Zarówno przed urodzeniem, jak i w pierwszych tygodniach życia aktywność elektryczna mózgów dziewczynek w odpowiedzi na bodźce dźwiękowe wydaje się bardziej skomplikowana niż w przypadku chłopców.
Joel Frohlich z Uniwersytetu w Tybindze w Niemczech wraz z zespołem naukowców wykorzystał stosunkowo nowy rodzaj technologii obrazowania zwany magnetoencefalografią (MEG) do pomiaru pól magnetycznych wytwarzanych przez aktywność elektryczną mózgu w odpowiedzi na bodźce dźwiękowe. Badanie przeprowadzono u 43 płodów w trzecim trymestrze ciąży oraz u 20 niemowląt w wieku od 13 do 59 dni. W grupie badanych noworodków i niemowląt szesnaścioro z nich obserwowano również w czasie ich życia płodowego.
Bodźce składały się z różnych układów sygnałów dźwiękowych. Na jedną sekwencję przypadały cztery sygnały, każdy trwający 200 milisekund i oddzielony przerwami po 400 milisekund. „Blok” bodźców zdefiniowano jako 180 sekwencji odtwarzanych jedna po drugiej w odstępie 1,7 sekundy pomiędzy nimi. U płodów dźwięk był odtwarzany za pomocą „balonu dźwiękowego” umieszczonego pomiędzy brzuchem ciężarnej a czujnikami MEG.
Opis badania: Symbol nuty oznacza bodźce słuchowe. (a) Zastosowaliśmy dwie reguły blokowe i cztery możliwe permutacje lokalnych/globalnych standardowych/odbiegających od normy sekwencji słuchowych w obu regułach blokowych. (b) Każda sekwencja słuchowa składała się z czterech tonów trwających 200 ms każdy, oddzielonych odstępem między nimi trwającym 400 ms. Cała sekwencja dźwiękowa trwała 2000 ms. Czwarty ton każdej sekwencji zmieniał się w fazie testowej. Po uśrednieniu prób w każdym stanie, przeanalizowaliśmy sygnały rozpoczynające się od 200 ms przed wystąpieniem pierwszego tonu do 1000 ms po przesunięciu czwartego tonu (czas trwania 3200 ms). (c) Brzuch ciężarnej ułożono w zagłębieniu z czujnikami MEG, z balonem dźwiękowym umieszczonym pomiędzy jej ciałem a urządzeniem SARA emitującym dźwięki. ( d ) Sygnały MEG płodu rejestrowano nieinwazyjnie w odpowiedzi na dźwięki słuchowe. (e) Po porodzie wcześniej badana podgrupa pacjentów przeszła do kolejnego etapu eksperymentu, w którym noworodki umieszczono w kołysce z głową zwróconą w stronę układu magnetometru SQUID w urządzeniu SARA. Noworodki miały założone słuchawki w celu dostarczania bodźców. (f) Podobnie jak w przypadku płodów, urządzenie SARA rejestrowało nieinwazyjne sygnały korowe u noworodków. Kobieta na zdjęciu (c) i rodzice niemowlęcia na zdjęciu (e) wyrazili zgodę na publikację zdjęć umożliwiających identyfikację. | Frohlich J, Moser J, Sippel K, Mediano P, Preissl H & Gharabaghi. A Sex differences in prenatal development of neural complexity in the human brain. DOI: 10.1038/s44220-024-00206-4
W pierwszej części eksperymentu każdy płód lub dziecko usłyszało 30 takich bloków w ramach „treningu”. Następnie badacze rejestrowali aktywność magnetyczną mózgu po usłyszeniu dwóch bloków. Wykorzystując specjalne algorytmy odzwierciedlające między innymi stopień trudności przetwarzania badacze określili złożoność sygnału MEG.
U dorosłych bez znanych schorzeń wyższy poziom złożoności neuronalnej wiąże się z lepszą wydajnością i szybszym czasem reakcji takich funkcjach wykonawczych jak planowanie i podejmowanie decyzji. Z kolei niski poziom związany jest ze stanami, w których zdolność przetwarzania informacji jest obniżona, na przykład podczas znieczulenia ogólnego lub w czasie snu w fazie bez szybkich ruchów gałek ocznych.
W związku z tym Frohlich i jego współpracownicy wysnuli hipotezę, zgodnie z którą złożoność sygnału MEG powinna wzrastać u płodów w miarę rozwoju ciąży i u dzieci wraz z dorastaniem. Okazało się jednak, że w rzeczywistości odsetek ten z czasem spadał, przy czym spadek następował znacznie szybciej w przypadku płodów i dzieci płci męskiej niż u dziewczynek.
Możliwe scenariusze wyjaśniające spadek złożoności MEG wraz z dojrzewaniem w okresie okołoporodowym. (a) Złożoność (entropia) sygnału MEG może zmniejszać się wraz z wiekiem u płodów i noworodków ze względu na rozwijanie odpowiedzi słuchowej na bodziec akustyczny, które powinny narzucać strukturę na sygnał korowy. (b) Spadek złożoności aktywności neuronowej wraz z dojrzewaniem może odzwierciedlać procesy rozwojowe, takie jak apoptoza i przycinanie synaptyczne, które zmniejszają liczbę sposobów aranżacji obwodów nerwowych. | Frohlich J, Moser J, Sippel K, Mediano P, Preissl H & Gharabaghi. A Sex differences in prenatal development of neural complexity in the human brain. DOI: 10.1038/s44220-024-00206-4
Przyczyna tego spadku jest niejasna, ale jedno z możliwych wyjaśnień sugeruje, że złożoność neuronowa mierzy różne procesy w miarę dojrzewania mózgu.
„Rozwijający się mózg eliminuje niepotrzebne komórki i połączenia, ograniczając liczbę możliwości, w jakie narząd ten może reagować na bodziec. W miarę dojrzewania mózg kieruje się w stronę uporządkowanych wzorców połączeń neuronowych, które mówią mu, jak reagować na bodźce, takie jak sygnały dźwiękowe w naszym eksperymencie. Bardziej rozwinięty mózg ma mniej sposobów reagowania na ten bodziec, a tym samym mniejszą złożoność. Gdybyśmy przyjrzeli się spontanicznej aktywności, moglibyśmy zobaczyć coś innego”
– Joel Frohlich.
Frohlich podejrzewa, że różnice między płciami mogą wynikać z „podstawowych różnic w rozwoju układu nerwowego u chłopców i dziewcząt”. Naukowcy nie obserwowali dzieci po zakończeniu badania, dlatego nie można na razie stwierdzić, czy ta zmienność utrzymuje się.
Wyniki wcześniejszych badań, przeprowadzonych w 2018 roku przez Frohlicha sugerują, że ocena złożoności sygnałów uzyskanych od niemowląt przy użyciu techniki elektroencefalografii (EEG) może być przydatna w przewidywaniu diagnozy autyzmu w późniejszym życiu. Na tej podstawie Frohlich twierdzi, że różnice w aktywności zaobserwowane przez jego zespół można byłoby wykorzystać do diagnostyki niemowląt, u których z czasem rozwinie się autyzm.
„Autyzm diagnozuje się cztery razy częściej u chłopców niż u dziewcząt. Gdyby udało się zidentyfikować zmienną rozwojową, dzięki której moglibyśmy wykryć autyzm tuż po porodzie lub nawet wcześniej, umożliwiłoby to szybsze wdrożenie działań terapeutycznych u tych niemowląt, co mogłoby pomóc w złagodzeniu objawów. Naukowcy byliby w stanie zmierzyć złożoność neuronalną u płodów, których rodzeństwo jest autystyczne i w związku z tym dzieci te są bardziej narażone na rozwój tego schorzenia. Moglibyśmy śledzić te dzieci do ukończenia trzeciego roku życia i sprawdzić, czy złożoność aktywności neuronowej mierzona w łonie matki okazała się przydatna do przewidywania, u których dzieci rozwinie się autyzm” – zaznaczył Frohlich.
Mówiąc o przewidywaniu choroby, Anoushka Pattenden z organizacji charytatywnej National Autistic Society w Wielkiej Brytanii zauważa: „Autyzm można dokładnie rozpoznać jedynie na podstawie dokładnej oceny klinicznej przeprowadzonej przez doświadczony zespół wykwalifikowanych specjalistów. Osoby autystyczne powinny otrzymać wsparcie odpowiadające ich specyficznym potrzebom, a wszelkie „interwencje” powinny koncentrować się przede wszystkim na jednostce a nie podejmowaniu prób redukowania cech autystycznych”.
- Frohlich J, Moser J, Sippel K, Mediano P, Preissl H & Gharabaghi. A Sex differences in prenatal development of neural complexity in the human brain. DOI: 10.1038/s44220-024-00206-4
- Neue Erkenntnisse zur menschlichen Gehirnentwicklung: Forschende identifizieren geschlechtsspezifische Unterschiede. Bianca Hermle Kommunikation und Medien, Universitätsklinikum Tübingen.
- Brain activity seems to be more complex in baby girls than boys. Moheb Costandi, NewScientist.
- New Study Finds Sex Differences in Fetal Brain Development, Kaja Perina, PsychologyToday.