Мозг умных подростков взрослеет по своему графику

Исследование: ранние способности связаны с темпом перестройки мозга в подростковом возрасте

Уровень отдельных когнитивных способностей в детстве связан с тем, как меняются структура и работа мозга в подростковые годы. В крупном исследовании дети с более высокими показателями подвижного интеллекта демонстрировали более быстрое сокращение объёма и площади серого вещества. При этом у детей с сильными результатами в абстрактных визуально-пространственных задачах белое вещество созревало медленнее и дольше. Работа опубликована в журнале Developmental Cognitive Neuroscience.

В детстве и подростковом возрасте мозг активно перестраивается. Серое вещество состоит главным образом из тел нейронов: оно растёт в детстве, а затем частично сокращается. Этот процесс связывают с «синаптической обрезкой» — удалением части связей между нервными клетками и настройкой более эффективных цепей. Белое вещество формируют нервные волокна, соединяющие участки мозга. По мере взросления их оболочка из миелина обычно укрепляется, помогая сигналам проходить быстрее и надёжнее.

Меняются и функциональные сети — группы областей мозга, работающих согласованно. Учёные изучали, как ранние различия в познавательных способностях связаны с долгосрочным развитием этих структур и связей. Предыдущие работы часто представляли собой «снимок» мозга в один момент времени; длительных исследований, в которых наблюдают за одними и теми же людьми годами, было меньше.

Phoebe Thomson, Philip Shaw и Divyangana Rakesh из King’s College London проанализировали данные американского проекта Adolescent Brain Cognitive Development (ABCD), который наблюдает за тысячами детей. В анализ вошли 10 495 участников. Их обследовали в четыре временные точки: наблюдение началось примерно в девять-десять лет и продолжалось до середины подросткового возраста.

В начале исследования дети прошли тесты на три вида познавательных способностей. Подвижный интеллект (fluid cognition) включает решение новых задач, память и скорость обработки информации. Кристаллизованный интеллект (crystallized cognition) отражает накопленные знания, например словарный запас и понимание прочитанного. Третьим показателем было матричное рассуждение — способность находить закономерности в визуальных и пространственных задачах.

Развитие мозга оценивали с помощью трёх видов магнитно-резонансной томографии (МРТ): структурных снимков серого вещества, диффузионной МРТ для изучения микроструктуры белого вещества и функциональной МРТ в состоянии покоя, фиксирующей согласованность активности мозговых сетей. В расчётах исследователи учитывали социально-экономическое положение семьи, пол участников и различия между сканерами в исследовательских центрах.

Более высокие исходные показатели подвижного интеллекта были связаны с более быстрым уменьшением площади поверхности и объёма серого вещества. Особенно заметной эта связь оказалась в лобной доле, участвующей в сложном мышлении и принятии решений. Авторы считают, что результат согласуется с предположением о более быстром «созревании» и настройке нейронных связей у детей с высокими когнитивными показателями.

При этом статистически значимой связи между оценками интеллекта и изменением толщины коры не обнаружили. Не были связаны с долгосрочными структурными изменениями серого вещества и показатели кристаллизованного интеллекта и матричного рассуждения.

Белое вещество изучали, в частности, с помощью фракционной анизотропии — показателя того, насколько направленно движутся молекулы воды вдоль нервных волокон. Более высокое значение обычно связывают с более упорядоченными волокнами и развитием миелиновых оболочек, хотя сама метрика не является прямым измерением миелина.

Высокие исходные результаты в матричном рассуждении были связаны с более высоким начальным показателем целостности белого вещества, но затем фракционная анизотропия росла медленнее и на протяжении более долгого времени. Такая картина наблюдалась в нескольких крупных нервных путях, в том числе соединяющих лобную долю с другими областями. Для подвижного и кристаллизованного интеллекта значимой связи с развитием белого вещества не выявили.

Функциональная МРТ показала, что исходные результаты по всем трём когнитивным показателям связаны с последующей динамикой взаимодействия мозговых сетей. У детей с более низкими стартовыми оценками связь между разными сетями со временем в целом усиливалась. У участников с высокими показателями такого общего роста не наблюдалось; в некоторых системах, которые обычно разделяются в подростковом возрасте, связь, напротив, уменьшалась быстрее. Среди примеров — сети слуховой обработки и когнитивного контроля.

Более высокие результаты по кристаллизованному интеллекту и матричному рассуждению также были связаны с более чётким разделением сети пассивного режима работы мозга — она активна при внутреннем размышлении, — и сетей внимания высшего порядка. По мере взросления эти системы становились более обособленными. Исследователи предполагают, что такая специализация позволяет разным сетям работать независимее.

Авторы подчёркивают: исследование наблюдательное и не доказывает, что высокий интеллект непосредственно вызывает изменения мозга. На оба явления могут влиять общие причины — например, генетика или условия развития. Кроме того, к моменту анализа данные последнего обследования были неполными, поэтому изменения оценивали преимущественно линейными моделями. В действительности развитие мозга может ускоряться и замедляться в разные возрастные периоды; более длительные наблюдения помогут точнее описать эти нелинейные траектории.

Работа «Cognitive ability in childhood predicts adolescent structural and functional brain development: A longitudinal study» («Когнитивные способности в детстве предсказывают структурное и функциональное развитие мозга в подростковом возрасте: лонгитюдное исследование») написана Phoebe Thomson, Philip Shaw и Divyangana Rakesh.