این پژوهش با شناسایی پنج مرحله متمایز و چهار نقطه عطف اساسی در سنین 9، 32، 66 و 83 سالگی، دیدگاه جدیدی درباره مراحل تحول مغز در طول عمر ارائه می دهد که نشان دهنده تغییرات غیرخطی در ساختار عصبی انسان از بدو تولد تا پیری است.
تحقیقات جدید نشون می ده که سازمان دهی ساختاری مغز انسان به صورت مداوم و خطی رشد نمی کنه، بلکه در طول پنج مرحله ی مجزا که با نقاط عطف خاصی از هم جدا شدن، پیش می ره. این یافته ها به درک بهتر مراحل تحول مغز در طول عمر کمک می کند. دانشمندان با تحلیل اسکن های مغزی هزاران نفر، از نوزاد گرفته تا افراد نود ساله، تغییرات قابل توجهی رو در معماری عصبی شناسایی کردن که حدود سنین 9، 32، 66 و 83 سالگی رخ می ده.
این یافته ها که در Nature Communications منتشر شده، چارچوب جدیدی برای درک چگونگی سازمان دهی مجدد مغز در طول عمر انسان فراهم می کنه و نشون می ده که بلوغ ساختاری ممکنه تا دهه ی سوم زندگی هم ادامه داشته باشه.
تحقیقات قبلی ثابت کرده بود که ساختار و عملکرد مغز با افزایش سن تغییر می کنه. با این حال، بسیاری از اون مطالعات روی دوره های خاصی از رشد، مثل اوایل کودکی یا سالمندی تمرکز داشتن، نه کل مسیر زندگی. وقتی هم که مطالعات محدوده های سنی وسیع تری رو بررسی می کردن، اغلب از مدل هایی استفاده می کردن که فرضشون بر مسیرهای نرم و تدریجی بود؛ مثل یک اوج ساده در بزرگسالی و بعد از اون یک کاهش ثابت.
نویسندگان این مطالعه ی جدید استدلال کردن که این رویکردها ممکنه تغییرات پیچیده و غیرخطی در نحوه ی سازمان دهی مغز رو نادیده بگیرن. تیم تحقیقاتی با نقشه برداری از این تغییرات ساختاری در کل طیف زندگی، قصد داشت یک معیار پایه برای رشد طبیعی ایجاد کنه.
الکسا موزلی (Alexa Mousley)، پژوهشگر فوق دکترا در دانشگاه کمبریج و نویسنده ی مطالعه، می گه: «ما می دونیم که اتصالات مغز در طول عمر تغییر می کنه، اما تصویر روشنی از الگوهای کلی این تغییرات نداشتیم. این اطلاعات خیلی مهمه، چون نحوه ی سیم کشی مغز با رشد عصبی، اختلالات سلامت روان و شرایط عصبی در ارتباطه.»
«بنابراین، با دونستن اینکه انتظار می ره مغز در زمان های خاصی چه کاری انجام بده، می تونیم بهتر درک کنیم که مغز در چه سنینی در چه چیزی بهترین عملکرد رو داره یا در برابر چه چیزهایی آسیب پذیرتره. مثلا، دو سوم افرادی که دچار اختلال سلامت روان می شن، این اتفاق قبل از 25 سالگی براشون می افته.»
مراحل تحول مغز در طول عمر؛ یک بررسی جامع
برای ترسیم این مسیر در طول عمر، محققان داده های 9 مجموعه ی داده ی تصویربرداری عصبی مختلف رو جمع آوری کردن. این کار باعث شد تا در مجموع نمونه ای شامل 4216 فرد، از صفر تا 90 سال، به دست بیاد. از این گروه بزرگتر، تیم تحقیقاتی زیرمجموعه ای شامل 3802 اسکن از افراد با رشد عصبی عادی رو تحلیل کرد تا یک مدل استاندارد از رشد ایجاد کنه.
محققان از تصویربرداری وزنی منتشر (Diffusion-weighted imaging) استفاده کردن؛ نوعی از MRI که حرکت مولکول های آب رو در بافت مغز ردیابی می کنه. این روش به دانشمندان اجازه می ده تا مسیرهای ماده ی سفید رو که مثل سیستم کابل کشی برای اتصال مناطق مختلف مغز عمل می کنن، نقشه برداری کنن.
تیم تحقیق از نظریه ی گراف برای تحلیل سازمان دهی این شبکه های مغزی استفاده کرد. اون ها 12 معیار خاص رو برای توصیف توپولوژی مغز محاسبه کردن. توپولوژی به نحوه ی چیدمان و اتصال بخش های یک شبکه اشاره داره.
معیارهای کلیدی شامل «کارایی جهانی» بود که اندازه گیری می کنه اطلاعات چقدر راحت می تونه در کل شبکه جابه جا بشه، و «بخش بندی» (Modularity) که بررسی می کنه شبکه چقدر خوب به جوامع تخصصی و مستقل تقسیم شده.
برای درک این داده های پیچیده، محققان از یک تکنیک یادگیری ماشین به نام UMAP استفاده کردن. این روش داده های پیچیده و چندمتغیره رو به یک فضای ساده تر می بره و به محققان اجازه می ده الگوها و مسیرهای متمایز رو مشاهده کنن.
با تحلیل این الگوها، تیم تحقیق الگوریتمی رو برای شناسایی «نقاط عطف» توسعه داد. این نقاط نشون دهنده ی سنینی هستن که در اون ها مسیر رشد مغز به طور قابل توجهی تغییر می کنه و نشون دهنده ی انتقال از یک مرحله ی تغییر سازمانی به مرحله ی دیگه ست.
این تحلیل چهار نقطه ی عطف اصلی رو در طول عمر نشان داد که تقریبا در سنین 9، 32، 66 و 83 سالگی رخ می ده. این مرزها، پنج دوره ی متمایز از رشد ساختاری رو تعریف می کنن.
دوره اول؛ تحول سریع مغز (تولد تا 9 سالگی)
دوره ی اول از تولد تا 9 سالگی رو شامل می شه. این دوره با تغییرات سریع در حجم مغز و تثبیت شبکه های عصبی همراهه. در اوایل کودکی، مغز بیش از حد سیناپس تولید می کنه که بعدا برای حذف اتصالات ضعیف یا غیرضروری، هرس می شن.
داده های مطالعه نشون می ده که کارایی توپولوژیک در این مرحله کاهش پیدا می کنه، در حالی که جداسازی محلی افزایش می یابه. نقطه ی عطف در سن 9 سالگی با شروع معمول بلوغ و افزایش قابل توجه توانایی های شناختی همخوانی داره.
دوره دوم؛ بلوغ و یکپارچگی شبکه عصبی (9 تا 32 سالگی)
دوره ی دوم که از 9 تا 32 سالگی طول می کشه، نشان دهنده ی یک دوره ی طولانی از «بلوغ» از نظر ساختار مغزه. در این مرحله، مغز روی افزایش یکپارچگی شبکه تمرکز می کنه. در این دوره، مراحل تحول مغز به سمت کارایی بیشتر حرکت می کند.
محققان مشاهده کردن که اتصالات کارآمدتر شدن و اجازه ی ارتباط سریع در کل مغز رو می دن. این دوره با افزایش «خاصیت دنیای کوچک» (Small-worldness) مشخص می شه؛ ویژگی ای که در اون یک شبکه هم در سطح محلی به شدت خوشه ایه و هم در سطح جهانی به طور کارآمدی متصل شده.
نقطه ی عطف در سن 32 سالگی به عنوان قوی ترین تغییر در کل طول عمر شناسایی شد. این نقطه پایان دوره ایه که در اون کارایی افزایش پیدا می کنه و سیگنالی برای انتقال به یک مسیر جدیده.
دوره سوم؛ ثبات و تفکیک در مراحل تحول مغز (32 تا 66 سالگی)
دوره ی سوم از 32 تا 66 سالگی ادامه داره و بخش زیادی از بزرگسالی رو پوشش می ده. برخلاف تغییرات سریع دوره ی قبل، این مرحله با ثبات نسبی و رسیدن به یک سطح ثابت در یکپارچگی شبکه مشخص می شه. بررسی مراحل تحول مغز در این دوره ثبات نسبی را نشان می دهد.
روند غالب در این سال ها افزایش جداسازی (Segregation) هست، به این معنی که مناطق مغز بیشتر بخش بندی می شن. این دوره با مشاهدات تحقیقات روان شناسی همخوانی داره که نشون می ده شخصیت و هوش سیال معمولا در دوران میانسالی تثبیت می شن.
دوره چهارم و پنجم؛ مراحل تحول مغز در پیری (66 تا 90 سالگی)
دوره ی چهارم از 66 تا 83 سالگی رو در بر می گیره که به عنوان اوایل پیری برچسب گذاری شده. نقطه ی عطف در سن 66 سالگی با شروع معمول بیماری های مرتبط با سن، مثل فشار خون بالا که می تونه روی سلامت مغز تاثیر بذاره، همزمانه.
در طول این مرحله، محققان کاهش در یکپارچگی شبکه رو که در اوایل زندگی ایجاد شده بود، مشاهده کردن. مسیر به سمت ساده سازی ساختار شبکه تغییر می کنه که اغلب با تخریب اتصالات ماده ی سفید و ارتباط مستقیم ضعف عضلانی نشانه دمانس در میانسالی و سالمندان مرتبطه.
آخرین دوره ی شناسایی شده در مطالعه از سن 83 سالگی شروع می شه و تا 90 سالگی (حد بالای نمونه) ادامه پیدا می کنه. این مرحله ی اواخر پیری با کاهش بیشتر در اتصالات جهانی مشخص می شه.
توپولوژی مغز به گونه ای تغییر می کنه که اهمیت گره های فردی در شبکه از اتصالات جهانی حیاتی تر می شه. محققان اشاره کردن که به نظر می رسه رابطه ی بین سن و سازمان دهی توپولوژیک در این مرحله ی نهایی ضعیف تر می شه، هرچند حجم نمونه برای این گروه سنی مسن تر، کمتر از گروه های جوان تر بود.
در تصویر زیر، می توانید نمایی کلی از این تغییرات ساختاری و نقاط چرخش در سازمان دهی مغز را مشاهده کنید که توسط تیم تحقیقاتی ترسیم شده است.
این نمودار به خوبی نشان می دهد که چگونه کارایی و بخش بندی شبکه های مغزی در طول دهه های مختلف زندگی دچار نوسان و بازآرایی می شود.
نقاط عطف و اهمیت درک مراحل تحول مغز در طول عمر
یکی از قابل توجه ترین نتایج این تحلیل، هماهنگی این نقاط عطف ساختاری با نقاط عطف اصلی بیولوژیکی و اجتماعیه. تغییر در سن 9 سالگی با شروع تغییرات هورمونی مرتبط با بلوغ و افزایش آسیب پذیری نسبت به مسائل سلامت روان مطابقت داره.
نقطه ی عطف در 32 سالگی با توقف رشد ماده ی سفید و اوج برخی توانایی های جسمانی همخوانی داره. تغییر در 66 سالگی هم با سن بازنشستگی در بسیاری از جوامع و افزایش شیوع زوال شناختی مطابقت می کنه.
موزلی به PsyPost گفت: «یافته ها نشون می ده که مغز به صورت غیرخطی رشد می کنه؛ یعنی اینطور نیست که فقط یک افزایش یا کاهش ثابت داشته باشه. مغز مراحلی رو پشت سر می گذاره که در اون ها متفاوت از نقاط دیگه عمر تغییر می کنه.»
در حالی که این مطالعه نمای کلی جامعی از روندهای سطح جمعیت ارائه می ده، اما محدودیت های ذاتی در طراحی خودش هم داره. این تحقیق از داده های مقطعی استفاده کرده، به این معنی که افراد مختلف رو در سنین مختلف با هم مقایسه کرده، نه اینکه همون افراد رو در طول زمان دنبال کنه. در نتیجه، هنوز مشخص نیست که آیا هر فرد دقیقا همین مسیرها رو دنبال می کنه یا اینکه نقاط عطف از فردی به فرد دیگه تفاوت چشمگیری داره.
محققان همچنین خاطرنشان کردن که این مطالعه منحصرا روی ساختار مغز تمرکز داشته. یافته ها توصیف می کنن که «سخت افزار» عصبی چطور تغییر می کنه، اما مستقیما رفتار، بلوغ یا توانایی شناختی رو اندازه گیری نمی کنن.
تمدید مرحله ی ساختاری «نوجوانی» تا سن 32 سالگی به این معنی نیست که افراد در دهه ی سی زندگی رفتارهای نوجوانانه نشون می دن، بلکه نشون می ده که شبکه های مغزی اون ها هنوز در حال بهینه سازی برای کارایی هستن، به شکلی که شبیه به بزرگسالان جوان تره. این دیدگاه جدیدی بر مراحل تحول مغز ارائه می دهد.
موزلی گفت: «خیلی از مردم به این یافته که نوجوانی تا حدود 32 سالگی ادامه داره، علاقه مند هستن. مهمه توجه داشته باشیم که ما فقط تغییرات در معماری مغز رو مطالعه کردیم. بنابراین، کار ما چیزی رو در مورد رفتار یا شناخت تایید نمی کنه.»
محققان پیشنهاد می کنن که در تحقیقات آینده باید از این روش ها روی مجموعه داده های طولی استفاده بشه تا مسیرها در سطح فردی تایید بشن. علاوه بر این، بررسی اینکه این نقاط عطف توپولوژیک در افراد مبتلا به اختلالات رشد عصبی یا شرایط سلامت روان چه تفاوتی داره، می تونه بینش های جدیدی در مورد ریشه های بیولوژیکی این چالش ها فراهم کنه.
این مطالعه با عنوان «Topological turning points across the human lifespan» توسط الکسا موزلی، ریچارد ای. آی. بتلحم، فانگ-چنگ یه و دانکن ای. استل انجام شده است.
درک این تغییرات ساختاری در طول عمر، نه تنها دانش ما را از زیست شناسی عصبی افزایش می دهد، بلکه پنجره های جدیدی برای شناسایی دوره های حساس آسیب پذیری و انعطاف پذیری مغز باز می کند. این رویکرد به متخصصان کمک می کند تا بر اساس سن بیولوژیکی مغز، استراتژی های بهتری برای ارتقای سلامت روان و پیشگیری از اختلالات عصبی در هر مرحله از زندگی تدوین کنند.
Scientists identify five distinct phases of brain structure across the human lifespan
