Cereb. cortex (2010) 20 (1): 61-69. doi: 10.1093 / cercor / bhp078
+ Autoritățile afiliate
Adresă de corespondență cu Linda Van Leijenhorst. Departamentul de Psihologie, Universitatea Leiden, Institutul de Cercetare Psihologică, Wassenaarseweg 52, 2300 RB Leiden, Olanda. E-mail: [e-mail protejat].
Abstract
Relația dintre dezvoltarea creierului în adolescență și comportamentul riscant al adolescenților a atras un interes crescând în ultimii ani. Sa sugerat că adolescenții sunt hipersensibili la recompensă din cauza unui dezechilibru în modelul de dezvoltare urmat de striatum și cortexul prefrontal. Până în prezent, nu este clar dacă adolescenții se angajează într-un comportament riscant, deoarece supraestimează recompensele potențiale sau răspund mai mult la recompensele primite și dacă aceste efecte apar în absența deciziilor. În acest studiu am folosit o paradigmă de imagistică prin rezonanță magnetică funcțională care ne-a permis să disociem efectele anticipării, primirii și omisiunii de recompensare în 10 - la 12-ani, 14- la 15-ani și 18- la participanții în vârstă de 23.
Arătăm că, în anticiparea unor rezultate incerte, insula anterioară este mai activă la adolescenți comparativ cu adulții tineri și că striatumul ventral prezintă un vârf de recompensă în adolescența mijlocie, în timp ce adulții tineri prezintă activarea cortexului orbitofrontal pentru a răsplăti o recompensă. Aceste regiuni prezintă traiectorii distincte de dezvoltare.
Acest studiu susține ipoteza că adolescenții sunt hipersensibili la recompensă și adaugă literaturii actuale în demonstrarea faptului că activarea neuronală diferă la adolescenți chiar și pentru recompense mici în absența alegerii. Aceste constatări pot avea implicații importante pentru înțelegerea comportamentului de asumare a riscului la adolescenți.
Introducere
Adesea deciziile sunt luate în situații incerte, în care nu sunt cunoscute toate informațiile necesare pentru a lua o decizie rațională. Atunci când alegerile în situații incerte sunt asociate cu posibilele rezultate negative, ele sunt considerate riscante. O creștere a comportamentului riscant este una dintre cele mai importante caracteristici ale adolescenței (Arnett 1999; Steinberg 2004; Boyer 2006). Această schimbare a comportamentului sugerează o diferență în procesul decizional al adolescenților față de adulți. Adică adolescenții pot alege în mod diferit între cursurile concurente de acțiune într-o situație incertă, deoarece acestea cântăresc rezultatele posibile și probabilitățile cu care acestea se produc diferit comparativ cu adulții. Studiile anterioare au sugerat că adolescenții sunt părtinitori în ceea ce privește asumarea riscurilor datorită diferențelor în ceea ce privește modul în care se confruntă cu recompense (Bjork și colab. 2004; May și colab. 2004; Ernst și colab. 2005; Galvan și colab. 2006; Van Leijenhorst și colab. 2006).
Studiile de imagistică prin rezonanță magnetică funcțională (fMRI) au identificat regiuni ale creierului legate de anticiparea și prelucrarea rezultatelor. Multe studii au arătat că striatum ventral răspunde anticipării potențialelor recompense (Breiter și colab. 2001; Knutson și colab. 2001; Dagher 2007; Tom și colab. 2007), fapt confirmat de o meta-analiză recentă (Knutson și Greer 2008). eun plus, insula anterioară a fost implicată în anticiparea rezultatelor, iar activarea în această regiune este adesea asociată și cu incertitudinea asociată cu anticiparean (Critchley și colab. 2001; Volz și colab. 2003). În cele din urmă, mai multe studii efectuate la adulți au demonstrat acest lucru cortexul prefrontal medial (PFC), cortexul orbitofrontal și cortexul cingular anterior sunt implicate în procesarea recompensei (Rolls 2000; Bechara 2001; Knutson și colab. 2001; O'Doherty și colab. 2001, 2002).
Dezvoltarea funcțională a acestor regiuni nu este bine înțeleasă. Câteva studii de dezvoltare până în prezent arată un model aparent inconsistent al rezultatelor. Riscul adolescentului a fost, pe de o parte, asociat cu o "scădere" a sensibilității striatului ventral pentru a recompensa la adolescenți comparativ cu adulții. Acest răspuns neuronal a sugerat că îi determină pe adolescenți să caute mai multe experiențe stimulative pentru a compensa nivelurile scăzute de activare în striatum ventral (Spear 2000; Bjork și colab. 2004). Ope de altă parte, luarea de risc a adolescenților a fost asociată cu o "creștere" a capacității de reacție a striatumului ventrald (Galvan și colab. 2006). În aceste studii, sa sugerat că această creștere a răspunsului la potențialele recompense în combinație cu abilitățile imature de control cognitiv (care rezultă din dezvoltarea prelungită a PFC) îi împiedică pe adolescenți să își asume riscuri (Galvan și colab. 2006; Ernst și colab. 2006; Casey, Jones și colab. 2008).
Interpretarea acestor constatări de dezvoltare este complicată pentru motivele 2. În primul rând, există variante mari în ceea ce privește vârsta participanților care au fost incluși în aceste studii privind procesarea adolescenților. Acest lucru este problematic deoarece adolescenții formează un grup foarte eterogen, de exemplu în adolescența timpurie modificările de dezvoltare ar putea fi influențate de schimbările pubertătoare. În studiile anterioare, adolescenții dintr-o gamă largă de vârstă au fost incluși. De exemplu, în studiul de la Bjork și colab. (2004), grupul adolescenților a constat din participanți în vârstă de ani 12-17, ceea ce poate împiedica interpretarea noastră a modelului de schimbare de dezvoltare. Studiile structurale privind imagistica creierului au demonstrat că dezvoltarea structurii creierului în ceea ce privește proporția de substanță gri și substanță albă continuă pe tot parcursul adolescenței (Giedd și colab. 1999; Gogtay și colab. 2004), iar un studiu recent a arătat că aceste modificări de evoluție urmează un model neliniar în multe regiuni ale creierului (Shaw și colab. 2008). O a doua dificultate este că în rapoartele anterioare au fost folosite diferite paradigme experimentale, ceea ce face dificilă compararea rezultatelor. De exemplu, în studiile anterioare, recompensele depindea de performanța sarcinilor participanților, iar cerințele de obținere a recompenselor erau variate. Recompensele ar putea depinde de timpul de reacție (de exemplu, Bjork și colab. 2004) sau cu privire la acuratețea răspunsului / potrivirea probabilității (de exemplu, Ernst și colab. 2005; Galvan și colab. 2006; Van Leijenhorst și colab. 2006; Eshel și colab. 2007). În plus, mărimea recompenselor (Bjork și colab. 2004; Galvan și colab. 2006), probabilitatea recompensării (May și colab. 2004; Van Leijenhorst și colab. 2006) sau ambele magnitudine și probabilități (Ernst și colab., 2005; Eshel și colab. 2007) au fost manipulate. Este, prin urmare, dificil să se raporteze diferențele de dezvoltare în activarea striatului ventral la preluarea riscului sau procesarea recompenselor în general. Recent, studiile privind luarea deciziilor la adulți au încercat să prezică comportamentul bazat pe modificările anterioare ale activării striatului ventral (Knutson și Greer 2008). Aceste studii au arătat că creșterea activării striatului ventral este asociată cu o dorință crescută de a-și asuma riscuri la adulți. Într-un studiu anterior, incluzând adulți, Knutson și colab. (2008) a folosit o sarcină decizională și a prezentat imagini pline de satisfacții care nu au legătură cu sarcina. Prezentarea acestor imagini a fost legată de creșterea activării striatului ventral și de sporirea dorinței de asumare a riscurilor (Knutson și colab., 2008). Astfel, dacă un vârf în activarea striatumului ventral la adolescenți îi determină să-și asume riscuri, este important să înțelegem măsura în care această regiune este independentă de cerințele comportamentale. În plus, este important să înțelegeți în ce fază, în timpul anticipării sau procesării recompenselor, se observă diferențe între adolescenți și adulți. O mai bună înțelegere a cauzelor de procesare a adolescenților poate contribui la interpretarea comportamentului riscant potențial dăunător în care se implică mulți adolescenți. Este important să se înțeleagă dacă adolescenții au mai multe șanse să se angajeze într-un comportament riscant în comparație cu adulții, deoarece supraestimă recompensele potențiale faza timpurie a procesului decizional) sau pentru că răspunsul lor la recompensele primite diferă de cel al adulților (într-o fază ulterioară). Insightul asupra acestor posibile diferențe în sensibilitatea recompensării în adolescență ne informează despre procesele care stau la baza comportamentului riscant al adolescenților în lumea reală. În plus, aceste cunoștințe ar putea ajuta la încercările de a interveni și de a proteja adolescenții împotriva problemelor cu care se confruntă. Diferențele de bază în regiunile cerebrale legate de recompense între participanții de la vârste diferite pot complica interpretarea schimbărilor de evoluție în comportament. O modalitate de a rezolva această dificultate este de a studia procesarea recompenselor utilizând o sarcină experimentală, în care răsplata și riscul nu au nicio legătură cu comportamentul participanților (pentru o abordare similară, a se vedea Tobler și colab. 2008). Prin urmare, scopul acestui studiu a fost de a examina diferențele de dezvoltare în activarea neuronală legate de diferitele faze de procesare a recompenselor în absența comportamentului.
Am comparat substraturile neuronale ale anticipării rezultatelor și prelucrării rezultatelor la adolescența timpurie și mijlocie și la adulții tineri folosind fMRI. Pentru a identifica modelul de dezvoltare a regiunilor creierului implicate în procesarea recompensei, am inclus grupe de vârstă omogene 3 (copii de vârstă 10-12, copii de vârstă 14-15 și copii de ani 18-23). Acești participanți au efectuat o activitate de Slot Machine (Donkers și colab. 2005), o simplă paradigmă în care recompensele monetare mici sunt imprevizibile și nu au legătură cu comportamentul. În această sarcină, participanții văd aparatele de slot pentru 3 în care imaginile de fructe sunt prezentate consecutiv. Numai când aceste imagini 3 sunt la fel, participanții câștigă bani. Sarcina implică prezentarea diferitelor condiții 3: 1) toate imaginile 3 sunt diferite (denumite condiția XYZ), 2) primele imagini 2 sunt aceleași, dar a treia este diferită (denumită condiția XXY) și 3) toate imaginile 3 sunt aceleași (denumite XXX condiții). În acest fel, paradigma noastră ne-a permis să disociem activarea creierului asociată cu anticiparea rezultatului (atunci când primele 2 ale imaginilor 3 sunt identice cu toate imaginile 3 sunt diferite, XXY vs. XYZ), procesarea recompensei (când toate imaginile 3 sunt același vs. primul 2 din cele trei imagini sunt aceleași; XXX vs XXY) și omiterea recompensării (XXY vs. XXX).
Analizele noastre s-au axat pe identificarea regiunilor creierului implicate în prelucrarea recompenselor și incertitudine, incluzând striatumul, insula și cortexul orbitofrontal (OFC). Prima ipoteză a fost că aceste regiuni prezintă o dezvoltare funcțională, care se reflectă într-un model diferit de activare în diferitele grupe de vârstă. Am testat modele de dezvoltare liniare și neliniare. Cea de-a doua ipoteză a fost că, dacă luarea de risc de către adolescenți este asociată cu o sensibilitate sporită la recompensă, acest lucru ar trebui să se reflecte într-un vârf în activarea striatumului ventral în această grupă de vârstă. Am examinat în ce etapă, în timpul anticipării sau procesării rezultatelor, striatumul ventral ar prezenta răspunsuri diferite în absența cerințelor comportamentale și dacă răspunsul la recompense în această regiune ar fi crescut sau scăzut la adolescenți comparativ cu adulții. Rezultatele sunt de așteptat să furnizeze perspective în dezvoltarea regiunilor creierului legate de recompense în timpul adolescenței și să contribuie la interpretarea diferențelor în răspunsurile neurale dintre adolescenți și adulți în sarcini mai complexe de răsplată și de asumare a riscurilor.
Materiale și metode
Participanții
Un număr total de voluntari sănătoși, dreptaci din 53 au participat la studiu, 15 copii de vârstă 18-23 (femele 7, vârsta medie = 20.2, deviația standard [SD] = 1.6), optsprezece ani 14-15 (femele 10; vârstă = 15.0, SD = 0.7) și șaptesprezece ani 10-12 (femele 8, vârsta medie 11.6, SD = 0.8). Consimțământul informat a fost obținut de la toți participanții și de la un întreprinzător primar în cazul în care participanții au fost mai tineri decât 18 ani. Studiul a fost aprobat de Comitetul de etică medicală la Centrul Medical Universitar din Leiden (LUMC). Datele obținute de la participanții adulți suplimentari 3 au fost excluși din cauza dificultăților tehnice. Datele pentru participanții care au deplasat mai mult de 3 mm în orice direcție au fost excluse din analize. Din acest motiv, datele participanților la 3 (14, 15 și 10 ani) au fost excluse. Mișcările medii au fost 0.52 mm pentru copii de vârstă 18-23, 0.68 mm pentru copii de vârstă 14-15 și 0.62 mm pentru copii de vârstă 10-12. Diferența în mișcarea medie între grupele de vârstă nu a fost semnificativă (P > 0.1).
Evaluarea comportamentală
Înainte de scanare, toți participanții au fost pregătiți pentru sesiunea de scanare într-un laborator liniștit, în care era prezent un scanner mock. Acest scanner imbatabil, care a simulat mediul și sunetele unui scaner real de imagistică prin rezonanță magnetică (IRM), a dat minorii posibilitatea de a se obișnui cu mediul de scanare și a fost folosit pentru a explica procedura de scanare pentru toți participanții. Pentru a obține o estimare a IQ, versiunile adecvate vârstei de substraturi 2 ale Scalei de Inteligență a Adulților Wechsler (Wechsler 1981) sau Wechsler de cântări de informații pentru copii (Wechsler 1991) - asemănări și design bloc - au fost administrate tuturor participanților. Pentru copii de vârstă 10-12, copii de vârstă 14-15 și 18-23 ani, estimările privind IQ-urile au fost 119.7 (SD = 9.7), 106.0 (SD = 9.0) și 108.7 (SD = 9.4). Media IQ a anilor 10-12 a fost semnificativ mai mare comparativ cu celelalte grupe de vârstă 2 (F2,49 = 11.62, P = 0.001), dar IQ-urile participanților au scăzut în intervalul mediu. Analizele raportate mai jos au fost corectate pentru diferențele de IQ prin adăugarea IQ ca factor covariat la analize. Cu toate acestea, niciunul dintre aceste efecte nu a fost influențat de diferențele de IQ. Prin urmare, diferențele de IQ nu sunt descrise mai departe.
Toți participanții au fost examinați pentru condiții psihiatrice, consum de droguri, leziuni la cap și contraindicații pentru RMN folosind o listă de verificare. Niciun participant nu a raportat nicio problemă. În plus, participanții la cele mai tinere grupe de vârstă 2 au fost examinați pentru probleme de comportament utilizând evaluările părinților în Lista de verificare a comportamentului copiluluiAchenbach 1991). Scorurile pentru toți participanții au căzut în limitele nonclinice.
Experimental Design
Participanții au efectuat Task Machine Slot Machine, o versiune prietenoasă cu copii a unei paradigme utilizate anterior de către Donkers și colab. (2005). Fiecare încercare a început cu prezentarea mașinilor cu sloturi goale 3. După 500 ms, în partea de jos a ecranului a fost prezentată o monedă pentru 1000 ms, care a servit drept tacut. Pentru a menține participanții implicați în sarcina (altfel pasivă), aceștia au fost instruiți să pornească mașinile prin apăsarea unui buton prespecificat cu degetul arătător drept pe prezentarea indicelui. Răspunsul a trebuit transmis într-o fereastră de timp 1000-ms. Urmând fereastra de răspuns 1000-ms, imaginile 3, fiecare 1 de 3 posibil de tipuri de fructe - un kiwi, o pere sau o pereche de cireșe - au fost prezentate consecutiv, de la stânga la dreapta în slot machines, fiecare 1500 ms Fig. 1).
Exemplu de (a) un proces și (b) afișările posibile ale rezultatelor pentru funcția de Slot Machine. În urma unei ferestre de timp 1000-ms în care participanții puteau răspunde la tac, imaginile 3 au apărut consecutiv în fiecare 1500 ms, rezultând în tipurile de încercări 3: XXX, XXY sau XYZ. Participanții au câștigat € 0.05 pentru fiecare încercare XXX și nu au câștigat în celelalte condiții.
Imaginile au fost prezentate în 3 posibilele comenzi: 1) 3 diferite imagini (de exemplu, kiwi-cearries, denumite XYZ trialuri), 2) 2 identic și 1 imagine diferită (de exemplu kiwi-kiwi-cirese, încercări) sau 3) 3 imagini identice (de exemplu, kiwi-kiwi-kiwi, numite XXX-uri). Aceste tipuri de încercări 3 reprezintă condițiile experimentale 3. Ordinea în care au fost prezentate studiile a fost randomizată, iar participanților li sa prezentat o nouă combinație a imaginilor 3 pe fiecare studiu.
Participanții au fost instruiți în avans că vor câștiga € 0.05 pe fiecare studiu XXX și că nu vor câștiga bani pe celelalte tipuri de procese. Atunci când participanții nu au răspuns în timpul prezentării 1000-ms, procesul sa încheiat și au primit o penalizare de € 0.10. Acest lucru a survenit la mai puțin de 5% din studii. La finalul experimentului, câștigurile totale (€ 1.50) au fost adăugate la suma pe care participanții au primit-o ca rambursare pentru participarea la studiu.
Analiza datelor RMN
Studiile au fost prezentate pe parcursul scanărilor legate de evenimentul 2, fiecare durând aproximativ 7 min. Stimulentele vizuale au fost proiectate pe un ecran pe care participanții l-ar putea vedea printr-o oglindă atașată la bobina capului. În timpul scanării, participanților li s-au prezentat un număr total de studii 120, în care au fost intercalate studiile XXX, XXY și XYZ, astfel încât studiile 60 XYZ, 30 XXY și 30 XXX au fost prezentate în total, cu teste 60 în fiecare test. Diferențele legate de vârstă ca răspuns la recompense pot fi influențate de maturizarea lentă a capacității de a învăța probabilități și de a prezice riscul. Am controlat această posibilitate prezentând stimulii consecutivi 3 în ordine pseudorandomică pentru a maximiza incertitudinea. În toate încercările după prezentarea primei imagini, probabilitatea ca următoarea imagine din seria de 3 să fie aceeași a fost întotdeauna 50%. În același mod, după ce s-au prezentat imagini identice 2, probabilitatea ca cea de-a treia imagine să fie aceeași era 50% (50% XYZ, 25% XXY și 25% XXX Donkers și colab. 2005). Perioadele de fixare care durează între 1 și 3 s, jitter în incremente de 500 ms, au fost adăugate între studiile experimentale.
Scanarea a fost efectuată utilizând o bobină standard cu cap întreg pe un scanner 3-T Philips de la LUMC. Datele funcționale au fost obținute utilizând a T2* secvență de puls echo-planar gravimetric gradient-ecou echilibrat (38 contiguous 2.75-mm, secvențe axiale oblice oblice, cu recuperare intercalată, repetiție de timp = 2.211 s, ecou de timp = 30 ms, 2.75 × 2.75 rezoluție in-plan în mm, ). Primele volume 230 ale fiecărei scanări au fost eliminate pentru a permite T1efecte de echilibrare. Rezoluție înaltă T2* imagini cu dimensiuni mari și rezoluție înaltă T1- Imaginile anatomice au fost colectate la sfârșitul sesiunii de scanare. Mișcarea capului a fost restricționată utilizând o pernă și inserții de spumă care înconjurau capul.
fMRI Preprocesare și analiză statistică
Pre-prelucrarea și analiza datelor au fost efectuate utilizând SPM2 (Departamentul de Neurologie Cognitivă "Wellcome"). Imaginile au fost corectate pentru diferențele în momentul de achiziție a felie, urmată de corecția rigidă a mișcării corpului. Volumele structurale și funcționale au fost normalizate spațial T1 și șabloane de imagistică echo-planar, respectiv. Algoritmul de normalizare a utilizat o transformare afinică a parametrului 12 împreună cu o transformare neliniară care implică funcții de bază cosinus. În timpul normalizării, datele au fost reamplasate cu voxeli cubici 3-mm. Șabloanele s-au bazat pe spațiul stereotaxic MNI305 (Cocosco și colab. 1997). Volumele funcționale au fost netezite cu o lățime întreagă 8-mm la jumătatea maximului kernelului izotropic Gaussian. Analizele statistice au fost efectuate pe datele subiecților individuali utilizând modelul linear general (GLM) în SPM2.
Serii de timp fMRI au fost modelate ca o serie de evenimente convolvede cu o funcție canonică de răspuns hemodinamic (HRF) în modele separate 2. Am modelat fiecare studiu în diferite condiții 3 (XXX, XXY și XYZ) ca un eveniment cu durată zero în jurul perioadei de debut a celui de-al doilea stimul într-un prim model și în jurul perioadei de debut a celui de-al treilea stimul într-un al doilea model. Testele de eroare, definite ca acele încercări în care participantul nu au răspuns în fereastra 1000-ms, au fost modelate separat și au fost excluse din analizele fMRI.
Pentru fiecare participant, estimările parametrilor privind înălțimea celei mai potrivite canale HRF canonice pentru fiecare condiție au fost utilizate în contraste pereche. Pentru primul model, am calculat imagini de contrast pentru compararea XXY și XYZ (adică, comparând situația în care participanții au văzut pentru prima oară imaginile 2 care erau aceleași [XX] față de 2 imaginile diferite [XY] modele de activare a creierului legate de "anticiparea" rezultatelor studiilor, pe baza ipotezei că adolescenții sunt mai sensibili la recompense potențiale decât adulții. Pentru al doilea model, am calculat imagini de contrast pentru compararea condițiilor XXX și XXY, comparând modelele de activare a creierului legate de procesarea rezultatelor studiilor. Imaginile de contrast rezultate, calculate pentru fiecare participant, au fost supuse unor analize la nivel de al doilea nivel. La nivel de grup, contrastele întregului creier între condiții s-au calculat prin efectuarea unei singure operații t- teste pe aceste imagini, tratând participanții ca efect aleator. Întregul sistem de creare a hărților statistice au fost pragmați la P <0.001, cu un prag de extindere de 5 voxeli adiacenți.
Analiza statistică: Diferențe legate de vârstă
Deoarece am fost interesați în special de modelul de activare legat de anticiparea rezultatelor și de prelucrarea rezultatelor în grupurile de vârstă diferite 3, am efectuat analize variante de varianță (ANOVA) pentru a identifica regiuni care au prezentat diferențe legate de vârstă în activare. Am testat efectele (XXN-1 0), quadratic (-1 0.5 -1) și curbiliniere (0.5 -1 -0.5), (-0.5 -0.5 0.5), în contrastele XXY-XYZ pentru primul model anticiparea anticipării) și XXX-XXY pentru al doilea model (procesarea rezultatelor). ANOVA-urile au fost considerate semnificative la un prag statistic al 1 necorectat pentru comparații multiple, cu un prag de extindere al voxelurilor contigue 0.001.
Rezultatele imaginilor: Analiza regiunii de interes
Am folosit caseta de instrumente MARSBAR pentru utilizarea cu SPM2 (Brett și colab. 2002) pentru a efectua analize ale regiunii de interes (ROI) pentru a caracteriza în continuare modelele de activare. Am creat ROI-uri sferice 6-mm centrate pe voxelul de vârf de activitate în regiunile identificate în testele ANOVA pentru diferențele legate de vârstă. În plus, am folosit produsul MARSBAR pentru a extrage serii de timp pentru activitățile dependente de nivelul de oxigen din sânge în aceste ROI, medizând cursurile de timp pentru diferitele condiții experimentale începând cu debutul fiecărui proces. Aceste cursuri de timp sunt afișate în scopuri ilustrative în Cifrele 2 și 3.
Rezultatele creierului întreg pentru participanții de la 0 la 12 ani, de la 14 la 15 ani și de la 18 la 23 de ani, legate de anticiparea unei posibile recompense pentru contrastul XXY> XYZ la un P <0.001 prag necorectat (panoul superior); ROI sferice de 6 mm și cursuri de timp medii pentru cele 3 grupe de vârstă pentru insula anterioară și striat (panoul inferior).
Rezultatele creierului întreg pentru participanții cu vârsta cuprinsă între 10 și 12 ani, 14 - 15 și 18 - 23 de ani, legate de anticiparea unei posibile recompense pentru contrastul dintre XXX> XXY la un P <0.001 prag necorectat (panoul superior) și XXY> XXX (în albastru); ROI sferice de 6 mm și cursuri de timp medii pentru cele 3 grupe de vârstă pentru striat și OFC (panoul inferior).
REZULTATE
Rezultatul Anticipare
Am efectuat o analiză GLM pe datele funcționale modelate la debutul celui de-al doilea stimul și am calculat contrastul voxelwise al XXY> XYZ pentru copiii de 10-12 ani, 14-15 ani și 18-23 ani separat. Aceste analize au dus la suprapunere în mare parte a zonelor de activare pentru cele 3 grupe de vârstă. În toate grupele de vârstă, anticiparea rezultatului a fost asociată în mod constant cu activarea în insula anterioară dreaptă (vezi pct. XNUMX) Fig. 2, panoul de sus). Pentru copii de vârstă 10-12 și copii de ani 14-15, activarea anterioară a insulei a fost găsită în ambele emisfere. În plus, grupele de vârstă adolescentă au prezentat grupuri de activare în striatum ventral și cortex dorsal cingulate. Clustere semnificative și coordonatele MNI corespunzătoare sunt raportate în Masa suplimentară 1.
Analizele ANOVA în sens voce pentru modificările legate de vârstă pentru contrastul XXY-XYZ nu au dus la apariția unor clustere semnificative la un prag de P <0.001. La un prag mai liberal (P <0.005), testarea ANOVA pentru contrastul −1 0 1 a relevat o schimbare liniară a activării cu vârsta în insula anterioară dreaptă (vârf la 42, 12, −3, z = 2.95), F1,47 = 11.24, P = 0.002. Am creat o ROI sferică 6-mm centrat pe acest voxel și am efectuat o analiză a datelor (3) x (2) ANOVA asupra datelor extrase din acest ROI pentru a caracteriza mai mult modelele de activare din această regiune. Seriile temporale medii pentru această ROI sunt reprezentate grafic în partea de jos a paginii Figura 2. ANOVA pentru această ROI a avut ca rezultat o interacțiune în grupul de vârstă x condiție, F2,47 = 7.00, P = 0.002. Următoarele comparații au confirmat faptul că această regiune a fost mai activă în anii XXY, comparativ cu starea XYZ la vârstele de ani 10-12, F1,16 = 11.26, P = 0.004 și 14-15 ani, F1,17 = 3.62, P = 0.005. Pentru copiii în vârstă de 18-23, diferența dintre condiții nu a fost semnificativă (P = 0.19).
Nu au fost găsite modificări legate de vârstă pentru contrastul XXY-XYZ în striatum. Un ANOVA a arătat că această regiune a fost activă în toate grupele de vârstă (vârf la -9, 9, 0, z = 4.57) în anticiparea rezultatelor, F3,47 = 13.11, P <0.001. După cum era anticipat, ANOVA-urile din datele extrase din ROI sferic de 6 mm pentru această regiune au dus la un efect principal al stării, F1,47 = 23.73, P <0.001 și nicio interacțiune semnificativă cu grupa de vârstă (P = 0.1). Aceste rezultate demonstrează că striatul a fost mai activ în anticiparea unei recompense potențiale în aceeași măsură în toate grupele de vârstă. Cu toate acestea, comparațiile pentru grupurile de vârstă sugerează separat un răspuns mai mare al striatului ventral la grupurile adolescente. Cu alte cuvinte, în cazul copiilor 10-12 și 14-15, condiția XXY a determinat o activare semnificativ mai mare comparativ cu starea XYZ (P = 0.001 pentru efectul principal al afecțiunii), în timp ce la adulți această diferență a arătat doar o tendință spre semnificație (P = 0.09).
Rezultatul procesării
Pentru a examina tiparele de activare a creierului legate de procesarea rezultatelor, o analiză GLM similară a fost efectuată pe datele funcționale modelate la debutul celui de-al treilea stimul. Din nou, am calculat contrastele de interes pentru copiii de 10-12 ani, 14-15 ani și 18-23 ani separat. Pentru contrastul dintre XXX> XXY (procesarea recompensei), am găsit activare în striat și în cortexul cingulat dorsal pentru copiii cu vârsta cuprinsă între 10-12 ani și 14-15 ani (vezi Fig. 3, panoul de sus). Nu s-au găsit clustere semnificative pentru copiii în vârstă de până la 18-23, nici măcar la un prag mai puțin liber P <0.005. Copiii de 14−15 ani au prezentat, de asemenea, activare în PFC lateral stâng.
Un GLM pentru contrastul invers al XXY> XXX (procesarea recompensei omise) nu a dezvăluit niciun grup semnificativ atât pentru copiii de 10-12 ani, cât și pentru cei de 14-15 ani. În schimb, s-a constatat că o regiune din OFC stânga răspunde mai mult la recompensele omise la tinerii cu vârste cuprinse între 18 și 23 de ani, la un prag necorectat de P <0.001. O prezentare generală a clusterelor semnificative și a coordonatelor MNI corespunzătoare sunt raportate în Masa suplimentară 2.
Testarea ANOVAs voxelwise pentru modificări legate de vârstă pentru contrastul XXX-XXY a confirmat descoperirile creierului întreg pentru contrastul XXX> XXY, arătând că activarea în striat diferă între adolescenți și adulți tineri. La un prag necorectat de P <0.001, testarea ANOVA pentru contrastul −0.5 1 −0.5 a dezvăluit un grup în striatul ventral (vârf la 12, 9, −15, z = 3.68) care au arătat un model de dezvoltare patrat, F1,47 = 17.64, P <0.001. Grupa de vârstă (3) × condiție (2) ANOVA din datele extrase din ROI sferic de 6 mm centrată la acest voxel a relevat că această regiune a fost mai activă în XXX comparativ cu condiția XXY la copiii cu vârsta cuprinsă între 14 și 15 ani. F1,17 = 22.84, P <0.001, dar nu diferă între condiții la copiii cu vârsta cuprinsă între 10 și 12 ani (P = 0.41) și 18-23 ani (P = 0.12) (a se vedea Fig. 3, panou de fund).
Contrastele întregului creier pentru grupurile de vârstă separate au evidențiat o regiune în OFC laterală, care a fost receptivă la recompensele omitete în grupul de adulți. Această constatare a fost confirmată printr-o testare ANOVA pentru o tendință de dezvoltare curbilină cu contrastul -0.5 -0.5 1 care a dus la o regiune în OFC laterală (vârf la -27, 48, -3, z = 3.05), F1,47 = 11.99, P = 0.001 (a se vedea Fig. 3, panou de fund). ANOVA-urile privind ROI-ul sferic 6-mm pentru această regiune au condus la o condiție × interacțiunea grupului de vârstă F2,47 = 8.67, P = 0.001. Următoarele comparații au confirmat faptul că această regiune a arătat doar un răspuns mai mare la omiterea recompenselor în comparație cu recompensele primite în anii 18-23 F1,14 = 7.38, P = 0.02.
Discuție
Acest studiu a fost motivat de întrebarea cu privire la modul în care adolescenții diferă de adulți în sensibilitatea lor față de recompensa incertă. Am examinat traiectoria de dezvoltare a activării creierului în legătură cu procesarea unei recompense nesigure în fazele de anticipare și de rezultat. Studiile anterioare au raportat rezultate inconsecvente privind procesarea recompenselor adolescente, arătând atât "hiperactivă" (Galvan și colab. 2006) și "subactivă" (Bjork și colab. 2004) neurocircuitare asociată stimulentelor în adolescență. Studiul prezent difera de aceste studii anterioare in care am folosit o paradigma, care a dus la o recompensa probabilista care nu era dependenta de comportament. Această abordare ne-a permis să examinăm diferențele de bază în sensibilitatea de recompensă în condiții de incertitudine. În plus, am examinat diferențele neuronale în grupurile de vârstă 3 distincte: copii de vârstă 10-12, copii de vârstă 14-15 și copii de ani 18-23, care ne-au permis să testați pentru diferite modele de schimbări legate de vârstă.
Studiul a dat rezultate principale 2: 1) atunci când anticipau recompense incerte, toate grupurile de vârstă au prezentat o creștere a activării în striatum, dar un grup din insula anterioară a prezentat o scădere liniară a activării din adolescenta la vârsta adultă și 2) , adolescenții de vârstă medie au fost mai receptivi la recompensele primite, după cum indică creșterea activării în striatum ventral, în timp ce adulții tineri au răspuns cel mai mult la omiterea recompensei, așa cum indică creșterea activării în OFC. În general, concluziile noastre susțin ipoteza că adolescența de vârstă se caracterizează prin neurocircvență asociată cu stimulente hiperactive, dar demonstrăm că acest efect este cel mai pronunțat în timpul fazei de primire a recompensei. În lumina rezultatelor studiilor anterioare, aceste rezultate favorizează ipoteza că circuitele asociate cu recompensă hiperactivă și circuitele PFC imature potențial au tendința de a-și asuma riscuri (a se vedea de asemenea Ernst și colab. 2006; Galvan și colab. 2006; Casey, Getz și colab. 2008).
Modificări de evoluție în anticiparea rezultatelor
Anticiparea rezultatelor a fost asociată cu activarea în striat și insulă anterioară, când primii stimuli 2 au fost identici și au indicat posibilitatea de a câștiga. Activarea pe insulă a prezentat o scădere liniară cu vârsta; această regiune a fost cea mai activă în anii 10-12, mai puțin activă în anii 14-15 ani și cea mai puțin activă în anii 18-23 la anticiparea recompensării. În paradigma pe care am folosit-o, anticiparea recompensei potențiale a fost asociată cu incertitudinea maximă. După prezentarea 2 a acelorași imagini, probabilitatea ca a treia imagine să fie aceeași sau diferită a fost egală. În contrast, atunci când a doua imagine a fost diferită de prima, o recompensă nu mai era posibilă și, ca o consecință, nu exista nici o incertitudine asociată anticipării rezultatului. Modificarea legată de vârstă în activarea anterioară a insulelor ar putea reflecta, prin urmare, diferențe în cel puțin procesele 2: excitarea pozitivă 1 asociată anticipării primirii unei recompense sau 2) incertitudinea atunci când se anticipează un rezultat necunoscut.
Rezultatele noastre sunt în concordanță cu rezultatele studiilor recente, care au implicat insula anterioară în situațiile în care deciziile sunt asociate cu incertitudinea (Paulus și colab. 2003; Volz și colab. 2003; Huettel și colab. 2005; Huettel 2006; Volz și von Cramon 2006). Insula anterioară a fost adesea implicată în experiența excitației psihofiziologice. Sa sugerat că luarea deciziilor privind ajutorul pe insulă prin reflectarea răspunsurilor sistemului nervos autonom la riscul asociat unei decizii (Bechara 2001; Critchley și colab. 2001; Paulus și colab. 2003). S-au sugerat semnale autonome mari care precedă o decizie dezavantajoasă, care servesc drept semnal de avertizare care protejează împotriva riscului (Bechara și colab. 1997). În lumina acestei ipoteze, răspunsul crescut la insulă la adolescenții mai tineri pare contradictoriu. Cu toate acestea, alte studii au sugerat că acest semnal autonom reflectă importanța deciziei care trebuie luată (Tomb și colab. 2002), iar studiile de dezvoltare anterioare au arătat că copiii experimentează semnale autonome atunci când anticipează decizii riscante, dar nu reușesc să utilizeze aceste semnale pentru a-și optimiza deciziile (Crone și van der Molen 2004, 2007; Crone și colab. 2005). În studiul actual, activarea crescută a insulelor la tinerii adolescenți ar putea reflecta imaturitatea acestei regiuni. Cei mai tineri participanți s-ar fi confruntat cu o excitare psihofiziologică crescută legată de incertitudinea asociată anticipării unei posibile recompense. Chiar dacă nu am colectat evaluări subiective ale afecțiunilor, studiile anterioare au încercat să coreleze impactul experimentat și modelele de activare a creierului. Un studiu recent a constatat că, deși activarea în striatum ventral a fost corelată cu efectul pozitiv raportat, activarea în insula anterioară a fost corelată atât cu efectul raportat pozitiv, cât și negativ (Samanez-Larkin și colab. 2007). Rezultatele din acest studiu sugerează că insula anterioară ar putea contribui la luarea deciziilor prin reflectarea excitării generale în situații incerte.
Huettel (2006) incertitudinea disociată legată de cantitatea de recompensă potențială care poate fi obținută (risc de recompensă) și de incertitudinea cu privire la răspunsul optim (risc comportamental). El a arătat că activarea în insula anterioară a fost selectiv influențată de incertitudinea legată de selectarea răspunsului. Rezultatele noastre adaugă la această constatare demonstrând că insula anterioară este implicată în situații incerte în absența selecției răspunsului, sugerând că această regiune poate avea un rol mai general în reprezentarea nesiguranței rezultatelor. Un studiu recent (Preuschoff și colab. 2008) a arătat că insula anterioară reflectă gradul de incertitudine într-un mod similar cu cel în care striatumul este sensibil la mărimea recompensării. Autorii sugerează că insula anterioară ar putea susține procese similare cu erorile de predicție a recompensării în striatum. Reducerea liniară a activării în această regiune arată că funcția anterioară a insulei este imatură în adolescență și ar putea fi luată pentru a sugera o dificultate mai mare la adolescenți de a estima riscul implicat într-o situație incertă. Eventual, adolescenții s-au așteptat mai des recompensă comparativ cu adulții din studiul de față, deoarece nu au învățat că apariția recompenselor era imprevizibilă. Luate impreuna, raspunsul crescut in insula anterioara in anticiparea unei recompense incerte poate prejudicia adolescentii fata de un comportament sporit de asumare a riscurilor.
O explicație care trebuie luată în considerare este că activarea crescută în insula anterioară reflectă un efect negativ. Câștigarea nu poate fi asociată cu o excitare negativă mai experimentată când apare la sfârșitul studiului (XXY), comparativ cu momentul când apare la prezentarea celei de-a doua imagini (XYZ). Chiar dacă am estimat HRF la debutul celui de-al doilea stimul, al treilea stimul a urmat 1.5 s mai târziu. Prin urmare, este posibil ca răspunsul neuronal observat să fie influențat de cel de-al treilea stimul. În studiile viitoare, va fi important să se examineze în continuare efectul atît a gradului de risc / incertitudine, cît și a ratei de recompensă asupra procesului decizional al adolescenților. Având în vedere posibila concentrare a grupului adolescent pe recompensă, ar fi interesant să testați dacă sistemele neuronale care răspund la incertitudine răspund în mod similar atunci când valența rezultatului este negativă, adică atunci când condiția XXX ar reflecta mai degrabă o pierdere decât câştig.
Modificări de evoluție în procesarea rezultatelor
După cum era de așteptat, câștigarea banilor a determinat o creștere a activării în striatum ventral. Această constatare reproduce studii anterioare care au arătat că această regiune răspunde la recompense (Knutson și colab. 2001; McClure și colab. 2003; Huettel 2006). Interesant, activarea striatală după o victorie a atins vârsta de vârstă de până la vârsta de 14-15 și a fost mai puțin pronunțată la vârstele de ani 10-12 și 18-23, în conformitate cu ipoteza că această regiune este mai receptivă la adolescențiGalvan și colab. 2006; Ernst și colab. 2006; Casey, Getz și colab. 2008).
În studiul de față, am găsit vârful în răspunsul striatumului ventral la adolescența mijlocie doar pentru procesarea recompensă și nu pentru anticiparea recompensei. Această constatare este incompatibilă cu studiile anterioare, care au raportat o creștere a activării în această regiune înainte de livrarea efectivă a recompensei. Aceste rezultate anterioare au fost luate pentru a sugera un rol pentru striatum ventral în predicția și anticiparea rezultatelor (Knutson și colab. 2001; Bjork și colab. 2004; Galvan și colab. 2006; Huettel 2006). Constatarile noastre, cu toate acestea, sugereaza ca varf in raspuns striat ventral la adolescenti este gasit numai pentru primirea de recompense. În experimentele anterioare, indicii au denaturat potențialele recompense și s-au permis predicții de recompensare, prin urmare activarea în striatum ventral în aceste studii ar putea reflecta un răspuns rapid la "a ști" că răsplata va urma, mai degrabă decât anticiparea "posibilității" unei recompense. Aceste date ar putea fi, de asemenea, luate pentru a sugera că adolescenții supraestimă șansele lor de a obține o recompensă sau capacitatea de a obține o recompensă. Sugerăm că în studiul de față nu a fost observat un vârf în activarea striatumului ventral până la livrarea reală a recompenselor deoarece proiectarea sarcinii a maximizat incertitudinea și nu a permis prezicerea recompensei. Chiar dacă rezultatele anticipării nu au arătat un maxim semnificativ din punct de vedere statistic în activare și nici o interacțiune de vârstă × condiție în striatum ventral, analizele de urmărire au sugerat că răspunsul striatum anticipativ a fost mai mare pentru adolescenții tineri și medii comparativ cu adulții. Studiile viitoare ar trebui să studieze rezultatele anticipării și ale rezultatelor cu mai multe detalii.
În cele din urmă, adulții tineri, dar nu adolescenții timpurii și medii, au prezentat o creștere a activării în OFC stânga laterală după omiterea recompensei. Lateral OFC a fost implicat anterior în procesarea pedepsei (O'Doherty și colab. 2001). OFC este foarte conectat atât la circuitele apetitoare, cât și la celelalte regiuni ale PFC și, recent, sa sugerat că OFC are o funcție integrativă prin ghidarea răspunsului creierului la informații afective și orientarea deciziilor afective prin menținerea și actualizarea unei reprezentări a stimulente legate de așteptările on-line (pentru comentarii, a se vedea O'Doherty 2007 și Wallis 2007). Răspunsul OFC lateral la adulții tineri poate, prin urmare, să semnaleze necesitatea unei atenții sporite și ajustarea comportamentului după rezultate negative. Trebuie remarcat faptul că OFC este o regiune eterogenă și multe întrebări cu privire la rolul său în comportamentul și luarea deciziilor orientate spre scop și la schimbările asociate cu dezvoltarea trebuie să fie testate în studii viitoare. Constatarea că această regiune este implicată în procesarea rezultatelor nefavorabile la adulți, dar nu și la adolescenții timpurii și medii, este în concordanță cu ipoteza că rețelele din creier legate de procesele de ordine superioară și funcțiile de control cognitiv nu se maturizează până la adolescența târzieGalvan și colab. 2006; Ernst și colab. 2006).
Concluzii
Constatările actuale ar putea fi interpretate în lumina recentelor constatări care caută o explicație neuropsihologică pentru comportamentul adolescentului. Atât Rețeaua de procesare a informațiilor sociale (SIPN) (Nelson și colab. 2005) și modelul triadic (Ernst și alții 2006) conțin o componentă apetită și o componentă cognitivă / de reglementare. În aceste modele, comportamentul adolescentului se caracterizează printr-un sistem puternic de apetit și un sistem de control relativ slab. Modelul SIPN (Nelson și colab. 2005) sugerează că structurile creierului care stau la baza componentei apetitoare sunt receptive la hormonii gonadali și sunt declanșați la începutul pubertății, spre deosebire de structurile cognitive care urmează o dezvoltare mai lentă.
Paradigma pasivă folosită în studiul de față nu ne-a permis să rezolvăm întrebări cu privire la modul în care diferențele în substratul neural al procesului de recompensare și percepția riscului între adolescenți și adulți contribuie la comportamentul motivat la adolescenți și adulți. Este important să se elucideze această relație și traiectoria sa de dezvoltare deoarece comportamentul riscant al adolescenților poate avea consecințe grave (Steinberg 2004; Fareri și colab. 2008). Constatarea că regiunile cerebrale legate de recompense sunt mai receptive în adolescență, chiar și atunci când recompensele nu au nicio legătură cu comportamentul și sunt mici, sugerează diferențe fundamentale în modul în care recompensele incerte sunt prelucrate la vârste diferite. Pentru a judeca validitatea ecologică a acestor constatări, studiile viitoare ar trebui să ia în considerare diferențele individuale, de exemplu, în căutarea senzației, temperament și sex, și vor trebui să examineze aceste regiuni utilizând sarcini mai complexe. O a doua limitare a acestui studiu este că nu am obținut măsuri directe de stare pubertală, ceea ce limitează capacitatea noastră de a interpreta contribuția modificărilor pubertății la diferențele dintre copiii de ani 10-12 și 14-15. Studiile viitoare ar trebui să încerce să coreleze mai strâns schimbările legate de vârstă la schimbările asociate cu dezvoltarea pubertală.
În concluzie, concluziile noastre demonstrează că modelele de activare a creierului legate de anticiparea rezultatelor în absența comportamentului se deosebesc de cele legate de prelucrarea rezultatelor. Anticiparea recompensei incerte este asociată cu activarea în insula anterioară și striatum. În special, activarea în insula anterioară arată o tendință de dezvoltare liniară și scade de la adolescența timpurie până la vârsta adultă. Dimpotrivă, procesarea recompensei este asociată cu un vârf în activarea striatumului ventral la vârstele de ani 14-15 și vârstele de ani 10-12 într-o măsură mai mică. Interesant este faptul că persoanele în vârstă de ani 18-23 sunt cele mai receptive la recompensa omisă, prezentând activarea în regiunile laterale OFC. Aceste constatări susțin ipoteza că adolescența se caracterizează printr-un dezechilibru în maturarea circuitelor creierului afectiv și regulator (May și colab. 2004; Ernst și colab. 2006; Galvan și colab. 2006). Datele actuale arată că, la un nivel de bază al procesării, adolescenții sunt mai receptivi la recompensa anticipată și primită și la riscul asociat cu incertitudinea comparativ cu adulții.
Material suplimentar
Material suplimentar pot fi găsite la: http://www.cercor.oxfordjournals.org/.
Finanțare
Cercetarea de către autori (EAC și SARBR) este posibilă prin granturile NWO VENI / VIDI.
Referinte
;