy rozwojowe mają tendencję do występowania w mózgu w układzie od tyłu do przodu, co wyjaśnia, dlaczego kora przedczołowa rozwija się jako ostatnia. Badania te wykazały również, że nastolatki mają mniej istoty białej (mieliny) w płatach czołowych ich mózgów w porównaniu z dorosłymi, ale ilość ta wzrasta wraz z wiekiem nastolatka. Wraz z większą ilością mieliny rozwijają się ważne połączenia mózgowe, co umożliwia lepszy przepływ informacji między regionami mózgu. Badania MRI wykazały również, że w okresie dojrzewania zwiększa się ilość istoty białej w ciele modzelowatym, czyli pęczku włókien nerwowych łączących prawą i lewą półkulę mózgu. Rozwój ten pozwala na lepszą komunikację między półkulami, co umożliwia wykorzystanie pełnego wachlarza strategii analitycznych i twórczych w odpowiedzi na złożone dylematy, które mogą pojawić się w życiu młodego człowieka (Giedd, 2004).

Podsumowując, okres dojrzewania to czas głębokich zmian w mózgu. Co ciekawe, dwie z podstawowych funkcji mózgu rozwijają się w różnym tempie. Badania nad mózgiem wskazują, że część mózgu, która postrzega nagrody wynikające z ryzyka, czyli układ limbiczny, wchodzi na wysokie obroty we wczesnym okresie dojrzewania. Część mózgu, która kontroluje impulsy i angażuje się w długoterminowe perspektywy, czyli płaty czołowe, dojrzewa później. To opóźnienie może wyjaśniać, dlaczego nastolatki w połowie okresu dojrzewania podejmują większe ryzyko niż starsze nastolatki.

Jak płaty czołowe stają się bardziej rozwinięte, dzieją się dwie rzeczy. Po pierwsze, rozwija się samokontrola, ponieważ nastolatki są w stanie lepiej ocenić przyczynę i skutek. Po drugie, więcej obszarów mózgu angażuje się w przetwarzanie emocji, a nastolatki stają się lepsze w dokładnym interpretowaniu emocji innych osób.

Wideo 3.4.4. Brain Changes in Adolescence opisuje niektóre zmiany fizyczne, które zachodzą w okresie dojrzewania.

Nauka edukacyjna

Nauka edukacyjna (lub neuroedukacja) to rozwijająca się dziedzina nauki, która łączy badaczy w dziedzinie neuronauki, psychologii, edukacji, a nawet technologii, w celu zbadania interakcji między procesami biologicznymi a edukacją. Naukowcy zajmujący się neurobiologią edukacyjną badają mechanizmy neuronalne procesów takich jak uczenie się, pamięć, uwaga, inteligencja i motywacja. Ich badania dotyczą również trudności, w tym dysleksji, dyskalkulii i ADHD, które mają związek z edukacją. Naukowcy z tej dziedziny mogą połączyć podstawowe odkrycia w neuronauce poznawczej z technologią edukacyjną, aby pomóc w realizacji programów nauczania dla konkretnych obszarów akademickich, takich jak matematyka i edukacja czytelnicza. Edukacyjna neuronauka ma na celu generowanie podstawowych i stosowanych badań, które zapewnią nowy transdyscyplinarny rachunek uczenia się i nauczania, który jest w stanie informować edukację.

Wideo 3.4.5. Wprowadzenie do neuronauki edukacyjnej omawia, w jaki sposób neuronauka może informować o edukacji i obala kilka powszechnych mitów na temat funkcjonowania mózgu, którymi kierują się nauczyciele i uczniowie.