La maduración frontostriatal predice la falla del control cognitivo a las señales apetitivas en adolescentes (2011)

Tarea Experimental

Los participantes completaron una tarea de go-nogo (Hare, et al., 2005; Hare, et al., 2008) Con expresiones faciales temerosas, felices y tranquilas que sirven de estímulo. El informe actual se centra en las condiciones de calma y felicidad y omite la condición de miedo de los análisis de grupo, que fue el foco de un informe anterior (Hare et al., 2008). Dentro de una sola ejecución de resonancia magnética funcional, se presentaron dos tipos de expresión, uno como un estímulo `` pasar '' (es decir, objetivo) al que se les indicó a los participantes que presionasen un botón, y la otra expresión sirvió como un estímulo `` nogo '' (es decir, no objetivo) para lo cual los participantes deben retener la presión de un botón. Todas las combinaciones de expresiones se utilizaron como objetivos y no objetivos, lo que resultó en un diseño factorial de 2 (respuesta: adelante, no) por 3 (emoción: miedo, calma, felicidad). Antes del inicio de cada ejecución, apareció una pantalla que indicaba qué expresión servía como estímulo objetivo, instruyendo a los participantes a responder a esa expresión y ninguna otra expresión. También se indicó a los participantes que respondieran lo más rápido posible, pero que trataran de evitar cometer errores.

Estímulos y aparatos

Los estímulos consistían en caras felices, temerosas y tranquilas de identidades únicas del conjunto de expresiones faciales de NimStim (Tottenham, et al., 2009). Se usaron rostros tranquilos (versiones levemente agradables de rostros neutrales) porque el trabajo previo ha indicado que los rostros neutrales pueden interpretarse como negativos en las poblaciones de desarrollo (Gross y Ballif, 1991; Herba y Phillips, 2004; Thomas, et al., 2001). La tarea se presentó utilizando el software EPrime, visible por los sujetos en un panel de pantalla de cristal líquido (LCD) integrado con el sistema IFIS-SA (fMRI Devices Corporation, Waukesha, WI). El software EPrime, integrado con el sistema IFIS, registra las respuestas de los botones y los tiempos de reacción.

Parámetros de tarea

Los datos se adquirieron en seis series funcionales que representan cada combinación de emoción (felicidad, calma, miedo) y respuesta (ir, nogo; Figura 1 y XNUMX) utilizando un diseño rápido relacionado con el evento. Para cada prueba, apareció una cara durante milisegundos de 500 seguida de un intervalo intertrial fluctuante que iba de 2 a 14.5 segundos de duración (media de 5.2 segundos) durante el cual los participantes descansaron mientras veían una retícula de fijación. Se presentaron un total de ensayos 48 por ejecución en orden pseudoaleatorizado (36 go, 12 nogo). En total, se adquirieron 24 nogo trial y 72 go trial para cada tipo de expresión.

Figura 1 y XNUMX

Esquema de cuatro ensayos dentro de una ejecución de fMRI. En este ejemplo, los rostros tranquilos son el estímulo objetivo, por lo que los participantes deben "ir" presionando un botón. Las caras felices son el estímulo no objetivo ('nogo'), al que los participantes deben retener presionar un botón. ...

Adquisición de imágen

Los participantes fueron escaneados con un escáner General Electric Signa 3.0T fMRI (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI) con una bobina de cabeza en cuadratura. Una alta resolución, T1 ponderó la secuencia del gradiente dañada del escaneo anatómico ([SPGR] 256 x 256 resolución en el plano, 240-mm campo de visión [FOV], 124 x 1.5-mm cortes axiales), o una magnetización 3D preparada adquisición rápida se adquirió una secuencia de eco de gradiente ([MPRAGE] 256 × 256 en el plano de resolución, 240-mm FOV; 124 × 1.5-mm sagital rebanadas) para cada sujeto para la transformación y localización de datos en el espacio de cuadrícula de Talairach. Una secuencia de entrada y salida en espiral (Glover y Thomason, 2004) se usó para adquirir datos funcionales (tiempo de repetición = 2500ms, tiempo de eco = 30, FOV = 200 mm, ángulo de giro = 90, omitir 0, 64 × matriz 64). Se obtuvieron treinta y cuatro cortes coronales de 4-mm de grosor por TR y una resolución de 3.125 x 3.125 mm que cubre todo el cerebro, excepto la porción posterior del lóbulo occipital.

Análisis de datos de comportamiento.

Los datos de comportamiento se analizaron para determinar la precisión mediante el cálculo de aciertos (respuesta correcta), fallas (falta de respuesta incorrecta), rechazo correcto (retención correcta de la respuesta) y tasas de alarma falsa (respuesta incorrecta) para condiciones felices y tranquilas. Para fines de análisis, los participantes se agruparon en subgrupos de niños (edad 6 – 12), adolescentes (edad 13 – 17) y adultos (años 18 o mayores).

Análisis de los datos fMRI

El análisis de datos FMRI se realizó en el software de Análisis de neuroimágenes funcionales (AFNI) (Cox, 1996). Los datos funcionales se corrigieron en el tiempo de corte, se realinearon dentro y entre carreras para corregir el movimiento de la cabeza, se registraron conjuntamente con el escaneo anatómico de alta resolución de cada participante, se escalaron a unidades de cambio de señal porcentual y se suavizaron con un ancho completo de 6 mm a la mitad del máximo (FWHM ) Núcleo gaussiano.

Para cada participante, se realizó un análisis de modelo lineal general para caracterizar los efectos de la tarea incorporando regresores de interés de la tarea (calm-go, calm-nogo, happy-go, happy-nogo, fear-go, fear-nogo, errores) con los que se resolvieron. una función de respuesta hemodinámica con variación gamma y covariables de no interés (parámetros de movimiento, tendencia lineal y cuadrática para cada ejecución). Para completar, los ensayos de miedo se modelaron como regresores de tareas (combinados con una función de respuesta hemodinámica de variación gamma canónica) pero no se analizaron más. Los mapas de estimación de parámetros (β) que representan los efectos de la tarea se transformaron en el espacio de coordenadas estándar de Talairach y Tournoux (1988) aplicando los parámetros de deformación obtenidos a partir de la transformación del escaneo anatómico de alta resolución de cada sujeto. Los mapas de estimación de parámetros transformados de Talairach se volvieron a muestrear a una resolución de 3 × 3 × 3 mm.

Se realizaron análisis de grupos de efectos aleatorios para identificar regiones funcionales de interés (ROI) para el análisis posterior. Específicamente, las condiciones happy-go, happy-nogo, calm-go y calm-nogo se llevaron a un modelo de efectos mixtos lineales del grupo 2 × 2 × 3 con factores de emoción (dentro de los sujetos: feliz, tranquilo), respuesta ( dentro de los sujetos: ir, nogo), y edad (entre sujetos: niño, adolescente, adulto). El efecto principal del mapa de respuesta identificó regiones candidatas comprometidas diferencialmente en función de las demandas de control cognitivo que incluyen el giro frontal inferior derecho (x = 32, y = 23, z = 3). Las respuestas moduladas por el desarrollo se identificaron en el efecto principal del mapa de edad, incluido un grupo en el estriado ventral (x = −4, y = 11, z = −9).

Los hallazgos de imágenes considerados estadísticamente significativos excedieron la corrección de todo el cerebro para comparaciones múltiples para preservar un alfa <0.05 mediante el uso de una combinación de valor p / tamaño de grupo estipulada por las simulaciones de Monte Carlo ejecutadas en el programa Alphasim dentro de AFNI. La única excepción al umbral de todo el cerebro fue el análisis de los efectos de la edad. Dado el papel del estriado en el desarrollo del control de los impulsos (Vaidya et al., 1998; Casey et al., 2000; Luna et al., 2001; Durston, Thomas, Yang, et al., 2002, Galvan et al., 2006; Somerville y Casey, 2010) fue tratado como un a priori región de interés para el análisis por vóxeles de los efectos de la edad. Específicamente, se preguntaron los efectos de la edad dentro de una máscara anatómica inclusiva que contiene vóxeles en el estriado dorsal y ventral, con p <0.05, umbral estadístico corregido aplicado en función del volumen de búsqueda del estriado (1,060 vóxeles). Para mayor claridad, nos referimos al umbral de los datos del efecto de la edad como p <0.05 pequeño volumen corregido (svc) en todo el manuscrito.

Las regiones de interés se crearon como esferas con un radio de 4mm centrado alrededor de los picos enumerados anteriormente, cada uno de los cuales contiene diez voxels 3 × 3 × 3. Se extrajeron las estimaciones de los parámetros para las condiciones 4 (happy-go, happy-nogo, calm-go, calm-nogo) para cada participante y ROI y se enviaron a análisis fuera de línea para determinar la direccionalidad de los efectos. La respuesta, la emoción y los efectos del desarrollo (independientemente del contraste voxelwise con el que se definió el ROI) se evaluaron utilizando 2 (emoción: calma, feliz) × 2 (tarea: ir, nogo) × 3 (edad: niño, adolescente, adulto ) ANOVAs. Los análisis fuera de línea se realizaron en el software SPSS Statistics 17.0 (SPSS, Chicago, IL).

Se probaron los efectos significativos para la modulación del rendimiento mediante el envío de estimaciones de parámetros a correlaciones bivariadas contra las tasas medias de falsas alarmas de los sujetos. Los efectos de rendimiento significativos se siguieron con análisis de correlación parcial para probar si los efectos de rendimiento seguían siendo significativos al controlar por edad. Por el contrario, los efectos significativos de la edad se siguieron con análisis de correlación parcial para identificar si los efectos de la edad seguían siendo significativos al controlar el rendimiento.

El trabajo previo con el paradigma de go-nogo ha establecido un rol para los circuitos frontostriatales en el apoyo a la inhibición de la conducta exitosa (Casey et al., 2000; Durston, Thomas, Yang, et al., 2002; Hare et al., 2005). Para identificar este circuito en el conjunto de datos actual, se empleó un análisis de interacción psicofisiológica (IBP) que fue sensible a la conectividad funcional diferencial basada en tareas con una región semilla en el giro frontal inferior derecho, para el cual la actividad regional predijo diferencias de rendimiento a través de las edades. Específicamente, este análisis fue sensible a las regiones cerebrales que muestran una mayor combinación funcional con el IFG correcto para los ensayos correctos de nogo en relación con los ensayos de go. El análisis PPI se llevó a cabo utilizando pasos de procesamiento estándar (Friston, et al., 1997) extrayendo el curso de tiempo funcional dentro de la región semilla (ROI derecho de IFG descrito anteriormente x = 32, y = 23, z = 3), eliminando las fuentes de ruido y artefactos, desconvolviendo la señal neural y convolviendo los datos del curso de tiempo sin ir Ir a los tiempos de la tarea y la función de respuesta hemodinámica canónica (como se especifica en Gitelman, Penny, Ashburner y Friston, 2003). Los resultados del grupo que incluyeron a todos los participantes, con un umbral de p <0.05, corregido para comparaciones múltiples a nivel de todo el cerebro, identificaron un solo grupo que mostraba una conectividad funcional significativamente mayor con el IFG correcto durante las pruebas nogo que durante las pruebas. Este grupo se extendía medial y posterior desde el IFG derecho hasta el estriado dorsal específicamente hasta el caudado. Se generó una región de interés del cuerpo estriado dorsal en base al mapa de conectividad al centrar una esfera de 4 mm alrededor del subpico del grupo dentro de los límites anatómicos del cuerpo estriado dorsal (x = 9, y = 13, z = 6).

Los valores de cambio de señal se extrajeron de este ROI y se probaron para la coactivación entre sujetos con el estriado ventral y el IFG derecho. Específicamente, se extrajeron los valores de cambio de señal ventral estriado, estriado dorsal y IFG derecho de las ROI descritas anteriormente para el contraste happy-nogo versus happy-go. Estos valores se enviaron luego a las correlaciones bivariadas de los sujetos dentro de los grupos de niños, adolescentes y adultos participantes. Estos análisis identifican el grado de coactivación entre los sujetos para nogo en relación con los ensayos clínicos entre estas regiones dentro de cada grupo de edad. Los valores de coactivación identificados representan el grado en que la tendencia a activar una región predice la activación en otra región entre los participantes.

resultados fMRI

Las respuestas moduladas por el desarrollo se identificaron en el efecto principal del mapa de edades, incluido un grupo en el estriado ventral (x = -4, y = 11, z = -9; p <0.05 svc; Figura 3A). El análisis post-hoc del efecto principal de la edad mostró que los adolescentes involucraron el estriado ventral significativamente más que los niños y los adultos con las caras felices (p's = / <0.01; Figura 3B) y en menor medida, para calmar rostros (p's = / <0.06; significa +/− desviación estándar del cambio porcentual de la señal para calma versus descanso: niños: −0.095 +/− 0.21; adolescentes: 0.046 +/− 0.16; adultos : −0.051 +/− 0.17). El análisis de la función de mejor ajuste que representa responder a través de edades a caras felices mostró que una función cuadrática (U invertida) explicaba una porción significativa de varianza en respuesta a caras felices (F (1,59) = 10.05, p <0.003) mientras que una función lineal no lo hizo (F (1,59) = 0.54, p> 0.4). La mejora no lineal en el reclutamiento en adolescentes siguió siendo significativa cuando se controlan las diferencias en el desempeño de la tarea (tasa de falsas alarmas; F (2,59) = 6.77, p <0.002) y en el análisis de control con el número de ensayos emparejados (F (2,59) ) = 7.80, p = 0.007). La magnitud de la actividad de las pruebas felices, las pruebas tranquilas y las pruebas de no ir versus ir no se asoció con el desempeño de la tarea (p's> 0.2).

Figura 3 y XNUMX

A) Regiones cerebrales que muestran actividad diferencial en función de la edad. Las activaciones, umbral p <0.05, svc se representan en una exploración anatómica representativa de alta resolución. B) Gráfico de actividad en el estriado ventral (encerrado en un círculo en A) respuesta a ...

El efecto principal del mapa de respuesta (nogo versus go) identificó regiones comprometidas diferencialmente en función de las demandas de control cognitivo, incluida la circunvolución frontal inferior derecha (IFG; x = 32, y = 23, z = 3), mostrando respuestas significativamente mayores a nogo relativo a las pruebas de go (p <0.05, todo el cerebro corregido; Figura 4A). Los análisis post-hoc que prueban la función de mejor ajuste indicaron que la respuesta IFG correcta se explicaba significativamente por una función lineal (F (1,59) = 4.53, p = 0.037) y no una función cuadrática (F (1,59) =. 17, p> 0.6). Los análisis post hoc indicaron que el IFG derecho también mostró una mayor actividad para calmar en comparación con las caras felices (F (2,59) = 8.95, p <0.005). Además, el ROI del IFG derecho mostró una disminución lineal en la magnitud de la respuesta con el aumento de la edad a las pruebas de nogo en relación con las pruebas de go (r (61) = −0.28, p = 0.026; Figura 4B).

Figura 4 y XNUMX

A) Regiones cerebrales que muestran actividad diferencial en función de la tarea (nogo> go). Las activaciones, umbral p <0.05, todo el cerebro corregido se representan en una exploración anatómica representativa de alta resolución. B) Gráfico de actividad a la derecha ...

Al controlar los efectos del rendimiento, la interacción tarea x edad en el IFG correcto ya no fue significativa (p> 0.4), lo que indica que el rendimiento fue un predictor de actividad más sólido en el IFG correcto que la edad. Esta relación fue demostrada por una correlación significativa entre la magnitud de la respuesta para corregir las pruebas nogo vs. go y el desempeño general (medido por la tasa de falsas alarmas; r (61) = 0.39, p = 0.002; ver Figura 4C), que se replicó en el análisis de control con un número coincidente de ensayos (r (61) = 0.28, p = 0.026). Figura 4C describe esta relación con un participante excluido que resultó ser un valor atípico extremo (definido como más de tres rangos intercuartílicos por encima del tercer valor o por debajo del primer cuartil). Aunque la correlación es significativa al incluir a este individuo, excluirlo hace que la correlación resultante sea aún más confiable (r (60) = 0.45, p <0.001). Todos los análisis informados representan respuestas a ensayos correctos. Por lo tanto, los individuos más susceptibles a las falsas alarmas tienden a reclutar el IFG correcto más para los ensayos nogo para los que suprimieron con éxito una respuesta conductual.

Limitaciones

Los hallazgos presentados aquí deben considerarse a la luz de sus limitaciones. Primero, se debe reconocer explícitamente que una tercera categoría emocional, caras temerosas, estuvo presente durante la tarea experimental y el enfoque de un informe anterior (Hare et al., 2008). La condición de rostro calmado sirvió como condición de control en ambos informes. Si bien los hallazgos de comportamiento sugieren que la presencia de rostros temerosos en una exploración funcional no modulaba la precisión del comportamiento de manera diferente a las otras dos categorías de emociones, es posible que la presencia de rostros temerosos influyera en los hallazgos de manera que las medidas disponibles no fueran sensibles. Además, los rostros felices difieren de los rostros tranquilos en valencia y prominencia, los cuales podrían haber contribuido a los efectos observados del valor apetitivo. Una segunda limitación metodológica es el uso de caras tranquilas como condición de control. Aunque los datos normativos sugieren que las caras tranquilas son menos positivas y excitantes que las caras felices (Tottenham et al., 2009), no recopilamos explícitamente estas calificaciones y es posible que las caras serenas se hayan interpretado como ligeramente positivas por derecho propio. En términos de resultados, también se debe reconocer la naturaleza modesta de los hallazgos de la coactivación. Finalmente, no se adquirieron medidas de estado puberal y hormonas endógenas. La investigación seminal ha demostrado formas en que las hormonas gonadales circulantes afectan los mecanismos organizativos y de activación para influir en la función cerebral en todo el desarrollo (Romeo y Sisk, 2001; Sisk y Foster, 2004; Steinberg, 2008) y mostró una relación predictiva entre el estado puberal y conductas tan apetitivas como la búsqueda de sensaciones y el abuso de drogas (Martin et al., 2002; ver Forbes y Dahl, 2010). Las investigaciones futuras que incluyan medidas de hormonas pueden informar la relación entre el desarrollo estriatocortical, la maduración hormonal y los resultados de comportamiento (Blakemore, Burnett y Dahl, 2010).

Agradecemos la ayuda de Doug Ballon, Adriana Galván, Gary Glover, Victoria Libby, Erika Ruberry, Theresa Teslovich, Nim Tottenham, Henning Voss, y los recursos y el personal de Biomedical Imaging Core Facility del Citigroup Biomedical Imaging Center en Weill Cornell Escuela de medicina. Este trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de Salud Mental otorgó los subsidios P50MH062196 y P50MH079513, el Instituto Nacional de Abuso de Drogas otorgó R01DA018879 y T32DA007274, y el Instituto Nacional de Salud Mental Fellowship F31MH073265, así como el objeto de KXXXX.