Forstå hjernen: Hjernens udvikling, teenagere og kønsforskelle Christian Gerlach, Syddansk Universitet cgerlach@health.sdu.dk
Disposition Hjerneskanningsteknikker Hjernens udvikling Er der noget særligt ved teenagere? Begrænsninger i vores viden om hjernens udvikling Kønsforskelle i hjerne og mentale funktioner
Hjerneforskning: Beskrivelsesniveau Disciplin CNS / Hjernen Funktionelle systemer Moduler Søjler/cellelag Neuroner Synapser Molekyler Neuropsykologi Neurofysiologi Molekylær biologi Humaniora Medicin
Neuropsykologi: Læren om sammenhængen mellem hjerneprocesser og adfærd (særligt kognition) Kognition: Opfatte, forstå, vide; erkendelse
Hjerneskanningsteknikker
Thomas Bartholin (1616-1680) Om hjernevindingernes funktion: at sørge for at sikre hjernens blodkar, ved at dirigere dem gennem disse snoninger og derved beskytte dem fra fare for at gå i stykker ved voldsomme bevægelser, specielt ved fuldmåne hvor hjernen svulmer i kraniet.
Neurographia, 1608
Frenologi Franz Joseph Gall (1758-1828) 27 Mentale evner 1. Instinkt for reproduktion 2. Kærlighed til eget afkom 3. Venskab 4. Selvforsvar og mod 5. Kødædende instinkt/tendens til at myrde.. 12. Fornemmelse for steder.. 15. Sprogsansen 16. Farvesansen 17. Musikalsk sans.. 23. Poetisk talent.. 26. Det religiøse organ 27. Vedholdenhed
Kranieskopi
Gall s bidrag: Mentale funktioner kan lokaliseres til hjernebarken Hjerneområder kan vokse Gall & Spurzheim s Anatomie et Physiologie du Systeme Nerveux, 1810
Fotografi Strukturelle (CT, MR) Dynamiske (PET, fmri, EEG, OT, MEG)
Nervecellen (neuronet) er hjernens mindste funktionelle enhed Sukker (energi) + Ilt = Blodgennemstrømning
Positron emissions tomografi Hvordan måles blodgennemstrømningen?
Et par mellemregninger Opretning Normalisering Udglatning GLM
Andre hjerneskanningsteknikker Optisk topografi (OT) Optical topography/ Near-infrared spectroscopy
Andre hjerneskanningsteknikker ElektroEncefaloGrafi (EEG)
Andre hjerneskanningsteknikker MagnetoEncefaloGrafi (MEG) Pammer et al., 2004. Human Brain Mapping
Styrker vs. svagheder Rumlig opløsning Tidslig opløsning
Myte? Ved funktionel billeddannelse, kan man se hvordan hjernen arbejder. Måske; men der ligger mange antagelser til grund. Man kan typisk se HVOR og HVORNÅR, men ikke umiddelbart HVAD der sker.
Tankelæsning 1 Model
Tankelæsning 1 Model 2 Bibliotek Model
Tankelæsning 3 Bibliotek? Model
Tankelæsning
Hjernens udvikling
Et par facts: Hjernens mindste funktionelle enhed er neuronet. I fosterstadiet dannes der ca. 250.000 nye neuroner i minuttet. Slutprodukt: Ca. 15-32 milliarder neuroner ved fødslen. Og så går det ned ad bakke: -100 g. (ca. 8 %) ved de 70. Neuroner er langsomme: 100 m/s. (Spikes: 2-10 Hz vs. Clock-frequency 2.000.000.000 Hz) Men; hvert neuron er forbundet med op til 15.000 andre neuroner.
Gule prikker = Axonterminaler Dendrit Cellekrop
Det var længe en almindelig antagelse at hjernen var færdigudviklet i 6-7 års alderen Rækkefølgen hvormed forskellige områder i hjernen modnes Paul Flechsig, 1901
Energiomsætning som funktion af alder
Hjernen er en skulptur, der formes af erfaringen Synaptogenese: Dannelse af nye synapser Beskæring: Fjernelse af eksisterende synapser Modulering: Svækkelse eller forstærkning af eksisterende synapser
Energiomsætning som funktion af alder
Grå og hvid substans
Hjernens modning i tid
Højdepunkt for tæthed i grå substans 12 år 5 år 16½ år
Og hvad er det nu lige, det betyder? Øgning af grå substans: Læringspotentiale + Effektivisering - Øgning af hvid substans: Effektivisering + Læringspotentiale -
Fysiologiske forandringer sker gennem hele livet: Hjernen er formbar (plastisk) Draganski et al. 2004. Nature
5 minutters samtale: Vend jer mod en sidemand og fortæl hinanden på skift, hvad: I tænker om de pointer, der er kommet frem indtil nu. Hvordan I hver især kan bruge det sagte.
Er der noget særligt ved teenagere? (i forhold til børn og voksne)
Ungdommen er forbundet med mindre sygdom end andre perioder i livet: Alligevel er dødeligheden 200% større i denne periode (Forbes & Dahl, 2010) [Ulykker, selvmord, stofmisbrug, spiseforstyrrelser]. Unge tilbringer mere tid med venner end børn og voksne gør (Steinberg & Silversberg, 1986), og de går mere op i, hvad andre tænker og mener om dem (Parker et al., 2006). Unge er mere følelsesmæssigt (emotionelt) svingende end voksne (Larson et al., 2002). Unge er mere sensations- (sensation-seeking) og nyhedslystne, og de er mere risikovillige end voksne (særligt når de er sammen med deres venner) (Doremus- Fitzwater et al., 2010).
Risikovillighed
Kan ikke forudsige konsekvenserne af sine handlinger og har svært ved at hæmme impulser. Kan forudsige konsekvenserne af mine handlinger og kan godt hæmme impulser. Kan OGSÅ forudsige konsekvenserne af sine handlinger og kan godt hæmme impulser: men måske ikke lige så godt som sin far.
Øget risikovillighed hos unge skyldes IKKE: Manglende evne til at gennemskue konsekvenserne af egne handlinger (Reyna & Farley, 2006). Manglende evne til at hæmme impulser (Luna et al., 2010). Ringe eksekutiv funktion (arbejdshukommelse): Jo bedre arbejdshukommelse desto større risikovillighed (Romer et al., 2009). Børn Unge Voksne Udvikling Alder
Men hvad skyldes risikovilligheden da? Unges reaktioner på følelsesmæssige påvirkninger (følelsesprægede ansigtsudtryk) samt pengebelønning i spil adskiller sig imidlertid fra både børns og voksnes. Amgygdala Nucleus accumbens Sommerville et al., 2010
RATBOT
RATBOT Rottens hoved hvert sekund Talwar et al., 2002 Rottens position ved stimulation i MFB Rottens position ved retningssignal (R / L) Rottens position ½ sek. efter retningssignal
Men hvad skyldes risikovilligheden da? Unges reaktioner på følelsesmæssige påvirkninger (følelsesprægede ansigtsudtryk) samt pengebelønning i spil adskiller sig imidlertid fra både børns og voksnes. Amgygdala Nucleus accumbens Sommerville et al., 2010
Men hvad skyldes risikovilligheden da? Vi må følgelig antage, at der i ungdommen simpelt hen er skruet mere op for det følelsesmæssige blus (aktivitet i amygdala og nuclues accumbens), og at de motivationelle grunde skifter; særligt hvad angår sociale aspekter.
Men hvad skyldes risikovilligheden da? Følelse Udvikling Tænkning Øget risikoa. Alder Ungdom Emotionel reaktion Børn Unge Voksne Subkortikal præfrontal ubalance Høj Lav
Hvad er forklaringen på opskruet emotionalitet? Er unge mennesker blot mentalt forstyrrede? Naturen begynder via puberteten at tilskynde til fx seksuel adfærd (oxytocin) og større risikovillighed i handling for at frigøre den unge fra de voksne: Man skal lære at stå på egne ben, og det kræver, at man bl.a. er mere parat til at tage chancer. Dette kan måske forklare, hvorfor unge mennesker handler radikalt anderledes end voksne når det kommer til muligheden for belønning/at løbe nogle risici.
Følelser (emotioner) er hjernens møntfod Positivt (belønning) Ekstase Negativt (fravær af belønning) Aggres. Irritation Sorg Trist. Lykke Glæde Angst Lettelse Positivt (fravær af straf) Frygt Negativt (straf) Rolls, 1999: The brain and emotion
Og hvis følelser er hjernens møntfod: så arbejder unge simpelthen med en anden valuta end voksne og børn!
Kønsforskelle i sensation-seeking Sensations-søgning Piger Drenge Alder (år) (1) Jeg kan lide at udforske mærkelige/fremmede steder. (2) Jeg kan lide at gøre uhyggelige ting. (3) Jeg kan lide nye og spændende oplevelser, også selv om jeg skal bryde nogle regler. (4) Jeg foretrækker venner som er spændende og uforudsigelige. Selvrapportering! Romer, 2010
Begrænsninger i vores viden om hjernens udvikling
Problem 1: De fleste studier der har undersøgt hjernens udvikling har ikke samtidigt undersøgt mental udvikling. Sammenhænge mellem strukturelle ændringer i hjernen og udviklingsmæssige ændringer i mentale funktioner hviler derfor på indirekte slutninger.
Problem 2: De fleste studier der har undersøgt hjernens udvikling har fokuseret på den gennemsnitlige udvikling og ikke på individuelle forskelle.
Udtalte individuelle forskelle i tætheden af grå substans Frontallapperne (grå substans) Alder
Men hvordan ser de individuelle forskelle ud? Modning Alder Standardiseret curriculum?
Problem 3: Hjernens udvikling består ikke af een men to processer: (I) Genetisk betinget udvikling (II) Erfarings betinget udvikling Hjerne Miljø/adfærd Hvordan kan vi adskille disse processer?
Christian (Socialt udygtig) Christina (Socialt dygtig) Skanning Hjerne Adfærd/miljø Miljø: Omsorgssvigt Miljø: Normal omsorg Adfærd/miljø Hjerne
5 minutters samtale: Vend jer mod en sidemand og fortæl hinanden på skift om: En ting I finder særlig interessant i oplægget. Noget i jeres arbejde eller jeres organisation, som foredraget har inspireret jer til at se på en ny måde.
Kønsforskelle i hjerne og mentale funktioner
Hormoner og køn Kønsdifferentiering starter i fostret (6 uge). Et gen på Y- kromosomet igangsætter udviklingen af testikler, såfremt dette kromosom er tilstede (XY = drenge); er det ikke, udvikles kønskirtlerne til æggestokke (XX = piger). Den første kønsdifferentiering er direkte genetisk bestemt. Herefter drives kønsdifferentieringen ikke direkte af generne, men af de hormoner som fostret, pga. udviklingen af kønskirtlerne, producerer. For drenges vedkommende vil udskillelse af androgener (de mandlige kønshormoner, hvoraf testosteron er et) føre til dannelse af mandlige kønsdele, mens fravær af androgener vil føre til dannelse af kvindelige kønsdele.
Hormoner og køn Hormoner er særligt virksomme i to perioder af menneskets udvikling; i fosterstadiet og puberteten. Selvom hormoner omtales som mandlige (androgener) og kvindelige (østrogener), er androgener og østrogener til stede hos både mænd og kvinder. Det, der adskiller mænd og kvinder hormonalt, er mængden af androgener og østrogener. Drenge har fx to til tre gange så store mængder androgener som piger i de første dage efter fødslen. Herefter daler koncentrationen mærkbart, så den er på niveau i begge køn frem til 12 årsalderen, hvorefter den igen divergerer. I voksenalderen er androgenniveauet mange gange højere hos mænd end hos kvinder.
Lidt statistik
Noget om forskelle Empati 55 70 85 100 115 130 145 85 115 96 104
Noget om sammenhænge 35 = 65 kg 36 = 67 kg 37 = 69 kg 38 = 71 kg 39 = 73 kg 40 = 75 kg 41 = 77 kg 42 = 79 kg r = 1 R 2 * 100 = 100% 35 = 65 kg 36 = 68 kg 37 = 69 kg 38 = 78 kg 39 = 74 kg 40 = 71 kg 41 = 77 kg 42 = 82 kg r = 0.85 R 2 * 100 = 72%
Noget om sammenhænge Sammenhænge (korrelationer) siger intet om årsag-virkning (kausalitet). Blot fordi der er en sammenhæng mellem størrelse sko og vægt betyder det ikke, at størrelsen i sko er årsag til en given vægt (eller omvendt). Det samme gælder hyppigt sammenhænge mellem ændringer i hjernen og ændringer i adfærd. Hjerne Adfærd/miljø Miljø/adfærd Hjerne
Neuroanatomiske kønsforskelle
Neuroanatomiske forskelle Mænds hjerner er 10 15 % større end kvinders hjerner og indeholder ca 15% flere neuroner. Drenges hjerner er også større end pigers hjerner. Drengenes hjerner udvikles langsommere end pigernes (ca. 1 2 år langsommere). Forskellen udlignes dog i slutningen af teenagealderen.
Grå substans i forskellige områder af hjernen Frontallap Parietallap Temporallap Occipitallap Antal år Lenroot et al., 2007 N = 387
Sammenhænge mellem IK og grå substans Meget høj IK (MH) Højl IK (H) Middel IK (M) MH vs. H & MH vs. M = * H vs. M = ns MH vs. H & MH vs. M = * H vs. M = ns Alder (år) Superiore frontale gyrus Alder (år) Højre medial præfrontal MH vs. H & MH vs. M * H vs. M = ns MH vs. H & MH vs. M = * H vs. M = ns Alder (år) Venstre medial præfrontal Alder (år) Venstre temporallap Gogtay & Thompson, 2010
Forskelle i forholdet mellem grå og hvid substans hos kvinder og mænd? Nogle studier har fundet G > H hos kvinder sammenlignet med mænd (Allen et al., 2003, Gur et al., 2002). Når der tages højde for forskelle mellem mænd og kvinder i total hjernevolumen synes denne forskel at forsvinde! (Leonard et al., 2008). Kvinder og mænd med samme hjernevolumen har samme forhold mellem grå og hvid substans!
En mulig forskel! Piger Frontal Drenge Piger Parietal Drenge MTR: Magnetisation-transfer Ratio = et mål for tykkelsen af myelinskeder N = 404 Alder: 12 18 år. Perrin et al., 2008 & 2009 Piger Temporal Drenge Piger Occipital Drenge Noget tyder altså på, at drenge udvikler større axoner end piger, men at axonerne hos drenge har en relativt tyndere myelinskede end axonerne hos piger Funktion =? Alder: Antal måneder
Elektronmikroskopiske billeder af axoner i hjernebjælken (hos aber). Der er samme forstørrelsesgrad for begge billeder (*8500).
Hjernebjælken (Corpus Callosum) Meta-studie: 5 ud af 47 studier finder større CC hos mænd end hos kvinder. Efter korrektion for total hjernevolumen er ingen forskelle signifikante (Bishop & Wahlsten, 1997). Variation: 3-11 cm 2
Gyri-fikation (Gyri = Hjernevinding) Gyrifikation afhænger sandsynligvis af, hvor godt forskellige neuronsamlinger er forbundne. Hvis de danner mange stærke forbindelser bliver de trukket nærmere hinanden; ellers flytter de sig.
Gyrifikation Sammenhængen i hjernestørrelse mellem énæggede tvillinger er gennemsnitlig r =.95. Tilsvarende sammenhænge for formen på hjernevindingerne er gennemsnitligt kun på r =.5 (Chow et al., 2002). Er der forskelle i gyrifikation mellem piger og drenge? Én MRundersøgelse peger på forskelle mellem mænd og kvinder (kvinder = mere gyrificerede) (Luders et al., 2004) en anden (postmortem) (Zilles et al., 1988) finder ingen forskel.
Mentale kønsforskelle
Eksempel Undersøgelse af højden hos 800 børn: 400 piger & 400 drenge Gennemsnit for piger = 144 cm & drenge = 141 cm. (t 798 = -2.9, p <.01) Hvor stærk er sammenhængen? r = 0.104 (p <.01) I %: (0.104 2 * 100) = 1.1 De resterende 98.9 % af forskelle i højde må altså skyldes andre faktorer end køn
Effektstørrelse: Cohens d d < 0.20 = ingen eller ringe effekt d > 0.20 & < 0.50 = svag til moderat effekt d > 0.80 = stor effekt d = (144 141 cm / 15 cm) 0.20
Domæne Studie Alder Antal d studier Sproglige færdigheder Læseforståelse Hedges & Nowell (1995) Unge 5* -0.09 Læseforståelde Hyde & Linn (1988) Alle 40-0.03 Sprogproduktion Hyde & Linn (1988) Alle 40-0.33 Sprogproduktion Leaper & Smith (2004) Børn 61-0.11 Vokabular Hedges & Nowell (1995) Unge 4* +0.06 Vokabular Hyde & Linn (1988) Alle 40-0.02 DAT stavning Feingold (1988) Unge 5* -0.45 DAT sprog Feingold (1988) Unge 5* -0.40 DAT verbal omtanke Feingold (1988) Unge 5* -0.02 Effekt-størrelserne er hovedsageligt svage og ingen effekter er større end d = -0.45 (d = 0.50 svarer til en forklaret sammenhæng på 5.8%) Negative værdier: Kvinder > mænd. Positive værdier: Mænd > Kvinder
Domæne Studie Alder Antal d studier Visuospatiale færdigheder Rumlig evne Hedges & Nowell (1995) Unge 2* +0.19 DAT rumlige relationer Feingold (1988) Unge 5* +0.15 Rumlig perception Linn & Petersen (1985) Alle 62 +0.44 Rumlig perception Voyer et al. (1995) Alle 92 +0.44 Mental rotation Linn & Petersen (1985) Alle 29 +0.73 Mental rotation Voyer et al. (1995) Alle 78 +0.56 Spatial forestilling Linn & Petersen (1985) Alle 62 +0.13 Spatial forestilling Voyer et al. (1995) Alle 116 +0.19 Effekt-størrelserne er hovedsageligt svage til moderate (dog stærk for rotation) (d = 0.80 svarer til en forklaret sammenhæng på 14%) Negative værdier: Kvinder > mænd. Positive værdier: Mænd > Kvinder
Domæne Studie Alder Antal d studier Visuospatiale færdigheder Rumlig evne Hedges & Nowell (1995) Unge 2* +0.19 DAT rumlige relationer Feingold (1988) Unge 5* +0.15 Rumlig perception Linn & Petersen (1985) Alle 62 +0.44 Rumlig perception Voyer et al. (1995) Alle 92 +0.44 Mental rotation Linn & Petersen (1985) Alle 29 +0.73 Mental rotation Voyer et al. (1995) Alle 78 +0.56 Spatial forestilling Linn & Petersen (1985) Alle 62 +0.13 Spatial forestilling Voyer et al. (1995) Alle 116 +0.19 Effekt-størrelserne er hovedsageligt svage til moderate (dog stærk for rotation) (d = 0.80 svarer til en forklaret sammenhæng på 14%) Negative værdier: Kvinder > mænd. Positive værdier: Mænd > Kvinder
Domæne Studie Alder Antal d studier Matematiske færdigheder Matematiske beregninger Hyde et al. (1990) Alle 45-0.14 Matematiske begreber Hyde et al. (1990) Alle 41-0.03 Matematisk problemløsning Hyde et al. (1990) Alle 48 +0.08 Matematik Hedges & Nowell (1995) Unge 6* +0.16 DAT numeriske færdigheder Feingold (1988) Unge 5* -0.10 Andre Objekt-identitets-hukom. Voyer et al. (2007) Alle 15-0.23 Objekt-positions-hukom. Voyer et al. (2007) Alle 44-0.27 Simpel visuel reaktionstid Silverman (2006) Alle 21 +0.17 Perceptuel hurtighed Hedges & Nowell (1995) Unge 4* -0.28 DAT mekanisk ræsonnement Feingold (1988) Unge 5* +0.76 Negative værdier: Kvinder > mænd. Positive værdier: Mænd > Kvinder
5 minutters samtale: Vend jer mod en sidemand og fortæl hinanden på skift om: En ting I har fundet overraskende ved det, I har hørt i dette foredrag. En ting som har udfordret jeres syn på kønsforskelle.
Konklusioner De eneste sikre neuroanatomiske kønsforskelle vedrører: (1) cellekerner i hypothalamus (der styrer seksuel adfærd og reproduktion), (2) størrelsen på hjernen og dens antal af celler (funktionel betydning er ukendt!), samt (3) hastigheden hvormed hjernen modnes. De eneste sikre mentale/kognitive forskelle mellem køn vedrører mental rotation. De kønsforskelle, der er studeret systematisk gennem de sidste 100 år, synes at være blevet mindre med tiden. Der er meget lidt viden om, hvordan hormoner påvirker hjerne og kognition, og det er svært at måle. Dette betyder ikke, at kønsforskelle ikke findes: Fremtidige mere følsomme metoder kan måske afsløre evt. forskelle.