Human Striatal Response to Largely Nonrewarding Stimuli (2003)

Abstrakt

Selv om en foreslått funksjon av både striatum og dens viktigste dopamininnganger er relatert til kodende belønninger og belønningsrelaterte stimuli, antyder et alternativt synspunkt en mer generell rolle for striatum i prosessering av fremtredende hendelser, uavhengig av belønningsverdien. Vi definerer salgskraft som en hendelse som begge er uventet og fremkaller en oppmerksomhets-atferdsbryter (dvs. å vekke). I den foreliggende studien ble menneskelige striatal responser mot fremtredende fremtredende stimuli undersøkt. Ved bruk av funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) ble det blodavhengige nivåavhengige signalet målt som respons på flimrende visuelle distraktorer presentert i bakgrunnen av en pågående oppgave. Distractor salience ble manipulert ved å endre frekvensen av distractor forekomst. Ofte presenterte distraherende ble ansett som mer fremtredende enn ofte presenterte distraherende. Vi undersøkte også om atferdsrelevansen til distraherende stoffer var en nødvendig komponent i salgskraften for å fremkalle striatal respons. I det første eksperimentet (19 forsøkspersoner) ble distraheringene gjort atferdsrelevante ved å definere en undergruppe av dem som mål som krever et knappetrykk. I det andre eksperimentet (17 forsøkspersoner) var distraherende ikke atferdsrelevante (dvs. at de ikke krever noe svar). FMRI-resultatene avdekket økt aktivering i nucleus accumbens etter sjeldne (høye salience) relativt til hyppig (lav salience) presentasjon av distraherende i begge eksperimenter. Caudataktivitet økte bare når distraherende var atferdsrelevant. Disse resultatene demonstrerer en rolle som striatum i koding av fremtredende begivenheter. I tillegg foreslås en funksjonell underavdeling av striatum i henhold til atferdsrelevansen til stimuli.

Introduksjon

Striatumet har blitt implisert i forskjellige funksjoner, både motoriske og kognitive, men den nøyaktige arten av funksjonene er i det vesentlige ukjent. Tiår med dyreforskning antyder at både striatum og det fasiske dopaminerge innspillet spiller en viktig rolle i koding av belønning og belønningsassosiert stimuli (for gjennomgang, se Schultz, 1998; Schultz et al., 2000). Nyere nevroimaging studier på mennesker støtter disse påstandene (Delgado et al., 2000; Knutson et al., 2000, 2001a,2001b; Berns et al., 2001, Breiter et al., 2001; Pagnoni et al., 2002; Elliott et al., 2003). Et alternativt synspunkt hevder at i stedet for spesifikt å behandle belønningsrelaterte stimuli, koder aktivitet innenfor striatum (inkludert dens viktigste dopaminergiske innspill) alle fremtredende hendelser, inkludert og strekker seg utover fordeler. Salience refererer her til uventede stimuli eller miljøendringer som enten vekker eller som fremkaller en oppmerksomhets-atferdsbryter (Redgrave et al., 1999; Horvitz, 2000). Bevis for dette synet kommer fra studier som viser at rygg (Rolls et al., 1983; Caan et al., 1984; Hikosaka et al., 1989; Ravel et al., 1999; Shimo og Hikosaka, 2001) og ventral (Williams et al., 1993; Setlow et al., 2003) striatale nevroner reagerer på slike fremtredende stimuli, inkludert opphissende, aversive, nye og atferdsrelevante hendelser, spesielt når de er uventet. Videre øker presentasjonen av fremtredende ikke-fremrykkende stimuli i flere modaliteter dopaminnivåene i striatum og øker dopaminerg neuropyring i mellomhinnen (for gjennomgang, se Horvitz, 2000). Disse funnene forbinder striatum med prosessering av fremtredende hendelser fordi nesten alle striatal celler er innervert av dopaminerge projeksjoner i mellomhinnen (Groves et al., 1995). Utenfor en givende kontekst er striatal prosessering av fremtredende hendelser stort sett uutforsket hos mennesker. Noen få menneskelige nevroimaging-studier har avdekket økt striatal aktivitet som respons på begge straffene (Knutson et al., 2000, 2003) og aversiv stimuli (Becerra et al., 2001); Imidlertid har ikke alle undersøkelser av straff hos mennesker funnet økt striatal aktivitet (Delgado et al., 2000). Slike motstridende resultater antyder at enten atferdskontekst eller stimulusstørrelse spiller en viktig rolle i å modulere striatal funksjon. Så langt vi kjenner til, har ikke striatumets rolle i prosessering av nøytral fremtredende stimuli blitt undersøkt spesifikt hos mennesker.

Ved hjelp av funksjonell magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI), forsøkte vi å undersøke hvordan human striatal (caudat, putamen og nucleus accumbens) aktivitet ble modulert av nøytrale fremtredende hendelser. I de nåværende eksperimentene ble flimrende visuelle distraktorer presentert utenfor fagens fokus. Distraktors oppmerksomhet ble manipulert ved å endre frekvensen av distraktorforekomsten. Mindre hyppige hendelser er mer markante fordi deres forekomst iboende er mindre forutsigbar enn de som ofte forekommer. Vi utførte to eksperimenter for å avgjøre om stimuli måtte være atferdsmessig relevante i stedet for bare å vekke medfødt til å fremkalle striatal aktivering. I det første eksperimentet var distraktorene atferdsrelevante ved at de potensielt krevde et svar, mens distraktorene i det andre eksperimentet var atferdsmessig irrelevante ved aldri å kreve svar. Vi antydet at et større fMRI-signal ville bli målt i striatum til den sjeldne (høy salience) i forhold til hyppige (low salience) distraktorer, og at den striatale aktiviteten ville bli modulert av atferdsrelevans.

Materialer og metoder

Fag. Trettiseks høyrehendte, sunne voksne (19 kvinner, 17 hanner), aldre 19-44, ble inkludert i studien, 19 i eksperiment 1 og 17 i eksperiment 2. Gitt likheten mellom de to eksperimentene, ble to separate prøver av forsøkspersoner rekruttert til eksperimentene for å unngå test-retest-forvirring. Personer i begge grupper ble tatt ut fra samme populasjon (rekruttert fra Emory University-samfunnet, demografisk likt mellom gruppene, uten signifikante forskjeller i aldre mellom grupper). Forsøkspersonene hadde ingen historie med nevrologiske eller psykiatriske lidelser og ga informert samtykke for en protokoll godkjent av Emory University Institutional Review Board.

Eksperimentelle oppgaver. Alle stimulipresentasjoner og opptak av reaksjonstider ble utført med presentasjonsprogramvare (Neurobehavioral Systems, Inc., San Francisco, CA).

Eksperiment 1 er diagrammet i Figur 1 A. Mens de var i skanneren, så motivene en av fire blå figurer (firkant, rektangel, sirkel eller trekant) presentert i tilfeldig rekkefølge i midten av en svart skjerm for 750 msek i et 2000 msek interstimulus intervall (ISI). Motivene ble fortalt at de ville se blå figurer, en om gangen, i midten av en skjerm. De ble instruert om å trykke på knapp 1 ved å bruke høyre pekefinger hver gang en trekant (målstimuli) dukket opp. De andre formene ble betegnet som ikke-mål. I en delmengde av ikke-målene dukket det opp en fremtredende distraherende i form av en mindre, hvit, flimrende (28 Hz) sirkel eller trekant i bakgrunnen (på en av fire skjermhjørneposisjoner tilfeldig). Forsøkspersonene ble fortalt at en flimrende hvit form tidvis ville dukke opp i bakgrunnen for den pågående oppgaven og ble instruert om å trykke på knapp 2 ved å bruke sin høyre langfingre bare når distrahereren var en trekant (respons distractor). De ble ikke pålagt å reagere på sirkeldistraktorene (distraherende ikke-svar). Begge distraktortypene (respons og ikke-svar) var atferdsrelevante ved at de potensielt krevde svar. Som sådan fremkalte distraherende en øyeblikkelig oppmerksomhets- og atferdsbryter. En enkelt eksperimentell økt besto av fire løp som varte 240 sek hver, med 116 stimulipresentasjoner. I hver kjøring dukket den sentrale trekantmålstimuleringen opp 29 ganger.

 

Se større versjon: 

• På denne siden
• I et nytt vindu
• Last ned som PowerPoint Slide

Figur 1. 

Skjematisk over oppgavene. Hver stimulus dukket opp for 750 msek (ISI, 2000 msek). De ensfargede pilene indikerer en knapp 1-trykk; den dobbelthalede pilen indikerer en knapp 2-trykk. A, Utdrag fra eksperiment 1, atferdsrelevante distraherende, hyppig kjøring. De hvite distraheringene fremstår som sirkler eller trekanter som flimrer i bakgrunnen for den pågående oppgaven. Forsøkspersonene ble bedt om å trykke på knapp 1 når en blå (vist her i grått) midtre trekant dukket opp og knapp 2 når den hvite distrahereren i bakgrunnen var en trekant. B, Utdrag fra eksperiment 2, atferd irrelevante distraherende, hyppig kjøring. De hvite distraheringene dukket opp som sirkler som flimret i bakgrunnen av den pågående oppgaven. Forsøkspersonene ble bedt om å trykke på knapp 1 da en blå (vist her i grått) midtre trekant dukket opp. Det ble ikke gitt svar til distraherende. I begge eksperimentene dukket distraktorene opp tilfeldig i tid og rom. Eventuelle mønstre som blir oppdaget i figuren er rent tilfeldige. De sjeldne kjørene av begge eksperimentene (data ikke vist) var de samme, bortsett fra at distraheringene forekom sjeldnere.

Salighet av distraherende stimuli ble manipulert ved å endre deres hyppighet av forekomst; jo større frekvens, jo mer sannsynlig at en gitt prøve ville inneholde en distraherende, og dermed ble større frekvens assosiert med større forutsigbarhet i gjennomsnitt og mindre salighet. I en løpet dukket det opp en distraktorstimulus 25 ganger (hyppig), med 1-4 (gjennomsnitt, 2.9) stimuli mellom påfølgende distraktorstimuli. I løpet av de tre andre forsøkene forekom en distraktorstimulus bare 4 ganger (sjelden), med 24-32 (gjennomsnittlig, 28.5) stimuli mellom påfølgende distraktorstimuli. Ved å ha tre sjeldne løp, var det nok sjeldne distraheringsstimuli til å utføre en statistisk analyse av tilstrekkelig kraft. I alle løp skjedde distraheringsstimulene uregelmessig i tid og aldri samtidig som et sentralt trekantmål. Forsøkspersonene fikk ikke beskjed om å fikse og var fri til å bevege øynene. Løpsordre ble motvektet på tvers av fag.

Eksperiment 2 er diagrammet i Figur 1 B. En egen gruppe av personer utførte den samme oppgaven som beskrevet ovenfor, bortsett fra følgende forskjeller: distraherende var alle sirkler og atferd irrelevante ved at de aldri krevde svar. Motivene ble fortalt at de ville se blå figurer en om gangen i midten av en skjerm og ble instruert om å trykke på knapp 1 ved å bruke høyre pekefinger hver gang en trekant dukket opp. I eksperiment 2 ble distraheringene ikke nevnt for forsøkspersonene når instruksjoner ble gitt. Igjen ble distraheringenes oppmerksomhet manipulert ved å endre frekvensen av forekomsten. Selv om de ikke var atferdsrelevante, ble de sjeldne distraherende ansett som fremtredende i kraft av deres medfødte vekkeregenskaper (dvs. sterk fargekontrast og flimring).

fMRI-avbildning. Skanning ble utført på en 1.5 Tesla Philips Intera-skanner (Eindhoven, Nederland). For hvert individ ble et T1-vektet strukturelt bilde anskaffet for anatomisk referanse, fulgt av fire funksjonelle kjøringer med hele hjernen av 120-skanninger hver for å måle den T2 * -vektede blodoksygenasjonsnivåavhengige (BOLD) effekten (gradient-remember echo- plan avbildning; repetisjonstid, 2000 msek; ekkotid, 40 msek; flippvinkel, 90 °; 64 × 64-matrise; synsfelt, 240 mm; 24 5 mm aksiale skiver anskaffet parallelt med den anteroposterior kommisjonslinjen). Hodebevegelse ble minimert med polstring.

fMRI-analyse. Dataene ble analysert ved bruk av statistisk parametrisk kartlegging (SPM99) (Friston et al., 1995b). For hvert emne ble de første 12 skanningene i hvert løp ekskludert fra analysen for å diskontere gjenstander relatert til den forbigående magnetiseringsfasen. Korreksjon av skive timing ble brukt til å justere for tidsforskjeller som følge av multislice bildebehandling. Bevegelseskorreksjon til den første funksjonelle skanningen ble utført i fag ved hjelp av en seks-parameter transformasjon av stiv kropp. Hver enkelt persons anatomiske bilde ble co-registrert til gjennomsnittet av deres funksjonelle bilder ved hjelp av en stiv kroppstransformasjon og deretter normalisert romlig til Montreal Neurological Institute (MNI) mal i samsvar med Talairach orienteringssystem (Talairach og Tournoux, 1988) ved å anvende en 12-parameter affine transformasjon etterfulgt av ikke-lineær vridning ved bruk av basisfunksjoner (Ashburner og Friston, 1999). De beregnede transformasjonsparametere ble anvendt på alle funksjonelle bilder, interpolert til en endelig voxelstørrelse på 4 × 4 × 4mm ³. Bildene ble deretter romlig utjevnet med en isotropisk Gauss-kjerne 8 mm og filtrert midlertidig med en syntetisk hemodynamisk responsutjevningsfunksjon for å dempe høyfrekvente komponenter av signalet som følge av støy.

En tilfeldig effekt, hendelsesrelatert statistisk analyse ble utført med SPM99 (Friston et al., 1995a, 1999) i en to-nivå prosedyre for hvert eksperiment. For eksperiment 1 ble det på første nivå spesifisert en egen generell lineær modell for hvert emne. BOLD-svarene på fire hendelsestyper (ikke-mål, mål, respons-distraktorer og ikke-svar-distraktører) for hver kjøring ble modellert med en basisfunksjon bestående av en syntetisk hemodynamisk responsfunksjon (bestående av to gammafunksjoner forskjøvet 2 sek fra hverandre) og dens første ordre tidsmessig derivat. Et kontrastbilde ble beregnet for hvert individ som tilsvarte hovedeffekten av distraheringsfrekvens: sjeldne distraherende større enn hyppige distraherende (uansett type). De individuelle kontrastbildene ble deretter lagt inn i en analysen på andre nivå ved bruk av en prøve t test. Det resulterende sammendragsstatistiske kartet ble tersklet kl p <0.05 (ukorrigert for flere sammenligninger), og deretter ble en liten volumkorreksjon (SVC) påført seks 6 mm sfæriske sfæriske regioner av interesse (ROI). På grunn av a priori hypotese angående striatum, ROI-ene ble sentrert på følgende lokasjoner (MNI-koordinater): høyre nucleus accumbens, 12, 8, -8; venstre kjernen accumbens, -12, 8, -8; høyre caudate, 12, 8, 12; venstre caudat, -12, 8, 12; høyre putamen, 24, 4, 4; og venstre putamen, -24, 4, 4 (Fig. 2). Koordinatene som tilsvarer hver ROI var basert på de spesifisert av Talairach Daemon-databasen (Lancaster et al., 2000), som implementert i AFNI-programvare (Cox, 1996), som også ble brukt til å konvertere Talairach-koordinatene til de tilsvarende MNI-koordinatene. Korreksjon av lite volum er en begrenset anvendelse av den tilfeldige Gaussiske feltteorien for å gjøre rede for flere sammenligninger når statistisk inferanse er begrenset til en a priori spesifisert interesseområde (Worsley et al., 1996). For hvert emne ble parameterestimatene (dvs. effektstørrelse uttrykt som prosent av den globale middelintensiteten til skannene) for hver distraktortype (respons og ikke-svar) under de to forholdene (hyppige og sjeldne) gjennomsnitt over Voxels innenfor de spesifiserte ROI-ene. som overlevde p_SVC <0.05 for kontrasten, sjeldne distraktorer større enn hyppige distraktorer. Fordi de sjeldne distraktorene resulterte i større aktivering enn de hyppige distraktorene, utførte vi a post hoc vurdering av de individuelle bidragene fra responsen og distraherende med ikke-svar til den sjeldne tilstanden. Dette ble testet med en parvis sammenligning av parameterestimatene for ikke-svar mot respons distraherende i sjeldne tilstand. Den samme analysen for eksperiment 1 ble utført for eksperiment 2, bortsett fra at fordi det bare var en distraktortype (ikke-svar) i eksperiment 2, ble tre snarere enn fire hendelsestyper modellert: ikke-mål, mål og distraherende. Evalueringen av de individuelle bidragene fra respons- og ikke-svar-distraktører som ble utført i eksperiment 1, gjaldt ikke i dette andre eksperimentet.

 

Se større versjon: 

• På denne siden
• I et nytt vindu
• Last ned som PowerPoint Slide

Figur 2. 

Plasseringene av følgende bilaterale ROI: nucleus accumbens, putamen og caudate. ROI-ene er vist på aksiale seksjoner av en MR-strukturmal.

I en separat analyse ble det første nivå individuelle kontrastbilder fra eksperimentene 1 og 2 lagt inn i en andenivåanalyse ved bruk av en to-prøve t test for å vurdere samspillet mellom atferdsrelevans og markering. Fordi forsøkspersonene i hvert eksperiment ble tatt ut fra samme populasjon (dvs. to forskjellige grupper av individer fra samme populasjon), kunne alle forskjeller mellom disse gruppene tilskrives forskjeller i oppgaver (dvs. distraktors atferdsrelevans). For hver interaksjonskontrast, (1) (sjeldne distraktorer - hyppige distraktorer) × (relevante - irrelevante) og (2) (sjeldne distraktorer - hyppige distraktorer) × (irrelevante - relevante), ble det statistiske kartet terskelverdige p <0.05 og deretter ble en SVC påført de samme seks 6 sfæriske sfæriske ROIene som er spesifisert i en-prøve-analysene ovenfor.

Resultater

I begge eksperimentene gjorde forsøkspersonene i gjennomsnitt mindre enn en feil per kjøring. I eksperiment 1 var reaksjonstiden til responsdistraktorene betydelig lengre for de sjelden presenterte distraktorene (gjennomsnitt ± SE = 683 ± 27 msek) enn for de ofte presenterte distraktorer (gjennomsnitt ± SE = 623 ± 24 msek) (p <0.001; sammenkoblet t test). Reaksjonstider på de sentrale trekantmålene i hyppige kjøringer (gjennomsnitt ± SE = 598 ± 20 msek) og sjeldne kjøringer (gjennomsnitt ± SE = 579 ± 19 msek) var også betydelig forskjellige i eksperiment 1 (p = 0.008; sammen t test). I eksperiment 2 var det ingen signifikant forskjell i reaksjonstider til de sentrale trekantmålene mellom den hyppige kjøringen (gjennomsnitt ± SE = 468 ± 17 msek) og sjeldne kjøringer (gjennomsnitt ± SE = 456 ± 14 msek) (p = 0.132; sammen t test).

FMRI-ROI-resultatene for kontrasten, sjeldne distraherende større enn hyppige distraktorer, i eksperiment 1 og eksperiment 2 er oppsummert i Tabell 1. I eksperiment 1 (atferdsrelevante distraktorer), av de seks undersøkte avkastningene på avkastningen, skjedde betydelige aktiveringer bilateralt i caudate og nucleus accumbens. Fagens parameterestimater for hver distraktortype i bilaterale caudate og nucleus accumbens ROI (putamen ROIs inneholder ikke signifikant aktiverte voxels) avslørte at i alle fire klynger ble det største signalet målt for de sjeldne nonresponsdistraktorene sammenlignet med de andre distraktortypene, inkludert sjeldne responsdistraktorer (Fig. 3). For eksperiment 2, inneholdt bare den venstre kjernen accumbens ROI betydelig aktivering.

 

Se større versjon: 

• På denne siden
• I et nytt vindu
• Last ned som PowerPoint Slide

Figur 3. 

I eksperiment 1 ble enkeltpersoners parameterestimater som representerer effektstørrelser (prosent av global gjennomsnittsintensitet) gjennomsnittet over signifikant aktiverte vokser innenfor avkastningen for kontrasten, sjeldne distraktorer som er større enn hyppige distraktorer. ROI med betydelig aktivering var bilateral nucleus accumbens og caudate. Kontrastestimatene er tegnet for sjeldne distraherere i forhold til hyppige distraherende, uavhengig av responskrav (A). Sjeldne distraherende ble underinndelt av responskrav, og kontrastestimater for sjeldne ikke-svarende distraktorer i forhold til sjeldne responsdistraktorer er plottet ut (B). Linjeplott representerer gjennomsnitt og SE-er på tvers av fag. ^*p <0.05; ^**p <0.005; ^***p < 0.001.

Resultatene fra fMRI-analysen som sammenligner atferdsrelevans mellom de to eksperimentene er oppsummert i Tabell 2. For interaksjonen (sjeldne distraktorer - hyppige distraktorer) × (relevant - irrelevant), skjedde signifikant aktivering i kaudatet bilateralt. Ingen andre ROI hadde aktiveringer. Samspillet (sjeldne distraktorer - hyppige distraktorer) × (irrelevant - relevant) resulterte ikke i noen signifikant aktiverte ROI.

Diskusjon

Ved bruk av fMRI undersøkte den nåværende studien hvordan menneskelig striatal aktivitet ble modulert av salgskraften til ikke-videresendende stimuli. Stimuli som anses som fremtredende må være uventet og vekker oppsikt (dvs. trekke oppmerksomhet). I denne studien utførte forsøkspersonene en pågående kontinuerlig ytelsesoppgave designet for å fokusere oppmerksomheten, men hjerneaktivitet knyttet til å utføre denne sentrale oppgaven var ikke av interesse. Stimulene av interesse var distraherende stimuli som flimret i bakgrunnen til noen av ikke-målene i den sentrale oppgaven. Salency ble manipulert over to dimensjoner: frekvens (hyppigere, mindre fremtredende) og atferdsrelevans.

Et viktig trekk ved oppgavene våre var manipulering av forventning om distraksjonstimuli gjennom frekvens. I hvert eksperiment ble frekvensen av forstyrrelsesforekomst modulert mellom kjøringer for å endre forventning av distraktoren og dermed saliens. Når hendelser forekommer oftere, blir de mer forventede og mindre fremtredende. Sjeldne stimuli med lange intervaller mellom påfølgende hendelser er uventede og derfor mer fremtredende. I samsvar med aksepterte definisjoner av sjeldne (McCarthy et al., 1997; Clark et al., 2000; Kirino et al., 2000), skjedde sjeldne distraktorer i <10% av forsøkene. Innenfor hvert eksperiment ble distraktøregenskaper, inkludert plassering, nøyaktig timing og type distraktor, pseudorandomisert i hvert løp, slik at den eneste manipuleringen av salience kom fra relativ frekvens. I eksperiment 1 var reaksjonstidene for sjeldne distraherere signifikant lengre enn for hyppige distraktorer, noe som demonstrerte et atferdskorrelat av forutsigbarhet.

I tillegg til forutsigbarhet, bidrar evnen til å foretrekke oppmerksomhet sterkt til stimulus salience. Dette aspektet av selektivitet kan enten være avhengig av atferdskonteksten (dvs. på grunnlag av stimulus atferdsrelevans) eller uavhengig av atferdskontekst (dvs. på grunnlag av iboende stimulusegenskaper) (Downar et al., 2002). I eksperimentene våre manipulerte vi atferdskonteksten. I eksperiment 1 var distraktorene atferdsrelevante i kraft av en potensiell respons. I eksperiment 2 var distraheringene atferdsrelevante fordi distraherende var uviktig for oppgaven, og forsøkspersonene ikke måtte svare på dem. Emner rapporterte imidlertid at de “la merke til” distraheringene. Da distraheringene i eksperiment 2 ble presentert sjelden, ble de fortsatt ansett som fremtredende på grunn av funksjoner uavhengig av atferdsmessig kontekst, inkludert deres sterke fargekontrast på den svarte bakgrunnen (i motsetning til de mindre kontrasterende blå formene i den pågående oppgaven) og deres flimrende natur . I tillegg til de intrinsiske egenskapene til stimuli, hadde distraherende i eksperiment 1 en ekstra dimensjon til deres saltverdighet som et resultat av potensielle atferdsmessige konsekvenser. Det er viktig at begge distraksjonstypene (respons og ikke-svar) i eksperiment 1 krevde at emner øyeblikkelig avbryter den pågående oppgaven, viderekobler ressurser til distraktoren og muligens reagerer på den, selv om knappetrykk bare forekom responsens (trekantens) distraherere.

Resultatene fra denne studien viser at aktiviteten i nucleus accumbens økte som svar på uventede, vekke endringer i det visuelle miljøet (dvs. utseendet til flimrende distraherende), mens caudatet ble rekruttert bare når en slik stimulus var atferdsrelevant. Disse aktivitetsmønstrene stemmer overens med tidligere dyreforsøk. Caudate nevroner reagerer på signaler og visuelle stimuli, men responser blir vanligvis ikke sett når disse stimuli er uavhengig av oppgaven (Rolls et al., 1983). Aosaki et al. (1994) rapporterte at nevroner i caudatet ikke svarer på en signal før trening; de svarer imidlertid på køen etter å ha lært at køen signaliserer kommende belønning og dermed setter i gang slikking. På den annen side reagerer nucleus accumbens på å vekke visuelle stimuli, selv når de mangler oppgaverelevans (Williams et al., 1993). Vi observerte ingen signifikante moduleringer av aktivitet i putamen, noe som stemmer overens med data som antyder at putamen er mest direkte knyttet til motorisk kontroll (Alexander og Crutcher, 1990) snarere enn salience per se.

Fra våre data konkluderer vi at det menneskelige striatum (caudate og nucleus accumbens) spiller en rolle i prosessering av fremtredende hendelser, annet enn belønninger, men responsen er ikke homogen i hele striatum. Redgrave et al. (1999) foreslo at aktivitet i striatum gir et signal om å bytte oppmerksomhets- eller atferdsressurser, eller begge deler, til uventede stimuli som fremkaller slike svar. I samsvar med denne teorien antyder resultatene våre at nucleus accumbens reagerer når en oppmerksomt svitsj blir framkalt, mens caudatet reagerer når en atferdsbryter blir fremkalt.

En alternativ tolkning kan være at forsøkspersoner fant at å svare på distraherende i eksperiment 1 var mer givende enn ikke å svare på distraherende i eksperiment 2. I dette synspunktet ville den differensielle striatale aktiveringen (caudat) være forårsaket av en forskjell i intern belønningstilstand. Imidlertid er denne tolkningen usannsynlig gitt at sjeldne ikke-svarende distraherende, snarere enn respons distraherende, fremkalte den største dorsale og ventrale striatal aktivitet. Hvis den interne belønningshypotesen var sann, ville det å svare ikke være mer givende enn å svare, et scenario som virker umulig. Det største signalet etter sjeldne distraherende, som ikke svarer, gir også bevis for at den statalale aktiviteten i eksperiment 1 ikke kan tilskrives motorisk utførelse (selv om det ikke kan utelukkes at det involveres i motorisk hemming).

Tolkningen av de nåværende resultatene er avhengig av at salience blir manipulert gjennom endring av distraheringsfrekvens. Imidlertid bør det bemerkes i eksperiment 1 at effekten av frekvens kan tolkes annerledes. Forsøkspersonene måtte bytte mellom to stimulus-responskanaler både ofte og sjelden. Effekten av frekvens kan derfor gjenspeile forskjeller i hastigheten på å endre responsvalget i stedet for salience. Så vidt vi vet, har striatum ikke vært involvert i kodingsfrekvensen for å endre responsvalg, selv om fremtidige studier som manipulerer stimulussaliitet på andre måter enn å endre frekvensen av forekomst, kan løse dette problemet.

Hjerneresponser på sjeldne fremtredende stimuli er blitt vurdert på andre måter, for eksempel oddballparadigmer, men striatal aktivitet er ikke rapportert i disse studiene (McCarthy et al., 1997; Clark et al., 2000; Kirino et al., 2000; Casey et al., 2001). Hvis striatum koder for uventede hendelser som fremkaller en veksling av oppmerksomhet eller oppførsel, som resultatene våre antyder, er kanskje ikke oddball-paradigmer effektive for å fremkalle striatal aktivering. I de nevnte oddball-paradigmer dukket hver stimulus opp i fokus, slik at ingen brytere ble fristet. Ved å presentere stimuli i fokus, forventet forsøkspersonene at en stimulus skulle vises på et forutsigbart sted og typisk på et forutsigbart tidspunkt. Selv om de var sjeldne sammenlignet med andre stimuli i oppgaven, var stimuli av interesse ikke uventet, som de ville være hvis de ble presentert utenfor oppgaven. I den nåværende studien unngikk vi disse forvirringene ved å presentere distraherende utenfor oppmerksomhetsfokuset, og dermed la oss modulere både stimulusforventning og atferdsrelevans.

Det skal bemerkes at signalet målt i fMRI er et indirekte mål på endringer i cerebral blodstrøm, som har en tendens til å være mer korrelert med presynaptisk aktivitet enn postsynaptisk pigging (Logothetis et al., 2001). BOLD-signalet kan ikke assosieres direkte med aktivitet i spesifikke celletyper og er ikke en måling av spesifikk frigjøring av nevrotransmitter. Vi klarer ikke å koble de nåværende resultatene til spesifikke nevroner i striatum [f.eks. Tonisk aktive interneuroner (TAN) eller medium spiny projeksjonsnevron] eller direkte endringer i dopaminoverføring. Fordi BOLD-signalet er mer korrelert med presynaptisk aktivitet, representerer imidlertid de observerte aktiveringene i striatum sannsynligvis ikke pigghastigheter av striatal projeksjonsnevroner. TANs utgjør ∼2% av alle striatal celler (Pisani et al., 2001); derfor er det lite sannsynlig at TAN-ene er alene ansvarlige for de rapporterte endringene i striatal aktivitet. Dopaminergiske innspill, som reagerer på fremtredende hendelser (Horvitz, 2000), kan samhandle med konvergente glutamatergiske kortikale innganger i striatum ved å forsterke sterke (fremtredende relaterte) kortikale innganger og dempe svake (ikke-relaterte) kortikale innganger (Nicola et al., 2000; Horvitz, 2002). Denne interaksjonen kan være ansvarlig for signalendringene som ble observert i striatum i våre eksperimenter. I den nåværende studien, selv om dopamininnganger innerverer hele striatum, kunne differensiell striatal aktivering mellom eksperimentene ha skjedd som et resultat av rekrutteringen av forskjellige kortikale innspill som koder for atferdsrelevans. Den nåværende analysen var begrenset til striatum; Det vil imidlertid være interessant i fremtidige studier å undersøke hvilke kortikale områder som også rekrutteres under lignende oppgaveforhold.

Avslutningsvis utvider resultatene av denne studien rollen til striatum fra belønningsprosessering til salgskraftbehandling. Spesifikt antyder dataene våre at nucleus accumbens spiller en rolle i koding av uventede vekker hendelser, mens caudataktivitet er nærmere knyttet til atferdsrelevansen til stimuli. Denne oppfatningen er ikke uforenlig med belønningsteorien til striatum. Både uventede belønninger og belønningsrelaterte stimuli er fremtredende ved å være atferdsrelevante, spesielt for et matfratatt dyr (som ofte er tilfelle i studiene som undersøker belønningsprosessering), og pågående atferd må avbrytes for å nærme seg og konsumere belønning. Denne studien gir bevis på at aktivitet i menneskets striatum koder mer enn belønning eller til og med stimuli som potensielt kan føre til belønning. Snarere kan det striatale systemet ha utviklet seg mer generelt for å underarbeide behandlingen av en hvilken som helst viktig stimulans.

Fotnoter

• Mottatt mai 5, 2003.
• Revisjon mottatt juli 10, 2003.
• Godkjent juli 16, 2003.

• Dette arbeidet ble støttet av National Institutes of Health Grants RO1 EB002635 og K08 DA00367 to GSB

• Korrespondanse bør rettes til Dr. Gregory S. Berns, avdeling for psykiatri og atferdsvitenskap, 1639 Pierce Drive, Woodruff Memorial Research Building Suite 4000, Atlanta, GA 30322. E-post: [e-postbeskyttet].

• Copyright © 2003 Society for Neuroscience 0270-6474 / 03 / 238092-06 $ 15.00 / 0

Referanser

1. ↵
   Alexander GE, Crutcher MD (1990) Funksjonell arkitektur av basale ganglia kretser: Neural substrater av parallell behandling. Trender Neurosci 13: 266-271.

   CrossRefMedline
2. ↵
   Aosaki T, Tsubokawa H, Ishida A, Watanabe K, Graybiel AM, Kimura M (1994) Svar fra tonisk aktive nevroner i primatens striatum gjennomgår systematiske endringer under atferdssensorisk motorisk kondisjonering. J Neurosci 14: 3969-3984.

   Abstrakt
3. ↵
   CrossRefMedline