Úplné studium: Předvídání novinek rekrutuje systém odměn a hippocampus při podpoře vzpomínání
- Neuroimage. 2007 říjen 15; 38 (1-9): 194 – 202.
- dva: 10.1016 / j.neuroimage.2007.06.038
PMCID: PMC2706325
Bianca C. Wittmann, Nico Bunzeck,b Raymond J. Dolan,a a Emrah Düzelb,c,⁎
Tento článek byl citováno další články v PMC.
Abstraktní
Dopaminergní midbrain, který zahrnuje substantia nigra a ventrální tegmentální oblast (SN / VTA), hraje ústřední roli při zpracování odměn. Tato oblast je také aktivována novými podněty, což zvyšuje možnost, že novinka a odměna mají společné funkční vlastnosti. V současné době není jasné, zda funkční aspekty zpracování odměn v SN / VTA, konkrétně aktivace neočekávanými odměnami a narážkami, které předpovídají odměnu, také charakterizují zpracování novinek. Abychom tuto otázku vyřešili, provedli jsme experiment fMRI, během kterého subjekty prohlížely symbolické narážky, které předpovídaly nové nebo známé obrazy scén s 75% validitou. Ukazujeme, že SN / VTA byl aktivován narážkami na predikci nových obrazů, jakož i neočekávanými novými obrazy, které následovaly narážky na predikci známosti, což je „neočekávaná novinková“ odpověď. Hippocampus, oblast podílející se na detekci a kódování nových podnětů, vykazoval předvídavou novotovou odpověď, ale lišil se od reakčního profilu SN / VTA v reakci na výsledek na očekávanou a „neočekávanou“ novost. V behaviorálním rozšíření experimentu vzpomínka vzrostla v porovnání s familiárností, když se porovnalo zpožděné rozpoznávací paměť pro očekávané nové stimuly s neočekávanými novými stimuly. Tato data odhalují společné rysy v odpovědích SN / VTA na předvídání odměny a předvídání nových podnětů. Navrhujeme, aby tato předběžná odpověď kódovala motivační průzkumný novinový signál, který spolu s předvídavou aktivací hippocampu vede ke zvýšenému kódování nových událostí. Obecněji řečeno, data naznačují, že dopaminergní zpracování novosti může být důležité při řízení průzkumu nových prostředí.
Úvod
Záznamy s jedním neuronem u zvířat a nedávné studie funkčního zobrazování magnetickou rezonancí (fMRI) u lidí poskytují konvergentní důkaz, že oblast midbrainů SN / VTA je aktivována nejen odměnou (Schultz, 1998), ale také novými podněty i v případě, že nedošlo k posílení (Schultz a kol., 1997; Schott a kol., 2004; Bunzeck a Duzel, 2006). Aktivace SN / VTA novinkou zvyšuje možnost, že novinka by mohla mít vlastní odměňující vlastnosti. Pokud ano, vlastnosti zpracování odměn, jako je časový posun odpovědí v kondici, by měly platit i pro zpracování novosti. V paradigmatech předvídání odměny kóduje dopaminergní neurony predikci odměny, když se naučila kontingence mezi prediktivním stimulem a následným doručením odměny. Tyto neurony konkrétně reagují na první spolehlivý prediktor odměny, ale již na obdržení odměny (Ljungberg a kol., 1992; Schultz a kol., 1992, 1997; Schultz, 1998). Není jasné, zda zpracování novinek v SN / VTA také ukazuje tyto vlastnosti související s odměnami.
Hippocampus je rozhodující při vytváření epizodických dlouhodobých vzpomínek na nové události (Vargha-Khadem a kol., 1997; Duzel a kol., 2001) a předpokládá se, že poskytuje hlavní vstup pro novinový signál v SN / VTA (Lisman a Grace, 2005). Dopamin uvolněný neurony SN / VTA je zase rozhodující pro stabilizaci a udržení dlouhodobé potenciace (LTP) a dlouhodobé deprese (LTD) v hippocampální oblasti CA1 (Frey a kol., 1990, 1991; Huang a Kandel, 1995; Sajikumar a Frey, 2004; Citron a Manahan-Vaughan, 2006; pro přehled viz Jay, 2003). Data fMRI ukázala, že kloubní aktivace SN / VTA a hipokampu je spojena s úspěšnou tvorbou dlouhodobé paměti (Schott a kol., 2006) a zlepšení související s odměnami v novém kódování stimulů (Wittmann a kol., 2005; Adcock a kol., 2006). Ve světle těchto konvergujících důkazů nedávné modely tvorby paměti závislé na hippocampu zdůrazňují funkční vztah mezi detekcí novosti v hippocampu a zvýšením plasticity hippocampu dopaminergní modulací vyvolanou novinkou vyplývající z SN / VTA (Lisman a Grace, 2005). Proto otázka, zda je SN / VTA aktivována předvídáním novosti, překračuje koncepční chápání vztahu mezi novinkou a odměnou, aby bylo možné přijmout mechanismy hippocampální plasticity. Kromě toho bylo nedávno navrženo, že pochopení vztahu mezi novinkou a zpracováním odměn v SN / VTA by mohlo odhalit vazby mezi motivací, hledáním novosti a průzkumem (Bunzeck a Duzel, 2006; Knutson a Cooper, 2005).
Zkoumali jsme předvídavé reakce na nové a známé podněty v paradigmatu fMRI modelovaném na základě postupů předvídání odměn (Obr. 1). Barevné čtverečky sloužily jako narážky, které předpovídaly následné představení románu nebo dříve seznámených obrazů scén. Subjekty byly instruovány, aby se účastnily každého tága a pak co nejrychleji a nejpřesněji naznačily, zda byl následující obraz známý nebo nový. Protože experiment fMRI vyžadoval velký počet pokusů, provedli jsme také čistě behaviorální verzi, ve které byla čísla pokusů optimálnější k posouzení toho, jak byl výkon epizodické paměti ovlivněn očekáváním novosti pomocí paradigmatu „pamat / vědět“ (Tulving, 1985).
Experimentální postupy
Předměty
Experimentu se zúčastnilo 24.5 zdravých dospělých (průměrný věk [± SD] 4.0 ± 7 roku, všichni praváci, XNUMX mužů). Všichni účastníci dali písemný informovaný souhlas s účastí a studie byla v souladu s pokyny etické komise Lékařské fakulty Univerzity v Magdeburgu.
Experimentální paradigma
Použili jsme 245 fotografií krajiny ve stupních šedi s normalizovanou jasností. Účastníci obdrželi písemné pokyny včetně výtisků pěti obrázků, které byly vybrány pro seznámení. Před vstupem do skeneru byl každý z těchto obrázků zobrazen osmkrát na obrazovce počítače v náhodném pořadí (doba trvání: 1500 1200 ms, ISI: 12 5.7 ms), zatímco účastníci byli instruováni, aby pozorně sledovali. Ve skeneru byly shromážděny anatomické i funkční obrazy. Účastníci se účastnili 40 sezení o délce 4.5 minut, z nichž každá obsahovala 12 pokusů o délce 1500–75 s. Během každého pokusu účastníci uviděli žlutý nebo modrý čtverec (XNUMX XNUMX ms), který s přesností XNUMX% indikoval, zda bude následující obrázek známý nebo nový (viz Obr. 1A za úkol a pokyny). Po proměnlivém zpoždění (0–4.5 s) se v 75% pokusů zobrazil obrázek z předpovězené kategorie a v 25 se objevil obrázek z nepředvídané kategorie, nový po známce známosti a známý po známce novosti % pokusů (1500 1.5 ms). Obě kategorie se zobrazovaly stejně často. Účastníci rychlým stisknutím tlačítka (pravý nebo levý ukazováček nebo prostředníček) označili, zda obrázek pochází ze známé kategorie, či nikoli. Následovala fixační fáze s proměnlivým trváním (4.5–XNUMX s). Cue barvy spojené s každou kategorií obrázků byly vyváženy mezi účastníky, stejně jako reagující ruka a přiřazení prstů ke kategoriím.
Postupy fMRI
Získali jsme 226 echo-planárních obrazů (EPI) za relaci na 3 T skeneru (Siemens Magnetom Trio, Erlangen, Německo) s TR 1.5 s a TE 30 ms. Snímky sestávaly z 24 řezů podél podélné osy středního mozku (matice 64 × 64; zorné pole: 19.2 cm; velikost voxelů: 3 × 3 × 3 mm) shromážděných v prokládané sekvenci. Tento částečný objem pokrýval hipokampus, amygdalu, mozkový kmen (včetně diencephalonu, mesencephalonu, ponsu a medulla oblongata) a části prefrontální kůry. Hluk skeneru byl snížen ucpávkami do uší a pohyby hlavy subjektů byly minimalizovány pomocí pěnových polštářků. Sekvence stimulace a načasování byly optimalizovány pro účinnost týkající se spolehlivého oddělení hemodynamických reakcí souvisejících s narážkou a výsledkem (Hinrichs a kol., 2000). Pro každý subjekt byla získána EPI sekvence s inverzní obnovou (IREPI) pro zlepšení normalizace. Parametry skenování byly stejné jako pro EPI sekvenci, ale s plným pokrytím mozkem.
Předběžné zpracování a analýza dat byly provedeny pomocí softwaru Statistické parametrické mapování implementovaného v Matlabu (SPM2; Wellcome Trust Center for Neuroimaging, Neurologický ústav, Londýn, Velká Británie). Obrázky EPI byly opraveny na časování a pohyb řezu a poté prostorově normalizovány podle šablony Montrealského neurologického institutu pokřivením anatomické IREPI subjektu na šablonu SPM a použitím těchto parametrů na funkční obrázky a jejich transformací na voxely o velikosti 2 × 2 × 2 mm. Poté byly vyhlazeny pomocí 4 mm Gaussova jádra.
Pro statistickou analýzu byla data měřítka voxel-by-voxel na jejich globální průměr a horní propust byla filtrována. Zkušební aktivita u každého subjektu byla hodnocena převrácením vektoru zkušebních nástupů s funkcí kanonické hemodynamické odezvy a jejích časových derivátů (Friston a kol., 1998). Obecný lineární model (GLM) byl specifikován pro každého účastníka k modelování účinků zájmu pomocí dvou nástupů na pokus, jeden pro nástup cue a druhý pro nástup výsledku (covariates byly: novinka, povědomí, očekávaný / neočekávaný nový výsledek, očekávaný / neočekávaný známý výsledek) a šest covariatů bez zájmu zachycujících zbytkové artefakty související s pohybem. Byly analyzovány následující kontrasty: nové versus známé narážky, nové vs. známé výsledky, neočekávané vs. očekávané výsledky, neočekávané vs. očekávané nové výsledky a neočekávané vs. očekávané známé výsledky. Po vytvoření statistických parametrických map pro každého účastníka použitím lineárních kontrastů na odhady parametrů byla provedena analýza náhodných efektů druhé úrovně pro vyhodnocení skupinových efektů. Vzhledem k naší a priori hypotéze aktivace odměnového a hipokampálního systému byly účinky testovány na významnost v jednom vzorku t- zkoušky na prahu p <0.005, neopraveno a minimální velikost clusteru je k = 5 voxelů, pokud není uvedeno jinak. Poté byla provedena sférická korekce malého objemu vycentrovaná na špičkové voxely s použitím průměrů odpovídajících velikosti struktur [7.5 mm pro aktivace v předním hipokampu (viz Lupien a kol., 2007) a 4.5 mm pro aktivace v substantia nigra (viz Geng a kol., 2006)]. Byly extrahovány hodnoty beta vrcholových voxelů u substantia nigra a hippocampu a korigovány s hodnotou HRF pro obecnou úroveň aktivace ve studii, čímž bylo získáno procento změny signálu. Všechny průměrné hodnoty chování jsou uvedeny jako střední hodnoty ± standardní chyba průměru (SEM).
Pro lokalizaci aktivity midbrain byly aktivační mapy superponovány na střední obraz 33 prostorově normalizovaných magnetizačních přenosů (MT) obrazů získaných dříve (Bunzeck a Duzel, 2006). Na obrázcích MT lze substantia nigra snadno odlišit od okolních struktur (Eckert a kol., 2004). Aby se napomohlo lokalizaci aktivací, byly vrcholové voxely každého kontrastu přeneseny do Talairachova prostoru (Talairach a Tournoux, 1988) pomocí funkce Matlab mni2tal.m (Matthew Brett, 1999) a přiřazeno k anatomickým oblastem pomocí softwaru Talairach Daemon Client (Lancaster a kol., 2000; Verze 1.1, Research Imaging Center, University of Texas Health Science Center v San Antoniu). Všechny stereotaxické souřadnice jsou proto uvedeny v Talairachově prostoru.
Samostatné vyhodnocení paměti
V oddělené návazné studii chování motivované nálezy fMRI účastníci 12 (muž 2) dokončili stejné postupy seznamování a předvídání novinek, jaké byly implementovány pro experiment fMRI. Behaviorální experiment byl oddělen od experimentu fMRI, protože trvání a počet podnětů v fMRI byly optimalizovány pro zlepšení kvality signálu, ale příliš rozsáhlé, aby umožnily udržet výkon paměti nad náhodou. Proto, aby se usnadnilo zapamatování v behaviorálním experimentu, počet pokusů obsahujících očekávané nové obrázky byl snížen na 120, počet neočekávaných nových snímků na 40. Jeden den po studijním zasedání účastníci dokončili test paměti obsahující všechny nové obrázky 160 z fáze studie (nyní „staré“ obrázky) a nové obrázky 80 z nových distraktorů, které účastníci dříve neviděli (Obr. 1B). V této části studie učinili účastníci dvě po sobě jdoucí rozhodnutí pro každý obrázek, přičemž obě byla doplněna textem pod obrázkem. Prvním rozhodnutím bylo učinit „starý / nový“ úsudek, druhým rozhodnutím bylo „zapamatovat / znát / odhadnout“ (po „staré“ odpovědi) nebo „jistě / uhodnout“ (po „nové“ odpovědi) rozsudek. Načasování probíhalo samostatně, s časovým limitem pro rozhodnutí 3 s, respektive 2.5 s, následovaným 1 s fixační fází před prezentací dalšího obrázku.
výsledky
Výsledky chování
Pro fázi studie 2 × 2 × 2 ANOVA na reakční časy účastníků při správných studiích s kategorií faktorů (nové / známé), očekávané (očekávané / neočekávané) a skupiny (skenovaná skupina / skupina paměti) vykázaly hlavní účinky kategorie a očekávání obrázků a interakce mezi efektem skupiny a kategorií obrázků (viz Tabulka 1 pro reakční doby; efekt kategorie: F[1,25] = 31.57, p <0.001; efekt očekávání: F[1,25] = 8.47, p <0.01; interakční efekt: F[1,25] = 5.49, p <0.05). Post hoc spárován t- testy potvrdily, že reakční doba jak očekávaných známých obrázků, tak očekávaných nových snímků byla výrazně kratší než u odpovídajících neočekávaných obrázků (p <0.01 a p <0.05). Reakční doby u očekávaných i neočekávaných známých snímků byly významně kratší než u odpovídajících nových snímků (p <0.001 a p = 0.001). Efekt interakce nevyplýval z významného efektu kategorie pouze u jedné skupiny účastníků, jako t- testy pro srovnání reakčních časů s novými a známými obrázky byly významné pro obě skupiny (p <0.05 pro skenovanou skupinu a p <0.001 pro skupinu paměti). Tyto výsledky potvrzují, že účastníci věnovali pozornost vodítkům a používali je k získání behaviorální výhody pro diskriminaci nových a známých obrázků. Míra správné odpovědi se nelišila mezi kategoriemi ani mezi skupinami (průměr pro očekávané nové snímky: 95.1% ± 3.7%, pro neočekávané nové snímky: 94.1 ± 3.6%, pro očekávané známé snímky: 93.8% ± 3.9% a pro neočekávané známé snímky : 93.4% ± 3.5%).
Potom jsme analyzovali výsledky z testu paměti, který byl proveden 1 den po fázi studie ve sledování chování. Obousměrná ANOVA s pamětí faktorů (korigovaná míra paměti / známosti) a očekávání novosti (očekávaná / neočekávaná) ukázala interakční efekt (F[1,11] = 5.66, p <0.05). Post hoc spárován t-test odhalil významně vyšší rozdíl mezi opravenými hodnotami zapamatování / znalostí u očekávaných (8.9 ± 5%) než neočekávaných (0.9 ± 4%) nových obrázků (p <0.05; míry odezvy viz Tabulka 2). Další post hoc párování t-testy potvrdily, že ani korigovaná míra pamatování vs. korigovaná míra znalostí, ani očekávaná vs. neočekávaná nebyla významně odlišná. Podíl odhadovaných odpovědí se mezi kategoriemi nelišil (11.1 ± 2.3% pro očekávané a 12.3 ± 2.4% pro neočekávané obrázky).
Analyzovali jsme také příspěvky vzpomínky a důvěrnosti za předpokladu nezávislosti na základě široce přijímaného modelu (Yonelinas a kol., 1996), podle kterého vzpomínka představuje prahový proces závislý na hippocampu, zatímco známost představuje proces detekce signálu, který lze podpořit v nepřítomnosti neporušeného hippocampu. Vzpomínka byla odhadnuta odečtením míry zapomenutých falešných poplachů (RFA) od míry zapamatování. Známost byla odhadnuta nejprve vypočítáním odpovědí na známost (FR, viz rovnice níže) a poté získáním odpovídající hodnoty d-prvočísla.
Aby bylo možné porovnat odhady vzpomínek (RE), které jsou poměry odpovědí v procentech, a odhady známosti (FE), které jsou d„hodnoty, obě opatření byla transformována do z- před statistickými analýzami. Obousměrná ANOVA s pamětí faktorů (odhad vzpomínky / odhad známosti) a očekávání novosti (očekávané / neočekávané) potvrdily interakční účinek získaný v ANOVA na míru odezvy (F[1,11] = 5.78, p <0.05).
fMRI výsledky
Narážky vedoucí k předvídání nových snímků, na rozdíl od předvídání známých obrázků, vedly k výrazně vyšší aktivitě v oblastech mozku, které tvoří dopaminergní systém (levý striatum; pravý midbrain, s největší pravděpodobností SN; Obr. 2A, B; Tabulka 3), oblasti dříve spojené s očekáváním odměn (Knutson a kol., 2001a, b; O'Doherty a kol., 2002; pro přehled viz Knutson a Cooper, 2005). Pro kontrast výsledku neočekávané vs. očekávané nové výstupy také aktivovaly správnou SN / VTA (Obr. 4A, B; Tabulka 4). Tento aktivační vzorec se podobá aktivačnímu vzoru pozorovanému u dopaminergních midbrainů s paradigmaty odměny, kde dopaminergní neurony hlásí chybu predikce v odměně (Schultz a kol., 1997). Naproti tomu aktivita v reakci na narážky na známost a neočekávané vs. očekávané známé obrázky tento vzor neprokázala. Tyto výsledky tedy ukazují paralely mezi zpracováním novosti a odměnou v SN / VTA.
V hippocampu byly jak očekávání novosti, tak nové výsledky spojeny se zvýšenou bilaterální aktivitou ve srovnání s očekáváním a výsledkem známých podnětů (Obr. 2C, D a 3; Tabulka 3). Pravý hippocampus byl také aktivnější pro neočekávané nové obrázky než pro očekávané nové obrázky (Obr. 4C, D; Tabulka 4). Kromě toho levý hipokampus (souřadnice Talairach: - 36, - 14, - 14) vykazoval vyšší aktivitu pro prezentaci všech neočekávaných obrázků v kontrastu se všemi očekávanými obrázky, což je v souladu s hipokampálním zpracováním kontextové novinky (Ranganath a Rainer, 2003; Bunzeck a Duzel, 2006).
Ve startovací fázi byla významná pozitivní korelace mezi aktivací pravé SN / VTA a aktivitou pravého hipokampu, jak bylo testováno s použitím průměrné procentní změny signálu v reakci na podněty novinky ve špičkových voxelech kontrastu „očekávání novinky oproti známosti“ oproti účastníkům ( Pearsonova r = 0.48, p <0.05 jednostranný; Obr. 5). Naše data tedy naznačují funkční interakci stejně jako funkční disociace mezi SN / VTA a hippocampem při zpracování novosti.
Diskuse
Behaviorálně byla platnost narážky spojena s významným účinkem na reakční časy subjektů během diskriminace nových a známých podnětů, což ukazuje, že subjekty předpovědi předpovídající nové nebo známé události zpracovávaly. Analýza fMRI odhalila, že podněty předpovídající nové obrazy vyvolávaly významně vyšší aktivaci SN / VTA než podněty předpovídající známé podněty (Obr. 2A, B; Tabulka 3). Tento model aktivace SN / VTA v reakci na novinky se podobá vzoru nalezenému v paradigmatech odměňování, kde je vidět reakce na nejbližšího prediktora odměny (Knutson a kol., 2001a; Wittmann a kol., 2005). Další vlastnost zpracování odměn v SN / VTA, konkrétně zvýšená aktivita pro neočekávané ve srovnání s očekávanými odměnami (Schultz, 1998), byla také paralelizována reakcemi SN / VTA na novost. Aktivace SN / VTA byla silnější v reakci na neočekávanou prezentaci ve srovnání s očekávanou prezentací nových položek (Obr. 4A, B; Tabulka 4). Je třeba si uvědomit, že je nepravděpodobné, že by předběžná aktivace SN / VTA odrážela kontaminaci hemodynamického signálu indukovaného následnými novými stimuly, protože nedošlo k aktivaci SN / VTA pomocí předvídaných nových podnětů nebo narážek známosti, což prokazuje účinnost protokolu jittering.
Naše zjištění naznačují, že podobnost mezi novinkou a odměnou přesahuje jejich společný vliv na SN / VTA-hippocampální obvody a zvyšuje možnost, že novinka samotná je zpracována jako odměna. To je slučitelné s řadou pozorování z výzkumu na zvířatech, včetně údajů prokazujících snížené samopodávání amfetaminu během zkoumání nových předmětů (Klebaur a kol., 2001), vývoj preference místa pro prostředí obsahující nové podněty (Bevins a Bardo, 1999) a kondicionování k novosti (Reed a kol., 1996). Tento vztah mezi novinkou a odměnou však nemá vliv na závěry odvozené z tradičních protokolů o posílení, které účinně pracují se známými podněty. To hovoří o skutečnosti, že v mnoha situacích je pro agenta jasně výhodné vytvořit sdružení odměn k vysoce známým věcem. Naše data přesto podporují myšlenku, že vnitřní vlastnosti odměny nových podnětů mohou být základem průzkumného chování, které je obvykle pozorováno v nových kontextech a položkách (Ennaceur and Delacour, 1988; Stansfield a Kirstein, 2006). Další vlastností neuronálního kódování výsledku odměny SN / VTA je adaptivní kódování (Tobler a kol., 2005), která se vyznačuje odlišnou úrovní reakce na stejnou očekávanou hodnotu odměny v závislosti na alternativních odměnách dostupných v každém kontextu. Odměny střední hodnoty vedou k vyšší dopaminergní reakci, pokud jsou prezentovány v souvislosti s odměnami s nízkou hodnotou než v souvislosti s odměnami s vysokou hodnotou. Tato vlastnost zpracování odměn SN / VTA dosud nebyla replikována pro novost u lidí. Skutečně existují důkazy, že na rozdíl od odměny nemusí být novinka v lidském SN / VTA adaptivně kódována (Bunzeck a Duzel, 2006), což naznačuje funkční rozdíly mezi novinkou a odměnou, které vyžadují další šetření.
Vzorek aktivity související s podnětem během zpracování novosti v hippocampu se lišil od vzorce pozorovaného v SN / VTA. Na rozdíl od SN / VTA, hippocampus vykazoval vyšší aktivitu pro samotné očekávané nové podněty (Obr. 3). Kromě toho byl hippocampus aktivován také kontextovou novinkou (Lisman a Grace, 2005) nezávisle na novosti podnětu, která je patrná v reakci na nepředvídanou prezentaci známých obrázků. To potvrzuje předchozí data (Bunzeck a Duzel, 2006), včetně zjištění naznačujících citlivost této struktury na nesoulady v naučených sekvencích (Kumaran a Maguire, 2006). Aktivace hippocampu novými stimuly per se je dobře kompatibilní s tzv. Modelem VTA-hippocampální smyčky, podle kterého hippocampální novinkové signály k SN / VTA jsou výsledkem intrahippocampálního srovnání stimulačních informací s uloženými asociacemi (Lisman a Grace, 2005). Aktivace hipokampu v reakci na narážky na predikci novosti (Obr. 2C, D; Tabulka 3) na druhé straně nelze tímto modelem vysvětlit. Doporučujeme, aby dopaminergní predikční signál indukoval hipokampální aktivaci prostřednictvím dopaminergního vstupu do CA1 (Jay, 2003), interpretace slučitelná s významnou korelací mezi aktivitou související s narážkou v SN / VTA a hippocampem zjištěnou v této studii.
Předchozí výsledky ukazují, že několik oblastí mozku mimo mezolimbický systém vykazuje rozdílné předvídavé reakce v paradigmatech odměňování. Nedávným příkladem je demonstrace takových odpovědí v primární vizuální kůře V1 (Shuler and Bear, 2006). Předpokládá se, že tyto reakce jsou řízeny dopaminergní modulací. Podobný mechanismus by mohl platit pro zpracování novinek. Bez ohledu na to, zda dopaminergní midbrain řídí hippocampus nebo naopak, může být koaktivace hippocampu a SN / VTA spojena se zvýšeným dopaminergním vstupem do hippocampu během očekávání. To by zase mohlo vyvolat stav, který zlepšuje učení pro nadcházející nové podněty, model, který je výpočetně proveditelný (Blumenfeld a kol., 2006).
Kromě zpracování SN / VTA-hippocampu v předvídání novosti existovaly také další mozkové oblasti vykazující aktivitu v reakci na narážky na novinky, zejména oblasti v čelní kůře dříve spojené se zpracováním novinek (Daffner a kol., 2000; Tabulka 3) a regiony parahippocampální kůry (Duzel a kol., 2003; Ranganath a Rainer, 2003). Protože se naše hypotézy zaměřovaly na zpracování SN / VTA a hipokampu, bližší zkoumání těchto výsledků je mimo rozsah této studie. Budoucí výzkum sítě frontoparietální novosti a jejích interakcí s SN / VTA a hippocampem by výrazně přispěl k rostoucímu porozumění zpracování novinek.
V souladu s myšlenkou, že předběžná aktivace hippocampu během předvídání usnadňuje učení, naše behaviorální data ukazují, že očekávané nové obrázky vyvolaly vyšší rozdíl v zapamatování / poznání odpovědi než neočekávané nové obrázky, když byla paměť testována 1 o den později. Vzpomínková odpověď vyžaduje vzpomínku na kontext z epizody studie, a proto odráží epizodickou paměť na rozdíl od neenpisodického aspektu rozpoznávací paměti založené na důvěrnosti (Tulving, 1985; Duzel a kol., 2001; Yonelinas a kol., 2002). Hippocampus byl v předchozích studiích spojen s úspěšnou tvorbou epizodické paměti Brewer a kol., 1998; Wittmann a kol., 2005; Daselaar a kol., 2006) a bylo zjištěno, že léze hippocampu primárně narušují pamětovou složku rozpoznávání (Duzel a kol., 2001; Aggleton a Brown, 2006). Nedávno jsme uvedli, že paměť pro stimuly předpovídající odměnu byla také spojena s vyšším poměrem pamětí a znalostí ve srovnání se stimuly, které předpovídaly nepřítomnost odměny (Wittmann a kol., 2005) a toto zlepšení paměti bylo spojeno se zvýšenou aktivací SN / VTA a hippocampu v reakci na stimuly předpovídající odměnu v době kódování. Naše současné výsledky rozšiřují tato zjištění o začlenění SN / VTA-indukovaného zvýšení hippocampální plasticity, které je stanoveno nejčasnějším prediktorem novosti. Je zajímavé, že nedávné elektrofyziologické údaje ze záznamů na hlavě zdůrazňují vztah mezi mozkovou aktivitou krátce před nástupem nového stimulu a epizodickou pamětí pro tento stimul (Otten a kol., 2006). Naše data naznačují, že předvídání novosti by mohlo být jedním z mechanismů, prostřednictvím kterých by aktivita stimulu mohla modulovat stimulační kódování. Naše zjištění také rozšiřují nedávná data fMRI, kde bylo zjištěno, že očekávání odměny a očekávání emočního podnětu zlepšují paměť (Adcock a kol., 2006; Mackiewicz a kol., 2006).
Funkční a anatomické překrývání odměny a zpracování novinek v SN / VTA může dobře posloužit k posílení průzkumného chování, umožňující zvířatům najít nové potravinové zdroje a kódovat jejich umístění, čímž se zvyšuje přežití. Zajímavou cestou pro budoucí výzkum bude určení vztahu mezi předvídáním novosti a osobností, která hledá novost. U lidí je zvýšené hledání novinek spojeno s hazardem a závislostí (Spinella, 2003; Hiroi a Agatsuma, 2005) zvýšení možnosti kompromisu mezi příznivými účinky předvídání novosti v paměti a nepříznivými účinky ve vztahu k závislosti. Lepší porozumění vztahu mezi předvídáním novosti, formováním paměti a hledáním novosti by také mohlo poskytnout informace o výzkumu specifických deficitů paměti zjištěných při dopaminergní dysfunkci, jako je Parkinsonova choroba a schizofrenie.
Ve studiích o odměňování za použití jednobuněčných zvířat na zvířatech bylo pozorování, že SN / VTA reaguje na predikci odměny i na neočekávanou odměnu, inspirováno modely „dočasného rozdílu“ (TD) zpracování odměn (Schultz, 1998, 2002). Je třeba poznamenat, že v naší studii byly aktivace fMRI pro předvídání novosti a nečekané novosti umístěny v mírně odlišných částech v SN / VTA. To zvyšuje možnost, že mohou existovat rozdíly v regionální odezvě mezi predikcí odměny a neočekávanými odměnami také u zvířat, a že studie jedno-neuronů o předvídání novosti a neočekávané novosti mohou také ukázat, že odpovídající neuronální odpovědi jsou umístěny v různých částech SN / VTA. Výzva je zde skutečnost, že nemůžeme vyloučit možnost, že v naší studii reagovala na neočekávanou novost stejná populace neuronů, která reagovala na predikci novosti.
Souhrnně lze říci, že naše data fMRI naznačují, že hippocampální formace a SN / VTA slouží při predikci a zpracování novinek částečně odlišným funkcím. SN / VTA zpracovává předvídatelnost a hippocampus očekávanou a skutečnou přítomnost novosti v daném kontextu. Spolu s našimi behaviorálními údaji naše zjištění naznačují, že koaktivace SN / VTA a hippocampu s nejranějším prediktorem novosti ve fázi premimulu vede ke zvýšené tvorbě paměti pro nadcházející nový stimul. Tato zjištění poskytují důkazy o těsném vztahu mezi zpracováním odměny a novinkou stimulů a rozšiřují nedávné modely dopaminergicko-hippocampální interakce. Zdůrazňují důležitost doby předimulus pro epizodické kódování. Účinky novosti na kódování proto mohou záviset na vyvolání předvídavého stavu v systému střední časové paměti, zprostředkovaném modulačními vlivy z dopaminergních oblastí středních mozků. Data fMRI však neposkytují přímý důkaz o zapojení specifických neurotransmiterových systémů. Bez ohledu na to je fMRI cenným nástrojem pro vyšetřování aktivity související s událostmi v SN / VTA u lidí. Integrace molekulárně genetických přístupů do neuroimagingu (Schott a kol., 2006) a farmakologický fMRI může pomoci dále objasnit roli neuromodulačních vysílacích systémů při zpracování novosti u člověka a vztah mezi odpověďmi SN / VTA a dopaminergní neurotransmise.
Poděkování
Tato práce byla podporována granty od Deutsche Forschungsgemeinschaft (KFO [Cognitive Control of Memory, TP3]). Děkujeme Michaelu Scholzovi za pomoc s návrhem fMRI, Kolji Schiltzovi za pomoc s analýzou fMRI a Kerstinovi Möhringovi, Iloně Wiedenhöftové a Clausovi Tempelmannovi za pomoc se skenováním fMRI.
Reference
;