Пять фаз мозга: не всё так просто

Учёные выяснили: мозг человека не меняется равномерно и постепенно, а проходит пять отчётливых стадий, каждую из которых отделяют особые «переломные моменты». Для этого исследовали снимки мозга более четырёх тысяч людей — от младенцев до бодрствующих девяностолетних — и нашли ключевые перестройки примерно в 9, 32, 66 и 83 года. Эти выводы опубликованы в журнале Nature Communications и позволяют взглянуть иначе на то, как мозг «перекраивается» на всём протяжённом пути человеческой жизни. Кстати, и сама «структурная подростковость», оказывается, не заканчивается в 18 — она даёт о себе знать аж до 32 лет!

Прежде другие учёные уже знали: строение и работа мозга меняются с возрастом. Но обычно изучали либо малышей, либо стариков, редко пытаясь охватить всю жизнь целиком. Да и там надеялись найти плавные линии: мол, мозг растёт, достигает пика, а потом уходит на спад. Команда новых исследователей засомневалась: а вдруг всё складывается хитрее? Поэтому они решили отследить, как мозг меняется на всех этапах, и выстроить карту «нормального» развития.

«Мозг постоянно переплетает свои связи, — объясняет автор работы Алекса Мусли (Alexa Mousley), сотрудница Кембриджского университета. — До сих пор мы слабо понимали общие закономерности этих переплетений. А это очень важно: как проводка в мозгу настроена — так и работают развитие, психика и даже неврологические болезни. Поэтому, зная, что и когда там происходит, мы можем понять, когда мозг чего лучше всего умеет или, наоборот, особенно уязвим. Например, две трети всех психологических недугов возникают до 25 лет».

Для алгоритма учёные собрали данные из девяти исследований МРТ, всего 4216 испытуемых 0–90 лет. Для «эталона» развития использовали 3802 снимка здоровых людей. Особое внимание уделили методу, который отслеживает движение воды по «проводам» мозга — белому веществу, соединяющему разные его области.

Тут пригодилась графовая теория. Мозг анализировали с помощью 12 математических характеристик: насколько быстро и удобно по нему «бегут» сигналы, насколько мозг разделён на отдельные зоны (модули), как эти зоны связаны внутри себя и с другими. Чтобы уложить многомерные данные в понятную картину, использовали машинное обучение, а именно метод UMAP — он умеет делать сложное «проекцией» на пару осей, чтобы искать яркие шаблоны и точки изменений.

Так родился алгоритм, который находит «переломы». Каждый перелом — возраст, когда мозг явно переходит от одной фазы развития к другой. Таких точек нашли четыре: около 9, 32, 66, 83 лет. Это и есть границы пяти стадий.

С рождения до 9 лет — быстрая стройка нейросетей, наплыв и чистка связей, падение топологической эффективности, но укрепление локальных «отсеков» (синапсов). Перелом в 9 лет совпадает с началом полового созревания и приростом умственных способностей.

С 9 до 32 лет — затянувшаяся подростковость с точки зрения строения мозга: всё идёт к росту связанности и эффективности передачи сигналов. Тут «малый мир» — явление, когда отдельные области тесно общаются между собой, а в целом мозг становится более эффективным. Главный сдвиг происходит в 32 года: эффективность роста останавливается, начинается новый этап.

С 32 до 66 лет — взрослость, стабильность, интеграция системы выходит на плато, а отделение разных зон («сегрегация») возрастает. Это согласуется с тем, что в среднем возрасте характер и способности к быстрому мышлению становятся в целом стабильными.

С 66 до 83 лет — раннее старение: падает целостность связей, строение мозга упрощается, что часто связано с ухудшением белого вещества. Перелом совпадает с возрастом, когда у многих начинаются болезни и идёт на убыль когнитивное здоровье.

После 83 лет — фаза позднего старения: дальше связи ослабевают ещё больше, ключевую роль обретают отдельные узлы, а не вся сеть. Правда, данных о самой старшей группе меньше, так что результаты там могут быть менее надёжными.

Забавно, что найденные переломы совпали с важными биологическими и социальными вехами: 9 лет — начало полового созревания, возраст уязвимости для психики. 32 — пик некоторых физических возможностей, остановка роста белого вещества. 66 — выход на пенсию во многих странах и рост риска снижения умственных функций.

Исследование доказывает: «Мозг развивается скачками и зигзагами, а не всё время одинаково», — поясняет Мусли.

Конечно, и у этого исследования есть ограничения: оно смотрело на разновозрастных людей, а не отслеживало одного человека по годам. Так что для каждого индивидуально всё может отличаться. Авторы отдельно подчеркивают: исследовали только структуру — само «железо», а не поведение или мышление. Так что если у тридцатилетнего мозг выглядит «подростковым», это не значит, что и ведёт он себя так же. Просто его нейросети ещё продолжают донастраиваться для увеличения эффективности.

В будущем такие методы обещают показать, как меняются мозги у людей с психическими или неврологическими болезнями, и открыть новые механизмы их возникновения. Статью написали Алекса Мусли, Ричард А. И. Бетлехем, Фанг-Чен Йе и Дункан Астл.