Ludzka reakcja prążkowia na silne bodźce odciążające (2003)

J Neurosci. 2003 Sep 3;23(22):8092-7.

Zink CF.1, Pagnoni G, Martin ME, Dhamala M, Berns GS.

Abstrakcyjny

Chociaż jedna z proponowanych funkcji zarówno prążkowia, jak i jego głównych dopamin, jest związana z kodowaniem nagród i bodźców związanych z nagrodami, alternatywny pogląd sugeruje bardziej ogólną rolę prążkowia w przetwarzaniu istotnych zdarzeń, niezależnie od ich wartości nagrody. Tutaj definiujemy istotność jako zdarzenie, które jest nieoczekiwane i wywołuje zmianę uwagi i zachowania (tj. Wzbudzanie). W niniejszym badaniu zbadano ludzkie reakcje prążkowia na niewymagające istotne bodźce. Wykorzystując funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI), zależny od poziomu tlenu sygnał pomiaru poziomu tlenu mierzono w odpowiedzi na migotanie rozpraszaczy wzrokowych przedstawionych w tle trwającego zadania. Distractor salience został zmanipulowany przez zmianę częstotliwości występowania zakłóceń. Rzadko prezentowane rozpraszacze były uważane za bardziej istotne niż często prezentowane rozpraszacze. Zbadaliśmy również, czy istotność behawioralna rozpraszaczy była niezbędnym składnikiem istotności dla wywołania odpowiedzi prążkowia. W pierwszym eksperymencie (uczestnicy 19) czynniki rozpraszające miały znaczenie behawioralne, definiując ich podzbiór jako cele wymagające naciśnięcia przycisku. W drugim eksperymencie (uczestnicy 17) rozproszenia nie były istotne dla zachowania (tj. Nie wymagały żadnej odpowiedzi). Wyniki fMRI ujawniły zwiększoną aktywację jądra półleżącego po rzadkich (duże wywarcie) w stosunku do częstej (niskiej wartości) prezentacji rozpraszaczy w obu eksperymentach. Aktywność życiowa wzrosła tylko wtedy, gdy czynniki rozpraszające miały znaczenie behawioralne. Wyniki te wskazują na rolę prążkowia w kodowaniu nieprzyzwoitych istotnych zdarzeń. Ponadto sugeruje się podział funkcjonalny prążkowia zgodnie z istotnością behawioralną bodźców.

Wprowadzenie

Prążkowie jest zaangażowane w różne funkcje, zarówno motoryczne, jak i poznawcze, ale dokładna natura jego funkcji pozostaje zasadniczo nieznana. Dziesięciolecia badań na zwierzętach sugerują, że zarówno prążkowie, jak i ich fazowy dopaminergiczny wkład odgrywają ważną rolę w kodowaniu nagród i bodźców związanych z nagrodami (do przeglądu, patrz Schultz, 1998; Schultz i wsp., 2000). Najnowsze badania neuroobrazowe u ludzi potwierdzają te twierdzenia (Delgado i in., 2000; Knutson i in., 2000, 2001,2001b; Berns i in., 2001, Breiter i in., 2001; Pagnoni i in., 2002; Elliott i in., 2003). Alternatywny pogląd twierdzi, że zamiast specyficznego przetwarzania bodźców związanych z nagrodami, aktywność w prążkowiu (w tym jego głównych dopaminergicznych danych wejściowych) koduje wszystkie istotne zdarzenia, w tym i wykraczające poza nagrody. Istotność odnosi się tutaj do wszelkich nieoczekiwanych bodźców lub zmian środowiskowych, które albo wzbudzają, albo wywołują zmianę uwagi i zachowania (Redgrave i in., 1999; Horvitz, 2000). Dowody na ten pogląd pochodzą z badań wykazujących, że grzbietowa (Rolls i in., 1983; Caan i in., 1984; Hikosaka i in., 1989; Ravel i in., 1999; Shimo i Hikosaka, 2001) i brzuszny (Williams i in., 1993; Setlow i in., 2003) neurony prążkowia reagują na takie istotne bodźce, w tym pobudzające, awersyjne, nowatorskie i istotne z punktu widzenia behawioralnego zdarzenia, zwłaszcza gdy są nieoczekiwane. Co więcej, prezentacja najistotniejszych bodźców nieodwracalnych w kilku modalnościach zwiększa poziomy dopaminy w prążkowiu i zwiększa odpalanie neuronów dopaminergicznych śródmózgowia (do przeglądu, patrz Horvitz, 2000). Odkrycia te łączą prążkowie z istotnymi procesami przetwarzania, ponieważ prawie wszystkie komórki prążkowia są unerwione przez dopaminergiczne projekcje śródmózgowia (Groves i in., 1995). Poza satysfakcjonującym kontekstem, przetwarzanie prążkowia najistotniejszych zdarzeń jest przeważnie niezbadane u ludzi. Kilka badań neuroobrazowania u ludzi wykazało zwiększoną aktywność prążkowia w odpowiedzi na obie kary (Knutson i in., 2000, 2003) i bodźce awersyjne (Becerra i in., 2001); jednak nie każde badanie kary u ludzi wykazało zwiększoną aktywność prążkowia (Delgado i in., 2000). Takie sprzeczne wyniki sugerują, że kontekst behawioralny lub wielkość bodźca odgrywa ważną rolę w modulowaniu funkcji prążkowia. Według naszej wiedzy, rola prążkowia w przetwarzaniu neutralnych bodźców o istotnym znaczeniu nie była badana specjalnie u ludzi.

Korzystając z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI), staraliśmy się zbadać, w jaki sposób aktywność ludzkiego prążkowia (ogoniastego, skorupy i jądra półleżącego) była modulowana przez obojętne istotne zdarzenia. W obecnych eksperymentach migoczące wizualne dystraktory były prezentowane poza punktem skupienia uwagi badanych. Istotnością dystraktora manipulowano poprzez zmianę częstotliwości występowania dystraktora. Rzadziej występujące zdarzenia są bardziej istotne, ponieważ ich wystąpienie jest z natury mniej przewidywalne niż częste. Przeprowadziliśmy dwa eksperymenty, aby określić, czy bodźce musiały być istotne behawioralnie, a nie tylko rodzić się w celu wywołania aktywacji prążkowia. W pierwszym eksperymencie dystraktory były istotne behawioralnie, ponieważ potencjalnie wymagały odpowiedzi, podczas gdy w drugim eksperymencie dystraktory nie miały znaczenia behawioralnego, nigdy nie wymagając odpowiedzi. Postawiliśmy hipotezę, że silniejszy sygnał fMRI byłby mierzony w prążkowiu w stosunku do rzadkich (duże znaczenie) dystraktorów, a aktywność prążkowia byłaby modulowana przez znaczenie behawioralne.

Materiały i Metody

Przedmioty. Do badania włączono trzydzieści sześć praworęcznych, zdrowych dorosłych (kobiety 19, mężczyźni 17), w wieku 19-44, 19 w eksperymencie 1 i 17 w eksperymencie 2. Biorąc pod uwagę podobieństwo dwóch eksperymentów, do eksperymentów zrekrutowano dwie oddzielne próbki osobników, aby uniknąć pomyłek testowych. Pacjenci z obu grup zostali pobrani z tej samej populacji (rekrutowani ze społeczności Uniwersytetu Emory, demograficznie podobni między grupami, bez znaczących różnic w wieku między grupami). Pacjenci nie mieli w przeszłości zaburzeń neurologicznych ani psychicznych i wyrazili świadomą zgodę na protokół zatwierdzony przez komisję weryfikacyjną ds. Instytucjonalnych Uniwersytetu Emory.

Zadania eksperymentalne. Wszystkie prezentacje bodźców i zapisy czasów reakcji przeprowadzono za pomocą oprogramowania Presentation (Neurobehavioral Systems, Inc., San Francisco, CA).

Schemat eksperymentu 1 Rysunek 1 A. Będąc w skanerze, badani oglądali jeden z czterech niebieskich kształtów (kwadrat, prostokąt, okrąg lub trójkąt) prezentowanych w losowej kolejności na środku czarnego ekranu dla 750 msec w przedziale 2000 msec interstimulus (ISI). Badanym powiedziano, że będą widzieć niebieskie kształty, po jednym na raz, na środku ekranu. Poinstruowano ich, aby nacisnęli przycisk 1 za pomocą prawego palca wskazującego za każdym razem, gdy pojawił się trójkąt (bodźce docelowe). Pozostałe kształty zostały oznaczone jako niecelowe. W podzbiorze nieargumentów w tle pojawił się wyraźny rozpraszacz w postaci mniejszego, białego, migoczącego (28 Hz) okręgu lub trójkąta (w jednym z czterech losowo położonych narożników ekranu). Pacjentom powiedziano, że migotliwy biały kształt czasami pojawia się w tle trwającego zadania i instruowano go, aby naciskał przycisk 2 za pomocą prawego środkowego palca tylko wtedy, gdy rozpraszaczem był trójkąt (rozpraszacz odpowiedzi). Nie byli zobowiązani do reagowania na dystrakcje kół (rozpraszacze braku odpowiedzi). Oba typy rozpraszaczy (odpowiedź i brak odpowiedzi) miały znaczenie behawioralne, ponieważ potencjalnie wymagały odpowiedzi. Jako takie, rozpraszacze wywołały chwilową zmianę uwagi i zachowania. Pojedyncza sesja eksperymentalna składała się z czterech przebiegów trwających po 240 każda, z prezentacjami bodźców 116. W każdym przebiegu bodziec docelowy centralnego trójkąta pojawił się 29 razy.

 

Rysunek 1. 

Schemat zadań. Każdy bodziec pojawił się dla 750 msec (ISI, 2000 msec). Pojedyncze strzałki wskazują przycisk 1; podwójna strzałka wskazuje przycisk 2 naciśnij. A, Fragment eksperymentu 1, behawioralnie istotne rozpraszacze, częste uruchamianie. Białe elementy rozpraszające pojawiają się jako migoczące okręgi lub trójkąty w tle trwającego zadania. Pacjenci zostali poinstruowani, aby nacisnęli przycisk 1, gdy pojawił się niebieski (pokazany tutaj w kolorze szarym) centralny trójkąt i przycisk 2, gdy biały rozpraszacz w tle był trójkątem. B, Fragment eksperymentu 2, behawioralnie nieistotne rozpraszacze, częste uruchamianie. Białe rozpraszacze pojawiły się jako koła migoczące w tle trwającego zadania. Badani zostali poinstruowani, aby nacisnąć przycisk 1, gdy pojawił się niebieski (pokazany tutaj w kolorze szarym) środkowy trójkąt. Żadne odpowiedzi nie zostały skierowane do rozpraszaczy. W obu eksperymentach rozpraszacze pojawiały się losowo w czasie i przestrzeni. Wszelkie wykryte na rysunku wzory są całkowicie przypadkowe. Rzadkie przebiegi obu eksperymentów (dane nie pokazane) były takie same, z wyjątkiem tego, że rozproszenia występowały rzadziej.

Istotność bodźców rozpraszających manipulowano zmieniając częstotliwość ich występowania; im większa częstotliwość, tym większe prawdopodobieństwo, że dana próba zawierałaby rozproszenie, a zatem większa częstotliwość była związana z większą przewidywalnością średnio i mniejszą istotnością. W jednym przebiegu pojawił się bodziec rozpraszający 25 razy (często), z bodźcami 1-4 (średnia, 2.9) między kolejnymi bodźcami rozpraszającymi. Podczas pozostałych trzech przebiegów bodziec rozpraszający występował tylko razy 4 (rzadkie), z bodźcami 24-32 (średnia, 28.5) między kolejnymi bodźcami rozpraszającymi. Mając trzy rzadkie przebiegi, było dość rzadkich bodźców rozpraszających, aby przeprowadzić analizę statystyczną odpowiedniej mocy. We wszystkich przebiegach bodźce rozpraszające występowały nieregularnie w czasie i nigdy w tym samym czasie, co cel centralnego trójkąta. Pacjenci nie zostali poinstruowani, aby się ustabilizować i mogli swobodnie poruszać oczami. Kolejność wykonywania była równoważona między przedmiotami.

Schemat eksperymentu 2 Rysunek 1 B. Oddzielna grupa badanych wykonywała to samo zadanie, co opisane powyżej, z wyjątkiem następujących różnic: wszystkie czynniki rozpraszające były bez znaczenia i behawioralnie nieistotne, ponieważ nigdy nie wymagały odpowiedzi. Badanym powiedziano, że zobaczą niebieskie kształty, po jednym na środku ekranu, i poinstruowano ich, aby nacisnęli przycisk 1 za pomocą prawego palca wskazującego za każdym razem, gdy pojawił się trójkąt. W eksperymencie 2, rozpraszacze nie były wymieniane wśród badanych, gdy podano instrukcje. Ponownie, wpływ rozproszenia został zmanipulowany przez zmianę częstotliwości ich występowania. Chociaż nie były one istotne dla zachowania, rzadko występujące rozpraszacze uważano za istotne ze względu na ich wrodzone właściwości pobudzające (tj. Silny kontrast kolorów i migotanie).

obrazowanie fMRI. Skanowanie przeprowadzono na skanerze 1.5 Tesla Philips Intera (Eindhoven, Holandia). Dla każdego osobnika uzyskano obraz strukturalny ważony T1 w celu uzyskania odniesienia anatomicznego, po którym nastąpiły cztery testy funkcjonalne 120 w całym mózgu, każdy w celu pomiaru efektu zależnego od poziomu tlenu (BOLD) zależnego od T2 * (echo przywołujące gradient) obrazowanie planarne, czas powtarzania, 2000 msec; czas echa, 40 msec; kąt odwrócenia, 90 °; 64 × 64 macierz; pole widzenia, 240 mm; 24 5 mm wycinki osiowe uzyskane równolegle do przednio-tylnej linii spoidłowej). Ruch głowy został zminimalizowany dzięki wyściółce.

analiza fMRI. Dane analizowano za pomocą statystycznego mapowania parametrycznego (SPM99) (Friston i in., 1995b). Dla każdego badanego pierwsze 12 skanów w każdym cyklu wyłączono z analizy, aby zdyskontować artefakty związane z przejściową fazą magnetyzacji. Korekcję taktowania wycinków zastosowano w celu dostosowania różnic czasowych wynikających z akwizycji obrazowania wielowarstwowego. Korekcję ruchu w pierwszym skanie funkcjonalnym przeprowadzono u badanych przy użyciu sześcioparametrowej transformacji ciała sztywnego. Obraz anatomiczny każdej osoby był współrejestrowany ze średnią ich funkcjonalnych obrazów za pomocą transformacji ciała sztywnego, a następnie znormalizowany przestrzennie do szablonu Montreal Neurological Institute (MNI) zgodnego z systemem orientacji Talairach (Talairach i Tournoux, 1988) przez zastosowanie transformacji afinicznej parametru 12, po której następuje nieliniowe odkształcanie przy użyciu funkcji bazowych (Ashburner i Friston, 1999). Obliczone parametry transformacji zastosowano do wszystkich funkcjonalnych obrazów, interpolując do ostatecznego rozmiaru woksela 4 × 4 × 4mm 3. Obrazy następnie wygładzono przestrzennie za pomocą izotropowego jądra Gaussa 8 mm i tymczasowo filtrowano za pomocą syntetycznej funkcji wygładzania odpowiedzi hemodynamicznej, aby tłumić składowe sygnału wysokiej częstotliwości wynikające z szumu.

Przeprowadzono losową analizę statystyczną związaną ze zdarzeniem za pomocą SPM99 (Friston i in., 1995, 1999) w procedurze dwupoziomowej dla każdego eksperymentu. W przypadku eksperymentu 1 na pierwszym poziomie określono osobny ogólny model liniowy dla każdego przedmiotu. Odpowiedzi BOLD na cztery typy zdarzeń (niecelowe, docelowe, rozpraszające reakcje i rozpraszające reakcje) dla każdego przebiegu były modelowane za pomocą funkcji bazowej składającej się z syntetycznej funkcji odpowiedzi hemodynamicznej (składającej się z dwóch funkcji gamma przesuniętych względem siebie 2 sec) i jej pierwszego rzędu pochodna czasowa. Kontrastowy obraz został obliczony dla każdego obiektu odpowiadającego głównemu efektowi częstotliwości rozproszenia: rzadkie rozpraszacze większe niż częste rozpraszacze (niezależnie od typu). Pojedyncze obrazy kontrastu zostały następnie wprowadzone do analizy drugiego poziomu za pomocą jednej próbki t test. Uzyskana sumaryczna mapa statystyczna została progowana na p <0.05 (nieskorygowane dla porównań wielokrotnych), a następnie zastosowano niewielką korektę objętości (SVC) do sześciu sferycznych obszarów zainteresowania (ROI) o promieniu 6 mm. Z powodu apriorycznie hipoteza dotycząca prążkowia, ROI skoncentrowano w następujących miejscach (współrzędne MNI): prawe jądro półleżące, 12, 8, -8; lewe jądro półleżące, -12, 8, -8; prawy ogon, 12, 8, 12; lewy ogoniasty, -12, 8, 12; prawy skorupa, 24, 4, 4; i lewy skorupa, -24, 4, 4 (Rys. 2). Współrzędne odpowiadające każdemu ROI były oparte na współrzędnych określonych przez bazę danych Daemon Talairach (Lancaster i in., 2000), zaimplementowane w oprogramowaniu AFNI (Cox, 1996), który był również używany do konwersji współrzędnych Talairach na odpowiednie współrzędne MNI. Mała korekta objętości jest ograniczonym zastosowaniem losowej teorii pola Gaussa do uwzględnienia wielokrotnych porównań, gdy wnioskowanie statystyczne jest ograniczone do apriorycznie określony region zainteresowania (Worsley i in., 1996). Dla każdego podmiotu oszacowania parametrów (tj. Wielkość efektu wyrażona jako procent globalnej średniej intensywności skanów) każdego typu dystraktora (odpowiedzi i braku odpowiedzi) w dwóch warunkach (częste i rzadkie) uśredniono dla wokseli w określonych ROI to przetrwało pSVC <0.05 dla kontrastu, rzadkie dystraktory większe niż częste dystraktory. Ponieważ rzadkie dystraktory spowodowały większą aktywację niż częste dystraktory, przeprowadziliśmy post hoc ocena indywidualnego wkładu czynników rozpraszających reakcję i brak odpowiedzi w rzadkie warunki. Zostało to przetestowane z porównaniem parami na oszacowaniach parametrów dla nieresponse w porównaniu z rozpraszaczami odpowiedzi w rzadkich warunkach. Ta sama analiza eksperymentu 1 została przeprowadzona dla eksperymentu 2, z tym wyjątkiem, że ponieważ w eksperymencie 2 istniał tylko jeden typ rozproszenia (nonresponse), modelowano trzy, a nie cztery typy zdarzeń: bezcelowe, docelowe i dystrakcyjne. Ocena indywidualnego wkładu rozpraszaczy odpowiedzi i braku odpowiedzi, która została przeprowadzona w eksperymencie 1, nie miała zastosowania w tym drugim eksperymencie.

 

Rysunek 2. 

Lokalizacje następujących dwustronnych obszarów zainteresowania: jądro półleżące, skorupa i jądro ogoniaste. ROI są pokazane na przekrojach osiowych szablonu strukturalnego MRI.

W osobnej analizie indywidualne obrazy kontrastu pierwszego poziomu z eksperymentów 1 i 2 zostały wprowadzone do analizy drugiego poziomu przy użyciu dwóch próbek t test oceniający interakcję istotności behawioralnej z istotnością. Ponieważ badani w każdym eksperymencie byli próbkami z tej samej populacji (tj. Z dwóch różnych grup osób z tej samej populacji), wszelkie różnice między tymi grupami można było przypisać różnicom w zadaniach (tj. Istotności zachowania dystraktora). Dla każdego kontrastu interakcji (1) (rzadkie dystraktory - częste dystraktory) × (istotne - nieistotne) i (2) (rzadkie dystraktory - częste dystraktory) × (nieistotne - istotne), sumaryczna mapa statystyczna została progowana na p <0.05, a następnie SVC zastosowano do tych samych sześciu sferycznych obszarów ROI o promieniu 6 mm, określonych w analizach jednej próbki powyżej.

wyniki

W obu eksperymentach badani wykonywali średnio mniej niż jeden błąd na cykl. W eksperymencie 1 czasy reakcji na dystrakcje odpowiedzi były znacznie dłuższe w przypadku rzadko prezentowanych dystraktorów (średnia ± SE = 683 ± 27 msec) niż w przypadku często prezentowanych rozpraszaczy (średnia ± SE = 623 ± 24 msec) (p <0.001; sparowany t test). Czasy reakcji na cele centralnego trójkąta w częstym biegu (średnia ± SE = 598 ± 20 msec) i rzadkie przebiegi (średnia ± SE = 579 ± 19 msec) były również znacząco różne w eksperymencie 1 (p = 0.008; sparowany t test). W doświadczeniu 2 nie było znaczącej różnicy w czasie reakcji z celami trójkąta centralnego między częstym przebiegiem (średnia ± SE = 468 ± 17 msec) i rzadkimi przebiegami (średnia ± SE = 456 ± 14 msec) (p = 0.132; sparowany t test).

Wyniki ROI fMRI dla kontrastu, rzadkie rozpraszacze większe niż częste rozproszenia, w eksperymencie 1 i eksperymencie 2 są podsumowane w Tabela 1. W eksperymencie 1 (dystraktory istotne behawioralnie) z sześciu badanych obszarów ROI prążkowia znaczące aktywacje wystąpiły obustronnie w jądrze ogoniastym i półleżącym. Oszacowania parametrów badanych dla każdego typu dystraktora w obustronnych obszarach ROI ogoniastego i jądra półleżącego (obszary ROI skorupy nie zawierały istotnie aktywowanych wokseli) ujawniły, że we wszystkich czterech skupieniach największy sygnał był mierzony dla rzadkich dystraktorów bez odpowiedzi w porównaniu z innymi typami dystraktorów, w tym rzadkie dystraktory odpowiedzi (Rys. 3). W przypadku eksperymentu 2 tylko lewe jądro accumbens ROI zawierało znaczącą aktywację.

 

Wyświetl tę tabelę: 

Tabela 1. 

Znacznie aktywowany (pSVC ≤ 0.05) ROI prążkowia w eksperymentach 1 i 2 dla kontrastu, rzadkie rozpraszacze większe niż częste rozproszenia

 

Rysunek 3. 

W eksperymencie 1 oszacowane parametry pojedynczego badanego reprezentujące rozmiary efektów (procent globalnej średniej intensywności) zostały uśrednione dla istotnie aktywowanych wokseli w obszarach ROI dla kontrastu, rzadkich dystraktorów większych niż częstych dystraktorów. Obszary zainteresowania ze znacznymi aktywacjami to obustronne jądro półleżące i ogoniaste. Szacunki kontrastu są wykreślane dla rzadkich dystraktorów w stosunku do częstych dystraktorów, niezależnie od wymagań odpowiedzi (A). Rzadkie rozpraszacze zostały podzielone przez wymaganie odpowiedzi, a oszacowania kontrastu dla rzadkich rozpraszaczy braku odpowiedzi w stosunku do rzadkich rozpraszaczy odpowiedzi są wykreślane (B). Wykresy słupkowe reprezentują średnie i SE pomiędzy obiektami. *p <0.05; **p <0.005; ***p <0.001.

Wyniki analizy fMRI porównującej istotność behawioralną między dwoma eksperymentami podsumowano w Tabela 2. Dla interakcji (rzadkie dystraktory - częste dystraktory) × (istotne - nieistotne) istotna aktywacja wystąpiła w ogoniastym obustronnie. Żaden inny obszar ROI nie miał aktywacji. Interakcja (rzadkie dystraktory - częste dystraktory) × (nieistotne - istotne) nie spowodowała żadnych istotnie aktywowanych ROI.

 

Wyświetl tę tabelę: 

Tabela 2. 

Obszary zainteresowania prążkowia różnie aktywowane (pSvc <0.05) przez znaczenie behawioralne między dwoma eksperymentami dla kontrastu, rzadko dystraktor większy niż częste dystraktory

Dyskusja

Stosując fMRI, niniejsze badanie zbadało, w jaki sposób aktywność prążkowia człowieka była modulowana przez istotność bodźców nieprzyjaznych. Bodźce uważane za najistotniejsze muszą być nieoczekiwane i wzbudzające (tj. Przyciągać uwagę). W niniejszym badaniu uczestnicy wykonywali ciągłe zadanie ciągłego działania, którego celem było skupienie uwagi, ale aktywność mózgu związana z wykonywaniem tego centralnego zadania nie była interesująca. Zainteresowane bodźce były migotaniem bodźców rozpraszających w tle niektórych nieargumentów w głównym zadaniu. Istotność zmanipulowano w dwóch wymiarach: częstotliwości (częstsze, mniej istotne) i behawioralnej.

Ważną cechą naszych zadań było manipulowanie oczekiwaniami bodźców rozpraszających poprzez częstotliwość. W każdym eksperymencie częstotliwość występowania zakłóceń była modulowana między przebiegami, aby zmienić oczekiwanie rozproszenia, a tym samym istotność. Kiedy wydarzenia występują częściej, stają się bardziej oczekiwane i mniej istotne. Rzadkie bodźce z długimi przerwami między kolejnymi zdarzeniami są nieoczekiwane, a zatem bardziej znaczące. Zgodność z przyjętymi definicjami rzadkości (McCarthy i in., 1997; Clark i in., 2000; Kirino i in., 2000), rzadko występujące dystraktory występowały w <10% badań. W każdym eksperymencie właściwości dystraktora, w tym lokalizacja, dokładny czas i typ dystraktora, były pseudolosowe w każdym przebiegu, tak że jedyna manipulacja istotnością pochodziła ze względnej częstotliwości. W eksperymencie 1 czasy reakcji rzadkich dystraktorów były znacznie dłuższe niż w przypadku częstych dystraktorów, wykazując behawioralny korelat przewidywalności.

Oprócz przewidywalności, zdolność preferencyjnego przyciągania uwagi w znacznym stopniu przyczynia się do zwiększenia bodźca. Ten aspekt istotności może być zależny od kontekstu behawioralnego (tj. Na podstawie istotności behawioralnego bodźca) lub niezależny od kontekstu behawioralnego (tj. Na podstawie wewnętrznych cech bodźca) (Downar i in., 2002). W naszych eksperymentach manipulowaliśmy kontekstem behawioralnym. W eksperymencie 1 rozpraszacze miały znaczenie behawioralne dzięki potencjalnej odpowiedzi. W eksperymencie 2 rozpraszacze były nieistotne z punktu widzenia zachowania, ponieważ rozpraszacze były nieistotne dla zadania, a badani nie musieli na nie odpowiadać. Badani zgłosili jednak, że „zauważyli” rozpraszacze. Gdy rozproszenia w eksperymencie 2 były prezentowane rzadko, nadal uważano je za istotne ze względu na cechy niezależne od kontekstu behawioralnego, w tym ich surowy kontrast kolorów na czarnym tle (w przeciwieństwie do mniej kontrastujących niebieskich kształtów w trwającym zadaniu) i ich migotliwy charakter . Oprócz swoistych właściwości bodźców, rozpraszacze w eksperymencie 1 miały dodatkowy wymiar ich istotności w wyniku ich potencjalnych konsekwencji behawioralnych. Co ważne, oba typy rozpraszaczy (odpowiedź i brak odpowiedzi) w eksperymencie 1 wymagały od uczestników chwilowego przerwania bieżącego zadania, przekierowania zasobów do rozpraszacza i ewentualnej reakcji na nie, chociaż naciśnięcie przycisku dotarło tylko do dystrakcji odpowiedzi (trójkąta).

Wyniki niniejszego badania ujawniają, że aktywność w jądrze półleżącym wzrosła w odpowiedzi na nieoczekiwane, wzbudzające zmiany w środowisku wizualnym (tj. Pojawienie się migotających rozpraszaczy), podczas gdy jądro zrekrutowano tylko wtedy, gdy taki bodziec miał znaczenie behawioralne. Te wzorce aktywności są zgodne z wcześniejszymi badaniami na zwierzętach. Neurony ogoniaste reagują na sygnały i bodźce wzrokowe, ale reakcje zazwyczaj nie są widoczne, gdy bodźce te są niezależne od zadania (Rolls i in., 1983). Aosaki i in. (1994) poinformował, że neurony w jądrze ogoniastym nie reagują na sygnał przed treningiem; jednak reagują na cue po tym, jak dowiedzą się, że cue sygnalizuje nadchodzącą nagrodę iw ten sposób inicjuje lizanie. Z drugiej strony jądro półleżące reaguje na pobudzające bodźce wzrokowe, nawet jeśli nie ma znaczenia dla zadania (Williams i in., 1993). Nie zaobserwowaliśmy istotnych modulacji aktywności w skorupie, co jest zgodne z danymi sugerującymi, że skorupa jest najbardziej bezpośrednio związana z kontrolą motoryczną (Alexander i Crutcher, 1990) zamiast salience per se.

Z naszych danych wynika, że ​​prążkowie ludzkie (jądro ogoniaste i jądro półleżące) odgrywa rolę w przetwarzaniu istotnych zdarzeń, innych niż nagrody, ale odpowiedź nie jest jednorodna w całym prążkowiu. Redgrave i in. (1999) zaproponował, że aktywność w prążkowiu dostarcza sygnału do zmiany zasobów uwagi lub zachowania, lub obu, na nieoczekiwane bodźce wywołujące takie odpowiedzi. Zgodnie z tą teorią nasze wyniki sugerują, że jądro półleżące reaguje, gdy wywoływana jest zmiana uwagi, podczas gdy jądro reaguje, gdy wywoływany jest przełącznik behawioralny.

Alternatywna interpretacja może polegać na tym, że badani stwierdzili, że reagowanie na rozpraszacze w eksperymencie 1 było bardziej satysfakcjonujące niż brak odpowiedzi na rozpraszacze w eksperymencie 2. W tym widoku zróżnicowana aktywacja prążkowia (ogoniasta) byłaby spowodowana różnicą w wewnętrznym stanie nagrody. Jednakże ta interpretacja jest mało prawdopodobna, ponieważ rzadkie czynniki rozpraszające reakcję, a nie czynniki rozpraszające reakcję, wywołały największą grzbietową i brzuszną aktywność prążkowia. Gdyby wewnętrzna hipoteza nagrody była prawdziwa, to brak odpowiedzi musiałby być bardziej satysfakcjonujący niż odpowiedź, scenariusz, który wydaje się nieprawdopodobny. Największy sygnał po rzadkich rozpraszaczach braku odpowiedzi dostarcza również dowodów na to, że aktywność prążkowia w eksperymencie 1 nie została przypisana do wykonania silnika (chociaż nie można wykluczyć jego zaangażowania w hamowanie motoryczne).

Interpretacja obecnych wyników opiera się na manipulowaniu istotnością poprzez zmianę częstotliwości rozproszenia. Jednak w eksperymencie 1 należy zauważyć, że efekt częstotliwości można interpretować inaczej. Badani musieli przełączać się między dwoma kanałami reakcji na bodziec, często i rzadko. Efekt częstotliwości może zatem odzwierciedlać różnice w szybkości zmiany wyboru odpowiedzi, a nie na istotność. Według naszej wiedzy, prążkowie nie jest zaangażowane w szybkość kodowania zmieniających się wyborów odpowiedzi, chociaż przyszłe badania manipulujące podażą bodźców w sposób inny niż zmiana częstotliwości ich występowania mogłyby rozwiązać ten problem.

Odpowiedzi mózgu na rzadkie istotne bodźce oceniano w inny sposób, na przykład paradygmaty dziwaczne, ale w tych badaniach nie odnotowano aktywności prążkowia (McCarthy i in., 1997; Clark i in., 2000; Kirino i in., 2000; Casey i in., 2001). Jeśli prążkowie koduje nieoczekiwane zdarzenia, które wywołują zmianę uwagi lub zachowania, jak sugerują nasze wyniki, paradygmaty dziwaczne mogą nie być skuteczne w wywoływaniu aktywacji prążkowia. We wspomnianych wcześniej paradygmatach nieparzystych każdy bodziec pojawił się w centrum uwagi, więc nie wywołano żadnego przełącznika. Przedstawiając bodźce w centrum uwagi, badani oczekiwali, że bodziec pojawi się w przewidywalnej lokalizacji i zazwyczaj w przewidywalnym czasie. Chociaż były rzadkie w porównaniu z innymi bodźcami w zadaniu, interesujące bodźce nie były nieoczekiwane, ponieważ byłyby prezentowane poza zadaniem. W niniejszym badaniu uniknęliśmy tych zamieszek, prezentując czynniki rozpraszające poza centrum uwagi, co pozwoliło nam modulować zarówno oczekiwane bodźce, jak i znaczenie behawioralne.

Należy zauważyć, że sygnał mierzony w fMRI jest pośrednią miarą zmian w mózgowym przepływie krwi, która jest bardziej skorelowana z aktywnością presynaptyczną niż wypukłość postsynaptyczna (Logothetis i in., 2001). Sygnał BOLD nie może być bezpośrednio związany z aktywnością w określonych typach komórek i nie jest pomiarem specyficznego uwalniania neuroprzekaźnika. Nie jesteśmy w stanie powiązać obecnych wyników z określonymi neuronami w prążkowiu [np. Aktywnymi tonowo interneuronami (TAN) lub neuronami średniej projekcji kolczastej] lub bezpośrednimi zmianami w transmisji dopaminy. Ponieważ jednak sygnał BOLD jest bardziej skorelowany z aktywnością presynaptyczną, obserwowane aktywacje w prążkowiu prawdopodobnie nie reprezentują szybkości skoków neuronów projekcji prążkowia. TAN zawierają ∼2% wszystkich komórek prążkowia (Pisani i in., 2001); dlatego jest mało prawdopodobne, że TAN są wyłącznie odpowiedzialne za zgłoszone zmiany w aktywności prążkowia. Dopaminergiczne sygnały wejściowe, które reagują na istotne zdarzenia (Horvitz, 2000), może wchodzić w interakcje z zbieżnymi wejściami korowymi glutaminergii w prążkowiu poprzez wzmocnienie silnych (najistotniejszych powiązanych) wejść korowych i tłumienie słabych (nieswoistych) wejść korowych (Nicola i in., 2000; Horvitz, 2002). Ta interakcja może być odpowiedzialna za zmiany sygnału obserwowane w prążkowiu w naszych eksperymentach. W niniejszym badaniu, chociaż dopaminy dopełniają całe prążkowie, zróżnicowana aktywacja prążkowia między eksperymentami mogła nastąpić w wyniku rekrutacji różnych wejść korowych kodujących znaczenie behawioralne. Obecna analiza została ograniczona do prążkowia; interesujące byłoby jednak w przyszłych badaniach zbadanie, które obszary korowe są również rekrutowane w podobnych warunkach.

Podsumowując, wyniki niniejszego badania rozszerzają rolę prążkowia od przetwarzania nagrody do przetwarzania istotności. W szczególności nasze dane sugerują, że jądro półleżące odgrywa rolę w kodowaniu nieoczekiwanych podniecających zdarzeń, podczas gdy aktywność ogoniasta jest ściślej związana z behawioralnym znaczeniem bodźców. Pojęcie to nie jest niezgodne z teorią nagrody prążkowia. Zarówno nieoczekiwane nagrody, jak i bodźce związane z nagrodą są najistotniejsze, ponieważ mają znaczenie behawioralne, zwłaszcza dla zwierząt pozbawionych żywności (tak często ma miejsce w badaniach nad przetwarzaniem nagród), a ciągłe zachowania muszą zostać przerwane, aby zbliżyć się i pochłonąć nagrody. Niniejsze badanie dostarcza dowodów, że aktywność w prążkowiu ludzkim koduje więcej niż nagrody, a nawet bodźce potencjalnie prowadzące do nagród. System prążkowia mógł ewoluować bardziej ogólnie, aby uszanować przetwarzanie jakiegokolwiek istotnego bodźca.

Przypisy

  • Otrzymano maj 5, 2003.
  • Wersja otrzymana w lipcu 10, 2003.
  • Zaakceptowano lipiec 16, 2003.
  • Prace te były wspierane przez National Institutes of Health Grants RO1 EB002635 i K08 DA00367 dla GSB

  • Korespondencję należy kierować do Dr. Gregory S. Berns, Wydział Psychiatrii i Nauk Behawioralnych, 1639 Pierce Drive, Woodruff Memorial Research Building Suite 4000, Atlanta, GA 30322. E-mail: [email chroniony].

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

Referencje

  1. Alexander GE, Crutcher MD (1990) Architektura funkcjonalna obwodów zwojów podstawy mózgu: substraty neuronowe przetwarzania równoległego. Trendy Neurosci 13: 266-271.
  2. Aosaki T, Tsubokawa H, Ishida A, Watanabe K, Graybiel AM, Kimura M (1994) Responses of tonically active neurons in primate primate podlegają systematycznym zmianom podczas behawioralnego warunkowania sensomotorycznego. J Neurosci 14: 3969-3984.
  3. CrossRefMedline
  • Becerra L, Breiter HC, Wise R, Gonzalez RG, Borsook D (2001) Nagraj aktywację obwodów przez szkodliwe bodźce termiczne. Neuron 32: 927-946.
  • Berns GS, McClure SM, Pagnoni G, Montague PR (2001) Przewidywalność moduluje odpowiedź ludzkiego mózgu na nagrodę. J Neurosci 21: 2793-2798.
  • Breiter HC, Aharon I, Kahneman D, Dale A, Shizgal P (2001) Funkcjonalne obrazowanie reakcji neuronalnych na oczekiwanie i doświadczenie zysków i strat pieniężnych. Neuron 30: 619-639.
  • Caan W, Perrett DI, Rolls ET (1984) Odpowiedzi neuronów prążkowia u zachowującej się małpy. 2. Obróbka wizualna w prążkowiu ogonowym. Brain Res 290: 53-65.
  • Casey BJ, Forman SD, Franzen P, Berkowitz A, Braver TS, Nystrom LE, Thomas KM, Noll DC (2001) Wrażliwość kory przedczołowej na zmiany w prawdopodobieństwie docelowym: funkcjonalne badanie MRI. Hum Brain Mapp 13: 26-33.
  • Clark VP, Fannon S, Lai S, Benson R, Bauer L (2000) Odpowiedzi na rzadkie bodźce wizualne i bodźce rozpraszające za pomocą fMRI związanego z wydarzeniem. J Neurophysiol 83: 3133-3139.
  • Cox RW (1996) AFNI: oprogramowanie do analizy i wizualizacji neuroobrazów funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. Comput Biomed Res 29: 162-173.
  • Delgado MR, Nystrom LE, Fissell C, Noll DC, Fiez JA (2000) Śledzenie reakcji hemodynamicznych na nagrodę i karę w prążkowiu. J Neurophysiol 84: 3072-3077.
  • Downar J, Crawley AP, Mikulis DJ, Davis KD (2002) Sieć korowa wrażliwa na obecność bodźców w neutralnym kontekście behawioralnym w wielu modalnościach sensorycznych. J Neurophysiol 87: 615-620.
  • Elliott R, Newman JL, Longe OA, Deakin JFW (2003) Różnicowe wzory odpowiedzi w prążkowiu i korze oczodołowo-czołowej na nagrodę finansową u ludzi: parametryczne badanie funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. J Neurosci 23: 303-307.
  • Friston KJ, Frith CD, Turner R, Frackowiak RSJ (1995a) Charakteryzowanie dynamicznych odpowiedzi mózgu za pomocą fMRI: podejście wielowymiarowe. NeuroImage 2: 166-172.
  • Friston KJ, Holmes AP, Worsley KJ, Poline JB, Frith CD, Frackowiak RSJ (1995b) Statystyczne mapy parametryczne w obrazowaniu funkcjonalnym: ogólne podejście liniowe. Hum Brain Mapp 2: 189-210.
  • Friston KJ, Holmes AP, Worsley KJ (1999) Ile podmiotów stanowi badanie? NeuroImage 10: 1-5.
  • Groves PM, Garcia-Munoz M, Linder JC, Manley MS, Martone ME, Young SJ (1995) Elementy wewnętrznej organizacji i przetwarzania informacji w neostriatum. W: Modele przetwarzania informacji w zwojach podstawy (Houk JC, Davis LJ, Beiser DG, eds), pp 51-96. Cambridge, MA: MIT.
  • Hikosaka O, Sakamoto M, Usui S (1989) Właściwości funkcjonalne małpich neuronów ogoniastych II. reakcje wzrokowe i słuchowe. J Neurophysiol 61: 799-813.
  • Horvitz JC (2000) Mesolimbokortykalne i nigrostriatalne reakcje dopaminowe na istotne zdarzenia bez nagrody. Neuroscience 96: 651-656.
  • Horvitz JC (2002) Bramkowanie dopaminowe glutaminergicznych sensomotorycznych i motywacyjnych sygnałów wejściowych motywacyjnych do prążkowia. Behav Brain Res 137: 65-74.
  • Kirino E, Belger A, Goldman-Rakic ​​P, McCarthy G (2000) Aktywacja przedczołowa wywołana rzadkimi celami i nowymi bodźcami w zadaniu wykrywania celu wzrokowego: badanie czynnościowe rezonansu magnetycznego związane z wydarzeniem. J Neurosci 20: 6612-6618.
  • Knutson B, Westdorp A, Kaiser E, Hommer D (2000) Wizualizacja FMRI aktywności mózgu podczas pieniężnego zadania motywacyjnego. NeuroImage 12: 20-27.
  • Knutson B, Adams CM, Fong GW, Hommer D (2001a) Przewidywanie rosnącej nagrody pieniężnej selektywnie rekrutuje jądro półleżące. J Neurosci 21: RC159 (1-5).
  • Knutson B, Fong GW, Adams CM, Varner JL, Hommer D (2001b) Dysocjacja przewidywania nagrody i wynik z fMRI związanym ze zdarzeniem. NeuroReport 12: 3683-3687.
  • Knutson B, Fong GW, Bennett SM, Adams CM, Hommer D (2003) Obszar ścieżek kory przedczołowej mezjalnej przynoszący korzyści finansowe: charakterystyka za pomocą szybkiego fMRI związanego z zdarzeniem. NeuroImage 18: 263-272.
  • CrossRefMedline
  • Logothetis NK, Pauls J, Augath M, Trinath T, Oeltermann A (2001) Neurofizjologiczne badanie podstawy sygnału fMRI. Nature 412: 150-157.
  • McCarthy G, Luby M, Gore J, Goldman-Rakic ​​P (1997) Rzadkie zdarzenia przejściowo aktywują ludzką kory przedczołowej i ciemieniowej, jak zmierzono za pomocą funkcjonalnego MRI. J Neurophysiol 77: 1630-1634.
  • Nicola SM, Surmeier DJ, Malenka RC (2000) Dopaminergiczna modulacja pobudliwości neuronalnej w prążkowiu i jądrze półleżącym. Annu Rev Neurosci 23: 185-215.
  • Pagnoni G, Zink CF, Montague PR, Berns GS (2002) Aktywność w ludzkim prążkowiu brzusznym zablokowana w błędach przewidywania nagrody. Nat Neurosci 5: 97-98.
  • Pisani A, Bonsi P, Picconi B, Tolu M, Giacomini P, Scarnati E (2001) Rola neuronów aktywnych tonicznie w kontroli funkcji prążkowia: mechanizmy komórkowe i korelacje behawioralne. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 25: 211-230.
  • Ravel S, Legallet E, Apicella P (1999) Aktywne neurony w prążkowiu małpy nie reagują preferencyjnie na bodźce apetyczne. Exp Brain Res 128: 531-534.
  • Redgrave P, Prescott TJ, Gurney K (1999) Czy odpowiedź na dopaminę o krótkim opóźnieniu jest zbyt krótka, aby zasygnalizować błąd nagrody? Trendy Neurosci 22: 146-151.
  • Rolls ET, Thorpe SJ, Maddison SP (1983) Odpowiedzi neuronów prążkowia u zachowującej się małpy. I. Głowa jądra ogoniastego. Behav Brain Res 7: 179-210.
  • Schultz W (1998) Przewidujący sygnał nagrody neuronów dopaminowych. J Neurophysiol 80: 1-27.
  • Schultz W, Tremblay L, Hollerman JR (2000) Przetwarzanie nagród w korze oczodołowo-czołowej i zwojach podstawy mózgu naczelnych. Cereb Cortex 10: 272-284.
  • Setlow B, Schoenbaum G, Gallagher M (2003) Kodowanie neuronalne w prążkowiu brzusznym podczas uczenia się dyskryminacji węchowej. Neuron 38: 625-636.
  • Shimo Y, Hikosaka O (2001) Rola tonicznie aktywnych neuronów w ogoniastym naczelnym w ukierunkowanym na nagrody ruchu sakadycznym oka. J Neurosci 21: 7804-7814.
  • Talairach J, Tournoux P (1988) Współpłaszczyznowy stereotaktyczny atlas ludzkiego mózgu. Stuttgart, Niemcy: Thieme.
  • Williams GV, Rolls ET, Leonard CM, Stern C (1993) Odpowiedzi neuronalne w brzusznym prążkowiu zachowującego się makaka. Behav Brain Res 55: 243-252.
  • CrossRefMedline
  • artykuły cytujące ten artykuł