Cereb. schors (2010) 20 (1): 61-69. doi: 10.1093 / cercor / bhp078
+ Auteur Affiliations
Adrescorrespondentie met Linda Van Leijenhorst. Afdeling Psychologie, Universiteit Leiden, Instituut voor Psychologisch Onderzoek, Wassenaarseweg 52, 2300 RB Leiden, Nederland. E-mail: [e-mail beveiligd].
Abstract
De relatie tussen de ontwikkeling van de hersenen in de adolescentie en het risicovolle gedrag van adolescenten heeft de laatste jaren een toenemende belangstelling getrokken. Er is voorgesteld dat adolescenten overgevoelig zijn voor beloning vanwege een disbalans in het ontwikkelingspatroon gevolgd door het striatum en de prefrontale cortex. Tot op heden is het onduidelijk of adolescenten risicovol gedrag vertonen omdat zij mogelijke beloningen overschatten of meer op ontvangen beloningen reageren en of deze effecten optreden bij het ontbreken van beslissingen. In deze studie gebruikten we een functioneel magnetisch resonantiebeeldvormingsmodel dat ons in staat stelde om effecten van de anticipatie, ontvangst en weglating van beloning te dissociëren in 10- naar 12-jarige, 14- naar 15-jarige en 18- voor 23-jarige deelnemers.
We laten zien dat in anticipatie op onzekere uitkomsten, de voorste insula actiever is bij adolescenten in vergelijking met jonge volwassenen en dat het ventrale striatum een beloningsgerelateerde piek laat zien in de midden-adolescentie, terwijl jonge volwassenen de activering van orbitofrontale cortex tonen aan weggelaten beloning. Deze regio's vertonen verschillende ontwikkelingsroutes.
Deze studie ondersteunt de hypothese dat adolescenten overgevoelig zijn voor beloning en voegt aan de huidige literatuur toe dat neurale activering bij adolescenten verschilt, zelfs voor kleine beloningen bij gebrek aan keuze. Deze bevindingen kunnen belangrijke implicaties hebben voor het begrijpen van het risicogedrag van adolescenten.
Introductie
Vaak worden beslissingen genomen in onzekere situaties waarin niet alle informatie die nodig is om een rationele beslissing te nemen bekend is. Wanneer keuzes in onzekere situaties worden geassocieerd met mogelijke negatieve uitkomsten, worden ze als risicovol beschouwd. Een toename van risicogedrag is een van de opvallendste kenmerken van adolescentie (Arnett 1999; Steinberg 2004; Boyer 2006). Deze gedragsverandering suggereert een verschil in de besluitvormingsprocessen van adolescenten vergeleken met volwassenen. Dat wil zeggen dat adolescenten anders kunnen kiezen tussen concurrerende gedragslijnen in een onzekere situatie omdat ze de mogelijke uitkomsten wegen en de waarschijnlijkheden waarmee deze verschillend voorkomen in vergelijking met volwassenen. Eerdere studies hebben gesuggereerd dat adolescenten een voorkeur hebben voor het nemen van risico's vanwege verschillen in de manier waarop zij beloningen ervaren (Bjork et al. 2004; May et al. 2004; Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst et al. 2006).
Functionele magnetische resonantie beeldvormende (fMRI) studies hebben hersengebieden geïdentificeerd die gerelateerd zijn aan uitkomstverwachtingen en -verwerking. Veel studies hebben aangetoond dat het ventrale striatum reageert op anticipatie op potentiële beloningen (Breiter et al. 2001; Knutson et al. 2001; Dagher 2007; Tom et al. 2007), wat werd bevestigd door een recente meta-analyse (Knutson en Greer 2008). IkBovendien zijn de voorste insula betrokken bij het anticiperen op uitkomsten en activering in deze regio wordt ook vaak geassocieerd met de onzekerheid die gepaard gaat met anticipatie.n (Critchley et al. 2001; Volz et al. 2003). Tot slot hebben verschillende studies bij volwassenen aangetoond dat mediale prefrontale cortex (PFC), orbitofrontale cortex en anterieure cingulate cortex zijn betrokken bij het verwerken van beloningen (Rollen 2000; Bechara 2001; Knutson et al. 2001; O'Doherty et al. 2001, 2002).
De functionele ontwikkeling van deze regio's is niet goed begrepen. De enkele ontwikkelingsstudies tot nu toe laten een schijnbaar inconsistent resultaatpatroon zien. Het nemen van risico's van adolescenten is enerzijds geassocieerd met een "verminderde" gevoeligheid van het ventrale striatum om te belonen bij adolescenten in vergelijking met volwassenen. Deze neurale respons is gesuggereerd om adolescenten ertoe te brengen om meer stimulerende ervaringen te zoeken om te compenseren voor lage niveaus van activering in het ventrale striatum (Speer 2000; Bjork et al. 2004). DeAan de andere kant is het nemen van risico's voor adolescenten geassocieerd met een "verhoogde" reactiviteit van het ventrale striatum om te herbeschouwend (Galvan et al. 2006). In deze studies werd gesuggereerd dat deze toename in de respons op potentiële beloningen in combinatie met onvolgroeide cognitieve controle-vaardigheden (als gevolg van de langdurige ontwikkeling van de PFC) adolescenten vooroordelen om risico's te nemen (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Casey, Jones, et al. 2008).
De interpretatie van deze ontwikkelingsbevindingen is om 2-redenen gecompliceerd. Ten eerste is er een grote variatie in de leeftijden van deelnemers die zijn opgenomen in deze studies over de verwerking van adolescentenbeloningen. Dit is problematisch omdat adolescenten een zeer heterogene groep vormen, bijvoorbeeld in vroege adolescentie kunnen ontwikkelingsveranderingen worden beïnvloed door veranderingen in de puberteit. In eerdere studies zijn adolescenten van een breed leeftijdsbereik opgenomen. Bijvoorbeeld in de studie van Bjork et al. (2004), de adolescentengroep bestond uit deelnemers van 12-17 jaren, die onze interpretatie van het patroon van ontwikkelingsverandering kunnen belemmeren. Structurele hersenafbeeldingsstudies hebben aangetoond dat de ontwikkeling van de hersenstructuur in termen van aandeel van grijze en witte stof gedurende de adolescentie doorgaat (Giedd et al. 1999; Gogtay et al. 2004), en een recente studie heeft aangetoond dat deze ontwikkelingsveranderingen een niet-lineair patroon volgen in veel hersenregio's (Shaw et al. 2008). Een tweede moeilijkheid is dat in eerdere rapporten verschillende experimentele paradigma's zijn gebruikt, waardoor het moeilijk is om de resultaten te vergelijken. In eerdere studies waren bijvoorbeeld de beloningen afhankelijk van de taakprestaties van de deelnemers en varieerden de vereisten voor het verkrijgen van beloningen. Beloningen kunnen afhankelijk zijn van reactietijden (bijv. Bjork et al. 2004) of op responsnauwkeurigheid / waarschijnlijkheidsvergelijking (bijv. Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst et al. 2006; Eshel et al. 2007). Daarnaast beloning magnitude (Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006), kans op belonen (May et al. 2004; Van Leijenhorst et al. 2006), of zowel magnitude als probability (Ernst et al. 2005; Eshel et al. 2007) werden gemanipuleerd. Het is daarom moeilijk om ontwikkelingsverschillen in ventraal striatumactivatie te relateren aan risicobereidheid of beloningsverwerking in het algemeen. Onlangs hebben studies over volwassen besluitvorming geprobeerd gedrag te voorspellen op basis van voorgaande veranderingen in activering van het ventrale striatum (Knutson en Greer 2008). Deze onderzoeken hebben aangetoond dat verhoogde activering van het ventrale striatum geassocieerd is met een toegenomen bereidheid om risico's te nemen bij volwassenen. In een eerdere studie met volwassenen, Knutson et al. (2008) gebruikte een besluitvormende taak en presenteerde belonende afbeeldingen die geen verband hielden met de taak. De presentatie van deze foto's had te maken met een verhoogde activering van het ventrale striatum en met een verhoogde bereidheid om risico's te nemen (Knutson et al. 2008). Als een piek in activering van het ventrale striatum bij adolescenten hen ertoe aanzet risico's te nemen, is het daarom belangrijk om te begrijpen in hoeverre deze regio onafhankelijk is van gedragsvereisten. Daarnaast is het belangrijk om te begrijpen in welke fase, tijdens de anticipatie of verwerking van beloningen, verschillen tussen adolescenten en volwassenen worden waargenomen. Een beter begrip van de oorzaken van de verwerking van beloningen door adolescenten kan helpen bij het interpreteren van het mogelijk schadelijke risicovolle gedrag dat veel adolescenten gebruiken. Het is belangrijk om te begrijpen of adolescenten risicovol gedrag vertonen in vergelijking met volwassenen omdat zij potentiële beloningen overschatten (in een vroege fase van het besluitvormingsproces) of omdat hun reactie op ontvangen beloningen verschilt van die van volwassenen (in een latere fase). Inzicht in deze mogelijke verschillen in beloningsgevoeligheid tijdens de adolescentie geeft ons informatie over de processen die ten grondslag liggen aan risicovol gedrag bij adolescenten in de echte wereld. Bovendien kan deze kennis pogingen ondersteunen om tussenbeide te komen en adolescenten te beschermen tegen de problemen waarmee zij worden geconfronteerd. Fundamentele verschillen in beloningsgerelateerde hersengebieden tussen deelnemers uit verschillende leeftijden kunnen de interpretatie van ontwikkelingsveranderingen in gedrag bemoeilijken. Een manier om dit probleem te omzeilen, is beloningsverwerking te bestuderen met behulp van een experimentele taak, waarbij beloning en risico's geen verband houden met het gedrag van de deelnemers (zie voor een vergelijkbare aanpak Tobler et al. 2008). Daarom was het doel van deze studie om ontwikkelingsverschillen in neurale activering te onderzoeken die verband houden met verschillende fasen van beloningsverwerking in afwezigheid van gedrag.
We vergeleken de neurale substraten van outcome-anticipatie en uitkomstverwerking in vroege en midden adolescentie en jonge volwassenheid met behulp van fMRI. Om het ontwikkelingspatroon van hersengebieden te identificeren die betrokken zijn bij de verwerking van beloningen, hebben we 3 homogene leeftijdsgroepen (10-12-jarigen, 14-15-jarigen en 18-23-jarigen) opgenomen. Deze deelnemers hebben een slotmachine-taak uitgevoerd (Donkers et al. 2005), een eenvoudig paradigma waarin kleine monetaire beloningen onvoorspelbaar zijn en geen verband houden met gedrag. In deze taak bekijken deelnemers 3 fruitautomaten waarin afbeeldingen van fruit achter elkaar worden gepresenteerd. Alleen als deze 3-foto's hetzelfde zijn, winnen deelnemers geld. De taak omvat de presentatie van verschillende 3-voorwaarden: 1) alle 3-foto's zijn verschillend (de XYZ-voorwaarde), 2) de eerste 2-foto's zijn hetzelfde maar de derde is anders (de XXY-voorwaarde) en 3) alle 3-afbeeldingen zijn hetzelfde (aangeduid als XXX-voorwaarden). Op deze manier konden we met het paradigma hersenactivatie dissociëren die samenhangt met uitkomstverwachtingen (wanneer de eerste 2 van 3-foto's hetzelfde is versus alle 3-foto's verschillen; XXY versus XYZ), verwerking van beloning (wanneer alle 3-foto's zijn hetzelfde versus de eerste 2 uit drie foto's zijn hetzelfde; XXX versus XXY) en weglating van beloning (XXY versus XXX).
Onze analyses waren gericht op het identificeren van hersengebieden die betrokken zijn bij beloningsverwerking en onzekerheid, waaronder het striatum, de insula en de orbitofrontale cortex (OFC). Onze eerste hypothese was dat deze regio's functionele ontwikkeling laten zien, wat zich uit in een ander activeringspatroon in de verschillende leeftijdsgroepen. We testten voor lineaire en niet-lineaire ontwikkelingspatronen. Onze tweede hypothese was dat als adolescente risicotoeductie gepaard gaat met een verhoogde gevoeligheid voor beloning, dit moet worden weerspiegeld in een piek in activatie in het ventrale striatum in deze leeftijdsgroep. We onderzochten in welk stadium, tijdens anticipatie of verwerking van uitkomsten, het ventrale striatum verschillende responsen zou vertonen in afwezigheid van gedragsvereisten en of de respons op beloningen in dit gebied bij adolescenten zou worden verhoogd of verlaagd in vergelijking met volwassenen. De resultaten zullen naar verwachting inzicht verschaffen in de ontwikkeling van beloningsgerelateerde hersenregio's tijdens de adolescentie en bijdragen aan de interpretatie van verschillen in neurale respons tussen adolescenten en volwassenen in meer complexe belonings- en risicovolle taken.
Materialen en methoden
Deelnemers
Een totaal van 53 gezonde, rechtshandige vrijwilligers namen deel aan het onderzoek, vijftien 18-23-jarigen (7-vrouwen, gemiddelde leeftijd = 20.2, standaarddeviatie [SD] = 1.6), achttien 14-15-jarigen (10-vrouwen; leeftijd = 15.0, SD = 0.7) en zeventien 10-12-jarigen (8-vrouwen; gemiddelde leeftijd 11.6, SD = 0.8). Geïnformeerde toestemming werd verkregen van alle deelnemers en van een primaire verzorger in het geval deelnemers jonger waren dan 18 jaar oud. Het onderzoek is goedgekeurd door de Medisch Ethische Commissie van het Leids Universitair Medisch Centrum (LUMC). Gegevens van 3 extra volwassen deelnemers waren uitgesloten vanwege technische problemen. Gegevens voor deelnemers die meer dan 3 mm in een richting waren verplaatst, werden uitgesloten van de analyses. Om deze reden werden de gegevens van 3-deelnemers (14, 15 en 10 een jaar oud) uitgesloten. Gemiddelde verplaatsing was 0.52 mm voor de 18-23-jarigen, 0.68 mm voor de 14-15-jarigen en 0.62 mm voor de 10-12-jarigen. Het verschil in gemiddelde beweging tussen de leeftijdsgroepen was niet significant (P > 0.1).
Gedragsbeoordeling
Vóór het scannen werden alle deelnemers voorbereid op de scansessie in een stil laboratorium waarin een onechte scanner aanwezig was. Deze mock-scanner, die de omgeving en geluiden van een werkelijke MRI-scanner simuleerde, gaf minderjarigen de gelegenheid om te wennen aan de scanneromgeving en werd gebruikt om de scanprocedure aan alle deelnemers uit te leggen. Om een schatting van het IQ te verkrijgen, zijn versies geschikt voor de leeftijd van 2-subtests van de Wechsler Adult Intelligence Scale (Wechsler 1981) of de Wechsler Intelligence Scales for Children (Wechsler 1991) -Sfeerbeelden en blokontwerp-werden aan alle deelnemers toegediend. Voor 10-12-jarigen, 14-15-jarigen en 18-23-jarigen schatten de IQ's respectievelijk 119.7 (SD = 9.7), 106.0 (SD = 9.0) en 108.7 (SD = 9.4). Het gemiddelde IQ van de 10-12-jarigen was significant hoger in vergelijking met de andere 2-leeftijdsgroepen (F2,49 = 11.62, P = 0.001), maar de IQ's van de algehele deelnemers vielen in het gemiddelde bereik. De onderstaande analyses werden allemaal gecorrigeerd voor verschillen in IQ door IQ als een covariabele factor aan de analyses toe te voegen. Geen van de effecten werd echter beïnvloed door IQ-verschillen. Daarom worden IQ-verschillen niet verder beschreven.
Alle deelnemers werden gescreend op psychiatrische aandoeningen, drugsgebruik, hoofdletsel en contra-indicaties voor MRI met behulp van een checklist. Geen deelnemers meldden problemen. Daarnaast werden deelnemers in de jongste leeftijdsgroepen van 2 gescreend op gedragsproblemen met behulp van bovenliggende beoordelingen op de checklist voor kindgedrag (Achenbach 1991). Scores voor alle deelnemers vielen binnen het niet-klinische bereik.
Experimenteel ontwerp
Deelnemers voerden de Slot Machine Task uit, een kindvriendelijke versie van een eerder gebruikt paradigma Donkers et al. (2005). Elke proef begon met de presentatie van lege 3-gokautomaten. Na 500 ms stond er een muntstuk onderaan het scherm voor 1000 ms, dat als cue diende. Om deelnemers betrokken te houden bij de (overigens passieve) taak, kregen ze de opdracht om de machines te starten door op een vooraf ingestelde knop te drukken met hun rechterwijsvinger bij de presentatie van de keu. Het antwoord moest worden gegeven binnen een tijdvenster van 1000-ms. Na het 1000-ms-reactievenster werden 3-foto's, elke 1 van 3 mogelijke fruitsoorten - een kiwi, een peer of een paar kersen - opeenvolgend gepresenteerd, van links naar rechts in de fruitmachines, elke 1500 ms (zie Fig 1).
Voorbeeld van (a) een proef en (b) mogelijke uitkomstmeldingen voor de Slot Machine-taak. Na een 1000-ms tijdvenster waarin deelnemers konden reageren op de cue, verschenen 3-foto's achtereenvolgens elke 1500-ms, resulterend in 3-testtypen: XXX, XXY of XYZ. Deelnemers wonnen € 0.05 bij elke XXX proef en wonnen niet in de andere voorwaarden.
Foto's werden gepresenteerd in 3 mogelijke bestellingen: 1) 3 verschillende afbeeldingen (bijv. Kiwi-perenbomen, XYZ-proeven genoemd), 2) 2 identiek en 1 ander beeld (bijv. Kiwi-kiwi-kersen, aangeduid als XXY trials), of 3) 3 identieke afbeeldingen (bijv. kiwi-kiwi-kiwi, aangeduid als XXX trials). Deze 3-testtypen vertegenwoordigen 3-experimentele omstandigheden. De volgorde waarin de onderzoeken werden gepresenteerd, werd gerandomiseerd en deelnemers kregen een nieuwe combinatie van de 3-foto's bij elke proef te zien.
Deelnemers kregen van tevoren de instructie dat ze € 0.05 zouden winnen bij elke XXX proef en dat ze geen geld zouden krijgen voor de andere soorten onderzoeken. Wanneer deelnemers niet reageerden tijdens de presentatie van de cue-presentatie van de 1000, stopte de proef en ontving ze een boete van € 0.10. Dit gebeurde op minder dan 5% van de onderzoeken. Aan het einde van het experiment werden de totale winsten (€ 1.50) toegevoegd aan het bedrag dat deelnemers ontvingen als vergoeding voor deelname aan het onderzoek.
MRI Data Acquisition
Trials werden gepresenteerd in de loop van 2 event-gerelateerde scans die elk ongeveer 7 min. Duurden. De visuele stimuli werden geprojecteerd op een scherm dat deelnemers konden zien via een spiegel die aan de kopspoel was bevestigd. Tijdens het scannen kregen deelnemers een totaal van 120-onderzoeken te zien waarin XXX-, XXY- en XYZ-proeven werden vermengd, zodat 60 XYZ-trials, 30 XXY- en 30 XXX-onderzoeken in totaal werden gepresenteerd, met 60-proeven in elke run. Leeftijdsafhankelijke verschillen in respons op beloningen kunnen worden beïnvloed door een langzame rijping van het vermogen om kansen te leren en risico's te voorspellen. We controleerden deze mogelijkheid door de opeenvolgende 3-stimuli in pseudowillekeur te presenteren om de onzekerheid te maximaliseren. Bij alle onderzoeken na presentatie van de eerste afbeelding was de kans dat de volgende afbeelding in de reeks van 3 hetzelfde was altijd 50%. Op dezelfde manier, nadat 2 identieke afbeeldingen waren gepresenteerd, was de kans dat de derde afbeelding hetzelfde was 50% (50% XYZ, 25% XXY en 25% XXX-onderzoeken, volgend op Donkers et al. 2005). Perioden van fixatie die duurden tussen 1 en 3 s, die in stappen van 500 ms werden getroubleerd, werden tussen de experimentele proeven toegevoegd.
Het scannen is uitgevoerd met een standaard whole-head coil op een 3-T Philips-scanner in het LUMC. Functionele gegevens werden verkregen met behulp van een T2* -gewogen gradiënt-echo echo-planaire pulssequentie (38 aaneengesloten axiale 2.75-mm plakjes, gebruikmakend van verweven acquisitie, tijdsherhaling = 2.211 s, tijdsecho = 30 ms, 2.75 × 2.75 mm resolutie in het vlak, 230 volumes per run ). De eerste 2-volumes van elke scan zijn weggegooid T1-versterkingseffecten. Hoge resolutie T2* -gewogen afbeeldingen en een hoge resolutie T1-anatomische afbeeldingen werden verzameld aan het einde van de scansessie. De hoofdbeweging was beperkt met behulp van een kussen en schuimrubberen inserts die het hoofd omgaven.
fMRI Preprocessing en statistische analyse
Gegevensvoorbewerking en analyse werden uitgevoerd met behulp van SPM2 (Wellcome Department of Cognitive Neurology). Afbeeldingen werden gecorrigeerd voor verschillen in timing van slice-acquisitie, gevolgd door rigide body motion-correctie. Structurele en functionele volumes werden ruimtelijk genormaliseerd naar T1 en echo-planaire beeldvormingssjablonen, respectievelijk. Het normalisatie-algoritme gebruikte een 12-parameter affiene transformatie samen met een niet-lineaire transformatie met cosinus-basisfuncties. Tijdens normalisatie werden de gegevens opnieuw bemonsterd tot 3-mm kubieke voxels. Templates waren gebaseerd op de stereotaxische ruimte van MNI305 (Cocosco et al. 1997). Functionele volumes werden geëffend met een 8-mm volledige breedte op half maximale isotrope Gausse kernel. Statistische analyses werden uitgevoerd op gegevens van individuele subjecten met behulp van het algemene lineaire model (GLM) in SPM2.
De fMRI-tijdreeksen werden gemodelleerd als een reeks gebeurtenissen die waren geconvolueerd met een canonieke hemodynamische responsfunctie (HRF) in 2 afzonderlijke modellen. We modelleerden elke proef in de 3 verschillende omstandigheden (XXX, XXY en XYZ) als een gebeurtenis met een duurloze duur rond de aanvangstijden van de tweede stimulus in een eerste model en rond de aanvangstijden van de derde stimulus in een tweede model. Foutonderzoeken, gedefinieerd als die onderzoeken waarbij de deelnemer niet reageerde in het cue-venster van 1000, werden afzonderlijk gemodelleerd en werden uitgesloten van de fMRI-analyses.
Voor elke deelnemer werden de parameterschattingen van de hoogte van de best passende canonieke HRF voor elke conditie gebruikt in paarsgewijze contrasten. Voor het eerste model hebben we contrastbeelden berekend voor de vergelijking van XXY en XYZ (dwz het vergelijken van de situatie waarbij deelnemers voor het eerst 2-foto's hadden gezien die hetzelfde waren [XX] versus 2-foto's die anders waren [XY]), wat onthulde hersenactivatiepatronen gerelateerd aan de "anticipatie" van de uitkomst van onderzoeken, gebaseerd op de hypothese dat adolescenten gevoeliger zijn voor potentiële beloningen dan volwassenen. Voor het tweede model hebben we contrastbeelden berekend voor de vergelijking van XXX- en XXY-omstandigheden, waarbij hersenactivatiepatronen werden vergeleken die verband hielden met de verwerking van de uitkomst van onderzoeken. De resulterende contrastbeelden die voor elke deelnemer zijn berekend, werden onderworpen aan tweedelige groepsanalyses. Op het niveau van de groep werden de contrasten van de hele hersenen tussen de omstandigheden berekend door het uitvoeren van eenstaartige t-test op deze beelden, waarbij deelnemers als willekeurig effect worden behandeld. Hele-hersen statistische kaarten werden gedrempeld op P <0.001, met een uitbreidingsdrempel van 5 aaneengesloten voxels.
Statistische analyses: leeftijdsafhankelijke verschillen
Omdat we vooral geïnteresseerd waren in het patroon van activering gerelateerd aan outcome-anticipatie en uitkomstverwerking in de verschillende 3-leeftijdsgroepen, voxelwise variantieanalyses (ANOVA's) uitgevoerd om regio's te identificeren die leeftijdsgebonden verschillen in activering vertoonden. We testten voor lineaire (-1 0 1), kwadratische (-0.5 1 -0.5) en kromlijnige (1 -0.5 -0.5), (-0.5 -0.5 1) effecten in de contrasten van XXY-XYZ voor het eerste model ( outcome anticipation) en XXX-XXY voor het tweede model (outcome-verwerking). ANOVA's werden als significant beschouwd bij een statistische drempelwaarde van 0.001 die niet was gecorrigeerd voor meerdere vergelijkingen, met een uitbreidingsdrempel van aaneengesloten voxels van 5.
Beeldvormingsresultaten: Analyse van interessegebieden
We gebruikten de MARSBAR-toolbox voor gebruik met SPM2 (Brett et al. 2002) om regio-van-belang (ROI) analyses uit te voeren om activeringspatronen verder te karakteriseren. We creëerden bolvormige ROI's van 6-mm gecentreerd op de piekactiviteit voxel in de regio's die werden geïdentificeerd in de ANOVA's voor het testen op leeftijdsafhankelijke verschillen. Daarnaast hebben we MARSBAR gebruikt om bloedzuurstofniveau-afhankelijke activiteitstijdreeksen te extraheren in deze ROI's door het gemiddelde te nemen van de tijdvakken voor de verschillende experimentele condities vanaf het begin van elke test. Deze tijdcursussen worden voor illustratieve doeleinden weergegeven in Cijfers 2 en 3.
Hele-hersenresultaten voor de 0- tot 12-jarige, 14- tot 15-jarige en 18- tot 23-jarige deelnemers gerelateerd aan de verwachting van mogelijke beloning voor het contrast van XXY> XYZ bij een P <0.001 niet-gecorrigeerde drempel (bovenpaneel); Sferische ROI's van 6 mm en gemiddelde tijdsverloop voor de 3 leeftijdsgroepen voor de voorste insula en het striatum (onderste paneel).
Hele-hersenresultaten voor de 10- tot 12-jarige, 14- tot 15-jarige en 18- tot 23-jarige deelnemers hadden betrekking op de verwachting van een mogelijke beloning voor het contrast van XXX> XXY bij een P <0.001 niet-gecorrigeerde drempel (bovenpaneel) en XXY> XXX (in blauw); Sferische ROI's van 6 mm en gemiddelde tijdsverloop voor de 3 leeftijdsgroepen voor het striatum en OFC (onderste paneel).
Resultaten
Outcome Anticipation
We voerden een GLM-analyse uit op de functionele gegevens die waren gemodelleerd aan het begin van de tweede stimulus en berekenden het voxelgewijze contrast van XXY> XYZ voor 10–12-jarigen, 14–15-jarigen en 18–23-jarigen afzonderlijk. Deze analyses resulteerden in grotendeels overlappende activeringsgebieden voor de drie leeftijdsgroepen. In alle leeftijdsgroepen was anticipatie op de resultaten consistent geassocieerd met activering in de rechter anterieure insula (zie Fig 2, bovenste paneel). Voor 10-12-jarigen en 14-15-jarigen werd voorste insula-activatie gevonden in beide hemisferen. Bovendien toonden de leeftijdsgroepen van adolescenten activatieclusters in het ventrale striatum en dorsale cingulate cortex. Significante clusters en bijbehorende MNI-coördinaten worden vermeld in Aanvullende tabel 1.
De voxelwise-analyse van ANOVA's naar leeftijdsgebonden wijzigingen voor het XXY-XYZ-contrast resulteerde niet in significante clusters bij een drempel van P <0.001. Op een meer liberale drempel (P <0.005), onthulde de ANOVA-test voor het −1 0 1-contrast een lineaire verandering in activering met de leeftijd in de rechter anterieure insula (piek bij 42, 12, −3, z = 2.95), F1,47 = 11.24, P = 0.002. We creëerden een 6-mm bolvormige ROI gecentreerd op deze voxel en voerden een leeftijdsgroep (3) × voorwaarde (2) ANOVA uit op de gegevens die werden geëxtraheerd uit deze ROI om activeringspatronen in dit gebied verder te karakteriseren. Gemiddelde tijdreeksen voor deze ROI zijn uitgezet in het onderste paneel van Figuur 2. De ANOVA voor deze ROI resulteerde in een leeftijdscategorie × voorwaardeinteractie, F2,47 = 7.00, P = 0.002. Vervolgvergelijkingen bevestigden dat deze regio actiever was in de XXY vergeleken met de XYZ-conditie in de 10-12-jarigen, F1,16 = 11.26, P = 0.004- en 14-15-jarigen, F1,17 = 3.62, P = 0.005. Voor de 18-23-jarigen was het verschil tussen de omstandigheden niet significant (P = 0.19).
Geen leeftijdsgebonden veranderingen voor het XXY-XYZ-contrast werden gevonden in het striatum. Een ANOVA heeft onthuld dat deze regio actief was in alle leeftijdsgroepen (piek op -9, 9, 0, z = 4.57) in afwachting van de resultaten, F3,47 = 13.11, P <0.001. Zoals verwacht, resulteerden ANOVA's op de gegevens die waren geëxtraheerd uit de sferische ROI van 6 mm voor deze regio in een hoofdeffect van conditie, F1,47 = 23.73, P <0.001 en geen significante interactie met de leeftijdsgroep (P = 0.1). Deze resultaten tonen aan dat het striatum actiever was in afwachting van een potentiële beloning in dezelfde mate in alle leeftijdsgroepen. Desalniettemin suggereren vergelijkingen voor de leeftijdsgroepen afzonderlijk een grotere ventrale striatumreactie in de adolescentengroepen. Dat wil zeggen dat bij de jaarlingen van 10-12 en 14-15 de XXY-conditie resulteerde in aanzienlijk meer activering in vergelijking met de XYZ-conditie (P = 0.001 voor het hoofdeffect van de aandoening), terwijl bij volwassenen dit verschil alleen een trend in de richting van significantie vertoonde (P = 0.09).
Uitkomstverwerking
Om hersenactiveringspatronen gerelateerd aan de verwerking van uitkomsten te onderzoeken, werd een vergelijkbare GLM-analyse uitgevoerd op de functionele gegevens die waren gemodelleerd bij het begin van de derde stimulus. Opnieuw berekenden we de interessante contrasten voor 10-12-jarigen, 14-15-jarigen en 18-23-jarigen afzonderlijk. Voor het contrast van XXX> XXY (beloningsverwerking) vonden we activering in het striatum en de dorsale cingulaire cortex voor 10 - 12-jarigen en 14 - 15-jarigen (zie Fig 3, bovenste paneel). Er zijn geen significante clusters gevonden voor de 18-23-jarigen, zelfs niet bij een meer liberale niet-gecorrigeerde drempel van P <0.005. De 14-15-jarigen vertoonden ook activering in de linker laterale PFC.
Een GLM voor het omgekeerde contrast van XXY> XXX (verwerking van weggelaten beloning) onthulde geen significante clusters voor zowel de 10-12-jarigen als de 14-15-jarigen. Daarentegen bleek een regio in de linker OFC beter te reageren op weggelaten beloningen bij 18-23-jarigen bij een niet-gecorrigeerde drempel van P <0.001. Een overzicht van significante clusters en bijbehorende MNI-coördinaten wordt gerapporteerd in Aanvullende tabel 2.
De voxelwise ANOVA-tests voor leeftijdsgerelateerde veranderingen voor het XXX-XXY-contrast bevestigden de bevindingen van het hele brein voor het XXX> XXY-contrast door aan te tonen dat activering in het striatum verschilde tussen adolescenten en jonge volwassenen. Bij een niet-gecorrigeerde drempel van P <0.001, onthulde de ANOVA-test voor het contrast van −0.5 1 −0.5 een cluster in het ventrale striatum (piek op 12, 9, −15, z = 3.68) met een kwadratisch ontwikkelingspatroon, F1,47 = 17.64, P <0.001. De leeftijdsgroep (3) × conditie (2) ANOVA op de gegevens geëxtraheerd uit de sferische ROI van 6 mm gecentreerd op deze voxel onthulde dat deze regio actiever was in de XXX vergeleken met de XXY-conditie bij 14-15-jarigen F1,17 = 22.84, P <0.001 maar verschilden niet tussen de condities bij de 10−12-jarigen (P = 0.41) en 18-23-jarigen (P = 0.12) (zie Fig 3, onderste paneel).
De complete breincontrasten voor de afzonderlijke leeftijdsgroepen onthulden een regio in de laterale OFC, die reageerde op weglating van beloningen in de volwassen groep. Deze bevinding werd bevestigd met een ANOVA-test voor een kromlijnige ontwikkelingstrend met het -0.5 -0.5 1 contrast dat resulteerde in een regio in laterale OFC (piek bij -27, 48, -3, z = 3.05), F1,47 = 11.99, P = 0.001 (zie Fig 3, onderste paneel). ANOVA's op de bolvormige ROI van 6-mm voor deze regio resulteerden in een voorwaarde × leeftijdsgroepinteractie F2,47 = 8.67, P = 0.001. Vervolgvergelijkingen bevestigden dat deze regio alleen een toegenomen respons vertoonde op weglating van beloningen vergeleken met ontvangen beloningen bij de 18-23-jarigen F1,14 = 7.38, P = 0.02.
Discussie
Deze studie werd gemotiveerd door de vraag hoe adolescenten verschillen van volwassenen in hun gevoeligheid voor onzekere beloning. We onderzochten het ontwikkelingspad van hersenactivatie gerelateerd aan de verwerking van onzekere beloningen tijdens de anticipatie- en uitkomstfasen. Eerdere studies hebben inconsistente bevindingen over de verwerking van adolescentenbeloningen gerapporteerd, die beide "overactief" laten zien (Galvan et al. 2006) en "niet actief" (Bjork et al. 2004) stimuleringsgerelateerde neurocircuits in de adolescentie. De huidige studie verschilde van deze eerdere studies doordat we een paradigma gebruikten, wat resulteerde in een probabilistische beloning die niet afhankelijk was van gedrag. Deze aanpak stelde ons in staat om fundamentele verschillen in beloningsgevoeligheid onder onzekerheid te onderzoeken. Daarnaast onderzochten we neurale verschillen in verschillende leeftijdsklassen van 3: 10-12-jarigen, 14-15-jarigen en 18-23-jarigen, waardoor we konden testen op verschillende patronen van leeftijdsgerelateerde veranderingen.
De studie leverde de 2 belangrijkste resultaten op: 1) bij het anticiperen op onzekere beloningen vertoonden alle leeftijdsgroepen verhoogde activatie in het striatum, maar een cluster in de voorste insula vertoonde een lineaire afname in activeringsvorm vroege adolescentie tot volwassenheid en 2) bij het verwerken van de uitkomst van studies, midden-adolescenten waren meer ontvankelijk voor ontvangen beloningen zoals aangegeven door verhoogde activering in het ventrale striatum, terwijl jongvolwassenen het meest reageerden op weglating van beloningen zoals aangegeven door verhoogde activering in de OFC. Over het algemeen ondersteunen onze bevindingen de hypothese dat de midden adolescentie wordt gekenmerkt door overactieve stimulatie-gerelateerde neurocircuits, maar we laten zien dat dit effect het meest uitgesproken is tijdens de fase van de ontvangst van de beloning. In het licht van de resultaten van eerdere studies, geven deze resultaten de voorkeur aan de hypothese dat overactieve aan beloning gerelateerde circuits en onvolgroeide PFC-circuits mogelijk adolescenten in staat stellen risico's te nemen (zie ook Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006; Casey, Getz, et al. 2008).
Ontwikkelingsveranderingen in Outcome Anticipation
Anticipatie op uitkomsten werd geassocieerd met activatie in het striatum en de voorste insula toen de eerste 2-stimuli identiek waren en de mogelijkheid om te winnen aangaf. Activering in de insula vertoonde een lineaire afname met de leeftijd; deze regio was het meest actief in 10-12-jarigen, minder actief bij 14-15-jarigen en het minst actief bij 18-23-jarigen bij het anticiperen op beloning. In het paradigma dat we gebruikten, was het anticiperen op potentiële beloning geassocieerd met maximale onzekerheid. Na presentatie van 2 van dezelfde afbeeldingen was de kans dat de derde afbeelding hetzelfde of verschillend zou zijn, gelijk. Wanneer daarentegen de tweede foto anders was dan de eerste, was een beloning niet langer mogelijk en als gevolg daarvan was er geen onzekerheid verbonden aan de anticipatie op de uitkomst. De leeftijdsgerelateerde verandering in activatie van de voorste insula zou daarom de verschillen in 2-processen: 1) positieve opwinding in verband met het anticiperen op het ontvangen van een beloning of 2 kunnen weerspiegelen) de onzekerheid bij het anticiperen op een onbekende uitkomst.
Onze resultaten komen overeen met de resultaten van recente studies, die de voorste insula hebben geïmpliceerd in situaties waarin beslissingen verband houden met onzekerheid (Paulus et al. 2003; Volz et al. 2003; Huettel et al. 2005; Huettel 2006; Volz en von Cramon 2006). De voorste insula zijn vaak betrokken bij de ervaring van psychofysiologische opwinding. Er is gesuggereerd dat de insula-hulp besluitvorming door het weerspiegelen van het autonome zenuwstelsel reacties op het risico in verband met een beslissing (Bechara 2001; Critchley et al. 2001; Paulus et al. 2003). Grote autonome signalen voorafgaand aan een nadelige beslissing zijn gesuggereerd om te dienen als een waarschuwingssignaal dat bescherming biedt tegen het nemen van risico's (Bechara et al. 1997). In het licht van deze hypothese lijkt de toegenomen insula-respons bij jongere adolescenten tegenstrijdig. Andere studies hebben echter gesuggereerd dat dit autonome signaal de saillantie weerspiegelt van de beslissing die moet worden genomen (Tomb et al. 2002), en eerdere ontwikkelingsstudies hebben aangetoond dat kinderen autonome signalen ervaren bij het anticiperen op risicovolle beslissingen, maar deze signalen niet gebruiken om hun beslissingen te optimaliseren (Crone en van der Molen 2004, 2007; Crone et al. 2005). In de huidige studie kan de toegenomen insulaactivering bij jonge adolescenten de onvolgroeidheid van deze regio weerspiegelen. De jongste deelnemers hadden een toegenomen psychofysiologische opwinding kunnen ervaren in verband met de onzekerheid die gepaard ging met het anticiperen op een mogelijke beloning. Hoewel we geen subjectieve beoordelingen van affect verzamelden, hebben eerdere studies geprobeerd om ervaren affect en patronen van hersenactivatie te correleren. Een recente studie toonde aan dat, hoewel de activatie in het ventrale striatum correleerde met het gerapporteerde positieve effect, de activatie in de anterieure insula correleerde met zowel het positieve als het negatieve gerapporteerde effect (Samanez-Larkin et al. 2007). De resultaten van deze studie suggereren dat de voorste insula kan bijdragen aan de besluitvorming door algemene opwinding in onzekere situaties weer te geven.
Huettel (2006) gedissocieerde onzekerheid met betrekking tot de hoeveelheid potentiële beloning die kan worden behaald (beloningsrisico) en onzekerheid met betrekking tot de optimale respons (gedragsrisico). Hij toonde aan dat activatie in de voorste insula selectief werd beïnvloed door onzekerheid met betrekking tot reactieselectie. Onze resultaten dragen bij aan deze bevinding door te laten zien dat de voorste insula betrokken is in onzekere situaties in de afwezigheid van reactieselectie, wat suggereert dat deze regio een meer algemene rol kan spelen in het representeren van de onzekerheid van de uitkomsten. Een recente studie (Preuschoff et al. 2008) toonde aan dat de voorste insula de mate van onzekerheid weerspiegelt op een manier die vergelijkbaar is met die waarin het striatum gevoelig is voor de omvang van de beloning. De auteurs suggereren dat de anterieure insula processen zou kunnen ondersteunen die vergelijkbaar zijn met de beloningspredictiefouten in het striatum. De lineaire afname in activatie in dit gebied toont aan dat de insula-functie aan de voorzijde onvolwassen is in de adolescentie en kan worden opgevat als een grotere moeilijkheid bij adolescenten om het risico te schatten dat is verbonden aan een onzekere situatie. Mogelijk verwachtten adolescenten meer beloning vergeleken met volwassenen in de huidige studie omdat ze niet wisten dat het optreden van beloningen onvoorspelbaar was. Alles bij elkaar genomen, kan de verhoogde respons in de voorste insula bij het anticiperen op een onzekere beloning de adolescenten ertoe aanzetten om meer risico's te nemen.
Een verklaring die moet worden overwogen, is dat de verhoogde activering in de voorste insula een negatief effect weerspiegelt. Niet winnen kan geassocieerd worden met meer ervaren negatieve opwinding wanneer het optreedt aan het einde van de proef (XXY) in vergelijking met wanneer het optreedt bij de presentatie van de tweede foto (XYZ). Hoewel we de HRF aan het begin van de tweede stimulus schatten, volgde de derde stimulus later 1.5 s. Daarom is het mogelijk dat de waargenomen neurale respons wordt beïnvloed door de derde stimulus. In toekomstige studies zal het belangrijk zijn om verder het effect van zowel de mate van risico / onzekerheid als de hoeveelheid beloning op de besluitvorming van adolescenten te onderzoeken. Gezien de mogelijke focus van de adolescentengroep op beloning, zou het interessant zijn om te testen of de neurale systemen die reageren op onzekerheid hetzelfde reageren wanneer de valentie van de uitkomst negatief is, dat wil zeggen, wanneer de XXX conditie een verlies zou weergeven in plaats van krijgen.
Ontwikkelingsveranderingen in de uitkomstverwerking
Zoals verwacht resulteerde het winnen van geld in verhoogde activering in het ventrale striatum. Deze bevinding repliceert eerdere onderzoeken die hebben aangetoond dat deze regio reageert op beloningen (Knutson et al. 2001; McClure et al. 2003; Huettel 2006). Interessant is dat striatale activering na een overwinning piekte in 14-15-jarigen en minder uitgesproken was in 10-12-jarigen en 18-23-jarigen, in overeenstemming met de hypothese dat deze regio responsiever is bij adolescenten (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Casey, Getz, et al. 2008).
In de huidige studie vonden we de piek in responsiviteit van het ventrale striatum in de middelste adolescentie alleen voor verwerking van beloningen en niet voor anticipatie op beloning. Deze bevinding is niet consistent met eerdere onderzoeken, die een toename in activering in deze regio meldden voordat de beloningen daadwerkelijk werden geleverd. Deze eerdere resultaten zijn genomen om een rol te suggereren voor het ventrale striatum bij het voorspellen en anticiperen op de uitkomsten (Knutson et al. 2001; Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006; Huettel 2006). Onze bevindingen suggereren echter dat de piek in ventrale striatumreactie bij adolescenten alleen wordt gevonden voor het ontvangen van beloningen. In eerdere experimenten signaleerden de cues potentiële beloningen en lieten ze toe voor beloningsvoorspelling, daarom zou activering in het ventrale striatum in deze studies een vroege reactie kunnen zijn op "weten" dat de beloning zal volgen in plaats van te anticiperen op de "mogelijkheid" van een beloning. Deze gegevens kunnen ook worden gebruikt om te suggereren dat adolescenten hun kansen op het verkrijgen van een beloning of het vermogen om een beloning te krijgen overschatten. We suggereren dat in de huidige studie een piek in activering in het ventrale striatum niet werd waargenomen tot de feitelijke beloning omdat het ontwerp van de taak de onzekerheid maximaliseerde en geen beloningsvoorspelling toestond. Hoewel de anticipatieresultaten geen statistisch significante piek in activering vertoonden en geen interactie tussen leeftijd en conditie in het ventrale striatum, duidden follow-upanalyses erop dat de anticiperende striatumrespons groter was voor jonge en gemiddelde adolescenten ten opzichte van volwassenen. Toekomstige studies zouden de anticipatie- versus uitkomstresultaten in meer detail moeten bestuderen.
Ten slotte vertoonden jonge volwassenen, maar niet vroege en middelste adolescenten, verhoogde activering in de linker laterale OFC na het weglaten van de beloningen. Lateraal OFC is eerder betrokken geweest bij het verwerken van straf (O'Doherty et al. 2001). De OFC is sterk verbonden met zowel appetitive circuits als andere regio's binnen de PFC, en recentelijk is gesuggereerd dat OFC een integratieve functie heeft door de respons van de hersenen op affectieve informatie te sturen en affectieve besluitvorming te begeleiden door een representatie van verwachtingen met betrekking tot de beloning online (voor beoordelingen, zie O'Doherty 2007 en Wallis 2007). De respons van laterale OFC bij jonge volwassenen kan daarom wijzen op de behoefte aan meer aandacht en aanpassing van het gedrag na negatieve uitkomsten. Opgemerkt moet worden dat de OFC een heterogene regio is en dat veel vragen met betrekking tot zijn rol in doelgericht gedrag en besluitvorming en bijbehorende veranderingen met ontwikkeling moeten worden getest in toekomstige studies. De bevinding dat deze regio betrokken is bij de verwerking van ongunstige uitkomsten bij volwassenen, maar niet bij vroege en middelste adolescenten, is consistent met de hypothese dat netwerken in de hersenen die verband houden met verwerking van hogere orde en cognitieve controlefuncties pas laat in de adolescentie tot stand komen (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006).
Conclusies
De huidige bevindingen kunnen worden geïnterpreteerd in het licht van recente verslagen die een neuropsychologische verklaring voor gedrag van adolescenten zoeken. Zowel het Social Information Processing Network (SIPN) (Nelson et al. 2005) en het Triadische Model (Ernst et al. 2006) bevatten een appetijtcomponent en een cognitieve / regulatorische component. In deze modellen wordt het gedrag van adolescenten gekenmerkt door een sterk eetlustgevoelensysteem en een relatief zwak controlesysteem. Het SIPN-model (Nelson et al. 2005) suggereert dat de hersenstructuren die ten grondslag liggen aan de appetitieve component reageren op gonadale hormonen en worden geactiveerd aan het begin van de puberteit, in tegenstelling tot cognitieve structuren die een langzamere ontwikkeling volgen.
Het passieve paradigma dat in dit onderzoek werd gebruikt, stelde ons niet in staat om vragen op te lossen over de manier waarop verschillen in het neurale substraat van beloningverwerking en risicoperceptie tussen adolescenten en volwassenen bijdragen tot gemotiveerd gedrag bij adolescenten en volwassenen. Het is belangrijk om deze relatie en het ontwikkelingspad te verhelderen, omdat risicovol gedrag van adolescenten ernstige gevolgen kan hebben (Steinberg 2004; Fareri et al. 2008). De bevinding dat beloningsgerelateerde hersenregio's in de adolescentie beter reageren, zelfs wanneer beloningen geen verband houden met gedrag en klein, suggereert fundamentele verschillen in de manier waarop onzekere beloningen worden verwerkt op verschillende leeftijden. Om de ecologische validiteit van deze bevindingen te beoordelen, moeten toekomstige studies individuele verschillen in bijvoorbeeld sensatie zoeken, temperament en geslacht in aanmerking nemen en deze regio's met behulp van meer complexe taken onderzoeken. Een tweede beperking van deze studie is dat we geen directe metingen van de puberteit hebben verkregen, wat ons vermogen beperkt om de bijdrage van puberale veranderingen aan de verschillen tussen de 10-12- en 14-15-jarigen te interpreteren. Toekomstige studies moeten proberen om leeftijdgerelateerde veranderingen nauwer te relateren aan veranderingen geassocieerd met puberale ontwikkeling.
Samengevat tonen onze bevindingen aan dat hersenactivatiepatronen gerelateerd aan uitkomstverwachtingen bij afwezigheid van gedrag te onderscheiden zijn van die gerelateerd aan de verwerking van uitkomsten. Anticiperen op onzekere beloning is geassocieerd met activering in de voorste insula en striatum. In het bijzonder vertoont activatie in de voorste insula een lineaire ontwikkelingstrend en neemt af van vroege adolescentie tot jonge volwassenheid. De verwerking van de beloning is daarentegen geassocieerd met een piek in activering in het ventrale striatum bij 14-15-jarigen en 10-12-jarigen in mindere mate. Interessant is dat 18-23-jarigen het meest gevoelig zijn voor weggelaten beloningen, en activering laten zien in laterale OFC-regio's. Deze bevindingen ondersteunen de hypothese dat adolescentie wordt gekenmerkt door een onbalans in de rijping van affectieve en regulerende hersenschakelingen (May et al. 2004; Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006). De huidige gegevens tonen aan dat op een basisniveau van verwerking adolescenten beter inspelen op verwachte en ontvangen beloningen en risico's in verband met onzekerheid in vergelijking met volwassenen.
Aanvullend materiaal
Aanvullend materiaal is te vinden op: http://www.cercor.oxfordjournals.org/.
Financiering
Onderzoek door auteurs (EAC en SARBR) wordt mogelijk gemaakt door NWO VENI / VIDI-beurzen.
Referenties
;
