Najnowsze badanie analizuje, jak zmienia się struktura połączeń w mózgu na przestrzeni całego życia człowieka. Na podstawie analizy dużej liczby skanów mózgu zidentyfikowano pięć „głównych epok” i cztery punkty zwrotne w rozwoju mózgu.
Rozwój mózgu: ewolucja połączeń neuronalnych
Obszerne badanie skanów mózgu pokazuje, iż nasze połączenia neuronalne ewoluują przez pięć głównych etapów, od urodzenia do późnej starości. Fazy te są rozdzielone nagłymi punktami zwrotnymi, które oznaczają duże zmiany w organizacji mózgu. Każdy etap odzwierciedla inny sposób, w jaki mózg wspiera myślenie, uczenie się i zachowanie w miarę naszego wzrostu, dojrzewania i ostatecznie spadku sprawności związanego z wiekiem. Praca ta pomaga wyjaśnić zmieniające się zdolności poznawcze w różnych momentach życia.
Ludzki mózg przechodzi przez 5 „głównych epok”
Naukowcy przeanalizowali dane MRI mózgu pochodzące od 3802 osób w wieku 0–90 lat, dzieląc mózg na 90 regionów. Stworzyli sieci połączeń mózgowych, aby sprawdzić, jak zmienia się organizacja mózgu w ciągu życia. Wykorzystali różne metody statystyczne i matematyczne, żeby znaleźć momenty, w których struktura sieci mózgowej zmienia się najbardziej. W ten sposób wyodrębnili pięć głównych etapów rozwoju topologii mózgu.
Badanie potwierdziło, iż rozwój topologii połączeń mózgowych jest skomplikowany i nieliniowy. Główne zmiany zachodzą natomiast w wyraźnych fazach życia.
Cztery najważniejsze punkty zwrotne w rozwoju mózgu
Analiza topologii sieci mózgowych pozwoliła zidentyfikować cztery najważniejsze punkty zwrotne w pięciu epokach rozwoju mózgu człowieka. Od niemowlęctwa do dzieciństwa mózg kształtuje się poprzez „konsolidację sieci”. Wytwarza się ogromna liczba synaps – punktów, w których neurony się komunikują. Z czasem zachowują się tylko najbardziej aktywne połączenia, a reszta zanika. Istota szara i biała gwałtownie rosną, zwiększając grubość kory mózgowej (odległość między zewnętrzną istotą szarą a wewnętrzną istotą białą). Fałdy kory mózgowej również się stabilizują, tworząc grzbiety widoczne na powierzchni zewnętrznej.
W wieku 9 lat mózg przechodzi swój pierwszy poważny punkt zwrotny. Wiąże się on z końcem dzieciństwa, początkiem dojrzewania i stabilizacją kory mózgowej. W tym okresie obserwujemy dynamiczny postęp poznawczy, ale również wzrost ryzyka zaburzeń psychicznych.
Drugi punkt zwrotny, około 32. roku życia kończy dynamiczne dojrzewanie istoty białej, a sieć mózgowa osiąga szczytową wydajność, rozpoczynając nową fazę topologicznego rozwoju dorosłego mózgu.
Trzeci punkt, około 66. roku życia, oznacza początek przyspieszonego starzenia się sieci. Wzrasta wówczas separacja między modułami sieci, spada integralność istoty białej, a ryzyko chorób takich jak demencja czy nadciśnienie rośnie.
Ostatni, czwarty punkt zwrotny, około 83. roku życia, wyznacza moment, po którym wpływ wieku na topologię sieci staje się znacznie słabszy.
Etapy rozwoju mózgu
Na podstawie tych punktów zwrotnych wyróżniono trzy główne etapy życia mózgu. W okresie od 9 do 32 lat sieci mózgowe rozwijają się dynamicznie, stając się bardziej wydajne i mniej podzielone. Jest to długi etap koordynacji i organizacji połączeń (dojrzewania) wspierający znaczący rozwój niezależności, dojrzałości emocjonalnej i sprawności poznawczych.
W kolejnych latach, od 32 do 66 lat, sieci osiągają stabilność. Tempo zmian topologicznych zwalnia, co odpowiada stabilizacji zdolności poznawczych. Później, po 66. roku życia, sieci podlegają reorganizacji w kierunku uproszczenia, co objawia się wzrostem modułowości i spadkiem integralności połączeń strukturalnych.
Lepsze zrozumienia funkcjonowania mózgu
Wyniki badania sugerują, iż rozwój strukturalny mózgu nie przebiega w sposób ciągły i jednostajny, ale charakteryzuje się kilkoma kluczowymi punktami zwrotnymi, w których organizacja połączeń jest szczególnie wrażliwa na zakłócenia. Rozpoznanie tych momentów może być istotne dla lepszego zrozumienia, kiedy i w jaki sposób mózg jest najbardziej podatny na zmiany lub trudności.
Funkcjonowanie mózgu jest ściśle powiązane z wieloma zaburzeniami neurorozwojowymi, psychicznymi i neurologicznymi. Różnice w jego strukturze mogą wpływać na zdolność koncentracji, pamięć, umiejętności językowe oraz wiele innych aspektów zachowania.
Odkrycie, iż rozwój mózgu przebiega etapami, podkreśla znaczenie punktów zwrotnych dla przyszłych badań nad rozwojem poznawczym oraz zdrowiem psychicznym, stanowiąc potencjalne wskazówki do interwencji i monitorowania funkcji mózgu w różnych okresach życia.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.