kilde
Sackler Institute for Development Psychobiology, Weill medisinsk høyskole av Cornell University, New York, New York, 10021, USA. [e-postbeskyttet]
Abstrakt
Ungdomsår har vært preget av risikotagende atferd som kan føre til fatale utfall. Denne studien undersøkte den nevrobiologiske utviklingen av nevrale systemer involvert i belønningssøkende atferd. Trettisju deltakere (7-29 år) ble skannet ved hjelp av hendelsesrelatert funksjonell magnetisk resonansavbildning og et paradigme som parametrisk manipulerte belønningsverdier. Resultatene viser overdreven accumbens-aktivitet, i forhold til prefrontal aktivitet hos ungdom, sammenlignet med barn og voksne, som så ut til å være drevet av forskjellige utviklingstrekk for disse regionene. Accumbens aktivitet hos ungdommer så ut som den voksne både i aktivitet og følsomhet for belønningsverdier, selv om størrelsen på aktiviteten var overdrevet. I motsetning til dette så omfanget av orbital frontal cortex-aktivitet hos ungdommer mer ut som hos barn enn voksne, med mindre fokusmønstre for aktivitet. Disse funnene antyder at modning av subkortikale systemer blir uforholdsmessig aktivert i forhold til senere modning av top-down-kontrollsystemer, og forstyrrer den ungdommens handlinger mot umiddelbar og langvarig gevinst.
Introduksjon
Utbrudd av rusmisbruk forekommer ofte i den økte risikotakningsperioden for ungdomsårene (Silveri et al., 2004). Det er lite kjent for tiden om nevrobiologiske faktorer som kan predisponere ungdom for økt risikotaking. Hos voksne har mesolimbiske regioner blitt involvert i belønning (Knutson et al., 2001; Elliott et al., 2003; McClure et al., 2004), risikotaking (Kuhnen og Knutson, 2005), og avhengighet (Hyman og Malenka, 2001; Volkow et al., 2004), men mindre er kjent om utviklingen av disse systemene. Formålet med denne studien var å teste hypotesen om at ungdomsår er en utviklingsperiode med økt responsivitet mot belønning i forhold til barndommen og voksenlivet. Spesifikt undersøkte vi om forskjeller i utviklingen av subkortisk [f.eks. Nucleus accumbens (NAcc)] i forhold til prefrontale regioner (OFC), kan karakterisere denne utviklingsperioden for å bidra til å forklare økningen i risikotakende atferd .
Ungdom er preget av fortsatt strukturell og funksjonell utvikling av frontostriatalkretsene som er involvert i atferdsregulering. Periadolescent rotter viser økning i belønningsrelatert dopamintransmisjon i striatumet (Laviola et al., 1999), og ikke-humane primater viser økt dopaminerge innervering i prefrontal cortex (PFC) (Rosenberg og Lewis, 1994, 1995). Human imaging studier viser endringer i frontostriatal region (Giedd et al., 1999; Sowell et al., 1999; Casey et al., 2005) som ser ut til parallell økt kognitiv kontroll (Casey et al., 1997; Rubia et al., 2000; Luna et al., 2001; Luna og Sweeney, 2004; Steinberg, 2004). Disse endringene ser ut til å vise aktiveringsskift i prefrontale regioner fra diffus til mer fokalrekruttering over tid (Casey et al., 1997; Bunge et al., 2002; Moses et al., 2002; Durston et al., 2006). Neuroimaging studier kan ikke definitivt karakterisere mekanismen for slike utviklingsendringer (f.eks. Synaptisk beskjæring, myelinisering). Disse volum- og strukturendringene kan imidlertid gjenspeile forfining og finjustering av gjensidige fremspring fra disse hjerneområdene under modning. Således er denne tolkningen bare spekulativ.
Nylig har neuroimaging-studier begynt å undersøke lønnsrelatert behandling hos ungdom og har vist NAcc-aktivering som vist hos voksne (Bjork et al., 2004; May et al., 2004; Ernst et al., 2005). Resultatene er imidlertid blandet med hvordan ungdom og voksne er forskjellige i aktivitet. Disse studiene har først og fremst fokusert på regionen accumbens i stedet for OFC ved å undersøke endringer. Videre har liten oppmerksomhet blitt gitt til å karakterisere NAcc og OFC utvikling fra barndommen gjennom voksen alder. Sporing av denne utviklingen gir ytterligere begrensninger om hvorvidt endringer rapportert i ungdomsårene er spesifikke for denne utviklingsperioden eller reflekterer modningsbaserte endringer.
Her brukte vi funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) for å undersøke atferdsmessige og neurale responser for å belønne verdi manipulasjoner over utvikling. Vi fokuserte på NAcc og OFC gitt tidligere rapporter i dyr (Hikosaka og Watanabe, 2000; Pecina et al., 2003), bildebehandling (O'Doherty et al., 2001; Zald et al., 2004), og avhengighet (Hyman og Malenka, 2001) studier som induserer dem i belønningsrelatert læring. Basert på gnagermodeller (Laviola et al., 1999; Spyd, 2000) og tidligere bildearbeid (Ernst et al., 2005), antydet vi at i forhold til barn og voksne ville ungdommer vise en overdrevet accumbens respons som tyder på raffinerte fokal aktiveringer i accumbens i denne perioden, i samarbeid med mindre modne aktiveringer i topp-ned PFC regioner.
Materialer og metoder
Deltakere.
Seksten barn (syv kvinner, alderen 7-11, med en alder av 9.8 år), 13 ungdommer (seks kvinner, alderen 13-17, med en alder av 16 år) og 12 høyrehendte voksne voksne (seks kvinner 23-29, med en gjennomsnittlig alder av 25 år) deltok i fMRI-eksperimentet. En separat statistisk analyse av de voksne dataene ble tidligere rapportert (Galvan et al., 2005). Tre barn og en ungdom ble ekskludert fra analysen på grunn av overdreven bevegelse (> 2 mm). Bevegelse var> 0.5 vokser (1.56 mm) i hvilken som helst retning for to personer (ett barn og en voksen) inkludert i analysen. Å eliminere disse fagene fra analysen endret ikke resultatene, og de forskjellige aldersgruppene skilte seg ikke signifikant i bevegelse i flyet (voksne: x = 0.48, y = 0.76, z = 0.49; ungdom: x = 0.26, y = 0.58, z = 0.45; barn: x = 0.18, y = 0.76, z = 0.36). Emner hadde ingen historie om nevrologisk eller psykiatrisk lidelse, og de ga hverandre informert samtykke (foreldres samtykke og barns samtykke til ungdom og barn) for en protokoll godkjent av Institutt for gjennomgang av Weill Cornell Medical College of Cornell University. Forsøket på ungdom og barn ble simulert i en mock scanner før forsøket, der de ble utsatt for lydene de ville høre under selve eksperimentet.
Eksperimentell oppgave.
Deltakerne ble testet ved hjelp av en tilpasset versjon av en forsinket respons tovalgsoppgave tidligere brukt i ikke-menneskelige primater (Cromwell og Schultz, 2003) og beskrevet tidligere (Galvan et al., 2005) i en hendelsesrelatert fMRI-studie (Fig. 1). I denne oppgaven ble tre signaler (motvekt) hver knyttet til en tydelig belønningsverdi. Emner ble instruert til å trykke enten på deres indeks eller langfinger for å indikere siden som en cue dukket opp når du ble bedt om det, og å svare så raskt som mulig uten å gjøre feil.
Behavioral paradigme. Venstre panel, tre signaler ble hver sammenkoblet med en tydelig belønningsverdi (motvekt mellom fagene) som forblev konstant gjennom eksperimentet. Høyre panel, paradigmet besto av en cue, respons og belønning som var midlertidig skilt i tide med 12 s ITI. Total prøve lengde var 20 s.
Stimulasjonsparametrene var som følger. En av tre piratkopierte tegneseriebilder ble presentert i pseudorandom rekkefølge på enten venstre eller høyre side av en sentrert fiksering for 1000 ms (Fig. 1). Etter en 2000 ms forsinkelse ble fagpersoner presentert med en responsprompt på to skattekister på begge sider av fikseringen (2000 ms) og instruert å trykke en knapp med høyre pekefinger hvis piraten var på venstre side av fikseringen eller deres høyre langfinger hvis piraten var på høyre side av fikseringen. Etter en annen 2000 ms forsinkelse ble belønning tilbakemelding av enten en liten, middels eller stor mengde mynter presentert i midten av skjermen (1000 ms). Hver pirat var forbundet med en distinkt belønningsbeløp. Det var et 12 s intertrialintervall (ITI) før starten av neste prøveperiode. Total prøve lengde var 20 s. Emner ble ikke belønnet hvis de ikke klarte å svare, eller hvis de gjorde en feil; i begge tilfeller mottok de en feilmelding da de normalt mottok belønning tilbakemelding.
Emner ble garantert $ 50 for deltakelse i studien, og ble fortalt at de kunne tjene opptil $ 25 mer, avhengig av ytelse (som indeksert av reaksjonstid og nøyaktighet) på oppgaven. Selv om belønningsbeløpene var tydelig forskjellig fra hverandre, ble den eksakte verdien av hver belønning ikke avslørt for emnet, for i løpet av pilotstudier rapporterte fagene å telle pengene etter hvert forsøk, og vi ønsket å unngå denne mulige distraksjon. Stimuli ble presentert med det integrerte funksjonelle bildesystemet (PST, Pittsburgh, PA) ved hjelp av en LCD-skjerm med flytende krystalldisplay i boringen av magnetisk resonans (MR) -skanneren og en fiberoptisk responsinnsamlingsenhet.
Forsøket besto av fem forsøk på 18-forsøk (seks hver av små, mellomstore og store belønningstester), som varetok 6 min og 8 s hver. Hver løp hadde seks forsøk på hver belønningsverdi som ble presentert i tilfeldig rekkefølge. På slutten av hvert løp ble fagene oppdatert på hvor mye penger de hadde tjent i løpet av denne løp. Mengden tjent penger var konsekvent i alle fag, og alle fikk en kontinuerlig tidsplan for forsterkning (belønnet med 100% av forsøkene). Før du begynte eksperimentet, ble fagene vist de faktiske pengene de kunne tjene for å sikre motivasjon. De fikk detaljerte instruksjoner som inkluderte familiarisering med stimuliene som ble brukt. For eksempel ble emner vist de tre signalene og tre belønningsbeløp de ville se under forsøket. De ble ikke fortalt hvordan signalene var relatert til belønningene. Vi understreket eksplisitt at det var tre beløp av belønning, en som var liten, et annet medium og en annen stor. Disse beløpene er visuelt opplagte i forsøket fordi antallet mynt i stimuli øker med økende belønning. Bare ett fag kunne artikulere sammenhengen mellom spesifikke stimuli og belønningsbeløp, når den ble spurt eksplisitt om denne foreningen under debriefing av emnet ved slutten av eksperimentet.
Bildeoppkjøp.
Imaging ble utført ved hjelp av en 3T General Electric (Milwaukee, WI) MR-skanner ved hjelp av en kvadraturhodespole. Funksjonelle skanninger ble oppnådd ved hjelp av en spiral inn og ut sekvens (Glover og Thomason, 2004). Parametrene innbefattet følgende: repetisjonstid (TR), 2000 ms; ekotid (TE), 30 ms; 64 × 64 matrise; 29 5 mm koronale skiver; 3.125 × 3.125 mm i planløsning; flip, 90 ° for 184 repetisjoner, inkludert fire kasserte oppkjøp i begynnelsen av hvert løp. Anatomiske T1-vektede in-plane skanninger ble samlet (TR, 500; TE, min; 256 × 256; synsfelt, 200 mm; 5 mm skive tykkelse) på samme steder som de funksjonelle bildene i tillegg til en tredimensjonal Datasett med skjult oppgradering av gradient-tilbakekallet oppløsning med høy oppløsning i stabile bilder (TR, 25; TE, 5; 1.5 mm skive tykkelse; 124 skiver).
Bildeanalyse.
Programvarepakken Brainvoyager QX (Brain Innovations, Maastricht, Nederland) ble brukt til å utføre en random-effektanalyse av bildedataene. Før analysen ble følgende forhåndsbehandlingsprosedyrer utført på de rade bildene: tredimensjonal bevegelseskorreksjon for å oppdage og korrigere for små hodebevægelser ved romlig tilpasning av alle volumer til første volum ved stiv kroppstransformasjon, skive skanningstidskorreksjon (ved bruk av sinc-interpolering ), lineær trendfjerning, høypasset temporalt filtrering for å fjerne ikke-lineære drift av tre eller færre sykluser per tidskurs, og romlig datautjevning ved hjelp av en Gauss-kjernen med en 4 mm full bredde ved halvmaksimal. Estimerte rotasjons- og oversettelsesbevegelser overskred aldri 2 mm for emner som inngår i denne analysen. Funksjonsdata ble korrelert til det anatomiske volumet ved justering av tilsvarende punkter og manuelle justeringer for å oppnå optimal passform ved visuell inspeksjon og ble deretter transformert til Talairach-rom. Funksjonsvoksene ble interpolert fra oppkjøpsvokselstørrelsen på 48.83 mm3 til en oppløsning på 1 mm3 under Talairach transformasjon. NAcc og OFC ble definert av Talairach koordinater i forbindelse med Duvernoy hjernen atlasen (Talairach og Tournoux, 1988; Duvernoy, 1999).
Den første omnibus-generelle lineære modellen (GLM) -analysen inkluderte alle emner og alle kjører over hele prøven (i forhold til pretrial-basislinjen) for å bestemme regioner som er følsomme for belønning (NAcc og OFC). For å sikre at statistiske analyser ble utført i de samme regionene for hver aldersgruppe, ble det utført separate GLM-analyser. Hver gruppe viste aktivering i NAcc og OFC basert på en belønning versus baseline kontrast. Lokalisering av disse områdene ble ytterligere bekreftet for hver gruppe separat ved Talairach-koordinater i forbindelse med Duvernoy hjernen atlasen (Talairach og Tournoux, 1988; Duvernoy, 1999) som beskrevet ovenfor. Tidligere metodologisk arbeid har vist at den stereotaktiske registreringen og tidsforløpet av hemodynamisk respons gjennom tider som ble testet i den nåværende studien, ikke er ulik (Burgund et al., 2002; Kang et al., 2003). Senere analyse og post hoc kontraster ble utført på områdene identifisert med denne innledende omnibus GLM for alle grupper sammen og deretter separat for hver gruppe. Sist ble det utført en konjunktanalyse som identifiserte voxelene som ble vanligvis aktivert over alle tre gruppene, i NAcc og OFC (supplemental Fig. 1, tilgjengelig på www.jneurosci.org as tilleggsmateriale). De interessepunkter som er identifisert i forbindelseanalysen, overlappes med de som er identifisert med den første omnibus GLM, og post hoc tester bekreftet lignende effekter som de som ble oppnådd ved de ovennevnte analysene.
I hele gruppeanalysen bestod omnibus GLM av alle runder over hele prøven (5 kjører × 37 fag = 185 z-normaliserte funksjonelle tidskurs) og ble utført med belønningsstørrelse som den primære prediktor. Predikatorene ble oppnådd ved konvolusjon av et ideelt boxcar respons (antatt en verdi av 1 for volumet av oppgavepresentasjon og et volum av 0 for de gjenværende tidspunkter) med en lineær modell av hemodynamisk respons (Boynton et al., 1996) og pleide å bygge designmatrisen av hver gangskurs i eksperimentet. Bare korrekte forsøk ble inkludert og separate prediktorer ble opprettet for feilforsøk. Totalt antall korrekte forsøk for hver gruppe var som følger: 1130 for barn (n = 13), 1061 for ungdom (n = 12), og 1067 for voksne (n = 12). Jo færre antall forsøk for barn ble korrigert ved å inkludere et ekstra barnemne.
Post hoc Kontrastanalyser ble deretter utført basert på t tester på p-vektene av prediktorer for å identifisere en region av interesse i NAcc og OFC. Kontraster ble utført med en random-effektanalyse. Tidsserier og prosentendringer i MR-signal, over hvert datapunkt for hele forsøket (18 s) i forhold til 2 s for fiksering før oppstart av forsøk (total prøveperiode var 20 s), ble beregnet ved hjelp av hendelsesrelatert gjennomsnitt over vesentlig aktive voxels hentet fra kontrastanalysene. Beregningen av antall voxels rekruttert i hver region etter aldersgruppe ble basert på GLM analysene utført på hver gruppe beskrevet ovenfor.
Korrigeringer for flere sammenligninger ble basert på Monte Carlo-simuleringer, som ble kjørt ved hjelp av AlphaSim-programmet innenfor AFNI (Cox, 1996), for å bestemme passende grenseverdier for å oppnå et korrigert a-nivå på p <0.01 (Forman et al., 1995) basert på et søkevolum på 450 mm3 for NAcc. Et korrigert α nivå på p <0.05 i OFC var basert på et søkevolum på ~ 25,400 mm3 (Forman et al., 1995). OFC-aktivering overlevde ikke strengere terskelen til p <0.01 på tvers av grupper.a
Resultater
Imaging resultater
Omnibus GLM analysen av bildedataene identifiserte NAcc [høyre (x = 6, y = 5, z = -2) og venstre (x = -8, y = 6, z = -2)] og høyre OFC (x = 46, y = 31, z = 1) avbildet i Figur 2, A og C, med belønningsverdi som den primære prediktor, på tvers av alle emner og kjører av forsøket for hele forsøket (18 s), i forhold til intervallintervallet 2 s som går før starten av neste prøveperiode (f.eks. belønning mot baselinekontrast). Innenfor disse regionene var det en hovedvirkning av belønningsverdi (F(2,72) = 8.424; p = 0.001) (Fig. 2B) i NAcc, men ikke i OFC (F(2,72) = 1.3; p = 0.44) (Fig. 2D). Post hoc t tester på hovedvirkningen av belønning for NAcc bekreftet betydelige forskjeller mellom store og små (t(36) = 4.35; p <0.001), store og mellomstore (t(36) = 2.01; p <0.05), og medium og liten (t(36) = 2.09; p <0.04) belønninger, med større aktivering for større belønninger.
Lokalisering av nucleus accumbens (A) og orbital frontal cortex (C) aktivering for å belønne. Det var en hovedvirkning av belønningsverdi i kjernen accumbens (B) [Ikke sant (x = 6, y = 5, z = -2) og venstre (x = -8, y = 6, z = -2)], men ikke i høyre lateral orbitale frontale cortex (x = 46, y = 31, z = 1) (D). Feilstenger indikerer SEM. Stjerner viser betydelige forskjeller mellom små og mellomstore, mellomstore og store, og små og store.
Utviklingsforskjeller i omfang og omfang av aktivitet for å belønne
Fordi fokuset i denne studien var på hvordan belønning påvirker nevral rekruttering over utvikling, undersøkte vi utviklingsforskjeller i omfanget og omfanget av accumbens og OFC-aktiviteten for forsøk på den største belønningen. Aktivitetsstørrelsen ble beregnet som en prosentvis endring i MR-signal i gjennomsnitt over de første 18 s av forsøket i forhold til intertrialintervallet for fiksering umiddelbart før forsøket (2 s), som ble gjennomsnittet over hele eksperimentet (90-forsøk = 900 skanninger). Denne beregningen ble utført for hver gruppe. Aktivitetsgraden ble beregnet som aktivitetsvolum (antall voxeler) over løp, etter gruppe, ved bruk av samme kontrast.
Aktivitetsnivå.
I accumbens og OFC var det betydelige utviklingsforskjeller i prosentendring i MR-signal (F(2,22) = 6.47, p <0.01; F(2,22) = 5.02, p = 0.01, henholdsvis) (Fig. 3A,B). I accumbens viste ungdommer den største signalendringen. Post hoc tester bekreftet betydelige forskjeller mellom ungdom og barn (t(11) = 4.2; p = 0.03) og mellom ungdommer og voksne (t(11) = 5.5; p = 0.01) i omfang av accumbens aktivitet. I OFC, post hoc tester bekreftet betydelige forskjeller mellom barn og ungdom (t(11) = 4.9; p = 0.01) og barn og voksne (t(11) = 3.99; p = 0.01). Dermed viste ungdommer økt aktivitet i accumbens og dette mønsteret var forskjellig fra det i OFC og fra barn og voksne.
Omfang og omfang av accumbens og OFC-aktivitet for å belønne. A, Ungdommer viste overdrevet prosentendring i MR-signal til stor belønning i forhold til barn og voksne i accumbens. BI OFC hadde barn den største prosentvise endringen i MR-signal i forhold til ungdom og voksne. C, Barn viste det største aktivitetsvolumet i accumbens i forhold til ungdom og voksne. D, Barn og unge viste større aktivitetsvolum i OFC i forhold til voksne. Feilstenger indikerer SEM. Stjerner angir signifikante aktiveringsforskjeller mellom barn og ungdom og ungdom og voksne i A; større aktivering hos barn i forhold til ungdom og voksne i B; større aktivitetsvolum hos barn i forhold til ungdom og voksne i C; og større aktivitetsvolum hos barn i forhold til ungdom og ungdom i forhold til voksne i D.
Omfang av aktivitet.
Det var betydelige utviklingsforskjeller i omfanget av aktiviteten i accumbens (F(2,22) = 4.7; p <0.02) og OFC (F(2,22) = 5.01; p = 0.01). Post hoc tester bekreftet det største aktivitetsvolumet i accumbens for barn (503 ± 43 interpolerte voxels) i forhold til ungdommer (389 ± 71 interpolerte voxels) (t(22) = 4.2; p <0.05) og voksne (311 ± 84 interpolerte voxels) (t(22) = 3.4; p <0.05) (Fig. 3C). Ungdom og voksne var ikke forskjellige (t(22) = 0.87; p = 0.31). For OFC, barn (864 ± 165 interpolerte voxels) (t(22) = 7.1; p = 0.01) og ungdom (671 ± 54) (t(22) = 5.8; p = 0.01) viste størst aktivitetsgrad i forhold til voksne (361 ± 45 voxels) (Fig. 3D), men det var ingen signifikante forskjeller mellom barn og ungdom (t(22) = 1.8; p = 0.07). Dette aktivitetsmønsteret gjenspeiler langvarig utvikling av OFC i forhold til NAcc (Fig. 4, graf).
Normalisert omfang av aktivitetsmåling for nucleus accumbens og OFC for alle fag, justert for gjennomsnittlig aktivitetsgrad (x - middel / middel) for hver region.
Utviklingsforskjeller i temporal behandling av belønningsverdi
For å undersøke differensielle endringer i neurale rekruttering gjennom hele forsøket, undersøkte vi hovedvirkningen av, og samspill med, tid (tidlig, mellom og forsøk) på MR signalendring i NAcc eller OFC. Effekten av tid ble observert bare i samspillet av tid etter gruppe med belønning i accumbens (F(8,136) = 3.08; p = 0.003) og mindre robust i OFC (F(8,136) = 2.71; p = 0.02). Denne interaksjonen ble først og fremst drevet av endringer som skjedde under forsøksforsøkene (for endringer som en funksjon av tidlig, mellom og forsøk, se tilleggs figur 2, tilgjengelig på www.jneurosci.org as tilleggsmateriale). Tall 5 og 6 skildrer den tidsmessige forandringen i MR-signalet som en funksjon av små, mellomstore og store belønningsverdier for sentreforsøk av gruppe for hver region. Disse tidsseriene viser en overdrevet endring i akkumulert aktivitet hos ungdom i forhold til barn eller voksne for de små og store belønningstester som oppstår ~5-6 s etter svaret og punktet der alle tre aldersgruppene viser en endring i MR-signalet. Dette mønsteret er illustrert grafisk i Figur 7 For klarhet (for endring i OFC-aktivitet på dette tidspunktet for alle tre aldersgrupper, se supplemental Fig. 3, Tilgjengelig på www.jneurosci.org as tilleggsmateriale).
Temporale endringer i kjernen accumbens som en funksjon av små, mellomstore og store belønningsverdier for forsøksforsøk for hver aldersgruppe. De grå stengene svarer til punktet (e) ~5-6 s etter svaret. Feilstenger indikerer SEM. Stjerner angir aktiveringsforskjeller mellom grupper.
Temporale endringer i den orbitofrontale cortex som en funksjon av små, mellomstore og store belønningsverdier for forsøkene i forsøket for hver aldersgruppe. De grå stengene svarer til punktet (e) ~5-6 s etter svaret. Feilstenger indikerer SEM. Stjerner angir aktiveringsforskjeller mellom grupper.
Prosentandring i MR-signal ~5-6 s etter responsen i forhold til pretrialbaseline for hver aldersgruppe, som viser en overdreven endring i accumbens aktivitet hos ungdom i forhold til barn eller voksne for de små og store belønningstester. Feilstenger indikerer SEM. Stjerner angir aktiveringsforskjeller mellom grupper.
Atferdsmessige resultater
Effektene av tid på oppgave og belønning ble testet med 5 (runder) × 3 (liten, middels og stor belønning) × 3 (gruppe) ANOVA for de avhengige variablene av gjennomsnittlig reaksjonstid for korrekte forsøk og gjennomsnittlig nøyaktighet. Det var hovedvirkninger av belønningsverdi (F(2,72) = 9.51; p = 0.001) og gruppe (F(2,220) = 4.37; p = 0.02) og signifikante samspill av belønning etter tid (F(8,288) = 4.176; p <0.001) og gruppere etter belønning etter tid (F(16,272) = 3.01; p = 0.01) for gjennomsnittlig reaksjonstid. Den viktigste effekten av belønning viste at i alle fagene var gjennomsnittlige reaksjonstider raskere til den største belønningen (middel, 515.47; SD, 178.75; t(36) = 3.8; p <0.001) i forhold til medium (gjennomsnitt, 556.89; SD, 180.53) eller liten belønning (gjennomsnitt, 552.39; SD, 180.35). Den betydningsfulle samspillet mellom belønning etter tid ble primært drevet av gruppens treveisinteraksjon etter belønning etter tid. Voksne var forskjellige i gjennomsnittlig reaksjonstid på alle tre belønningsverdiene ved slutten av eksperimentet (Fig. 8). Ungdom var betydelig raskere for den store i forhold til mediet og små belønninger uten forskjell mellom mediet og små belønninger. Barnene viste ingen signifikante forskjeller i gjennomsnittlig reaksjonstid til små, mellomstore eller store belønninger. Det var ingen signifikante korrelasjoner mellom gjennomsnittlig reaksjonstid eller nøyaktighet og accumbens eller orbitofrontal aktivitet.
Atferdsmessige resultater. Gjennomsnittlig reaksjonstid som en funksjon av små, mellomstore og store belønningsverdier er vist for tidlig, mellom og forsøk på forsøket for hver aldersgruppe. Feilstenger indikerer SEM. Stjerner angir langsommere reaksjonstid til små og mellomstore belønninger i forhold til små hos ungdommer og langsommere reaksjonstid til små i forhold til mellomstore og middels i forhold til store hos voksne.
Det var ingen signifikante effekter av belønning (F(2,72) = 0.26; p = 0.40), gruppe (F(2,220) = 0.73; p = 0.80) eller tid (F(4,476) = 0.57; p = 0.44) eller interaksjoner for gjennomsnittlig nøyaktighet. Alle emner hadde høy nøyaktighet over belønningsverdier (barn: liten, 96%; medium, 98%; stor 96%; ungdom: liten, 98%; medium, 99%; stor, 99%; og voksne: små, 98%; medium, 99%; stor, 99%).
Diskusjon
Denne studien undersøkte atferds- og neuralresponser for å belønne verdivirkninger på tvers av utviklingen. Våre funn støtter vår hypotese at ungdom er forskjellig fra barn og voksne i NAcc og OFC rekruttering, tidligere tidligere involvert i belønning behandling (Knutson et al., 2001) og avhengighet (Volkow et al., 2004). Våre resultater er i samsvar med gnagere (Laviola et al., 2003) og tidligere utviklingsbilder (Ernst et al., 2005) studier av forbedret accumbens aktivitet under ungdomsårene. Disse funnene tyder på at ulike utviklingsbaner for disse områdene kan forholde seg til økt impulsiv og risikabel oppførsel observert i denne utviklingsperioden.
Utviklingsendringer i struktur og funksjon
Forbedret accumbens aktivitet ble parallelt med et raffinert aktivitetsmønster for ungdom i forhold til barn, men lik voksne. I motsetning til dette viste ungdommer mer diffus OFC-rekruttering mer lik barn enn voksne. Vi tolker disse dataene for å tyde på at NAcc-utviklingen kan gå foran OFCs ungdomstid i ungdomsårene. Langvarig utvikling av prefrontale regioner, med en overgang fra diffus til fokalrekruttering, er konsistent med MR-basert neuroanatomisk (Sowell et al., 1999; 2003; Gogtay et al., 2004) og fMRI-studier (Casey et al., 1997, 2002; Brown et al., 2005, Durston et al., 2006) av prefrontal utvikling (Casey et al., 2005).
Utviklingsendringer i aktivitetsvolum innen frontostriatale regioner (Sowell et al., 1999) er interessante i lys av kjente utviklingsprosesser (f.eks. dendritisk arborisering, synaptisk beskjæring, myelinisering) som oppstår i denne perioden. Hverken fMRI eller MR gir imidlertid et nivå av analyse som å definere mekanismen for slike endringer. Volummålingene ble delvis brukt til å begrense tolkningen av størrelsesforskjeller, men vi kan bare spekulere på at våre endringer i volum og størrelsesorden av NAcc og OFC reflekterer finjustering av denne kretsen med erfaring og utvikling.
Differensiell rekruttering av frontostriatale regioner har blitt rapportert på tvers av flere utviklingsmessige fMRI-studier (Casey et al., 2002; Monk et al., 2003; Thomas et al., 2004). Vanligvis har disse funnene blitt tolket i form av umodne prefrontale regioner i stedet for en ubalanse mellom prefrontale og subkortiske regioner. Gitt bevis på prefrontale regioner i å lede hensiktsmessige tiltak i ulike sammenhenger (Miller og Cohen, 2001) umodne prefrontal aktivitet kan hindre passende estimering av fremtidige utfall og vurdering av risikable valg, og kan dermed være mindre innflytelsesrik på belønning verdivurdering enn accumbens. Dette mønsteret er i samsvar med tidligere forskning som viser forhøyet subkortisk, i forhold til kortikal aktivitet når beslutninger er forspent av umiddelbar over langsiktige gevinster (McClure et al., 2004). Videre har aktivitetsaktivitet vist seg å være positivt korrelert med etterfølgende risikotakningsadferd (Kuhnen og Knutson, 2005).
Belønningsrelatert læring på tvers av utviklingen
Et mål for denne studien var å karakterisere belønning som lærte på tvers av utviklingen. Voksne viste atferdsmessig forskjell til de tre tegnene, med raskeste svar på den store belønningskuret. Ungdommer viste mindre diskrete svar og barn viser lite eller ingen læring. Langsommere læring på tvers av utviklingen paralleller imagingresultater av langvarig OFC-utvikling som kan hindre assosiativ læring mellom prediktive hendelser og belønningsresultater. Denne tolkningen støttes av dyr (Hikosaka og Watanabe, 2000; Chudasama og Robbins, 2003; Cetin et al., 2004; Hosokawa et al., 2005) og menneskelig bildebehandling (Elliott et al., 2000; O'Doherty et al., 2003; McClure et al., 2004; Cox et al., 2005; Galvan et al., 2005) studier som viser OFCs rolle i læring og representerer koblinger mellom prediktive hendelser (stimuli og respons) og belønning for å optimalisere valgadferd.
Få avbildningsstudier av belønning til dags dato har vært i stand til å vise forskjeller i atferd som en funksjon av belønningsresultatet (Haruno et al., 2004; Delgado et al., 2005; Galvan et al., 2005). Her antyder våre data at belønningsrelaterte nevrale responser påvirker atferdsutgang. Minimal atferdsvariabilitet kan ha utelukket forrige forfattere å avgjøre om ulike belønningsbetingelser forstyrrer atferdsutgang. En grunn til at vi var i stand til å plage fra hverandre adferdsforskjeller kan skyldes at vårt paradigme var utformet for å maksimere oppførselstiltak og læring ved å bruke en kontinuerlig forsterkningsplan (Dickinson og Mackintosh, 1978; Gottlieb, 2004, 2005). Dyrestudier viser raskere læring med kontinuerlig forhold til intermitterende armeringsplaner (Gottlieb, 2004) som kan ha forklart de raskere responsene på store belønningsforsøk på tvers av emner og det adskilte oppførselsmønsteret for hver belønningsverdi hos voksne ved sentre forsøk.
Belønninger er relative for ulike sammenhenger og alder
Belønningspreferanse varierer basert på belønningskonteksten (Tversky og Kahneman, 1981; Tremblay og Schultz, 1999). Bevis fra studien støtter tanken om at relativ belønning foretrekk er overdrevet under ungdomsårene: ungdommer viste en forbedret accumbens respons på den store belønningen og en reduksjon i aktivitet til den lille belønningen i forhold til andre belønninger og i andre aldre. Ungdom rapporterer større intensitet av positive følelser og mer positiv BOLD signalintensitet enn voksne under en vunnet tilstand (Ernst et al., 2005). Ungdommene kan ha sett den lille belønningen som utelatelse av belønning, ligner mangel på en forventet hendelse på et gitt tidspunkt, tidligere vist å redusere striatal aktivitet (Davidson et al., 2004). Dette funnet korresponderte med en bremsning av reaksjonstiden fra tidlig til sen prøvelse for mindre belønninger, noe som gir ytterligere bevis for at denne tilstanden kan ha blitt oppfattet som mer negativ for ungdom. Sammen viser disse funnene at belønningsoppfattelsen kan påvirkes av endringer i nervesystemet under ungdomsårene (Irwin, 1993).
Utviklingsendringer kan parallelle endres med læring
Nylig, Pasupathy og Miller (2005) viste at i aper, oppdaget striatalare først belønningsforutsetninger, som så syntes å forvirre prefrontale regioner til å handle. Annet arbeid har vist at OFC ser ut til å være involvert i å knytte svar med utfall (Elliott et al., 2000; Galvan et al., 2005). Denne effekten kan imidlertid være avhengig av modenhet av prefrontale systemer og gjensidige forbindelser mellom frontostriatale regioner (Haber, 2003) som forbinder handlinger med utfall, fordi barn og unge ikke viste læring, som indeksert av gjennomsnittlig reaksjonstid, i den grad voksne gjorde det. Det er et åpent spørsmål om barna ikke kunne lære å diskriminere mellom de ulike belønningsverdiene eller om de var like fornøyd med en liten belønning som en stor belønning.
Funnene av mindre følsomhet i adferdsresponsen enn i nevrale respons hos de yngre pasientene kan være konsistente med tidligere læringsstudier som viser at nevrale endringer foregår atferdsendringer (Tremblay et al., 1998). Ungdommene var betydelig raskere med større belønningsforsøk på slutten av eksperimentet i forhold til de andre belønningsverdiene, men de ansatte viste forskjellige aktivitetsmønstre for hver belønningsverdi som ligner voksne. Hvis denne forklaringen var sant, kan vi med ytterligere opplæring forvente at ungdommens atferdsmessige ytelse til slutt vil parallelle den aktuelle aktiviteten. På samme måte kan man forvente at lignende mønstre dukker opp hos barn, men med mer omfattende opplæring.
Kontrasten mellom nåværende og tidligere funn
Selv om den overdrevne accumbens responsen hos ungdommer replikerer de av May et al. (2004) og Ernst et al. (2005), Bjork et al. (2004) fant redusert accumbens aktivitet i forhold til voksne under en gevinst kontra ingen gevinstkontrast. Mens Bjork et al. (2004) rapporterte MR-signalendring i løpet av hele forsøket, undersøkte vi MR-endringer i hele eksperimentet og også i de tidlige og sentrale forsøkene, med senere studier som viste større aktivering hos ungdom i forhold til voksne.
En annen forskjell i dagens studie, i forhold til eksisterende litteratur (O'Doherty et al., 2001, Elliott et al., 2003, Galvan et al., 2005), var mangelen på en hovedvirkning av belønningsverdi i OFC på tvers av fag. Ved å undersøke denne hovedvirkningen, kollapste vi OFC-aktivitet i aldersgrupper og over eksperimentet. Andre belønningsstudier av OFC har ikke tatt med utviklingspopulasjoner, som har diffuse og mer variable aktivitetsmønstre i denne regionen (Casey et al., 1997). Inkludering av utviklingspopulasjoner økte dermed variasjonen i rekruttering av denne regionen, med mindre konsistente mønstre av OFC-aktivitet. Videre viste våre data at for senere forsøk av forsøket var OFC-aktivitet forskjellig for større forhold til mindre belønninger, men viste en mindre nøyaktig kartlegging for å belønne verdi i forhold til NAcc, som viste diskrete aktivitetsmønstre til hver belønningsverdi i alderen grupper, i tråd med vårt tidligere arbeid (Galvan et al., 2005) og det til andre (Elliott et al., 2003).
Implikasjoner
Våre resultater tyder på at det er langvarige modningsforandringer i topp-ned-kontrollsystemer i forhold til subkortiske regioner som er involvert i appetitiv atferd. Disse ulike utviklingsbanene kan bidra til at suboptimale valg for ungdom blir drevet mer av appetitive systemer enn kontrollsystemer (Spyd, 2000). Forstå utviklingen av strukturell og funksjonell tilkobling av belønningsrelatert mesolimbisk kretsløp, kan videre informere feltet på det neurobiologiske grunnlaget for økt belønningsøkende og ungdomsfødselsavhengighet.
Et neuralt rammeverk som ligner det vi foreslår her, har blitt foreslått for å forklare avhengighet. Følgelig er PFC "kapret" av et impulsivt subkortisk system, noe som kan gjøre det umulig å modulere beslutninger på riktig måte i sammenheng med fremtidige konsekvenser (Bechara, 2005). Våre funn er konsistente med denne spekulasjonen, men oppstår under typisk utvikling. Dermed kan uforholdsmessige bidrag av subkortiske systemer i forhold til prefrontale reguleringssystemer underbygges av dårlig beslutningsprosesser som predisponerer ungdom for narkotikabruk og i siste instans avhengighet.
Fotnoter
- Mottatt Januar 5, 2006.
- Revisjon mottatt May 15, 2006.
- Akseptert May 25, 2006.
↵a Klyngestørrelsene for 6 og 10 for henholdsvis accumbens og OFC ble bestemt av disse simulasjonene. Klientstørrelser av 8 og 10 i henholdsvis ungdom og barndata overlevde strengere terskler (p <0.002 og p (Henholdsvis <0.001). I OFC overlevde klyngestørrelser på henholdsvis 14 og 18 hos ungdommer og barn strengere terskler (p <0.004 og p <Henholdsvis 0.001).
Dette arbeidet ble støttet delvis av National Institute for Drug Abuse Grants R01 DA18879 og R21 DA15882, National Institute of Mental Health Grant P50 MH62196 (BJC), og National Eye Institute Grant T32 EY07138 fellesskap (AG). Vi anerkjenner takknemlig alle deltakere og deres familier for å delta i denne studien og tre anonyme anmeldere.
- Korrespondanse skal adresseres til enten Adriana Galvan eller BJ Casey, 1300 York Avenue, Box 140, New York, NY 10021. e-post: [e-postbeskyttet] or [e-postbeskyttet]
Referanser
Artikler som refererer til denne artikkelen
;