Префронтальная кора головного мозга: функции и структура.

Введение

Часть мозга, отвечающая за личность, принятие решений и социальное поведение. Эта область мозга участвует в широком спектре высших когнитивных функций, включая формирование речи (область Брока), управление взглядом (фронтальные поля глаз), рабочую память (дорсолатеральная префронтальная кора) и обработку рисков (например, вентромедиальная префронтальная кора). Основной функцией этой области мозга считается организация мыслей и действий в соответствии с внутренними целями. Многие авторы указывают на тесную связь между волей к жизни, личностью и функциями префронтальной коры. Эта область мозга вовлечена в исполнительные функции, такие как планирование, принятие решений, рабочая память, проявление личности, модулирование социального поведения и контроль над определенными аспектами речи и языка. Исполнительные функции связаны со способностью различать противоречивые мысли, оценивать хорошее и плохое, лучшее и наилучшее, одинаковое и разное, предвидеть последствия текущих действий, стремиться к определенной цели, прогнозировать результаты, формировать ожидания на основе действий и осуществлять социальный "контроль" (способность подавлять импульсы, которые, если не сдерживать, могут привести к социально неприемлемым последствиям). Фронтальная кора поддерживает обучение конкретным правилам, а более передние ее отделы – обучение правилам на более высоких уровнях абстракции.

Гранулярная лобовая кора

Префронтальная кора была определена на основе цитоархитектоники по наличию кортикального гранулярного слоя IV. Не совсем ясно, кто впервые использовал этот критерий. Многие ранние исследователи цитоархитектоники ограничивали использование термина «префронтальный» гораздо меньшим участком коры, включающим прямую извилину и ростральную извилину (Кэмпбелл, 1905; Г. Э. Смит, 1907; Бродманн, 1909; фон Экономо и Коскинас, 1925). Однако в 1935 году Якобсен использовал термин «префронтальный» для различения гранулярных префронтальных областей от агранулярных моторных и премоторных областей. В терминах областей Бродмана, префронтальная кора традиционно включает области 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 24, 25, 32, 44, 45, 46 и 47. Основная проблема этого определения заключается в том, что оно хорошо работает только у приматов, но не у неприматов, поскольку у последних отсутствует гранулярный слой IV.

Соединения

Префронтальная кора тесно взаимосвязана с большей частью мозга, включая обширные связи с другими корковыми, подкорковыми структурами и структурами ствола мозга. Дорсальная префронтальная кора особенно тесно связана с областями мозга, участвующими во внимании, познании и действиях, в то время как вентральная префронтальная кора связана с областями мозга, участвующими в эмоциях. Префронтальная кора также получает входящие сигналы от систем активации ствола мозга, и её функция особенно зависит от нейрохимической среды. Таким образом, существует координация между уровнем активации и психическим состоянием. Взаимодействие между префронтальной корой и социально-эмоциональной системой мозга играет важную роль в развитии подростков, как это предполагает модель двойных систем. Медиальная префронтальная кора участвует в генерации медленноволнового сна (SWS), а атрофия префронтальной коры связана со снижением SWS. Атрофия префронтальной коры происходит естественным образом с возрастом, и было показано, что у пожилых людей наблюдаются нарушения в консолидации памяти по мере деградации их медиальной префронтальной коры. Эти области мозга участвуют в извлечении и консолидации памяти, обработке языка и ассоциации с эмоциями. Эти связи позволяют дорсолатеральной префронтальной коре (VLPFC) опосредовать как осознанное, так и неосознанное извлечение памяти и интегрировать его с языковым стимулом, чтобы помочь в планировании связной речи. Иными словами, выбор подходящих слов и поддержание темы разговора обеспечиваются дорсолатеральной префронтальной корой (VLPFC).

Исполнительная функция

Оригинальные исследования Фустера и Голдмана Ракича подчеркивали фундаментальную способность префронтальной коры представлять информацию, отсутствующую в текущей среде, и центральную роль этой функции в создании "ментальной рабочей модели". Голдман Ракич говорил о том, как эти репрезентативные знания использовались для разумного управления мышлением, действиями и эмоциями, включая подавление нежелательных мыслей, отвлекающих факторов, действий и чувств. Таким образом, рабочая память может рассматриваться как основа внимания и поведенческой регуляции. Фустер описывает, как эта префронтальная способность позволяет связать прошлое с будущим, обеспечивая как межвременные, так и межмодальные ассоциации при создании целенаправленных циклов восприятия и действия. Эта способность к репрезентации лежит в основе всех других высших исполнительных функций. Шимамура предложил теорию динамической фильтрации для описания роли префронтальной коры в исполнительных функциях. Предполагается, что префронтальная кора действует как высокоуровневый механизм воротного контроля или фильтрации, усиливающий активацию, направленную на достижение цели, и подавляющий нерелевантную активацию. Этот механизм фильтрации обеспечивает исполнительный контроль на различных уровнях обработки, включая выбор, поддержание, обновление и перенаправление активации. Он также используется для объяснения эмоциональной регуляции. Миллер и Коэн предложили интегративную теорию функции префронтальной коры, основанную на первоначальных работах Голдмана Ракича и Фустера. Они утверждают, что "когнитивный контроль возникает из активного поддержания паттернов активности в префронтальной коре, которые представляют цели и средства для их достижения. Они передают сигналы смещения другим структурам мозга, что в конечном итоге направляет поток активности по нейронным путям, устанавливающим правильные соответствия между входами, внутренними состояниями и выходами, необходимыми для выполнения данной задачи". По сути, они считают, что префронтальная кора направляет входы и связи, что позволяет осуществлять когнитивный контроль над нашими действиями. Префронтальная кора имеет важное значение, когда требуется нисходящая обработка. Нисходящая обработка, по определению, – это когда поведение определяется внутренними состояниями или намерениями. По их словам, "ПФК критически важна в ситуациях, когда соответствия между сенсорными входами, мыслями и действиями либо слабо установлены по сравнению с другими существующими, либо быстро меняются". При анализе и обдумывании атрибутов других людей активируется медиальная префронтальная кора, однако она не активируется при обдумывании характеристик неодушевленных предметов. Исследования с использованием фМРТ показали, что медиальная префронтальная кора (mPFC), в частности, передняя медиальная префронтальная кора (amPFC), может модулировать поведение мимикрии. Нейробиологи предполагают, что социальное праймирование влияет на активность и обработку в amPFC, и что эта область префронтальной коры модулирует мимикрические реакции и поведение. В последнее время исследователи использовали методы нейровизуализации, чтобы выяснить, что наряду с базальными ганглиями префронтальная кора участвует в обучении примерам, что является частью теории примеров, одного из трех основных способов, которыми наш мозг категоризирует вещи. Теория примеров утверждает, что мы категоризируем суждения, сравнивая их с аналогичным прошлым опытом в нашей сохраненной памяти. Мета-анализ 2014 года, проведенный профессором Николь П. Юань из Университета Аризоны, показал, что больший объем префронтальной коры и большая толщина коры ПФК были связаны с лучшей исполнительной функцией.

The original studies of Fuster and of Goldman Rakic emphasized the fundamental ability of the prefrontal cortex to represent information not currently in the environment, and the central role of this function in creating the "mental sketch pad". Goldman Rakic spoke of how this representational knowledge was used to intelligently guide thought, action, and emotion, including the inhibition of inappropriate thoughts, distractions, actions, and feelings. In this way, working memory can be seen as fundamental to attention and behavioral inhibition. Fuster speaks of how this prefrontal ability allows the wedding of past to future, allowing both cross temporal and cross modal associations in the creation of goal directed, perception action cycles. This ability to represent underlies all other higher executive functions. Shimamura proposed Dynamic Filtering Theory to describe the role of the prefrontal cortex in executive functions. The prefrontal cortex is presumed to act as a high level gating or filtering mechanism that enhances goal directed activations and inhibits irrelevant activations. This filtering mechanism enables executive control at various levels of processing, including selecting, maintaining, updating, and rerouting activations. It has also been used to explain emotional regulation. Miller and Cohen proposed an Integrative Theory of Prefrontal Cortex Function, that arises from the original work of Goldman Rakic and Fuster. The two theorize that "cognitive control stems from the active maintenance of patterns of activity in the prefrontal cortex that represents goals and means to achieve them. They provide bias signals to other brain structures whose net effect is to guide the flow of activity along neural pathways that establish the proper mappings between inputs, internal states, and outputs needed to perform a given task". In essence, the two theorize that the prefrontal cortex guides the inputs and connections, which allows for cognitive control of our actions. The prefrontal cortex is of significant importance when top down processing is needed. Top down processing by definition is when behavior is guided by internal states or intentions. According to the two, "The PFC is critical in situations when the mappings between sensory inputs, thoughts, and actions either are weakly established relative to other existing ones or are rapidly changing". When analyzing and thinking about attributes of other individuals, the medial prefrontal cortex is activated, however, it is not activated when contemplating the characteristics of inanimate objects. Studies using fMRI have shown that the medial prefrontal cortex (mPFC), specifically the anterior medial prefrontal cortex (amPFC), may modulate mimicry behavior. Neuroscientists are suggesting that social priming influences activity and processing in the amPFC, and that this area of the prefrontal cortex modulates mimicry responses and behavior. As of recent, researchers have used neuroimaging techniques to find that along with the basal ganglia, the prefrontal cortex is involved with learning exemplars, which is part of the exemplar theory, one of the three main ways our mind categorizes things. The exemplar theory states that we categorize judgements by comparing it to a similar past experience within our stored memories. A 2014 meta analysis by Professor Nicole P. Yuan from the University of Arizona found that larger prefrontal cortex volume and greater PFC cortical thickness were associated with better executive performance.

Внимание и память

Широко распространенная теория относительно функции префронтальной коры головного мозга заключается в том, что она служит хранилищем кратковременной памяти. Эта идея была впервые сформулирована Якобсеном, который в 1936 году сообщил о том, что повреждение префронтальной коры приматов вызывает дефицит кратковременной памяти. Карл Прибрам и его коллеги (1952) выявили область 46, также известную как дорсолатеральная префронтальная кора (dlPFC), как часть префронтальной коры, ответственную за этот дефицит. В последнее время Голдман-Ракич и его коллеги (1993) вызвали потерю кратковременной памяти в локализованных областях пространства посредством временной инактивации участков dlPFC. После того как концепция рабочей памяти (см. также модель рабочей памяти Баддели) была утверждена в современной нейробиологии Аланом Баддели (1986), эти нейропсихологические данные подтвердили теорию о том, что префронтальная кора реализует рабочую память и, в некоторых крайних интерпретациях, исключительно рабочую память. В 1990-х годах эта теория приобрела широкую популярность и стала преобладающей теорией функции ПФ, особенно у нечеловеческих приматов. Концепция рабочей памяти, используемая сторонниками этой теории, фокусировалась главным образом на краткосрочном удержании информации, и в меньшей степени – на манипулировании или мониторинге этой информации, или на использовании ее для принятия решений. В соответствии с идеей о том, что префронтальная кора функционирует преимущественно в режиме поддержания памяти, активность в период задержки в ПФ часто интерпретируется как мнемонический след. (Термин "активность в период задержки" относится к нейронной активности, которая следует за кратковременной подачей инструктивного сигнала и сохраняется до последующего сигнала "вперед" или "пуск"). Чтобы исследовать альтернативные интерпретации активности в период задержки в префронтальной коре, Лебедев и др. (2004) изучили частоту разрядов отдельных префронтальных нейронов у обезьян, когда они обращали внимание на стимул, обозначающий одно местоположение, одновременно запоминая другое, не обозначенное местоположение.

Производство речи и язык

Различные области префронтальной коры вовлечены в множество критически важных функций, связанных с продукцией речи, пониманием языка и планированием ответа перед высказыванием. В исследовании были рассмотрены, в частности: люди, злоупотребляющие материалами с откровенно сексуальным содержанием; совершившие суицид; заключенные; преступники; социопаты; лица, пострадавшие от отравления свинцом; и ежедневно употребляющие каннабис мужчины (в исследовании участвовали только 13 человек). Считается, что по крайней мере некоторые человеческие способности к чувству вины или раскаяния, а также к интерпретации реальности, зависят от нормально функционирующей префронтальной коры. Продвинутая нейронная организация и функция саморегуляции префронтальной коры человека также связаны с более высоким уровнем сознания у людей, поскольку префронтальная кора у человека занимает значительно больший процент мозга, чем у любого другого животного. Существует теория, что по мере увеличения мозга в три раза за пять миллионов лет человеческой эволюции, префронтальная кора увеличилась в шесть раз. Обзор исследований исполнительных функций у здоровых людей, занимающихся физическими упражнениями, показал, что левое и правое полушария префронтальной коры, разделенные медиальной продольной щелью, кажутся более взаимосвязанными в ответ на регулярные аэробные упражнения. Два обзора исследований структурной нейровизуализации указывают на то, что значительное улучшение объема серого вещества префронтальной коры и гиппокампа наблюдается у здоровых взрослых, которые в течение нескольких месяцев занимаются физическими упражнениями умеренной интенсивности. Функциональный обзор нейровизуализации практик, основанных на медитации, предполагает, что практика осознанности усиливает активацию префронтальной коры, что, как было отмечено, коррелирует с повышенным благополучием и снижением тревожности, хотя для более надежного подтверждения этой теории необходимы когортные исследования. Лечение противораковыми препаратами часто оказывает токсическое воздействие на клетки мозга, приводя к потере памяти и когнитивным нарушениям, которые могут сохраняться долго после прекращения лечения. Это состояние известно как "химический мозг". Для определения механизмов этого состояния мышам вводили химиотерапевтический препарат митомицин С. В префронтальной коре это лечение привело к увеличению окислительного повреждения ДНК в виде 8-оксо-дГ, снижению активности фермента OGG1, который обычно восстанавливает такие повреждения, и эпигенетическим изменениям. Хроническое употребление алкоголя приводит к стойким изменениям в функции мозга, включая нарушение способности принимать решения. Было показано, что префронтальная кора хронических алкоголиков уязвима к окислительному повреждению ДНК и гибели нейронов.

Various areas of the prefrontal cortex have been implicated in a multitude of critical functions regarding speech production, language comprehension, and response planning before speaking. those who excessively consume sexually explicit materials; suicides; those incarcerated; criminals; sociopaths; those affected by lead poisoning; and daily male cannabis users (only 13 people were tested). It is believed that at least some of the human abilities to feel guilt or remorse, and to interpret reality, are dependent on a well functioning prefrontal cortex. The advanced neurocircuitry and self regulatory function of the human prefrontal cortex is also associated with the higher sentience in humans, as the prefrontal cortex in humans occupies a far larger percentage of the brain than in any other animal. And it is theorized that, as the brain has tripled in size over five million years of human evolution, the prefrontal cortex has increased in size sixfold. A review on executive functions in healthy exercising individuals noted that the left and right halves of the prefrontal cortex, which is divided by the medial longitudinal fissure, appears to become more interconnected in response to consistent aerobic exercise. Two reviews of structural neuroimaging research indicate that marked improvements in prefrontal and hippocampal gray matter volume occur in healthy adults that engage in medium intensity exercise for several months. A functional neuroimaging review of meditation based practices suggested that practicing mindfulness enhances prefrontal activation, which was noted to be correlated with increased well being and reduced anxiety, although cohort studies are needed to better solidify this theory. Treatments with anti cancer drugs often are toxic to the cells of the brain, leading to memory loss and cognitive dysfunction that can persist long after the period of exposure. Such a condition is referred to as chemo brain. To determine the basis of this condition, mice were treated with the chemotherapeutic agent mitomycin C. In the prefrontal cortex, this treatment resulted in an increase of the oxidative DNA damage 8 oxodG, a decrease in the enzyme OGG1 that ordinarily repairs such damage, and epigenetic alterations. Chronic intake of alcohol leads to persistent alterations in brain function including altered decision making ability. The prefrontal cortex of chronic alcoholics has been shown to be vulnerable to oxidative DNA damage and neuronal cell death.

История

Возможно, ключевым случаем в изучении функций префронтальной коры является история Финеаса Гейджа, у которого в результате несчастного случая в 1848 году большой железный стержень пронзил голову, повредив левую лобную долю. Общепринятое представление заключается в том, что, несмотря на сохранность памяти, речи и двигательных навыков, его личность радикально изменилась: он стал раздражительным, вспыльчивым и нетерпеливым – черты, которых у него ранее не наблюдалось, – так что друзья говорили, что это "уже не Гейдж"; и если раньше он был способным и эффективным работником, то после травмы не мог доводить дела до конца. Однако тщательный анализ первоисточников показывает, что описания психологических изменений Гейджа часто преувеличены по сравнению с описанием, данным его врачом. Наиболее заметно, что изменения, описанные спустя годы после смерти Гейджа, гораздо более драматичны, чем те, о которых сообщалось при его жизни. Последующие исследования пациентов с повреждениями префронтальной коры показали, что они могли словесно описать наиболее подходящие социальные реакции в определенных ситуациях. Однако, действуя, они вместо этого стремились к немедленному удовлетворению, несмотря на понимание того, что в долгосрочной перспективе это приведет к негативным последствиям. Интерпретация этих данных указывает на то, что в префронтальной коре не только хранятся навыки сравнения и понимание будущих результатов, но и префронтальная кора (при нормальном функционировании) контролирует способность сознательно откладывать немедленное удовлетворение ради более значительной и долгосрочной выгоды. Эта способность ждать награды – один из ключевых элементов, определяющих оптимальную исполнительную функцию человеческого мозга. В настоящее время активно ведутся исследования, направленные на понимание роли префронтальной коры при неврологических расстройствах. Начаты клинические испытания некоторых препаратов, показавших способность улучшать функцию префронтальной коры, включая гуанфацин, который действует через альфа-2A адренергический рецептор. Нижестоящая мишень этого препарата, HCN-канал, является одной из последних областей исследований в фармакологии префронтальной коры.

Perhaps the seminal case in prefrontal cortex function is that of Phineas Gage, whose left frontal lobe was destroyed when a large iron rod was driven through his head in an 1848 accident. The standard presentation is that, although Gage retained normal memory, speech and motor skills, his personality changed radically: He became irritable, quick tempered, and impatient—characteristics he did not previously display — so that friends described him as "no longer Gage"; and, whereas he had previously been a capable and efficient worker, afterward he was unable to complete. However, careful analysis of primary evidence shows that descriptions of Gage's psychological changes are usually exaggerated when held against the description given by Gage's doctor, the most striking feature being that changes described years after Gage's death are far more dramatic than anything reported while he was alive. Subsequent studies on patients with prefrontal injuries have shown that the patients verbalized what the most appropriate social responses would be under certain circumstances. Yet, when actually performing, they instead pursued behavior aimed at immediate gratification, despite knowing the longer term results would be self defeating. The interpretation of this data indicates that not only are skills of comparison and understanding of eventual outcomes harbored in the prefrontal cortex but the prefrontal cortex (when functioning correctly) controls the mental option to delay immediate gratification for a better or more rewarding longer term gratification result. This ability to wait for a reward is one of the key pieces that define optimal executive function of the human brain. There is much current research devoted to understanding the role of the prefrontal cortex in neurological disorders. Clinical trials have begun on certain drugs that have been shown to improve prefrontal cortex function, including guanfacine, which acts through the alpha 2A adrenergic receptor. A downstream target of this drug, the HCN channel, is one of the most recent areas of exploration in prefrontal cortex pharmacology.

Этимология

Термин "префронтальный", используемый для обозначения части мозга, по-видимому, был введен Ричардом Оуэном в 1868 году. Для него префронтальная область ограничивалась самой передней частью лобной доли (примерно соответствующей лобному полюсу). Предполагается, что его выбор термина был основан на префронтальной кости, присутствующей у большинства амфибий и рептилий.