Uma resposta adolescente única para recompensar os erros de previsão (2010)

A adolescência é um período único no desenvolvimento psicológico, caracterizado por escolhas e ações de risco aumentadas em comparação com crianças e adultos. Isso pode refletir o desenvolvimento funcional relativamente precoce de sistemas afetivos e de recompensa límbicos em comparação com o córtex pré-frontal¹, de tal forma que os adolescentes tendem a tomar decisões erradas e escolhas arriscadas com mais frequência do que as crianças (que ainda não são totalmente sensíveis às recompensas) e adultos (que são sensíveis às recompensas, mas têm a capacidade de exercer controle sobre as recompensas).

De acordo com as teorias de decisão comportamental, as escolhas são orientadas pelo valor atribuído a cada escolha potencial (valor de decisão)². O valor da decisão é calculado por um sistema no córtex pré-frontal medial que serve como um caminho comum para a representação de valor^3,4. No entanto, para se comportar de forma adaptativa em um mundo em constante mudança ou barulhento, esses valores devem ser atualizados com base na experiência. Os sinais de erro de previsão de recompensa refletem a diferença entre o valor esperado de uma ação e o resultado real da ação⁵, e são codificados por atividade fásica no sistema de dopamina mesolímbica⁶. Em fMRI, eles são geralmente observados no estriado ventral, refletindo o débito dopaminérgico (por exemplo, ⁷). A natureza dos sinais de erro de previsão em crianças ou adolescentes é desconhecida. Adolescentes podem ter uma resposta estriada hipersensível para recompensar⁸, embora esta descoberta seja um tanto inconsistente^9,10. Nós examinamos se a adolescência está associada a mudanças únicas em qualquer valor de decisão ou sinais de erro de predição, usando um paradigma de aprendizagem probabilística.¹¹ (FIG. 1; Vejo Métodos Suplementares conectados). Estimamos o valor da decisão e os sinais de erro de previsão em cada tentativa durante o aprendizado usando um modelo simples de aprendizado.⁵. Usando análises fMRI paramétricas, identificamos regiões do cérebro cuja resposta foi modulada de acordo com esses sinais, e examinamos como essa resposta mudou com a idade desde a infância até a idade adulta. Examinamos os efeitos lineares (que refletem as tendências gerais maturacionais ou de desenvolvimento) e os efeitos quadráticos (que refletem os efeitos específicos dos adolescentes) com a idade. Este trabalho representa o primeiro exame desses subcomponentes da tomada de decisões em todo o desenvolvimento.

Figura 1

Design experimental. 45 participantes saudáveis ​​(crianças 18 com idades entre 8 – 12, 16 adolescentes com 14 – 19 e 11 adultos com 25 – 30) realizaram uma tarefa de aprendizagem probabilística durante a aquisição da fMRI. Consentimento informado por escrito foi obtido. Participantes ...

Comportamentalmente, todos os participantes tornaram-se mais precisos e mais rápidos com treinamento para estímulos previsíveis, mas não para estímulos aleatórios (interação F (5,210) = 9.85, P<0.0001 para precisão e F (5,210) = 6.60, P<0.0001 para tempos de resposta; Tabela suplementar 1 e FIG. 1 conectados). Crucialmente, houve uma interação recompensa x idade para tempos de resposta (F (2,42) = 5.03, P = 0.01). Testes post-hoc mostraram que os adolescentes foram a única faixa etária a responder significativamente mais rapidamente a estímulos associados a grandes recompensas em comparação com pequenas recompensas (t (15) = 3.24, P = 0.006; para crianças t (17) = −0.32, P = 0.75 e para adultos t (10) = 1.90, P = 0.09).

Nós modelamos os dados de ressonância magnética funcional para permitir a estimação separada das respostas neurais ao estímulo e feedback (Métodos Suplementares e FIG. 2 conectados; para os efeitos principais do cérebro inteiro de visualizar os estímulos e receber feedback sobre as respostas, veja Figos Suplementares 3 – 4 e tabelas 2 – 3 conectados). Nós examinamos como as correlações neurais com os sinais de decisão baseados em modelo (valor de decisão e erro de previsão) estavam relacionados à idade.

Figura 2

Resultados de ressonância magnética. (a) Regiões mostrando correlações com a idade ao corrigir no nível do cérebro inteiro em z> 2.3, P<0.05. As regiões do giro estriatal e angular foram negativamente correlacionadas com a idade²; porque a idade média² foi subtraído de ...

Analisamos tendências quadráticas no erro de predição positivo no feedback e identificamos duas regiões nas quais os adolescentes apresentaram uma resposta hipersensível em comparação com os outros grupos etários - o estriado e o giro angular. Uma área no córtex pré-frontal medial mostrou um efeito linear negativo da idade no valor de decisão do estímulo, de modo que os participantes mais jovens tiveram um sinal de valor de decisão mais forte nesta região em comparação com participantes mais velhos; esta região tem sido fortemente associada ao valor do estímulo orientado por objetivos em trabalhos anteriores em adultos (Fig. 2a)¹². Assim, enquanto a resposta ao feedback positivo imprevisível atingiu o pico na adolescência, a sensibilidade ao valor do estímulo diminuiu linearmente com a idade (para parcelas entre a idade e cada uma das regiões de interesse acima, ver Figura Complementar 5 conectados).

Dado que o valor de decisão se desenvolve por meio da aprendizagem orientada por erro no modelo, foi surpreendente que o valor de decisão mostrou uma trajetória relacionada à idade diferente do erro de previsão. No entanto, devido à estrutura da tarefa, é possível que a escolha tenha sido motivada por outros fatores além da aprendizagem por reforço (por exemplo, memória explícita). Para esclarecer os resultados, rodamos um segundo modelo que calculou o valor de decisão de uma forma mais integrativa como a proporção de tentativas anteriores nas quais a resposta ótima foi escolhida para cada estímulo (Lin, Adolphs & Rangel, não publicado; Métodos Suplementares conectados). Analisamos os valores de erro de predição deste modelo e descobrimos que eles refletiam os resultados de nossas análises iniciais, mostrando regiões no córtex estriado e parietal, juntamente com regiões pré-frontais laterais ventrais, onde a resposta neural ao erro de previsão atingiu o pico na adolescência. A análise do valor de decisão deste modelo mostrou relações lineares e não-lineares entre idade e atividade neural em várias regiões, incluindo o córtex parietal lateral e estriado (Figura Complementar 6 e Tabela 5 conectados). Análises de ROI exploratórias (não independentes) mostraram que a resposta neural ao valor de decisão neste modelo pareceu aumentar entre a infância e a adolescência, mas depois assintotada entre a adolescência e a idade adulta (Figura Complementar 7 conectados). Esses resultados demonstraram que a resposta de erro de predição de pico na adolescência foi robusta para modelos diferentes, enquanto as mudanças relacionadas à idade nos sinais de valor de decisão foram sensíveis à especificação do modelo.

Baseado em trabalhos anteriores mostrando que o corpo estriado ventral é consistentemente sensível a feedback positivo inesperado, como refletido nos sinais de erro de predição de recompensa baseados em modelo (por exemplo,⁷), examinamos a localização de respostas relacionadas ao erro de predição para cada faixa etária separadamente dentro de um ROI anatômico independente, incluindo o caudado bilateral, putâmen e nucleus accumbens usando o modelo original de aprendizado por reforço (Fig. 2b). Regiões estriatais significativamente relacionadas ao erro de predição positivo não se sobrepuseram para adolescentes e adultos. Embora os adultos deste estudo tivessem atividade na região ventral do estriado, consistentemente observada em estudos que examinaram o erro de predição em adultos, os adolescentes tinham atividade em uma região mais dorsal. As crianças não tiveram atividade no corpo estriado relacionada ao erro positivo de predição.

Nossos resultados estendem as descobertas anteriores de aumento da atividade neural relacionada à recompensa durante a adolescência⁸ demonstrando que este achado é específico para erros de previsão, em comparação com sinais de avaliação. As diferenças de desenvolvimento na resposta de erro de predição provavelmente refletem diferenças na sinalização de dopamina fásica¹³. Se correto, isso fornece uma explicação direta para o comportamento arriscado de busca de recompensas freqüentemente observado em adolescentes. O aumento do comportamento de risco na adolescência pode, em teoria, refletir uma sensibilidade diminuída a possíveis resultados negativos ou uma sensibilidade aumentada a possíveis resultados positivos. Acreditamos que nossos dados são consistentes com os últimos: isto é, o aumento dos sinais de erro de previsão (supostamente refletindo maiores sinais de dopamina fásica) reflete um impacto maior dos resultados positivos¹⁴, que é proposto para resultar em uma maior motivação para obter resultados positivos (e, portanto, maior risco). Assim, uma resposta de erro de predição dopaminérgica hiperativa em adolescentes poderia resultar em um aumento na busca de recompensa, particularmente quando associada a um sistema de controle cognitivo imaturo.¹.

Os presentes resultados podem esclarecer por que estudos anteriores produziram efeitos inconsistentes da idade no processamento de recompensas. Primeiro, nem todos os estudos compararam adolescentes a crianças e adultos, o que significa que a possibilidade de relacionamentos não-lineares com a idade não pôde ser observada. Além disso, a definição de “adolescente” não foi consistente entre os estudos. Em segundo lugar, é importante notar que a tarefa de aprendizagem probabilística usada aqui não foi uma tarefa de tomada de decisão arriscada per se, portanto, é diferente de outras tarefas usadas na literatura de recompensa e tomada de risco. Terceiro, nossos resultados sugerem que uma compreensão adequada das mudanças no desenvolvimento do processamento de recompensas requer o uso de abordagens baseadas em modelos, juntamente com a decomposição de componentes de ensaios individuais (estímulo, escolha e feedback).

É cada vez mais percebido que a adolescência é um período único no desenvolvimento psicológico, e que o comportamento arriscado de busca de recompensas que ocorre durante esse período pode resultar em morbidade e mortalidade significativas, incluindo morte acidental e o início da dependência de drogas. Assim, entender as bases neurais da tomada de decisão na adolescência é um desafio crítico. O presente trabalho sugere que um contribuinte para a busca de recompensa em adolescentes pode ser a presença de sinais de erro de previsão aprimorados, o que proporciona um novo alvo para estudos futuros desse importante período de desenvolvimento.