Нейробиологи из Кембриджского университета выявили пять основных «эпох» в структуре человеческого мозга, определяющих, как мы учимся, мыслим и стареем. Эти открытия показывают как длительные периоды роста, так и неожиданные моменты реорганизации на протяжении всей жизни. Каждая стадия отражает уникальный способ, которым мозг поддерживает мышление, обучение и поведение по мере нашего роста, созревания и, в конечном итоге, столкновения с возрастными изменениями.
Команда из Отдела познания и наук о мозге MRC Кембриджа проанализировала диффузионные МРТ-снимки 3802 человек в возрасте от новорожденных до 90 лет. Эти сканирования отслеживают движение воды через мозговую ткань, что позволяет исследователям картировать сети, связывающие различные области мозга между собой.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что структура мозга проходит через пять широких фаз. Эти фазы разделены четырьмя ключевыми «поворотными точками», отмечающими возрастные периоды, когда мозг претерпевает значительную реорганизацию.
Первая эпоха охватывает период от рождения примерно до девяти лет. Затем наступает первая важная поворотная точка, ведущая к подростковой фазе. Этот подростковый период длится значительно дольше, чем ожидалось, продолжаясь в среднем до 32 лет. Доктор Алекса Моусли, ведущий исследователь и стипендиат Gates Cambridge, подчеркивает, что мы, хотя и знаем о решающей роли связей мозга в нашем развитии, до сих пор не имели полного представления о том, как они изменяются на протяжении жизни. «Это первое исследование, которое идентифицирует основные фазы структурных изменений мозга на протяжении всей человеческой жизни», – говорит она.
В начале четвертого десятка лет структура мозга переходит в конфигурацию, характерную для взрослого состояния. Этот этап становится самым продолжительным и длится более трех десятилетий. Третья поворотная точка, около 66 лет, знаменует начало фазы «ранней старости», а окончательная стадия «поздней старости» наступает примерно в 83 года. Доктор Моусли отмечает, что эти эпохи «дают важный контекст для понимания того, в чем наш мозг может быть наиболее эффективен или, наоборот, наиболее уязвим на разных этапах жизни». Это исследование может помочь объяснить, почему некоторые мозги развиваются по-разному в ключевые моменты, будь то трудности в обучении в детстве или деменция в пожилом возрасте.
Начиная с младенчества и на протяжении всего детства мозг формируется посредством «консолидации сетей». Младенцы генерируют огромное количество синапсов – точек, где нейроны обмениваются информацией. Со временем сохраняются только наиболее активные связи, а остальные устраняются. В этот период весь мозг следует единой схеме перестройки. Серое и белое вещество быстро растут, достигая максимальной толщины коры (расстояние между внешним серым веществом и внутренним белым). Складки коры головного мозга также стабилизируются, образуя характерные извилины на ее поверхности.
К девяти годам мозг достигает своей первой крупной поворотной точки. В этом возрасте когнитивные способности стремительно развиваются, но также возрастает риск развития некоторых психических расстройств.
Вторая эпоха – отрочество – характеризуется продолжающимся ростом белого вещества. По мере расширения этих проводящих путей организация коммуникационных сетей становится более отлаженной. Диффузионные МРТ-сканирования показывают более упорядоченное движение воды в тканях, что отражает более прочные и скоординированные связи. Этот период примечателен возрастающей эффективностью передачи сигналов как внутри отдельных областей, так и по всему мозгу. Эти улучшения связаны с повышением когнитивной производительности. «Нейронная эффективность, как можно представить, характеризуется хорошо связанными короткими путями, и подростковый период – единственный, в котором эта эффективность увеличивается», – поясняет доктор Моусли.
Эти изменения достигают своего пика в начале четвертого десятка лет, что исследователи описывают как «сильнейшую топологическую поворотную точку» на протяжении всего жизненного цикла. «Примерно в 32 года мы наблюдаем наиболее направленные изменения в проводящих путях и самый большой общий сдвиг в траектории по сравнению со всеми остальными поворотными точками», – отмечает доктор Моусли. «Хотя половое созревание имеет четкое начало, конец подросткового возраста гораздо труднее определить научно. Основываясь исключительно на нейронной архитектуре, мы обнаружили, что подростковые изменения в структуре мозга заканчиваются примерно к 30-32 годам».
Приблизительно в 32 года начинается взрослая эпоха. Эта фаза относительно стабильна по сравнению с более ранними этапами жизни, и никаких дополнительных крупных поворотных точек не появляется в течение примерно тридцати лет. Исследователи отмечают, что это согласуется с «плато в развитии интеллекта и личности», описанным в других исследованиях. В течение этого времени также наблюдается растущая «сегрегация», означающая, что различные области мозга начинают функционировать более отчетливо и специализированно.
Следующая поворотная точка, около 66 лет, гораздо более тонка, чем предыдущие. Хотя она не связана с драматическими структурными изменениями, команда все же заметила значительные сдвиги в организации сетей. «Данные свидетельствуют о постепенной реорганизации мозговых сетей, которая достигает кульминации в середине седьмого десятка лет», – говорит доктор Моусли. «Это, вероятно, связано со старением, с дальнейшим снижением связности по мере начала дегенерации белого вещества. Это возраст, когда люди сталкиваются с повышенным риском различных заболеваний, которые могут влиять на мозг, таких как гипертония».
Финальная поворотная точка наступает примерно в 83 года, сигнализируя о начале последней структурной эпохи мозга. Хотя объем данных для этой фазы ограничен, исследователи обнаружили четкую закономерность. Мозг становится менее глобально связанным и в большей степени полагается на специфические области. Профессор Дункан Астл, старший автор исследования и профессор нейроинформатики в Кембридже, отмечает: «Оглядываясь назад, многие из нас чувствуют, что наша жизнь характеризовалась различными фазами. Оказывается, мозг также проходит через эти эпохи». Он добавляет, что многие нейроразвитийные, психические и неврологические состояния связаны с тем, как устроен мозг. Различия в его структуре предсказывают трудности с вниманием, языком, памятью и множеством других поведенческих аспектов.
«Понимание того, что структурное развитие мозга – это не вопрос равномерного прогресса, а скорее последовательность нескольких крупных поворотных точек, поможет нам определить, когда и как его связи становятся уязвимыми для нарушений», – заключает профессор Астл.
Исследование было поддержано Советом по медицинским исследованиям (Medical Research Council), Фондом Гейтса (Gates Foundation) и Всемирным благотворительным фондом Темплтона (Templeton World Charitable Foundation).
