Cereb. cortex (2010) 20 (1) 61-69. gjør jeg: 10.1093 / cercor / bhp078
+ Forfatterforbindelser
Adresse korrespondanse til Linda Van Leijenhorst. Institutt for psykologisk forskning, Wassenaarseweg 52, 2300 RB Leiden, Nederland. e-post: [e-postbeskyttet].
Abstrakt
Forholdet mellom hjernens utvikling over ungdomsårene og ungdomsrisikoen har tiltrukket økende interesse de siste årene. Det har blitt foreslått at ungdom er overfølsom for belønning på grunn av ubalanse i utviklingsmønsteret etterfulgt av striatum og prefrontale cortex. Hittil er det uklart om ungdommer engasjerer seg i risikabel oppførsel fordi de overvurderer potensielle belønninger eller svarer mer til mottatte belønninger, og om disse effektene oppstår i fravær av beslutninger. I denne studien brukte vi et funksjonelt magnetisk resonansbildingsparadigm som tillot oss å avlede effekter av forventning, kvittering og utelatelse av belønning i 10-til 12-årige, 14-til 15-årige og 18- til 23-årige deltakere.
Vi viser at i forkant av usikre utfall, er den fremre insulaen mer aktiv hos ungdom sammenlignet med unge voksne, og at ventralstriatumet viser en belønningsrelatert topp i middelalderen, mens unge voksne viser orbitofrontal cortexaktivering til utelatt belønning. Disse områdene viser distinkte utviklingsbaner.
Denne studien støtter hypotesen om at ungdom er overfølsom for å belønne og legger til den nåværende litteraturen i å demonstrere at nevrale aktivering avviker hos ungdom, selv for små belønninger i fravær av valg. Disse funnene kan ha viktige implikasjoner for å forstå ungdoms risikotakning.
Introduksjon
Ofte avgjøres det i usikre situasjoner, der ikke all informasjon som trengs for å gjøre en rasjonell beslutning, er kjent. Når valg i usikre situasjoner er forbundet med mulige negative resultater, anses de risikabelt. En økning i risikabel oppførsel er en av de mest fremtredende egenskapene ved ungdomsårene (Arnett 1999; Steinberg 2004; Boyer 2006). Denne endringen i atferd tyder på en forskjell i ungdommens beslutningsprosesser i forhold til voksne. Det vil si at ungdom kan velge forskjellig mellom konkurrerende handlinger i en usikker situasjon fordi de veier de mulige utfallene og sannsynlighetene som disse oppstår forskjellig i forhold til voksne. Tidligere studier har antydet at ungdom er forspent mot å ta risiko på grunn av forskjeller i hvordan de opplever belønninger (Bjork et al. 2004; May et al. 2004; Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst et al. 2006).
Funksjonelle magnetiske resonansbilder (fMRI) -studier har identifisert hjernegrupper knyttet til resultatforventning og behandling. Mange studier har vist at ventral striatum reagerer på forventning om potensielle fordeler (Breiter et al. 2001; Knutson et al. 2001; Dagher 2007; Tom et al. 2007), som ble bekreftet av en nylig meta-analyse (Knutson og Greer 2008). Jegn tillegg har den fremre insula blitt implisert i forventning om utfall og aktivering i denne regionen er også ofte forbundet med usikkerheten forbundet med anticipation (Critchley et al. 2001; Volz et al. 2003). Endelig har flere studier hos voksne vist det medial prefrontal cortex (PFC), orbitofrontal cortex og anterior cingulate cortex er involvert i behandling av belønninger (Rolls 2000; Bechara 2001; Knutson et al. 2001; O'Doherty et al. 2001, 2002).
Den funksjonelle utviklingen av disse områdene er ikke godt forstått. De få utviklingsstudiene til dags dato viser et tilsynelatende inkonsekvent resultatmønster. Ungdomsrisikoen har på den ene siden vært assosiert med en "redusert" følsomhet i ventralstriatumet for å belønne hos ungdom sammenlignet med voksne. Denne nevrale responsen har blitt foreslått å lede unge til å søke mer stimulerende opplevelser for å kompensere for lave nivåer av aktivering i ventralstriatumet (Spyd 2000; Bjork et al. 2004). OPå den annen side har ungdomsrisikoen vært assosiert med en "økt" responsivitet til ventralstriatumet for å rewarmed (Galvan et al. 2006). I disse studiene ble det antydet at denne økningen i responsen på potensielle fordeler i kombinasjon med umodne kognitive kontrollevner (som følge av den langvarige utviklingen av PFC) forvirrer ungdom mot å ta risiko (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Casey, Jones, et al. 2008).
Tolkningen av disse utviklingsfunnene er komplisert for 2 grunner. For det første er det stor forskjell i deltakerne som har vært med i disse studiene om ungdomsbelønning. Dette er problematisk fordi ungdom danner en svært heterogen gruppe, for eksempel i tidlig ungdomsår kan utviklingsendringer påvirkes av pubertetendringer. I tidligere studier har ungdom fra et bredt aldersområde blitt inkludert. For eksempel, i studien av Bjork et al. (2004), den ungdomsgruppen besto av deltakere i alderen 12-17 år, noe som kan hindre vår tolkning av mønsteret av utviklingsendringer. Strukturelle hjernedimensjonsstudier har vist at utviklingen av hjernestruktur når det gjelder grå og hvit saksforhold fortsetter gjennom ungdomsårene (Giedd et al. 1999; Gogtay et al. 2004), og en nylig studie har vist at disse utviklingsendringene følger et ikke-lineært mønster i mange hjernegrupper (Shaw et al. 2008). Et annet problem er at forskjellige eksperimentelle paradigmer har blitt brukt i tidligere rapporter, noe som gjør det vanskelig å sammenligne resultater. For eksempel var belønningene i tidligere studier avhengig av deltakernes oppgaveoppgave og kravene til å skaffe gevinster variert. Belønninger kan avhenge av reaksjonstider (f.eks. Bjork et al. 2004) eller på responsnøyaktighet / sannsynlighetsmatching (f.eks. Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst et al. 2006; Eshel et al. 2007). I tillegg belønnes størrelsesorden (Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006), belønning sannsynlighet (May et al. 2004; Van Leijenhorst et al. 2006), eller begge størrelser og sannsynligheter (Ernst et al. 2005; Eshel et al. 2007) ble manipulert. Det er derfor vanskelig å forholde seg til utviklingsforskjeller i ventral striatumaktivering for å risikere å ta eller belønne behandlingen mer generelt. Nylig har studier på voksenbeslutninger forsøkt å forutsi atferd basert på forrige endringer i aktivering av ventralstriatumet (Knutson og Greer 2008). Disse studiene viste at økt ventral striatum aktivering er forbundet med økt vilje til å ta risiko hos voksne. I en tidligere studie inkludert voksne, Knutson et al. (2008) brukte en beslutningstaking og presenterte givende bilder som ikke var relatert til oppgaven. Presentasjon av disse bildene var relatert til økt aktivering av ventralstriatum og økt risiko for å ta risiko (Knutson et al. 2008). Dermed, hvis en topp i aktivering av ventralstriatum hos ungdom driver dem til å ta risiko, er det viktig å forstå i hvilken grad denne regionen er uavhengig av atferdskrav. I tillegg er det viktig å forstå i hvilken fase, under forventning eller behandling av belønninger, observeres forskjeller mellom ungdom og voksne. En bedre forståelse av årsakene til ungdomsbelønningsprosessering kan bidra til å tolke den potensielt skadelige risikofylte at mange ungdommer engasjerer. Det er viktig å forstå om ungdom er mer sannsynlig å engasjere seg i risikofylt atferd sammenlignet med voksne fordi de overvurderer potensielle fordeler (i en tidlig fase av beslutningsprosessen) eller fordi deres respons på mottatte belønninger er forskjellig fra voksne (i en senere fase). Innsikt i disse mulige forskjellene i belønningsfølsomheten i ungdomsårene informerer oss om prosessene som ligger til grund for ungdomens virkelige risikofylte oppførsel. I tillegg kan denne kunnskapen hjelpe til med å gripe inn og beskytte ungdom mot de problemene de står overfor. Grunnleggende forskjeller i belønningsrelaterte hjerneområder mellom deltakerne fra ulike aldre kan komplisere tolkningen av utviklingsendringer i atferd. En måte å løse dette problemet på er å studere belønningsprosessering ved hjelp av en eksperimentell oppgave, hvor belønning og risiko ikke er relatert til deltakernes oppførsel (for en lignende tilnærming, se Tobler et al. 2008). Derfor var målet med denne studien å undersøke utviklingsforskjeller i nevrale aktivering relatert til ulike faser av belønningsbehandling i fravær av atferd.
Vi sammenlignet de neurale substrater av utfallsforventning og utfallsbehandling i tidlig og mellom ungdomsår og ung voksenliv ved hjelp av fMRI. For å identifisere utviklingsmønsteret for hjernegrupper som er involvert i behandling av belønning, inkluderte vi 3-homogene aldersgrupper (10-12-åringer, 14-15-åringer og 18-23-åringer). Disse deltakerne utførte en spilleautomatoppgave (Donkers et al. 2005), et enkelt paradigme hvor små pengepenger er uforutsigbare og ikke relatert til atferd. I denne oppgaven ser deltakerne 3 spilleautomater der bilder av frukt presenteres etter hvert. Først når disse 3-bildene er de samme, får deltakerne penger. Oppgaven innebærer presentasjon av 3 forskjellige forhold: 1) Alle 3-bilder er forskjellige (referert til som XYZ-tilstanden), 2) De første 2-bildene er de samme, men den tredje er forskjellig (referert til som XXY-tilstanden), og 3) er alle 3-bilder de samme (referert til som XXX-betingelser). På denne måten tillod paradigmet oss å dissociere hjerneaktivering assosiert med resultatforventning (når de første 2 av 3-bilder er de samme versus alle 3-bilder er forskjellige, XXY vs XYZ), behandling av belønning (når alle 3-bilder er Det samme mot den første 2 av tre bilder er det samme, XXX vs XXY), og utelatelse av belønning (XXY vs XXX).
Våre analyser fokuserte på å identifisere hjerneområder involvert i belønning behandling og usikkerhet, inkludert striatum, insula og orbitofrontale cortex (OFC). Vår første hypotese var at disse regionene viser funksjonell utvikling, noe som gjenspeiles i et annet aktivitetsmønster i de ulike aldersgruppene. Vi testet for lineære og ikke-lineære utviklingsmønstre. Vår andre hypotese var at dersom risikoen for ungdom er forbundet med økt følsomhet for belønning, bør dette gjenspeiles i en topp i aktivering i ventralstriatum i denne aldersgruppen. Vi undersøkte på hvilket stadium, under forventning eller behandling av utfall, ventralstriatumet ville vise forskjellige svar i fravær av atferdskrav og om responsen på belønninger i denne regionen ville bli økt eller redusert hos ungdom sammenlignet med voksne. Resultatene forventes å gi innsikt i utviklingen av belønningsrelaterte hjernegrupper under ungdomsårene og bidra til tolkning av forskjeller i nevrale responser mellom ungdom og voksne i mer komplekse belønninger og risikotakende oppgaver.
Materialer og metoder
Deltakere
I alt 53 sunn, høyrehendte frivillige deltok i studien, femten 18-23-åringer (7 kvinner, gjennomsnittlig alder = 20.2, standardavvik [SD] = 1.6), atten 14-15-åringer (10 kvinner alder = 15.0, SD = 0.7) og sytten 10-12-åringer (8 kvinner, middelalder 11.6, SD = 0.8). Informert samtykke ble innhentet fra alle deltakere og fra en primær omsorgsperson dersom deltakerne var yngre enn 18 år. Studien ble godkjent av medisinsk etisk komité ved Leids universitets medisinske senter (LUMC). Data fra 3 ekstra voksne deltakere ble ekskludert på grunn av tekniske vanskeligheter. Data for deltakerne som hadde flyttet mer enn 3 mm i hvilken som helst retning ble utelukket fra analysene. Av denne grunn ble dataene fra 3-deltakerne (14, 15 og 10 år gammel) ekskludert. Gjennomsnittlig bevegelse var 0.52 mm for 18-23-åringer, 0.68 mm for 14-15-åringer, og 0.62 mm for 10-12-åringer. Forskjellen i gjennomsnittlig bevegelse mellom aldersgruppene var ikke signifikant (P > 0.1).
Behavioral Assessment
Før skanning ble alle deltakere forberedt på skanningssesjonen i et stille laboratorium der det var en mock skanner tilstede. Denne mock skanneren, som simulerte miljøet og lyder av en faktisk magnetisk resonans imaging (MRI) skanner, ga mindreårige muligheten til å bli vant til skannermiljøet og ble brukt til å forklare skanningsrutinen til alle deltakere. For å få et estimat av IQ, aldersmessige versjoner av 2-undersøkelser av Wechsler Adult Intelligence Scale (Wechsler 1981) eller Wechsler Intelligence Scales for Children (Wechsler 1991) - Likheter og blokkdesign - ble administrert til alle deltakere. For 10-12-åringer, 14-15-åringer og 18-23-åringer, var estimatene for IQs henholdsvis 119.7 (SD = 9.7), 106.0 (SD = 9.0) og 108.7 (SD = 9.4). 10-12-åringens gjennomsnittlige IQ var betydelig høyere i forhold til de andre 2-aldersgruppene (F2,49 = 11.62, P = 0.001), men de samlede deltakerens IQ falt i gjennomsnittlig rekkevidde. Analysene som er rapportert nedenfor ble alle korrigert for forskjeller i IQ ved å legge IQ som en kovariativ faktor til analysene. Imidlertid var ingen av effektene påvirket av IQ-forskjeller. Derfor er ikke IQ forskjeller beskrevet nærmere.
Alle deltakere ble screenet for psykiatriske forhold, narkotikabruk, hodeskader og kontraindikasjoner for MR ved hjelp av sjekkliste. Ingen deltakere rapporterte noen problemer. I tillegg ble deltakerne i de yngste aldersgruppene i 2 screenet for atferdsproblemer ved å bruke foreldreverdier på sjekkliste for barnets adferd (Achenbach 1991). Poengene for alle deltakerne falt innenfor det ikke-kliniske området.
Eksperimentelt design
Deltakere utførte Slot Machine Task, en barnevennlig versjon av et paradigme som tidligere ble brukt av Donkers et al. (2005). Hver prøve startet med presentasjonen av 3 tomme spilleautomater. Etter 500 ms ble en mynt vist nederst på skjermen for 1000 ms, som fungerte som en kø. For å holde deltakerne involvert i (ellers passiv) oppgaven ble de instruert til å starte maskinene ved å trykke på en forhåndsdefinert knapp med høyre pekefinger ved presentasjon av kue. Svaret måtte gis i et 1000-ms tidsvindu. Etter 1000-ms-responsvinduet ble 3-bilder, hver 1 av 3 mulige frukttyper - en kiwi, en pære eller et par kirsebær - presentert hverandre, fra venstre til høyre i spilleautomaten, hver 1500 ms Fig. 1).
Eksempel av (a) en prøveversjon og (b) Mulige resultatvisninger for Slot Machine Task. Etter et 1000-ms tidsvindu der deltakerne kunne svare på køen, oppsto 3-bilder etter hvert hver 1500-ms, noe som resulterte i 3-prøvetyper: XXX, XXY eller XYZ. Deltakere vant € 0.05 på hver XXX-prøve og vunnet ikke under de andre forholdene.
Bilder ble presentert i 3 mulige bestillinger: 1) 3 forskjellige bilder (f.eks. Kiwi-pærekirsebær, kalt XYZ-forsøk), 2) 2 identisk og 1 annet bilde (f.eks. Kiwi-kiwi-kirsebær, referert til som XXY forsøk), eller 3) 3 identiske bilder (f.eks. kiwi-kiwi-kiwi, referert til som XXX forsøk). Disse 3-prøvetypene representerer 3 eksperimentelle forhold. Ordren der prøvene ble presentert ble randomisert, og deltakerne ble presentert med en ny kombinasjon av 3-bildene på hvert forsøk.
Deltakerne ble på forhånd pålagt at de ville få € 0.05 på hver XXX-prøve, og at de ikke ville tjene penger på de andre typer forsøk. Når deltakerne ikke reagerte under XUUMX-ms-cue-presentasjonen, avsluttet prøven og de mottok en € 1000-straff. Dette skjedde på mindre enn 0.10% av forsøkene. På slutten av forsøket ble de totale gevinsten (€ 5) lagt til det beløpet deltakerne mottok som refusjon for å delta i studien.
MRI Data Acquisition
Forsøk ble presentert i løpet av 2 hendelsesrelaterte skanninger som hver varte omtrent 7 min. De visuelle stimuli ble projisert på en skjerm som deltakerne kunne se via et speil festet til hodespolen. Under skanning ble deltakerne presentert med totalt 120-forsøk, hvor XXX, XXY og XYZ-forsøk ble blandet, slik at 60 XYZ-forsøk, 30 XXY og 30 XXX-forsøk ble presentert totalt, med 60-forsøk i hver runde. Aldersrelaterte forskjeller som følge av belønninger kan påvirkes av langsom modning av evnen til å lære sannsynligheter og forutsi risiko. Vi kontrollerte for denne muligheten ved å presentere 3 påfølgende stimuli i pseudorandom rekkefølge for å maksimere usikkerheten. På alle forsøk etter presentasjon av det første bildet var sannsynligheten for at neste bilde i serien 3 var det samme, alltid 50%. På samme måte, etter at 2-identiske bilder ble presentert, var sannsynligheten for at det tredje bildet var det samme, 50% (50% XYZ, 25% XXY og 25% XXX-forsøk, etterfulgt av Donkers et al. 2005). Fiksjonsperioder som varige mellom 1 og 3 s, jittert i inkrementer av 500 ms, ble lagt i mellom forsøksforsøkene.
Skanning ble utført ved hjelp av en standard helhodetråd på en 3-T Philips-skanner ved LUMC. Funksjonsdata ble oppnådd ved bruk av a T2* -vektet gradient-ekko-ekkolodd puls-sekvens (38 sammenhengende 2.75-mm skrå aksiale skiver, ved hjelp av interleaved oppkjøp, tidsrepetisjon = 2.211 s, tid ekko = 30 ms, 2.75 × 2.75 mm i planløsning, 230 volumer per løp ). De første 2-volumene av hver skanning ble kassert for å tillate T1-ekvilibreringseffekter. Høy oppløsning T2* -vektede bilder og høy oppløsning T1-anatomiske bilder ble samlet på slutten av skanneøkten. Hodet bevegelse ble begrenset ved hjelp av en pute og skum innlegg som omringet hodet.
fMRI-forbehandling og statistisk analyse
Dataforbehandling og analyse ble utført ved hjelp av SPM2 (Wellcome Department of Cognitive Neurology). Bilder ble korrigert for forskjeller i timing av skiveoppkjøp, etterfulgt av stiv kroppsbevegelseskorreksjon. Strukturelle og funksjonelle volumer var romlig normalisert til T1 og ekko-plane bildemaler, henholdsvis. Normaliseringsalgoritmen brukte en 12-parameteraffine-transformasjon sammen med en ikke-lineær transformasjon som involverte cosinabaserte funksjoner. Under normalisering ble dataene resamplert til 3-mm kubiske voxeler. Maler var basert på MNI305 stereotaksisk plass (Cocosco et al. 1997). Funksjonelle volumer ble glattet med en full bredde på 8-mm ved halv maksimal isotrop Gaussisk kjerne. Statistiske analyser ble utført på individets data ved hjelp av den generelle lineære modellen (GLM) i SPM2.
FMRI-tidsserien ble modellert som en serie hendelser forbundet med en kanonisk hemodynamisk responsfunksjon (HRF) i 2-separate modeller. Vi modellerte hvert forsøk i 3 forskjellige forhold (XXX, XXY og XYZ) som en nullvarighetshendelse rundt begynnelsestidene for den andre stimulansen i en første modell og rundt begynnelsestidene til den tredje stimulansen i en andre modell. Feilforsøk, definert som de prøvene der deltakeren ikke reagerte i 1000-ms cue-vinduet, ble modellert separat og ble ekskludert fra fMRI-analysene.
For hver deltaker ble parametervurderingene av høyden på den best passende kanoniske HRF for hver tilstand brukt i parvise kontraster. For den første modellen beregner vi kontrastbilder for sammenligning av XXY og XYZ (dvs. sammenligner situasjonen der deltakerne først hadde sett 2-bilder som var de samme [XX] versus 2-bilder som var forskjellige [XY]), som avslørte hjerneaktiveringsmønstre relatert til "forventning" av utfallet av forsøk, basert på hypotesen om at ungdom er mer følsomme overfor potensielle fordeler enn voksne. For den andre modellen, beregnte vi kontrastbilder for sammenligning av XXX og XXY forhold, sammenligning av hjerneaktiveringsmønstre relatert til behandling av utfall av forsøk. De resulterende kontrastbildene som ble beregnet for hver deltaker, ble sendt inn på andre nivå gruppeanalyser. På gruppnivå ble hel-hjernekontrasten mellom forholdene beregnet ved å utføre en-tailed t-tester på disse bildene, behandler deltakerne som tilfeldig effekt. Hele hjernens statistiske kart ble tersklet til P <0.001, med en utvidelsesterskel på 5 sammenhengende vokser.
Statistiske analyser: Aldersrelaterte forskjeller
Fordi vi var spesielt interessert i aktiveringsmønsteret relatert til resultatforventning og utfallshåndtering i 3 forskjellige aldersgrupper, utførte vi voxelwise analyser av varians (ANOVAs) for å identifisere regioner som viste aldersrelaterte forskjeller i aktivering. Vi testet for lineære (-1 0 1), kvadratiske (-0.5 1 -0.5) og krøllete (1 -0.5 -0.5), (-0.5 -0.5 1) effekter i kontraster fra XXY-XYZ for den første modellen ( utfallsforventning) og XXX-XXY for den andre modellen (resultatbehandling). ANOVAs ble vurdert som signifikante ved en statistisk grense for 0.001 ukorrigert for flere sammenligninger, med en grenseverdier for 5 sammenhengende voxels.
Imaging Resultater: Interest Interest Analysis
Vi brukte MARSBAR verktøykassen for bruk med SPM2 (Brett et al. 2002) å utføre region av interesse (ROI) analyser for å ytterligere karakterisere aktiveringsmønstre. Vi opprettet 6-mm sfæriske ROIs sentrert ved toppaktivitetsvokselen i regionene som ble identifisert i ANOVAs testing for aldersrelaterte forskjeller. I tillegg brukte vi MARSBAR til å trekke ut oksygennivåavhengige aktivitets tidsserier i disse ROIene ved å gjennomsnittlig tidskursene for de forskjellige eksperimentelle forholdene som begynner ved starten av hvert forsøk. Disse tidskursene vises for illustrative formål i Tall 2 og 3.
Hele hjerneresultater for 0- til 12-årige, 14- til 15-årige og 18- til 23-årige deltakere relatert til forventning om mulig belønning for kontrasten av XXY> XYZ på en P <0.001 ukorrigert terskel (toppanel); 6-mm sfæriske avkastning og gjennomsnittlig tidsforløp for de 3 aldersgruppene for fremre insula og striatum (nedre panel).
Hele hjerneresultater for 10 til 12 år, 14 til 15 år og 18 til 23 år gamle deltakere relatert til forventning om mulig belønning for kontrasten av XXX> XXY på en P <0.001 ukorrigert terskel (toppanel) og XXY> XXX (i blått); 6-mm sfæriske avkastning og gjennomsnittlige tidsforløp for de 3 aldersgruppene for striatum og OFC (nedre panel).
Resultater
Resultatforventning
Vi gjennomførte en GLM-analyse av de funksjonelle dataene som ble modellert ved begynnelsen av den andre stimulansen, og beregnet den voxelvise kontrasten av XXY> XYZ for 10-12-åringer, 14-15-åringer og 18-23-åringer hver for seg. Disse analysene resulterte i stort sett overlappende aktiveringsområder for de 3 aldersgruppene. I alle aldersgrupper var resultatforventning konsekvent assosiert med aktivering i høyre fremre isolasjon (se Fig. 2, topppanel). For 10-12-åringer og 14-15-åringer ble fremre insulaaktivering funnet i begge halvkule. I tillegg viste ungdoms aldersgruppene aktiveringsklynger i ventral striatum og dorsal cingulat cortex. Vesentlige klynger og tilsvarende MNI koordinater rapporteres i Tilleggstabell 1.
VVS-ANOVAs testing for aldersrelaterte endringer for XXY-XYZ-kontrasten resulterte ikke i noen betydelige klynger ved en terskel av P <0.001. På en mer liberal terskel (P <0.005), avslørte ANOVA-testen for −1 0 1 kontrasten en lineær endring i aktivering med alderen i høyre fremre isolasjon (topp ved 42, 12, −3, z = 2.95), F1,47 = 11.24, P = 0.002. Vi opprettet en 6-mm sfærisk ROI sentrert ved denne voxelen og utførte en aldersgruppe (3) × tilstand (2) ANOVA på dataene som ble hentet fra denne avkastningen, for å ytterligere karakterisere aktiveringsmønstre i denne regionen. Gjennomsnittlige tidsserier for denne avkastningen er plottet i nederste panel av Figur 2. ANOVA for denne avkastningen resulterte i en aldersgruppe × tilstandsinteraksjon, F2,47 = 7.00, P = 0.002. Oppfølgingsjämförelser bekreftet at denne regionen var mer aktiv i XXY sammenlignet med XYZ-tilstanden i 10-12-åringer, F1,16 = 11.26, P = 0.004 og 14-15 åringer, F1,17 = 3.62, P = 0.005. For 18-23-åringer var forskjellen mellom forholdene ikke signifikant (P = 0.19).
Ingen aldersrelaterte endringer for XXY-XYZ-kontrast ble funnet i striatumet. En ANOVA viste at denne regionen var aktiv i alle aldersgrupper (topp ved -9, 9, 0, z = 4.57) i påvente av utfall, F3,47 = 13.11, P <0.001. Som forventet resulterte ANOVAs på dataene ekstrahert fra den 6 mm sfæriske avkastningen for denne regionen i en hovedeffekt av tilstanden, F1,47 = 23.73, P <0.001 og ingen signifikant interaksjon med aldersgruppen (P = 0.1). Disse resultatene viser at striatum var mer aktiv i påvente av potensiell belønning i samme grad i alle aldersgrupper. Likevel foreslår sammenligninger for aldersgruppene separat et større ventralstriatumrespons hos ungdomsgruppene. Det vil si i 10-12 og 14-15-åringer, resulterte XXY-tilstanden i betydelig mer aktivering i forhold til XYZ-tilstanden (P = 0.001 for den viktigste effekten av tilstanden), mens hos voksne viste denne forskjellen bare en trend mot betydning (P = 0.09).
Resultatbehandling
For å undersøke hjerneaktiveringsmønstre relatert til prosessering av utfall ble en lignende GLM-analyse utført på funksjonelle data modellert ved begynnelsen av den tredje stimulansen. Igjen beregnet vi interessekontrastene for 10 - 12 åringer, 14 - 15 åringer og 18 - 23 åringer hver for seg. For kontrasten til XXX> XXY (belønningsprosessering), fant vi aktivering i striatum og dorsal cingulate cortex for 10-12 åringer og 14-15 år (se Fig. 3, topppanel). Ingen signifikante klynger ble funnet for 18-23-åringer, ikke engang på en mer liberal, ukorrigert terskel av P <0.005. 14-15-åringene viste også aktivering i venstre lateral PFC.
En GLM for omvendt kontrast av XXY> XXX (behandling av utelatt belønning) avslørte ingen signifikante klynger for både 10–12 åringer og 14–15 åringer. I motsetning til dette ble en region i venstre OFC funnet å være mer lydhør overfor utelatte belønninger hos 18-23-åringer på en ukorrigert terskel på P <0.001. En oversikt over betydelige klynger og tilsvarende MNI-koordinater er rapportert i Tilleggstabell 2.
De voxelwise ANOVA-testene for aldersrelaterte endringer for XXX − XXY kontrasten bekreftet hele hjernens funn for XXX> XXY kontrasten ved å vise at aktivering i striatum varierte mellom ungdommer og unge voksne. På en ukorrigert terskel på P <0.001, avslørte ANOVA-testen for −0.5 1 −0.5 kontrasten en klynge i ventral striatum (topp ved 12, 9, −15, z = 3.68) som viste et kvadratisk utviklingsmønster, F1,47 = 17.64, P <0.001. Aldersgruppen (3) × tilstand (2) ANOVA på dataene ekstrahert fra den 6-mm sfæriske avkastningen sentrert ved denne voxelen, avslørte at denne regionen var mer aktiv i XXX sammenlignet med XXY-tilstanden i 14-15-åringer F1,17 = 22.84, P <0.001, men skilte seg ikke mellom forholdene hos 10–12-åringene (P = 0.41) og 18-23 åringer (P = 0.12) (se Fig. 3, nederste panel).
Hele hjernekontrastene for de separate aldersgruppene viste en region i lateral OFC, som var responsiv på utelatt belønning i voksengruppen. Dette funnet ble bekreftet med en ANOVA-test for en krøllete utviklingstendens med XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX-kontrasten som resulterte i en region i lateralt OFC (topp ved -0.5, 0.5, -1, z = 3.05), F1,47 = 11.99, P = 0.001 (se Fig. 3, nederste panel). ANOVAer på 6-mm sfærisk avkastning for denne regionen resulterte i en tilstand × aldersgruppeinteraksjon F2,47 = 8.67, P = 0.001. Oppfølgings sammenligninger bekreftet at denne regionen kun viste økt respons på utelatelse av belønninger sammenlignet med mottatte belønninger i 18-23-åringer F1,14 = 7.38, P = 0.02.
Diskusjon
Denne studien ble motivert av spørsmålet hvordan ungdom er forskjellig fra voksne i deres følsomhet overfor usikker belønning. Vi undersøkte utviklingssporet av hjernevirkning knyttet til behandling av usikker belønning i forventningsfasen og utfallsfasen. Tidligere studier har rapportert inkonsekvente funn på ungdomsbelønningsprosessering, og viser både "overaktiv" (Galvan et al. 2006) og "underaktiv" (Bjork et al. 2004) insentivrelatert nevrokredsløft i ungdomsårene. Den nåværende studien skiller seg fra disse tidligere studiene ved at vi brukte et paradigme, noe som resulterte i probabilistisk belønning som ikke var avhengig av atferd. Denne tilnærmingen tillot oss å undersøke grunnleggende forskjeller i belønningsfølsomheten under usikkerhet. I tillegg undersøkte vi nevrale forskjeller i 3 forskjellige aldersgrupper: 10-12-åringer, 14-15-åringer og 18-23-åringer, som gjorde at vi kunne teste for forskjellige mønstre av aldersrelatert forandring.
Studien ga 2 hovedresultater: 1), når vi forventet usikre belønninger, viste alle aldersgrupper økt aktivering i striatum, men en klynge i den fremre insula viste en lineær reduksjon i aktiveringsformen tidlig adolescens til voksenlivet og 2) ved behandling av utfallet av forsøk var mellomårene mer responsive mot mottatte belønninger som indikert ved økt aktivering i ventralstriatum, mens unge voksne reagerte mest på utelatelse av belønninger som indikert ved økt aktivering i OFC. Generelt støtter våre funn hypotesen om at mellomårstiden er preget av overaktiv incentivrelatert nevrokredsløping, men vi viser at denne effekten er mest uttalt i fasen av belønningskvitteringen. I lys av resultatene fra tidligere studier, favoriserer disse resultatene hypotesen om at overaktiv belønningskrets og umodne PFC-kretser potensielt forstyrrer ungdom mot å ta risiko (se også Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006; Casey, Getz, et al. 2008).
Utviklingsmessige endringer i resultatforventning
Forventning av utfall var knyttet til aktivering i striatum og fremre insula da de første 2 stimuliene var identiske og indikerte muligheten for å vinne. Aktivering i insula viste en lineær reduksjon med alderen; Denne regionen var mest aktiv i 10-12-åringer, mindre aktive i 14-15-åringer, og minst aktive i 18-23-åringer når de forventet belønning. I det paradigmet vi brukte, var forventningen om potensiell belønning forbundet med maksimal usikkerhet. Etter presentasjon av 2 av de samme bildene var sannsynligheten for at det tredje bildet var det samme eller forskjellige, like. I motsetning til at det andre bildet var annerledes enn det første, var det ikke lenger mulig å belønne, og som konsekvens var det ingen usikkerhet knyttet til forventningen til utfallet. Den aldersrelaterte endringen i fremre insulaaktivering kan derfor gjenspeile forskjeller i minst 2 prosesser: 1) positiv opphisselse assosiert med forventningen om å motta en belønning eller 2) usikkerheten når det antas et ukjent utfall.
Våre resultater er i tråd med resultatene av nyere studier, som har medført den fremre isolasjonen i situasjoner hvor beslutninger er knyttet til usikkerhet (Paulus et al. 2003; Volz et al. 2003; Huettel et al. 2005; Huettel 2006; Volz og von Cramon 2006). Den fremre isolasjonen har ofte vært involvert i opplevelsen av psykofysiologisk opphisselse. Det har blitt foreslått at beslutningen om isolering av insula ved å reflektere det autonome nervesystemets respons på risiko forbundet med en beslutning (Bechara 2001; Critchley et al. 2001; Paulus et al. 2003). Store autonome signaler før en ufordelaktig beslutning har blitt foreslått å fungere som et advarselssignal som beskytter mot risikovurdering (Bechara et al. 1997). I lys av denne hypotesen synes den økte insula responsen hos yngre ungdommer motstridende. Andre studier har imidlertid antydet at dette autonome signalet reflekterer salience av beslutningen som må gjøres (Tomb et al. 2002), og tidligere utviklingsstudier viste at barn opplever autonome signaler når de forventer risikable beslutninger, men unnlater å bruke disse signalene for å optimalisere sine beslutninger (Crone og van der Molen 2004, 2007; Crone et al. 2005). I den nåværende studien kan økt insula aktivering hos unge ungdommer gjenspeile umodenhet i denne regionen. De yngste deltakerne kunne ha opplevd økt psykofysiologisk opphisselse knyttet til usikkerheten knyttet til forventning om mulig belønning. Selv om vi ikke samler subjektive rangeringer av påvirkning, har tidligere studier forsøkt å korrelere erfarne påvirkning og mønstre av hjerneaktivering. En nylig studie viste at selv om aktivering i ventralstriatum korrelert med rapportert positiv effekt, var aktivering i den fremre insula korrelert med både positiv og negativ rapportert effekt (Samanez-Larkin et al. 2007). Resultatene fra denne studien antyder at den fremre insula kan bidra til beslutningsprosesser ved å gjenspeile generell oppmuntring i usikre situasjoner.
Huettel (2006) dissosiert usikkerhet knyttet til mengden potensiell belønning som kunne oppnås (belønningsrisiko) og usikkerhet med hensyn til det optimale svaret (atferdsrisiko). Han viste at aktivering i fremre insula ble selektivt påvirket av usikkerhet knyttet til responsvalg. Våre resultater legger til dette resultatet ved å vise at den fremre insula er involvert i usikre situasjoner i fravær av responsvalg, noe som tyder på at denne regionen kan ha en mer generell rolle i å representere usikkerhet om resultater. En nylig studie (Preuschoff et al. 2008) viste at den fremre insula reflekterer usikkerhetsgraden på en måte som ligner den der striatumen er følsom for belønningens størrelse. Forfatterne antyder at den fremre insula kan støtte prosesser som ligner belønningsforutsigelsesfeilene i striatumet. Den lineære reduksjonen i aktivering i denne regionen viser at anterior-insula-funksjonen er umodentlig i ungdomsårene og kan antas å foreslå en større vanskelighet hos ungdom å estimere risikoen involvert i en usikker situasjon. Eventuelt forventet ungdom oftere å sammenligne med voksne i den nåværende studien fordi de ikke lærte at forekomsten av belønninger var uforutsigbar. Samlet sett kan den økte responsen i den fremre insulaen i forventning om en usikker belønning forvirre ungdom mot økt risikotaking.
En forklaring som må vurderes er at økt aktivering i den fremre insula reflekterer negativ påvirkning. Ikke å vinne kan være assosiert med mer erfaren negativ oppblåsthet når den oppstår på slutten av prøven (XXY) sammenlignet med når den oppstår ved presentasjonen av det andre bildet (XYZ). Selv om vi estimerte HRF ved starten av den andre stimulansen, fulgte den tredje stimulansen 1.5 s senere. Det er derfor mulig at den observerte nevrale responsen påvirkes av den tredje stimulansen. I fremtidige studier vil det være viktig å undersøke effekten av både graden av risiko / usikkerhet og belønningen for ungdomsbeslutninger. Gitt det potensielle fokuset for ungdomsgruppen på belønning, ville det være interessant å teste om de nevrale systemene som reagerer på usikkerhet, svarer på samme måte når resultatet av valget er negativt, det vil si når XXX-tilstanden ville reflektere et tap i stedet for gevinst.
Utviklingsmessige endringer i resultatbehandling
Som forventet resulterte vinne penger i økt aktivering i ventral striatum. Dette funnet replikerer tidligere studier som har vist at denne regionen reagerer på belønninger (Knutson et al. 2001; McClure et al. 2003; Huettel 2006). Interessant var striatalaktivering etter en seier toppet i 14-15-åringer og var mindre uttalt i 10-12-åringer og 18-23-åringer, i tråd med hypotesen om at denne regionen er mer responsiv hos ungdom (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Casey, Getz, et al. 2008).
I den foreliggende studien fant vi toppen i responsen til ventral striatum i mellomårene bare for belønning og ikke for belønning. Dette funnet er uforenlig med tidligere studier, som rapporterte en økning i aktivering i denne regionen før den faktiske belønning av belønninger. Disse tidligere resultatene ble tatt for å foreslå en rolle for ventralstriatum i prediksjon og forventning om utfall (Knutson et al. 2001; Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006; Huettel 2006). Våre funn tyder imidlertid på at toppen i ventralstriatumrespons hos ungdom bare finnes for mottak av belønninger. I tidligere eksperimenter signaliserte signalene potensielle belønninger og tillot belønningsprognose, derfor kan aktivering i ventralstriatumet i disse studiene gjenspeile et tidlig svar på å "vite" at belønningen vil følge i stedet for å forutse muligheten for en belønning. Disse dataene kan også tas for å foreslå at ungdom overestimerer sine sjanser til å skaffe seg en belønning eller evne til å oppnå en belønning. Vi foreslår at i den nåværende studien ikke ble observert en topp i aktivering i ventral striatum før den faktiske belønning av belønning fordi oppgaveutformingen maksimerte usikkerheten og ikke tillot forutsetning for belønning. Selv om forventningsresultatene ikke viste en statistisk signifikant topp i aktivering og ingen alder × tilstandsinteraksjon i ventralstriatumet, opplyste oppfølgingsanalysene at forventningsstriatumresponsen var større for unge og mellomstore ungdommer i forhold til voksne. Fremtidige studier bør studere forutsetningen mot resultatresultatene mer detaljert.
Endelig viste unge voksne, men ikke unge og mellomstore ungdommer, økt aktivering i venstre lateral OFC etter utelatelse av belønninger. Lateral OFC har tidligere vært involvert i behandling av straff (O'Doherty et al. 2001). OFC er sterkt forbundet med både appetitiv kretsløp og andre regioner i PFC, og for nylig har det blitt foreslått at OFC har en integrerende funksjon ved å veilede hjernens respons på affektiv informasjon og veilede affektiv beslutningstaking ved å opprettholde og oppdatere en representasjon av incitamentsrelaterte forventninger online (for vurderinger, se O'Doherty 2007 og Wallis 2007). Responsen av lateral OFC hos unge voksne kan derfor signalere behovet for økt oppmerksomhet og justering av atferd etter negative resultater. Det skal bemerkes at OFC er en heterogen region, og mange spørsmål om sin rolle i målrettet adferd og beslutningstaking og tilhørende endringer med utvikling må testes i fremtidige studier. Funnet om at denne regionen er involvert i behandlingen av ugunstige utfall hos voksne, men ikke i tidlig og mellomstore ungdom, er i tråd med hypotesen om at nettverk i hjernen relatert til høyere ordrebehandling og kognitive kontrollfunksjoner ikke modnes til sent ungdomsår (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006).
Konklusjoner
De nåværende funnene kan tolkes i lys av de siste regnskapene som søker en nevropsykologisk forklaring på ungdomsadferd. Både SIPN (Social Information Processing Network) (Nelson et al. 2005) og triadmodellen (Ernst et al. 2006) inneholder en appetitiv komponent og en kognitiv / regulatorisk komponent. I disse modellene er adolescent atferd preget av et sterkt appetitivt system og et relativt svakt kontrollsystem. SIPN-modellen (Nelson et al. 2005) antyder at hjernestrukturene som ligger til grund for den appetitive komponenten, reagerer på gonadale hormoner og utløses i begynnelsen av puberteten, i motsetning til kognitive strukturer som følger en langsommere utvikling.
Det passive paradigmet som ble benyttet i den foreliggende studien, tillot oss ikke å løse spørsmål om hvordan forskjeller i det neurale substratet i belønningsprosess og risikobegrepet mellom ungdom og voksne bidrar til motivert atferd hos ungdom og voksne. Det er viktig å illustrere dette forholdet og dets utviklingsmessige bane fordi ungdoms risikofylt atferd kan få alvorlige konsekvenser (Steinberg 2004; Fareri et al. 2008). Funnet om at belønningsrelaterte hjernegrupper er mer responsive i ungdomsårene, selv når belønningene ikke er relatert til atferd og små, tyder på grunnleggende forskjeller i hvordan usikre belønninger behandles i ulike aldre. For å dømme den økologiske gyldigheten av disse funnene bør fremtidige studier ta hensyn til individuelle forskjeller i for eksempel sensasjonssøk, temperament og kjønn, og må undersøke disse regionene ved hjelp av mer komplekse oppgaver. En annen begrensning av denne studien er at vi ikke oppnådde direkte tiltak av pubertalestatus, noe som begrenser vår evne til å tolke bidraget til pubertalendringer i forskjellene mellom 10-12 og 14-15-åringer. Fremtidige studier bør forsøke å forholde seg nærmere til aldersrelaterte endringer i endringer knyttet til pubertetutvikling.
Sammendrag, viser våre funn at hjernevirkningsmønstre relatert til utfallsforventning i fravær av atferd, kan skille seg fra de som er relatert til behandling av utfall. Forventning av usikker belønning er knyttet til aktivering i fremre insula og striatum. Spesielt viser aktivering i fremre insula en lineær utviklingstendens og avtar fra tidlig ungdomsår til ung voksenliv. I motsetning er behandling av belønning knyttet til en topp i aktivering i ventral striatum i 14-15 åringer og 10-12 åringer i mindre grad. Interessant, 18-23 åringer er mest lydhør overfor utelatt belønning, som viser aktivering i laterale OFC-regioner. Disse funnene støtter hypotesen om at ungdomsårene er preget av ubalanse i modning av affektive og regulerende hjernekretser (May et al. 2004; Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006). Nåværende data viser at på et grunnleggende nivå av behandling av ungdommer er mer responsive mot forventet og mottatt belønning og risiko forbundet med usikkerhet sammenlignet med voksne.
Tilleggsmateriale
Tilleggsmateriale kan bli funnet på: http://www.cercor.oxfordjournals.org/.
Finansiering
Forskning fra forfattere (EAC og SARBR) er gjort mulig av NWO VENI / VIDI-tilskudd.
Referanser
;