ScienceDaily (nov. 29, 2011) - Jo mer grå materie du har i den beslutningstaking, tankebehandling av hjernen din, jo bedre er din evne til å evaluere belønninger og konsekvenser. Det kan virke som en åpenbar konklusjon, men en ny studie utført ved US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory er den første som viser denne sammenhengen mellom struktur og funksjon hos friske mennesker - og svekkelse av både struktur og funksjon hos mennesker som er avhengige av kokain. .
"Denne studien dokumenterer for første gang viktigheten av å belønne prosessering av grå materie strukturell integritet i de delene av hjernens prefrontale cortex som er involvert i høyere ordens utøvende funksjon, inkludert selvkontroll og beslutningstaking," sa Muhammad Parvaz, en postdoktor ved Brookhaven Lab og en medforfatter på papiret.
"Tidligere studier utført på Brookhaven og andre steder har utforsket den strukturelle integriteten til prefrontal cortex i rusavhengighet og de funksjonelle komponentene i belønningsbehandling, men disse studiene ble utført hver for seg," sa Parvaz. "Vi ønsket å vite om den spesifikke funksjonen til belønningsbehandling kunne" kartlegges "på den underliggende hjernestrukturen - om og hvordan disse to er relatert," la han til.
Forskjeller i volum av grå materie - mengden hjernemateriale som består av nervecellelegemer, i motsetning til "hvite materie" -aksonene som danner forbindelsene mellom celler - har blitt observert i en rekke nevropsykiatriske sykdommer sammenlignet med sunne tilstander, forklarte Anna Konova, den andre medforfatteren på papiret. "Vi ønsket å vite mer om hva disse forskjellene betyr funksjonelt hos friske individer og hos rusavhengige individer," sa hun.
For å utforske dette struktur-funksjonsforholdet, utførte forskerne magnetisk resonansbilder (MR) hjerneskanninger for å måle hjernevolumet hos 17 friske mennesker og 22 kokainbrukere. Skanningene samler strukturelle målinger for hele hjernen, og kan analyseres voxel-for-voxel - ekvivalent med tredimensjonale piksler - for å få detaljerte målinger for individuelle hjerneområder.
I løpet av en kort periode av MR-skanningene brukte forskerne også elektroder plassert på hodebunnen til forskerne til å måle et bestemt elektrisk signal kjent som P300 (et hendelsesrelatert potensial avledet av et pågående elektroencefalogram, eller EEG, det er tids- låst til en bestemt hendelse). Dette spesifikke tiltaket kan indeksere hjerneaktivitet relatert til behandling av belønninger. Under disse elektriske opptakene utførte fagene en tidsbestemt psykologisk oppgave (å trykke på knapper i henhold til et bestemt sett med regler) med muligheten til å tjene forskjellige nivåer av pengebelønning, fra ingen penger opp til 45 cent for hvert riktig svar med en total potensiell belønning på $ 50.
Tidligere studier fra forskerteamet har vist at hos friske fag øker P300-signalet i omfang med mengden monetær belønning som tilbys. Kokainavhengige individer viser imidlertid ikke denne differensielle responsen i P300-mål på hjerneaktivitet, selv om de, som de friske forsøkspersonene, vurderer oppgaven som mer interessant og spennende når den potensielle belønningen er større.
Den nåværende studien utvidet disse resultatene ved å koble dem for første gang med de strukturelle målingene.
Forskerne brukte statistiske metoder for å lete etter korrelasjoner mellom forskjellen i hjerneaktivitet observert i forholdene med høy belønning og ingen belønning - hvor mye hjernens P300-respons endret seg med økende belønning - og gråstoffvolumet i forskjellige deler av hjernen som målt voxel-for-voxel i MR-skanningene.
Hos de friske forsøkspersonene var størrelsen på endring i P300-signalet med økende belønning sterkest korrelert med volumet av grått materiale i tre regioner i den prefrontale cortex.
"Jo høyere volum av grå materie i de bestemte regionene, jo mer hjerneaktivitet økte for den høyeste økonomiske belønningen sammenlignet med den ikke-belønningstilstanden," sa Konova.
De kokainavhengige individer hadde redusert gråstoffvolum i disse regionene sammenlignet med friske forsøkspersoner, og ingen påvisbare forskjeller mellom belønningsforholdene i P300-mål på hjerneaktivitet. Det var heller ingen signifikante sammenhenger mellom førstnevnte og sistnevnte - struktur og funksjonstiltak - hos de kokainavhengige fagene.
"Disse funnene antyder at svekket belønningsbehandling kan tilskrives mangler i hjernens strukturelle integritet, spesielt i prefrontale kortikale regioner involvert i kognitiv og emosjonell funksjon av høyere orden," sa Parvaz. "Denne studien validerer derfor bruken av strukturelle tiltak oppnådd av MR som en indikasjon på funksjonelle underskudd."
Implikasjonene er viktige for å forstå potensielt tap av kontroll og ufordelaktig beslutningstaking som kan oppstå hos mennesker som lider av narkotikamisbruk, forklarte Konova: “Disse strukturelle funksjonsunderskuddene kan oversettes til dysfunksjonell atferd i den virkelige verden. Spesielt kan nedsatt evne til å sammenligne belønninger og redusert gråstoff i prefrontal cortex kulminere i den kompromitterte evnen til å oppleve glede og å kontrollere atferd, spesielt i høyrisikosituasjoner - for eksempel når man ønsker eller er under stress - førende individer til bruk narkotika til tross for katastrofale konsekvenser. ”
Forfatterne erkjenner at det fortsatt er spørsmål om disse endringene i hjernestruktur og funksjon er en årsak eller en konsekvens av avhengighet. Men bruk av multimodale bildeteknikker, som illustrert av denne studien, kan åpne for nye måter å adressere disse og andre spørsmål som er relevante for å forstå menneskelig motivasjon i både helse- og sykdomstilstander, med særlig relevans for å behandle rusavhengighet.
Denne forskningen ble utført ved Brookhaven Lab under veiledning av Rita Goldstein, direktør for Brookhaven Labs Neuropsychoimaging Group og den tilsvarende forfatteren på papiret. Dardo Tomasi fra National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism, som driver Brookhavens MR-anlegg, og Nora Volkow, direktør for National Institute on Drug Abuse (NIDA), var medforfattere. Forskningen ble finansiert av et tilskudd til Goldstein fra National Institutes of Health og av General Clinical Research Center ved Stony Brook University.