Frontostriatal modning forutser kognitiv kontrollfeil for appetitive signaler hos ungdom (2011)

Eksperimentell oppgave

Deltakere fullførte en go-nogo-oppgave (Hare, et al., 2005; Hare, et al., 2008) med fryktelige, lykkelige og rolige ansiktsuttrykk som virker som stimuli. Den nåværende rapporten fokuserer på de lykkelige og rolige forholdene og utelater frykttilstanden fra gruppanalyser, som var i fokus for en tidligere rapport (Hare et al., 2008). Innen en enkelt fMRI-kjøring ble to uttrykkstyper presentert, den ene som en 'go' (dvs. mål) stimulus som deltakerne ble bedt om å trykke på en knapp, og det andre uttrykket som fungerte som en 'nogo' (dvs. ikke-mål) stimulans som deltakerne skal holde igjen et knappetrykk for. Alle kombinasjoner av uttrykk ble brukt som både mål og ikke-mål, noe som resulterte i en 2 (respons: go, nogo) av 3 (følelser: frykt, rolig, lykkelig) faktoriell design. Før starten av hvert løp dukket det opp en skjerm som angav hvilket uttrykk som fungerte som målstimulans, og instruerte deltakerne om å svare på det uttrykket og ikke noe annet uttrykk. Deltakerne ble også bedt om å svare så raskt som mulig, men å prøve å unngå å gjøre feil.

Stimuli og apparater

Stimuli besto av glade, fryktelige og rolige ansikter av unike identiteter fra NimStim-settet av ansiktsuttrykk (Tottenham, et al., 2009). Rolige ansikter (mildt behagelige versjoner av nøytrale ansikter) ble brukt fordi tidligere arbeid har indikert at nøytrale ansikter kan tolkes som negative i utviklingspopulasjoner (Gross & Ballif, 1991; Herba & Phillips, 2004; Thomas, et al., 2001). Oppgaven ble presentert ved hjelp av EPrime-programvare, synlig av emner på et LCD-panel (LCD) som er integrert med IFIS-SA-systemet (fMRI Devices Corporation, Waukesha, WI). EPrime-programvare, integrert med IFIS-systemet, loggede knappresponser og reaksjonstider.

Oppgaveparametere

Data ble kjøpt i seks funksjonelle forsøk som representerer hver kombinasjon av følelser (glad, rolig, frykt) og respons (gå, nogo; Figur 1) ved hjelp av en rask hendelsesrelatert design. For hvert forsøk oppstod et ansikt for 500 millisekunder etterfulgt av et jittert intertrialintervall som spenner fra 2 til 14.5 sekunder i varighet (gjennomsnittlig 5.2 sekunder) der deltakerne hvilte mens de så på en fikseringskorshår. Totalt ble 48-forsøk presentert per løp i pseudorandomisert rekkefølge (36 go, 12 nogo). I alt ble 24 nogo-forsøk og 72-forsøk oppnådd for hver ekspresjonstype.

Figur 1

Skjematisk oversikt over fire studier i et fMRI-løp. I dette eksemplet er rolige ansikter målstimuli, som deltakerne skal `gå 'ved å trykke på en knapp. Lykkelige ansikter er stimulansen (`` nogo ''), som deltakerne skal holde et knappetrykk på. ...

Bildeoppkjøp

Deltakerne ble skannet med en General Electric Signa 3.0T fMRI-skanner (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI) med en kvadraturhodespole. En høyoppløselig, T1-vektet anatomisk skanne ødelagt gradient-sekvens ([SPGR] 256 × 256 i planløsning, 240-mm synsfelt [FOV], 124 × 1.5-mm aksiale skiver) eller en 3D magnetisering forberedt rask oppkjøp gradient ekkosekvens ([MPRAGE] 256 × 256 i planløsning, 240-mm FOV; 124 × 1.5-mm sagittale skiver) ble ervervet for hvert fag for transformasjon og lokalisering av data til Talairach-gridplass. En spiral inn og ut sekvens (Glover & Thomason, 2004) ble brukt til å skaffe funksjonelle data (repetisjonstid = 2500ms, ekotid = 30, FOV = 200 mm, Flip angle = 90, hopp over 0, 64 × 64 matrise). Trettifire 4-mm-tykke koronale skiver ble kjøpt per TR en oppløsning på 3.125 × 3.125 mm som dekker hele hjernen bortsett fra den bakre delen av occipitalloben.

Analyse av atferdsdata

Behavioral data ble analysert for nøyaktighet ved å beregne hit (korrekt respons), savner (feil mangel på respons), korrekt avvisning (korrekt tilbakeholding av respons) og falsk alarm (feil respons) for lykkelige og rolige forhold. For analyseformål ble deltakerne gruppert i undergrupper av barn (alderen 6-12), tenåringer (alderen 13-17) og voksne (18 år eller eldre).

Analyse av fMRI data

FMRI dataanalyse ble utført innen analyse av funksjonell neuroimages (AFNI) programvare (Cox, 1996). Funksjonelle data ble korrigert skive-tid, justert på nytt innenfor og på tvers av løp for å korrigere for hodebevegelse, registrert med hver deltagers anatomiske skanning med høy oppløsning, skalert til prosentvise signalendringsenheter og glattet med en 6 mm full bredde på halvt maksimum (FWHM ) Gaussisk kjerne.

For hver deltaker ble det utført en generell lineær modellanalyse for å karakterisere oppgaveeffekter ved å inkorporere oppgaveregressorer av interesse (rolige, rolige, glade, lykkelige, fryktløse, fryktløse, feil) forbundet med en gamma-variant hemodynamisk responsfunksjon og kovariater av ikke-interesse (bevegelsesparametere, lineær og kvadratisk trend for hver runde). For fullstendighet ble fryktforsøk modellert som oppgaveregressorer (forbundet med en kanonisk gamma-variant hemodynamisk responsfunksjon), men ble ikke analysert videre. Parameterestimat (β) kart som representerer oppgaveeffekter ble deretter transformert til standard koordinatrommet til Talairach og Tournoux (1988) ved å anvende vridningsparametrene oppnådd fra transformasjonen av hvert motivs anatomiske skanning med høy oppløsning. Talairach transformerte parameterestimatkart ble samplet til en oppløsning på 3 × 3 × 3 mm.

Tilfeldige konsekvensanalyser ble utført for å identifisere funksjonsområder av interesse (ROI) for senere analyse. Spesielt var forholdene lykkelige, lykkelige, rolige og rolige, overført til en 2 × 2 × 3 gruppe lineær blandede effekter modell med følelsesfaktorer (innenfag: glad, rolig), respons ( innen-emner: go, nogo), og alder (mellom-emner: barn, tenåring, voksen). Hovedvirkningen av responskartet identifiserte kandidatregioner differensielt engasjert som en funksjon av kognitive kontrollkrav, inkludert den høyre underfrekvensen gyrus (x = 32, y = 23, z = 3). Responses modulert ved utvikling ble identifisert i hovedkilden til alderskartet, inkludert en klynge i ventralstriatumet (x = -4, y = 11, z = -9).

Imaging-funn som ble ansett som statistisk signifikant, overgikk helhjernekorreksjon for flere sammenligninger for å bevare en alfa <0.05 ved å bruke en kombinasjon av p-verdi / klyngestørrelse som er angitt av Monte Carlo-simuleringer kjørt i Alphasim-programmet innen AFNI. Det eneste unntaket fra terskelen for hele hjernen var i analysen av alderseffekter. Gitt rollen til striatum i utviklingen av impulskontroll (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) det ble behandlet som en a priori region av interesse for voxelwise analyse av alderseffekter. Spesifikt ble alderseffekter etterspurt innen en inkluderende anatomisk maske som inneholder voxels i rygg- og ventralt striatum, med p <0.05, korrigert statistisk terskelverdi brukt basert på striatum-søkevolumet (1,060 voxels). For tydelighetens skyld refererer vi til terskling av data om alderseffekt som p <0.05 lite volum korrigert (svc) gjennom hele manuskriptet.

Regioner av interesse ble opprettet som kuler med en 4mm radius sentrert om toppene nevnt ovenfor, som hver inneholder ti 3 × 3 × 3 voxels. Parameterestimater ble ekstrahert for 4-betingelsene (happy go, happy-nogo, calm-go, calm-nogo) for hver deltaker og avkastning og ble sendt til offlineanalyser for å bestemme retningen av effekter. Svar, følelser og utviklingseffekter (uavhengig av den kontrast som ROI ble definert av), ble evaluert ved hjelp av 2 (følelser: ro, glad) × 2 (oppgave: go, nogo) × 3 (alder: barn, ungdom, voksen ) ANOVAs. Frakoblede analyser ble utført i SPSS Statistics 17.0-programvare (SPSS, Chicago, IL).

Signifikante effekter ble testet for ytelsesmodulering ved å sende inn parameterestimater til bivariate korrelasjoner mot fagens gjennomsnittlige falske alarmfrekvenser. Signifikante ytelseseffekter ble fulgt opp med delvise korrelasjonsanalyser for å teste om ytelseseffektene forble signifikante når man kontrollerte for alderen. Motsatt ble signifikante alderseffekter fulgt opp med delvise korrelasjonsanalyser for å identifisere om alderseffekter forble signifikante når man kontrollerte for ytelse.

Tidligere arbeid med go-nogo-paradigmet har etablert en rolle for frontostriatalkretsene i å støtte vellykket adferdsinhibering (Casey et al., 2000; Durston, Thomas, Yang, et al., 2002; Hare et al., 2005). For å identifisere denne kretsen i gjeldende datasett ble en psykofysiologisk interaksjonsanalyse (PPI) ansatt som var følsom for differensiell oppgavebasert funksjonell tilkobling med en frøregion i den høyre underfrekvensen av frontal gyrus, for hvilken regional aktivitet forutsier prestasjonsforskjeller over tid. Spesifikt var denne analysen sensitiv for hjernegrupper som viste større funksjonell kobling med riktig IFG for korrekte nogoforsøk i forhold til forsøk. PPI-analysen ble utført ved bruk av standard behandlingstrinn (Friston, et al., 1997) ved å trekke ut den funksjonelle timecourse innenfor frøområdet (høyre IFG ROI beskrevet ovenfor x = 32, y = 23, z = 3), fjerne kilder til støy og artefakt, dekonvolverer nevrale signalet og sammenkobler tidslinjedataene uten å gå versus gå oppgavetid og den kanoniske hemodynamiske responsfunksjonen (som spesifisert i Gitelman, Penny, Ashburner og Friston, 2003). Grupperesultater inkludert alle deltakerne, terskelverdien p <0.05, korrigert for flere sammenligninger på hele hjernenivået, identifiserte en enkelt klynge som viste signifikant større funksjonell tilkobling med riktig IFG under nogo enn å prøve. Denne klyngen utvidet medial og bakre fra høyre IFG til dorsal striatum spesielt til caudat. En dorsal striatum-region av interesse ble generert basert på tilkoblingskartet ved å sentrere en 4 mm kule rundt klyngens subtopp innenfor de anatomiske grensene til dorsal striatum (x = 9, y = 13, z = 6).

Signalendringsverdier ble ekstrahert fra denne avkastningen og testet for mellomfag-coactivering med ventralstriatum og høyre IFG. Spesielt ble ventrale striatal-, dorsale striatal- og høyre IFG-signalendringsverdier fra de tidligere beskrevne avkastningene ekstrahert for den lykkelige og positive kontra kontrast. Disse verdiene ble deretter sendt til mellom-bivariate korrelasjoner innen barn, tenåringer og voksne deltakergrupper. Disse analysene identifiserer graden av koaktivisering på tvers av personer for nogo i forhold til å gå forsøk mellom disse områdene innen hver aldersgruppe. Identifiserte koaktiveringsverdier representerer i hvilken grad tendensen til å aktivere en region forutsier aktivering i en annen region over deltakerne.

fMRI resultater

Respons modulert av utvikling ble identifisert i hovedeffekten av alderskart, inkludert en klynge i ventralt striatum (x = -4, y = 11, z = -9; p <0.05 svc; Figur 3A). Post-hoc-analyse av alderens hovedeffekt viste at ungdommer engasjerte ventralt striatum signifikant mer enn barn og voksne til glade ansikter (p = = <0.01; Figur 3B) og i mindre grad for å berolige ansikter (p = = <0.06; betyr +/− standardavvik for prosent signalendring for ro versus hvile: barn: -0.095 +/− 0.21; tenåringer: 0.046 +/− 0.16; voksne : −0.051 +/− 0.17). Analyse av den best passende funksjonen som representerer å reagere over aldre på glade ansikter viste at en kvadratisk (invertert U) -funksjon forklarte en betydelig andel varians som respons på glade ansikter (F (1,59) = 10.05, p <0.003) mens en lineær funksjon gjorde ikke (F (1,59) = 0.54, p> 0.4). Den ikke-lineære forbedringen i rekruttering i tenåringer forble signifikant når man kontrollerte for forskjeller i oppgavens ytelse (falsk alarmhastighet; F (2,59) = 6.77, p <0.002) og i kontrollanalysen med matchet antall studier (F (2,59) ) = 7.80, p = 0.007). Omfanget av aktivitet til glade forsøk, rolige forsøk og ikke-forsøk versus forsøk var ikke assosiert med oppgavens ytelse (p> 0.2).

Figur 3

A) Hjerneregioner som viser differensiell aktivitet som en funksjon av alder. Aktiveringer, terskel p <0.05, svc blir gjengitt på en representativ høyoppløselig anatomisk skanning. B) Plott av aktivitet i ventral striatum (sirklet i A) respons på ...

Hovedeffekten av responskart (nogo versus go) identifiserte regioner som var forskjellig engasjert som en funksjon av kognitive kontrollkrav, inkludert høyre underlegen frontgyrus (IFG; x = 32, y = 23, z = 3), og viste signifikant større respons på nogo i forhold til go-forsøk (p <0.05, helhjernen korrigert; Figur 4A). Post-hoc-analysetesting for den beste tilpasningsfunksjonen indikerte at riktig IFG-respons ble signifikant forklart med en lineær funksjon (F (1,59) = 4.53, p = 0.037) og ikke en kvadratisk funksjon (F (1,59) =. 17, s> ​​0.6). Posthoc-analyser indikerte at riktig IFG også viste større aktivitet for å roe seg i forhold til glade ansikter (F (2,59) = 8.95, p <0.005). Videre viste høyre IFG ROI en lineær reduksjon i responsstørrelse med økende alder til nogo-studier i forhold til go-studier (r (61) = -0.28, p = 0.026; Figur 4B).

Figur 4

A) Hjerneregioner som viser differensiell aktivitet som en funksjon av oppgaven (nogo> go). Aktiveringer, terskelverdi p <0.05, korrigert hele hjernen blir gjengitt på en representativ høyoppløselig anatomisk skanning. B) Plott av aktivitet til høyre ...

Når man kontrollerte for ytelseseffekter, var oppgaven x aldersinteraksjon i riktig IFG ikke lenger signifikant (p> 0.4), noe som indikerer at ytelsen var en mer robust prediktor for aktivitet i riktig IFG enn alder. Dette forholdet ble demonstrert av en signifikant korrelasjon mellom responsstørrelse for å korrigere nogo vs. go-studier og total ytelse (målt ved falsk alarmhastighet; r (61) = 0.39, p = 0.002; se Figur 4C), som ble replikert i kontrollanalysen med et samsvarende antall forsøk (r (61) = 0.28, p = 0.026). Figur 4C skildrer dette forholdet med en deltaker ekskludert som ble funnet å være en ekstrem outlier (definert som mer enn tre interkvartilområder over den tredje eller under den første kvartilverdien). Selv om korrelasjonen er signifikant, inkludert denne personen, blir den resulterende korrelasjonen enda mer pålitelig når man ekskluderer denne personen (r (60) = 0.45, p <0.001). Alle rapporterte analyser representerer svar på riktige studier. Dermed har individer som er mer utsatt for falske alarmer, en tendens til å rekruttere riktig IFG mer til nogo-forsøkene som de vellykket undertrykte en atferdsrespons for.

Begrensninger

Resultatene som presenteres her, bør vurderes i lys av deres begrensninger. For det første bør det eksplisitt anerkjennes at en tredje emosjonell kategori, fryktelige ansikter, var tilstede under forsøksoppgaven og fokuset i en tidligere rapport (Hare et al., 2008). Den rolige ansiktstilstanden fungerte som kontrolltilstand i begge rapporter. Selv om atferdsfunn tyder på at tilstedeværelsen av fryktede ansikter i en funksjonell skanning ikke modulerte atferdsnøyaktigheten forskjellig fra de to andre følelsesgruppene, er det mulig at tilstedeværelsen av fryktede ansikter påvirket funnene på måter som de tilgjengelige tiltakene ikke var sensitive på. I tillegg er glade ansikter forskjellig fra rolige ansikter i valens og salience, som begge kunne ha bidratt til de observerte effektene av appetitiv verdi. En annen metodologisk begrensning er i bruk av rolige ansikter som en kontrolltilstand. Selv om normative data tyder på at rolige ansikter er mindre positive og vekker enn glade ansikter (Tottenham et al., 2009), samler vi ikke eksplisitt disse klassifiseringene, og det er mulig at de rolige ansiktene ble tolket som mildt positive i seg selv. Når det gjelder resultater, bør også den beskjeden karakter av samvirkningsfunnene anerkjennes. Endelig ble ikke tiltak av pubertalestatus og endogene hormoner oppnådd. Seminalforskning har vist hvordan sirkulerende gonadale hormoner påvirker både organisatoriske og aktiviseringsmekanismer for å påvirke hjernefunksjonen på tvers av utviklingen (Romeo & Sisk, 2001; Sisk & Foster, 2004; Steinberg, 2008) og vist et prediktivt forhold mellom pubertalestatus og slik appetitiv atferd som sensasjonssøk og narkotikamisbruk (Martin et al., 2002; se Forbes & Dahl, 2010). Fremtidig forskning, inkludert tiltak av hormoner, kan informere forholdet mellom striatokortisk utvikling, hormonell modning og atferdsdata (Blakemore, Burnett og Dahl, 2010).

Vi anerkjenner takknemlig assistansen til Doug Ballon, Adriana Galvan, Gary Glover, Victoria Libby, Erika Ruberry, Theresa Teslovich, Nim Tottenham, Henning Voss, og ressursene og de ansatte ved Biomedical Imaging Core Facility i Citigroup Biomedical Imaging Centre på Weill Cornell Medisinsk høyskole. Dette arbeidet ble støttet av National Institute of Mental Health-tilskuddene P50MH062196 og P50MH079513, Nasjonalt institutt for narkotikamisbruk gir R01DA018879 og T32DA007274, og National Institute of Mental Health Fellowship F31MH073265, samt K99 MH087813 (LHS).