ScienceDaily (Nov. 29, 2011) — The more gray matter you have in the decision-making, thought-processing part of your brain, the better your ability to evaluate rewards and consequences. That may seem like an obvious conclusion, but a new study conducted at the U.S. Department of Energy’s Brookhaven National Laboratory is the first to show this link between structure and function in healthy people — and the impairment of both structure and function in people addicted to cocaine.<
"Aquest estudi documenta per primera vegada la importància de recompensar el processament de la integritat estructural de la matèria grisa a les parts de l'escorça prefrontal del cervell que estan implicades en la funció executiva d'ordre superior, inclòs l'autocontrol i la presa de decisions", va dir Muhammad Parvaz. un becari postdoctoral al Brookhaven Lab i un coautor principal del document.
“Previous studies conducted at Brookhaven and elsewhere have explored the structural integrity of the prefrontal cortex in drug addiction and the functional components of reward processing, but these studies were conducted separately,” Parvaz said. “We wanted to know whether the specific function of reward processing could be ‘mapped’ onto the underlying brain structure — whether and how these two are related,” he added.
Differences in gray matter volume — the amount of brain matter made up of nerve cell bodies, as opposed to the “white matter” axons that form the connections between cells — have been observed in a range of neuropsychiatric diseases when compared with healthy states, explained Anna Konova, the other co-lead author on the paper. “We wanted to know more about what these differences mean functionally in healthy individuals and in drug-addicted individuals,” she said.
To explore this structure-function relationship, the scientists performed magnetic resonance imaging (MRI) brain scans to measure brain volume in 17 healthy people and 22 cocaine users. The scans collect structural measurements for the entire brain, and can be analyzed voxel-by-voxel — the equivalent of three-dimensional pixels — to get detailed measurements for individual brain regions.
En un curt període de les exploracions de ressonància magnètica, els científics també van utilitzar elèctrodes col·locats al cuir cabellut dels subjectes d'investigació per mesurar un senyal elèctric particular conegut com a P300 (un potencial relacionat amb un esdeveniment derivat d'un electroencefalograma en curs, o EEG, que és el temps). bloquejat a un esdeveniment concret). Aquesta mesura específica pot indexar l'activitat cerebral relacionada amb el processament de la recompensa. Durant aquests enregistraments elèctrics, els subjectes van realitzar una tasca psicològica cronometrada (premer botons segons un conjunt de regles específics) amb la perspectiva d'obtenir diferents nivells de recompensa monetària, des de sense diners fins a 45 cèntims per cada resposta correcta amb una recompensa potencial total. de $50.
Estudis anteriors de l'equip d'investigació han demostrat que, en subjectes sans, el senyal P300 augmenta de magnitud amb la quantitat de recompensa monetària que s'ofereix. Els individus addictes a la cocaïna, però, no presenten aquesta resposta diferencial en la mesura P300 de l'activitat cerebral, tot i que ells, com els subjectes sans, valoren la tasca com a més interessant i emocionant quan la recompensa potencial és més gran.
L'estudi actual va ampliar aquests resultats vinculant-los per primera vegada amb les mesures estructurals.
The scientists used statistical methods to look for correlations between the difference in brain activity observed in the high-reward and no-reward conditions — how much the brain’s P300 response changed with increasing reward — and the gray matter volume in various parts of the brain as measured voxel-by-voxel in the MRI scans.
En els subjectes sans, la magnitud del canvi en el senyal P300 amb una recompensa creixent es va correlacionar més fortament amb el volum de matèria grisa en tres regions de l'escorça prefrontal.
"Com més gran sigui el volum de matèria grisa en aquestes regions particulars, més augmentarà l'activitat cerebral per obtenir la recompensa monetària més alta en comparació amb la condició de no recompensa", va dir Konova.
The cocaine-addicted individuals had reduced gray matter volume in these regions compared with the healthy subjects, and no detectable differences between the reward conditions in the P300 measure of brain activity. There were also no significant correlations between the former and latter — structure and function measures — in the cocaine-addicted subjects.
"Aquestes troballes suggereixen que el processament deteriorat de la recompensa es pot atribuir a dèficits en la integritat estructural del cervell, especialment a les regions corticals prefrontals implicades en la funció cognitiva i emocional d'ordre superior", va dir Parvaz. "Per tant, aquest estudi valida l'ús de les mesures estructurals obtingudes per ressonància magnètica com a indicador de dèficits funcionals".
The implications are important for understanding the potential loss of control and disadvantageous decision-making that can occur in people suffering from drug addiction, Konova explained: “These structure-function deficits may translate into dysfunctional behaviors in the real world. Specifically, impaired ability to compare rewards, and reduced gray matter in the prefrontal cortex, may culminate in the compromised ability to experience pleasure and to control behavior, especially in high-risk situations — for example, when craving or under stress — leading individuals to use drugs despite catastrophic consequences.”
Els autors reconeixen que encara hi ha preguntes sobre si aquests canvis en l'estructura i la funció cerebrals són una causa o una conseqüència de l'addicció. Però l'ús de tècniques d'imatge multimodal, tal com il·lustra aquest estudi, pot obrir noves maneres d'abordar aquestes i altres qüestions rellevants per entendre la motivació humana tant en estats de salut com de malaltia, amb especial rellevància per al tractament de la drogodependència.
This research was performed at Brookhaven Lab under the guidance of Rita Goldstein, Director of Brookhaven Lab’s Neuropsychoimaging Group and the corresponding author on the paper. Dardo Tomasi of the National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism, who runs Brookhaven’s MRI facility, and Nora Volkow, Director of the National Institute on Drug Abuse (NIDA), were co-authors. The research was funded by a grant to Goldstein from the National Institutes of Health and by the General Clinical Research Center of Stony Brook University.
;
