Frontostriatale rijping voorspelt cognitieve controle niet aan appetitieve aanwijzingen bij adolescenten (2011)

Experimentele taak

Deelnemers hebben een go-nogo-taak voltooid (Hare, et al., 2005; Hare, et al., 2008) met angstige, gelukkige en rustige gezichtsuitdrukkingen die als stimuli dienen. Het huidige rapport richt zich op de gelukkige en rustige omstandigheden en laat de angststoornis van groepsanalyses, die de focus was van een voorafgaand rapport (Hare et al., 2008). Binnen een enkele fMRI-run werden twee expressietypen gepresenteerd, een als een 'go'-stimulus (dat wil zeggen, een doelwit) waarvoor deelnemers de instructie kregen om op een knop te drukken, en de andere expressie diende als een' nogo'-stimulus (dat wil zeggen, niet-doel) waarvoor deelnemers moeten een druk op de knop in te houden. Alle combinaties van uitdrukkingen werden gebruikt als zowel doelen als niet-doelen, resulterend in een 2 (antwoord: go, nogo) bij 3 (emotie: angst, kalm, gelukkig) factorieel ontwerp. Voorafgaand aan het begin van elke run verscheen er een scherm dat aangaf welke expressie diende als de doelstimulus, waarbij deelnemers werden geïnstrueerd om op die expressie te reageren en geen andere expressie. De deelnemers kregen ook de opdracht om zo snel mogelijk te reageren, maar fouten te vermijden.

Stimuli en apparaten

Stimuli bestonden uit blije, angstige en rustige gezichten met unieke identiteiten uit de NimStim gezichtsuitdrukkingen (Tottenham, et al., 2009). Rustige gezichten (mild aangename versies van neutrale gezichten) werden gebruikt omdat eerdere studies hebben aangetoond dat neutrale gezichten als negatief kunnen worden beschouwd in ontwikkelingspopulaties (Gross & Ballif, 1991; Herba & Phillips, 2004; Thomas, et al., 2001). De taak werd gepresenteerd met behulp van EPrime-software, die kan worden bekeken door onderwerpen op een overhead liquid crystal display (LCD) -paneel dat is geïntegreerd met het IFIS-SA-systeem (fMRI Devices Corporation, Waukesha, WI). EPrime-software, geïntegreerd met het IFIS-systeem, geregistreerde knopreacties en reactietijden.

Taak parameters

Gegevens werden verzameld in zes functionele runs die elke combinatie van emotie (blij, kalm, angst) en reactie (go, nogo; Figuur 1) met behulp van een snel evenement-gerelateerd ontwerp. Voor elke proef verscheen een gezicht voor 500 milliseconden gevolgd door een jittered intertriaal interval van 2 tot 14.5 seconden in duur (gemiddeld 5.2 seconden) waarin de deelnemers rustten tijdens het bekijken van een fixatie-draadkruis. Een totaal van 48-proeven werden gepresenteerd per run in pseudorandomized volgorde (36 go, 12 nogo). In totaal zijn voor elk expressietype 24-nogoproeven en 72-go-trials verworven.

Figuur 1

Schematische voorstelling van vier onderzoeken binnen een fMRI-run. In dit voorbeeld zijn rustige gezichten de doelprikkels, waarvoor deelnemers moeten 'gaan' door op een knop te drukken. Blije gezichten zijn de niet-gerichte ('nogo') stimulus, waaraan deelnemers een druk op de knop moeten onthouden. ...

Image Acquisition

Deelnemers werden gescand met een General Electric Signa 3.0T fMRI-scanner (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI) met een kwadratuurkopspoel. Een TXGUMX-gewogen anatomische scan met een hoge resolutie, bedorven gradiëntsequentie ([SPGR] 1 × 256-resolutie in het vlak, 256-mm gezichtsveld [FOV], 240 × 124-mm axiale plakjes), of een 1.5D-magnetisatie die snel wordt voorbereid gradiëntechogevolgorde ([MPRAGE] 3 × 256-resolutie in het vlak, 256-mm FOV; 240 × 124-mm sagittale slices) werd voor elk onderwerp verkregen voor transformatie en lokalisatie van gegevens naar Talairach-rasterruimte. Een spiraal in en uit reeks (Glover & Thomason, 2004) werd gebruikt om functionele gegevens te verwerven (herhalingstijd = 2500ms, echo tijd = 30, FOV = 200 mm, Flip hoek = 90, 0 overslaan, 64 × 64 matrix). Vierendertig 4-mm dikke coronale plakjes werden per TR verkregen met een resolutie van 3.125 × 3.125 mm die de hele hersenen bedekt, behalve het achterste deel van de occipitale lob.

Analyse van gedragsgegevens

Gedragsgegevens werden geanalyseerd op nauwkeurigheid door het berekenen van de hit (juiste respons), miss (incorrect gebrek aan respons), correcte afwijzing (correcte onthouding van respons) en vals alarm (onjuiste respons) voor gelukkige en rustige omstandigheden. Voor analysedoeleinden werden de deelnemers gegroepeerd in subgroepen van kinderen (leeftijd 6-12), tiener (leeftijd 13-17) en volwassen (18 jaar of ouder).

Analyse van fMRI-gegevens

FMRI data-analyse werd uitgevoerd binnen Analysis of Functional Neuroimages (AFNI) software (Cox, 1996). Functionele gegevens werden in plaktijd gecorrigeerd, opnieuw uitgelijnd binnen en over runs om te corrigeren voor hoofdbewegingen, gecorrigeerd met de anatomische scan met hoge resolutie van elke deelnemer, geschaald naar eenheden voor procentuele signaalverandering en afgevlakt met een 6 mm volledige breedte op halfmaximum (FWHM ) Gaussische kernel.

Voor elke deelnemer werd een algemene lineaire modelanalyse uitgevoerd om taakeffecten te karakteriseren door het opnemen van taakregressoren van belang (kalm-gaan, kalm-nogo, blij-gaan, blij-nogo, angst-gaan, angst-nogo, fouten) geconvolueerd met een gamma-variabele hemodynamische responsfunctie en covariaten van niet-rente (bewegingsparameters, lineaire en kwadratische trend voor elke run). Voor de volledigheid werden angstonderzoeken gemodelleerd als taakregressoren (geconvolueerd met een canonieke gamma-variabele hemodynamische responsfunctie) maar werden niet verder geanalyseerd. Parameterschatting (β) kaarten die taakeffecten vertegenwoordigen, werden vervolgens getransformeerd in de standaard coördinaatruimte van Talairach en Tournoux (1988) door de kromtrekkingsparameters toe te passen die zijn verkregen uit de transformatie van de anatomische scan met hoge resolutie van elk subject. Talairach-getransformeerde parameterschattingskaarten werden opnieuw bemonsterd tot een resolutie van 3 x 3 x 3 mm.

Willekeurige effecten groepsanalyses werden uitgevoerd om functionele interessegebieden (ROI's) te identificeren voor daaropvolgende analyse. In het bijzonder werden de condities happy-go, happy-nogo, calm-go en calm-nogo naar een 2 × 2 × 3-groep uitgevoerd, lineair mixed effects-model met emotionele factoren (binnen-onderwerpen: blij, kalm), respons ( binnen-onderwerpen: go, nogo), en leeftijd (tussen-onderwerpen: kind, tiener, volwassen). Het belangrijkste effect van de responskaart identificeerde kandidaat-gebieden die differentieel betrokken zijn als een functie van cognitieve controle-eisen, waaronder de rechter inferieure frontale gyrus (x = 32, y = 23, z = 3). Antwoorden gemoduleerd door ontwikkeling werden geïdentificeerd in het hoofdeffect van leeftijdskaart, inclusief een cluster in het ventrale striatum (x = -4, y = 11, z = -9).

Beeldvormingsresultaten die als statistisch significant werden beschouwd, overtroffen de correctie van het hele brein voor meerdere vergelijkingen om een ​​alfa <0.05 te behouden door een combinatie van p-waarde / clustergrootte te gebruiken die is voorgeschreven door Monte Carlo-simulaties die worden uitgevoerd in het Alphasim-programma binnen AFNI. De enige uitzondering op drempels voor de hele hersenen was de analyse van leeftijdseffecten. Gezien de rol van het striatum bij de ontwikkeling van impulscontrole (Vaidya et al., 1998; Casey et al., 2000; Luna et al., 2001; Durston, Thomas, Yang, et al., 2002, Galvan et al., 2006; Somerville & Casey, 2010) het werd behandeld als een a priori interessegebied voor voxelgewijze analyse van leeftijdseffecten. In het bijzonder werden leeftijdseffecten opgevraagd binnen een inclusief anatomisch masker met voxels in het dorsale en ventrale striatum, met p <0.05, gecorrigeerde statistische drempelwaarde toegepast op basis van het striatum-zoekvolume (1,060 voxels). Voor de duidelijkheid verwijzen we naar drempelwaarden van de leeftijdseffectgegevens als p <0.05 klein volume gecorrigeerd (svc) door het hele manuscript.

Interessante regio's zijn gemaakt als bollen met een 4mm-straal gecentreerd rond de pieken hierboven vermeld, die elk tien 3 × 3 × 3 voxels bevatten. Parametermetingen werden geëxtraheerd voor de 4-omstandigheden (happy-go, happy-nogo, calm-go, calm-nogo) voor elke deelnemer en ROI en werden onderworpen aan offline analyses om de richting van effecten te bepalen. Respons, emotie en ontwikkelingseffecten (onafhankelijk van het voxelwise contrast waarmee de ROI werd gedefinieerd) werden geëvalueerd met 2 (emotie: kalm, gelukkig) × 2 (taak: go, nogo) × 3 (leeftijd: kind, tiener, volwassen ) ANOVA's. Offline-analyses werden uitgevoerd in SPSS Statistics 17.0-software (SPSS, Chicago, IL).

Significante effecten werden getest op prestatiemodulatie door parameterschattingen voor te leggen aan bivariate correlaties ten opzichte van de gemiddelde valse alarmcijfers van proefpersonen. Significante prestatie-effecten werden opgevolgd met partiële correlatieanalyses om te testen of prestatie-effecten significant bleven bij het controleren voor leeftijd. Omgekeerd werden significante leeftijdseffecten opgevolgd met partiële correlatieanalyses om te bepalen of leeftijdseffecten significant bleven bij het controleren voor prestatie.

Voorafgaande werkzaamheden met het go-nogo-paradigma hebben een rol gespeeld in de frontostriatale circuits bij het ondersteunen van succesvolle gedragsremming (Casey et al., 2000; Durston, Thomas, Yang, et al., 2002; Hare et al., 2005). Om deze schakeling in de huidige dataset te identificeren, werd een psychofysiologische interactie-analyse (PPI) gebruikt die gevoelig was voor differentiële taakgebaseerde functionele connectiviteit met een seedregio in de rechterferiorale frontale gyrus, waarvoor de regionale activiteit prestatieverschillen over verschillende leeftijden voorspelde. Specifiek was deze analyse gevoelig voor hersengebieden die een grotere functionele koppeling met de rechter IFG vertoonden voor correcte nogo-trials met betrekking tot go-trials. De PPI-analyse werd uitgevoerd met behulp van standaard verwerkingsstappen (Friston, et al., 1997) door de functionele tijdcyclus binnen het seed-gebied te extraheren (rechter IFG ROI hierboven beschreven x = 32, y = 23, z = 3), bronnen van ruis en artefact te verwijderen, het neurale signaal te deconvolueren en de tijdbeursgegevens te convolueren zonder te gaan versus ga task timings en de canonieke hemodynamische responsfunctie (zoals gespecificeerd in Gitelman, Penny, Ashburner en Friston, 2003). Groepsresultaten inclusief alle deelnemers, met een drempel van p <0.05, gecorrigeerd voor meerdere vergelijkingen op het niveau van het hele brein, identificeerden een enkel cluster dat significant grotere functionele connectiviteit vertoonde met de juiste IFG tijdens nogo dan om proeven te doen. Dit cluster strekte zich mediaal en posterieur uit van de rechter IFG naar het dorsale striatum, specifiek naar de caudatus. Een interessegebied van het dorsale striatum werd gegenereerd op basis van de connectiviteitskaart door een bol van 4 mm rond de subpiek van het cluster te centreren binnen de anatomische grenzen van het dorsale striatum (x = 9, y = 13, z = 6).

Signaalveranderingswaarden werden geëxtraheerd uit deze ROI en getest voor tussen-subject co-activatie met het ventrale striatum en rechter IFG. In het bijzonder werden ventraal striatale, dorsale striatale en rechter IFG-signaalwijzigingswaarden van de eerder beschreven ROI's geëxtraheerd voor het happy-nogo versus happy-go-contrast. Deze waarden werden vervolgens voorgelegd aan tussen proefpersonen bivariate correlaties binnen groepen van kinderen, tieners en volwassenen. Deze analyses identificeren de mate van co-activatie tussen proefpersonen voor nogo ten opzichte van go-trials tussen deze regio's binnen elke leeftijdsgroep. Geïdentificeerde coactivatiewaarden vertegenwoordigen de mate waarin de neiging om één regio te activeren de activering in een andere regio over de deelnemers voorspelt.

fMRI resultaten

Door ontwikkeling gemoduleerde reacties werden geïdentificeerd in het hoofdeffect van de leeftijdskaart, inclusief een cluster in het ventrale striatum (x = −4, y = 11, z = −9; p <0.05 svc; Figuur 3A). Post-hoc analyse van het hoofdeffect van de leeftijd toonde aan dat adolescenten significant meer het ventrale striatum aangaven dan kinderen en volwassenen met blije gezichten (p's = / <0.01; Figuur 3B) en in mindere mate op rustige gezichten (p's = / <0.06; betekent +/- standaarddeviatie van procentuele signaalverandering voor kalmte versus rust: kinderen: -0.095 +/- 0.21; tieners: 0.046 +/- 0.16; volwassenen : -0.051 +/- 0.17). Analyse van de best passende functie die het reageren van verschillende leeftijden op blije gezichten weergeeft, toonde aan dat een kwadratische (omgekeerde U) functie een significant deel van de variantie verklaarde als reactie op blije gezichten (F (1,59) = 10.05, p <0.003) terwijl een lineaire functie deed het niet (F (1,59) = 0.54, p> 0.4). De niet-lineaire verbetering in rekrutering bij tieners bleef significant bij het controleren op verschillen in taakprestaties (percentage vals alarm; F (2,59) = 6.77, p <0.002) en in de controleanalyse met overeenkomende aantallen onderzoeken (F (2,59) ) = 7.80, p = 0.007). De omvang van de activiteit tot gelukkige beproevingen, rustige beproevingen en no-go versus go-proeven was niet geassocieerd met taakprestaties (p's> 0.2).

Figuur 3

A) Hersenregio's die verschillende activiteit vertonen als functie van leeftijd. Activeringen, drempel p <0.05, svc worden weergegeven op een representatieve anatomische scan met hoge resolutie. B) Plot van activiteit in het ventrale striatum (omcirkeld in A) reactie op ...

Het belangrijkste effect van de responsmap (nogo versus go) identificeerde regio's die differentieel betrokken waren als een functie van cognitieve controle-eisen, waaronder de rechter inferieure frontale gyrus (IFG; x = 32, y = 23, z = 3), die significant grotere reacties op nogo relatief to go-proeven (p's <0.05, hele hersenen gecorrigeerd; Figuur 4A). Post-hoc analyses waarbij de best passende functie werd getest, gaven aan dat de juiste IFG-respons significant werd verklaard door een lineaire functie (F (1,59) = 4.53, p = 0.037) en niet een kwadratische functie (F (1,59) =. 17, p> 0.6). Posthoc-analyses gaven aan dat de rechter IFG ook meer activiteit vertoonde om te kalmeren in vergelijking met blije gezichten (F (2,59) = 8.95, p <0.005). Verder vertoonde de rechter IFG ROI een lineaire afname in responsomvang met toenemende leeftijd tot nogo-proeven vergeleken met go-proeven (r (61) = -0.28, p = 0.026; Figuur 4B).

Figuur 4

A) Hersenregio's die differentiële activiteit vertonen als functie van de taak (nogo> go). Activeringen, drempelwaarde p <0.05, hele hersenen gecorrigeerd, worden weergegeven op een representatieve anatomische scan met hoge resolutie. B) Perceel van activiteit aan de rechterkant ...

Bij het controleren op prestatie-effecten was de interactie tussen taak x leeftijd in de rechter IFG niet langer significant (p> 0.4), wat aangeeft dat prestatie een meer robuuste voorspeller was van activiteit in de juiste IFG dan leeftijd. Deze relatie werd aangetoond door een significante correlatie tussen de grootte van de respons om nogo vs. go-onderzoeken te corrigeren en de algehele prestatie (zoals gemeten door het aantal valse alarmen; r (61) = 0.39, p = 0.002; zie Figuur 4C), die werd gerepliceerd in de controle-analyse met een aangepast aantal onderzoeken (r (61) = 0.28, p = 0.026). Figuur 4C geeft deze relatie weer met één uitgesloten deelnemer die een extreme uitbijter bleek te zijn (gedefinieerd als meer dan drie interkwartielbereiken boven de derde of onder de eerste kwartielwaarde). Hoewel de correlatie significant is inclusief dit individu, maakt het uitsluiten van dit individu de resulterende correlatie nog betrouwbaarder (r (60) = 0.45, p <0.001). Alle gerapporteerde analyses vertegenwoordigen reacties op correcte onderzoeken. Dus individuen die vatbaarder zijn voor vals alarm, hebben de neiging om de juiste IFG meer te rekruteren voor de nogo-onderzoeken waarvoor ze met succes een gedragsreactie hebben onderdrukt.

Beperkingen

De bevindingen die hier worden gepresenteerd, moeten worden bekeken in het licht van hun beperkingen. Ten eerste moet expliciet worden erkend dat een derde emotionele categorie, angstige gezichten, aanwezig was tijdens de experimentele taak en de focus van een vorig rapport (Hare et al., 2008). De kalme gezichtsaandoening diende als controlevoorwaarde in beide rapporten. Hoewel gedragsresultaten suggereren dat de aanwezigheid van angstige gezichten in een functionele scan de gedragsnauwkeurigheid niet anders aanpaste dan de andere twee emotiecategorieën, is het mogelijk dat de aanwezigheid van angstige gezichten de bevindingen beïnvloedde op manieren waarop de beschikbare maatregelen niet gevoelig waren. Bovendien verschillen blije gezichten van kalme gezichten in valentie en opvallendheid, die allebei kunnen hebben bijgedragen tot de waargenomen effecten van de waarde van de appetijt. Een tweede methodologische beperking is het gebruik van rustige gezichten als een controlevoorwaarde. Hoewel normatieve gegevens suggereren dat rustige gezichten minder positief en opwindend zijn dan blije gezichten (Tottenham et al., 2009) hebben we deze beoordelingen niet expliciet verzameld en het is mogelijk dat de rustige gezichten op zichzelf als licht positief werden geïnterpreteerd. Wat de resultaten betreft, moet ook de bescheiden aard van de resultaten van de coactivering worden erkend. Ten slotte werden geen maatregelen genomen voor de puberteit en de endogene hormonen. Recent onderzoek heeft manieren aangetoond waarop circulerende gonadale hormonen zowel organisatorische als activeringsmechanismen beïnvloeden om de hersenfunctie bij de ontwikkeling te beïnvloeden (Romeo & Sisk, 2001; Sisk & Foster, 2004; Steinberg, 2008) en vertoonde een voorspellende relatie tussen puberale status en dergelijk appetijtend gedrag als sensatie en drugsmisbruik (Martin et al., 2002; zien Forbes en Dahl, 2010). Toekomstig onderzoek, inclusief metingen van hormonen, kan de relatie tussen striatocorticale ontwikkeling, hormonale rijping en gedragsuitkomsten (Blakemore, Burnett en Dahl, 2010).

We erkennen dankbaar de hulp van Doug Ballon, Adriana Galvan, Gary Glover, Victoria Libby, Erika Ruberry, Theresa Teslovich, Nim Tottenham, Henning Voss en de middelen en het personeel van de biomedische beeldvormingskern van het Citigroup Biomedical Imaging Center in Weill Cornell Medical College. Dit werk werd ondersteund door de National Institute of Mental Health-beurzen P50MH062196 en P50MH079513, het National Institute of Drug Abuse verleent R01DA018879 en T32DA007274, en National Institute of Mental Health Fellowship F31MH073265, evenals K99 MH087813 (LHS).