Anticiparea sistemelor de recompensare a recruților de noutăți și a hipocampului în timp ce promovează reculegerea (2007)

Studiu complet: Anticiparea recrutării sistemelor de recompensă și a hipocampului în timp ce promovează amintirea

PMCID: PMC2706325

Acest articol a fost citat de alte articole din PMC.

Du-te la:

Abstract

Creierul dopaminergic, care cuprinde substanța nigra și zona tegmentală ventrală (SN / VTA), joacă un rol central în procesarea recompenselor. Această regiune este, de asemenea, activată de noi stimuli, crescând posibilitatea ca noutatea și recompensa să aibă proprietăți funcționale comune. În prezent nu este clar dacă aspectele funcționale ale procesării recompenselor în SN / VTA, și anume, activarea prin recompense neașteptate și indicii care prezic recompensă, caracterizează și procesarea noutății. Pentru a rezolva această întrebare, am efectuat un experiment RMN în timpul căruia subiecții au vizualizat indicii simbolice care au prezis imagini inedite sau familiare ale scenelor cu valabilitate 75%. Arătăm că SN / VTA a fost activat de indicii care prezic imagini inedite, precum și de imagini romane neașteptate care au urmat indicii predictive de familiaritate, un răspuns „noutate neașteptată”. Hipocampul, o regiune implicată în detectarea și codificarea stimulilor noi, a arătat un răspuns inedit de noutate, dar a diferit de profilul de răspuns al SN / VTA în a răspunde la noutățile scontate și neașteptate. Într-o extindere comportamentală a experimentului, amintirea a crescut în raport cu familiaritatea atunci când comparăm memoria de recunoaștere întârziată pentru stimuli noi anticipați cu stimuli inedite. Aceste date dezvăluie comunități în răspunsurile SN / VTA la anticiparea recompenselor și la anticiparea stimulilor noi. Vă sugerăm că acest răspuns anticipativ codifică un semnal de noutate exploratorie motivațională care, împreună cu activarea anticipativă a hipocampului, duce la o codificare îmbunătățită a evenimentelor inedite. În termeni mai generali, datele sugerează că prelucrarea dopaminergică a noutății ar putea fi importantă în explorarea noilor medii.

Introducere

Înregistrările cu un singur neuron la animale și studiile recente de rezonanță magnetică funcțională (IRMM) la om furnizează dovezi convergente că regiunea SNC / VTA este activată nu numai de recompensă (Schultz, 1998) dar și prin stimuli noi chiar și în absența întăririi (Schultz și colab., 1997; Schott și colab., 2004; Bunzeck și Duzel, 2006). Activarea SN / VTA prin noutate ridică posibilitatea ca noutatea să aibă proprietăți intrinseci răsplătitoare. În caz afirmativ, caracteristicile procesării recompenselor, cum ar fi schimbarea temporală a răspunsurilor în condiționare, ar trebui să fie valabile și pentru procesarea noutăților. În paradigmele de anticipare a recompenselor, neuronii dopaminergici codifică predicția atunci când a fost învățată contingența dintre un stimul predictiv și livrarea ulterioară a recompenselor. Mai exact, acești neuroni răspund la primul predictor de încredere al recompensei, dar nu mai primesc recompensa (Ljungberg și colab., 1992; Schultz și colab., 1992, 1997; Schultz, 1998). Nu este clar dacă procesarea noutății în SN / VTA arată aceste proprietăți legate de recompensă.

Hipocampul este esențial în formarea amintirilor episodice pe termen lung pentru evenimente inedite (Vargha-Khadem și colab., 1997; Duzel și colab., 2001) și a crezut că furnizează aportul principal pentru un semnal de noutate în SN / VTA (Lisman și Grace, 2005). Dopamina eliberată de neuronii SN / VTA, la rândul ei, este critică pentru stabilizarea și menținerea potențării pe termen lung (LTP) și a depresiei pe termen lung (LTD) în regiunea hipocampală CA1 (Frey și colab., 1990, 1991; Huang și Kandel, 1995; Sajikumar și Frey, 2004; Lămâie și Manahan-Vaughan, 2006; pentru o revizuire a se vedea Jay, 2003). Datele fMRI au arătat că SN / VTA comun și activarea hipocampului este asociat cu formarea de succes pe termen lung a memoriei (Schott și colab., 2006) și îmbunătățirea legată de recompense în codificarea stimulului nou (Wittmann și colab., 2005; Adcock și colab., 2006). Ținând cont de aceste dovezi convergente, modele recente de formare a memoriei dependente de hipocamp subliniază o relație funcțională între detectarea noutății în hipocamp și îmbunătățirea plasticității hipocampului prin modularea dopaminergică indusă de noutate, care rezultă din SN / VTA (Lisman și Grace, 2005). Prin urmare, întrebarea dacă SN / VTA este activată prin anticiparea noutății depășește o înțelegere conceptuală a relației dintre noutate și recompensă pentru a îmbrățișa mecanisme de plasticitate hipocampală. Mai mult, s-a sugerat recent că înțelegerea relației dintre noutate și procesarea recompenselor în SN / VTA ar putea dezvălui legături între motivație, comportament în căutare de noutăți și explorare (Bunzeck și Duzel, 2006; Knutson și Cooper, 2005).

Am investigat răspunsurile anticipative la stimuli noi și familiari într-o paradigmă RMN modelată pe proceduri de anticipare a recompenselor (Fig. 1). Pătratele colorate serveau ca indicii care preziceau prezentarea ulterioară a unor imagini inedite sau anterior familiarizate cu scene. Subiecții au fost instruiți să participe la fiecare indiciu și apoi să indice cât mai rapid și cu exactitate dacă imaginea ulterioară era familiară sau nouă. Deoarece experimentul fMRI a necesitat un număr mare de studii, am efectuat, de asemenea, o versiune pur comportamentală în care numerele de încercare au fost mai optime pentru a evalua modul în care performanța memoriei episodice a fost afectată de anticiparea noutății folosind o paradigmă de memorare / cunoaștere (Tulving, 1985).

Fig. 1  

Proiectare experimentală. (A) Secvență de încercare pentru faza de studiu. După o fază de familiarizare, indicii colorate au prezis cu o precizie de 75% dacă a urmat o imagine familiară sau nouă. Participanții au fost informați despre probabilități și au fost solicitați să indice ...

Proceduri experimentale

Subiecții

Cincisprezece adulți sănătoși (vârsta medie [± SD] 24.5 ± 4.0 ani, toți dreptaci, 7 bărbați) au participat la experiment. Toți participanții au dat consimțământul informat în scris pentru a participa, iar studiul a fost în conformitate cu liniile directoare ale comitetului de etică al Universității din Magdeburg, Facultatea de Medicină.

Paradigma experimentală

Am folosit 245 de fotografii de peisaj în tonuri de gri cu luminanță normalizată. Participanții au primit instrucțiuni scrise, inclusiv tipăriri a cinci imagini care au fost selectate pentru familiarizare. Înainte de a intra în scaner, fiecare dintre aceste imagini a fost prezentată de opt ori pe un ecran de computer în ordine aleatorie (durata: 1500 ms, ISI: 1200 ms) în timp ce participanții au fost instruiți să urmărească cu atenție. În scaner, au fost colectate atât imagini anatomice, cât și funcționale. Participanții s-au angajat în 12 sesiuni cu o durată de 5.7 minute, fiecare conținând 40 de probe cu o durată de 4.5-12 secunde. În timpul fiecărui proces, participanții au văzut un pătrat galben sau albastru (1500 ms) indicând cu o precizie de 75% dacă următoarea imagine ar fi familiară sau nouă (vezi Fig. 1A pentru sarcină și instrucțiuni). După o întârziere variabilă (0-4.5 s), o imagine din categoria prezisă a fost prezentată în 75% din studii, iar o imagine din categoria neprevăzută, roman după un indiciu de familiaritate și familiar după un indiciu de noutate, a fost prezentată în 25 % din studii (1500 ms). Ambele categorii au fost prezentate la fel de des. Participanții au indicat cu o apăsare rapidă a butonului (degetul arătător drept sau stâng sau degetul mijlociu) dacă imaginea aparține sau nu din categoria familiară. A urmat o fază de fixare cu durată variabilă (1.5-4.5 s). Culorile indicative asociate fiecărei categorii de imagini au fost contrabalansate între participanți, precum și mâna care răspunde și atribuirea degetelor la categorii.

proceduri fMRI

Am achiziționat 226 de imagini eco-planare (EPI) pe sesiune pe un scaner de 3 T (Siemens Magnetom Trio, Erlangen, Germania) cu un TR de 1.5 s și un TE de 30 ms. Imaginile au constat din 24 de felii de-a lungul axei longitudinale a creierului mediu (matrice 64 × 64; câmp vizual: 19.2 cm; dimensiune voxel: 3 × 3 × 3 mm) colectate într-o secvență intercalată. Acest volum parțial acoperea hipocampul, amigdala, trunchiul cerebral (inclusiv diencefalul, mezencefalul, pons și medulla oblongată) și părți ale cortexului prefrontal. Zgomotul scanerului a fost redus cu dopurile pentru urechi, iar mișcările capului subiecților au fost reduse la minimum cu tampoane de spumă. Secvența și calendarul stimulului au fost optimizate pentru eficiență în ceea ce privește separarea fiabilă a răspunsurilor hemodinamice legate de repere și rezultate (Hinrichs și colab., 2000). O secvență de recuperare a inversiunii EPI (IREPI) a fost obținută pentru fiecare subiect pentru a îmbunătăți normalizarea. Parametrii de scanare au fost aceiași ca pentru secvența EPI, dar cu acoperire completă a creierului.

Preprocesarea și analiza datelor au fost efectuate utilizând software-ul Statistic Parametric Mapping implementat în Matlab (SPM2; Wellcome Trust Center for Neuroimaging, Institutul de Neurologie, Londra, Marea Britanie). Imaginile EPI au fost corectate pentru sincronizarea și mișcarea feliei și apoi normalizate spațial la șablonul Institutului Neurologic de la Montreal prin deformarea IREPI anatomic a subiectului la șablonul SPM și aplicarea acestor parametri imaginilor funcționale, transformându-le în voxeli de dimensiuni 2 × 2 × 2 mm. Au fost apoi netezite folosind un nucleu gaussian de 4 mm.

Pentru analiza statistică, datele au fost scalate voxel-cu-voxel pe media lor globală și filtrul de trecere mare. Activitatea legată de încercare pentru fiecare subiect a fost evaluată prin transformarea unui vector al seturilor de încercare cu o funcție canonică de răspuns hemodinamic și a derivatelor sale temporale (Friston și colab., 1998). Un model liniar general (GLM) a fost specificat pentru fiecare participant pentru a modela efectele de interes folosind două seturi pentru fiecare încercare, unul pentru debutul cue și altul pentru debutul rezultatelor (covariatele au fost: noutatea cue, familiaritatea cue, rezultatul așteptat / neașteptat al romanului, așteptat / rezultat familiar neașteptat) și șase covariate fără niciun interes care captează artefacte reziduale legate de mișcare. Au fost analizate următoarele contraste: romane vs. indicii familiare, romane vs. rezultate familiare, rezultate neașteptate vs. așteptate, rezultate neașteptate vs. așteptate și rezultate neașteptate vs. După crearea hărților parametrice statistice pentru fiecare participant prin aplicarea contrastelor liniare la estimările parametrilor, a fost realizată o analiză a efectelor aleatoare la nivelul al doilea pentru a evalua efectele de grup. Având în vedere ipoteza noastră a priori de activare a sistemelor de recompensă și hipocamp, efectele au fost testate pentru semnificație într-un singur eșantion t-testează la un prag de p <0.005, necorectat și o dimensiune minimă a clusterului de k = 5 voxeli, dacă nu se specifică altfel. Corecția sferică a volumului mic a fost apoi efectuată centrată pe voxelurile de vârf, folosind diametre corespunzătoare dimensiunii structurilor [7.5 mm pentru activări în hipocampul anterior (vezi Lupien și colab., 2007) și 4.5 mm pentru activări în substanța neagră (vezi Geng și colab., 2006)]. Valorile beta ale voxelilor de vârf în substanța neagră și hipocampus au fost extrase și corectate cu valoarea HRF pentru nivelul general de activare în studiu pentru a produce procent de schimbare a semnalului. Toate mediile comportamentale sunt date ca valori medii ± eroare standard a mediei (SEM).

Pentru a localiza activitatea creierului mijlociu, hărțile de activare au fost suprapuse pe o imagine medie a imaginilor 33 cu transfer de magnetizare normalizate spațial (MT) dobândite anterior (Bunzeck și Duzel, 2006). Pe imaginile MT, substantia nigra se poate distinge cu ușurință de structurile înconjurătoare (Eckert și colab., 2004). Pentru a ajuta la localizarea activărilor, vocalele de vârf ale fiecărui contrast au fost transferate în spațiul Talairach (Talairach și Tournoux, 1988) folosind funcția Matlab mni2tal.m (Matthew Brett, 1999) și s-au potrivit zonelor anatomice folosind software-ul Talairach Daemon Client (Lancaster și colab., 2000; Versiunea 1.1, Research Imaging Center, University of Texas Health Science Center din San Antonio). Toate coordonatele stereotaxice sunt așadar date în spațiul Talairach.

Evaluare separată a memoriei

Într-un studiu de urmărire comportamental separat motivat de descoperirile RMN, participanții 12 (bărbatul 2) au finalizat aceleași proceduri de familiarizare și anticipare ca cele implementate pentru experimentul RMN. Experimentul comportamental a fost separat de experimentul RMN, deoarece durata și numărul de stimuli din RMN au fost optimizate pentru a îmbunătăți calitatea semnalului, dar prea extinse pentru a permite performanței memoriei să rămână peste șansă. Prin urmare, pentru a facilita memorarea în experimentul comportamental, numărul de încercări care conțin imagini noi așteptate a fost redus la 120, numărul de imagini inedite la 40. La o zi după sesiunea de studiu, participanții au finalizat un test de memorie care conține toate imaginile inedite de la 160 din faza de studiu (acum imagini „vechi”) și noi imagini distractive 80 pe care participanții nu le-au văzut anterior (Fig. 1B). În această parte a studiului, participanții au luat două decizii consecutive pentru fiecare imagine, ambele fiind indicate de textul prezentat sub imagine. Prima decizie a fost de a face o judecată „veche / nouă”, a doua decizie a fost o „amintește / știi / ghici” (după un răspuns „vechi”), sau o „sigură / ghicită” (după un răspuns „nou”) hotărâre. Sincronizarea a fost auto-ritmată, cu o limită de timp pentru deciziile de 3 s și respectiv 2.5 s, urmată de o fază de fixare de 1 s înainte de prezentarea imaginii următoare.

REZULTATE

Rezultate comportamentale

Pentru faza de studiu, un ANOVA 2 × 2 × 2 asupra timpilor de reacție ai participanților la studiile corecte cu categoria de imagine a factorilor (roman / familiar), așteptarea (așteptată / neașteptată) și grupul (grupul scanat / grupul de memorie) au arătat efectele principale ale categoria de imagini și așteptarea și o interacțiune între grup și efectul categoriei de imagini (a se vedea Tabelul 1 pentru timpii de reacție; efect de categorie: F[1,25] = 31.57, p <0.001; efect de așteptare: F[1,25] = 8.47, p <0.01; efect de interacțiune: F[1,25] = 5.49, p <0.05). Post hoc asociat t-testele au confirmat că timpii de reacție atât pentru imaginile familiare preconizate, cât și pentru imaginile noi așteptate au fost semnificativ mai scurte decât pentru imaginile neașteptate corespunzătoare (p <0.01 și p <0.05, respectiv). Timpii de reacție atât pentru imaginile familiare așteptate, cât și pentru cele neașteptate au fost semnificativ mai mici decât pentru imaginile romane corespunzătoare (p <0.001 și p = 0.001, respectiv). Efectul de interacțiune nu a rezultat dintr-un efect semnificativ de categorie la un singur grup de participanți, ca t-testele care compară timpul de reacție cu imaginile noi și cele familiare au fost semnificative pentru ambele grupuri (p <0.05 pentru grupul scanat și p <0.001 pentru grupul de memorie). Aceste rezultate confirmă faptul că participanții au acordat atenție indicațiilor și le-au folosit pentru a obține un avantaj comportamental pentru discriminarea imaginilor noi și familiare. Ratele de răspuns corecte nu au diferit între categorii sau grupuri (medie pentru imaginile romane așteptate: 95.1% ± 3.7%, pentru imaginile romane neașteptate: 94.1 ± 3.6%, pentru imaginile familiare așteptate: 93.8% ± 3.9% și pentru imaginile familiare neașteptate : 93.4% ± 3.5%).

Tabelul 1  

Timpii de reacție (în ms ± SEM) pentru imagini corect clasificate din cele două categorii de imagini (familiar / roman) și în raport cu indicele precedent (așteptat / neașteptat) pentru cele două grupuri de testare

Am analizat apoi rezultatele testului de memorie care a fost efectuat 1 a doua zi după faza de studiu în monitorizarea comportamentală. Un ANOVA bidirecțional cu memoria factorilor (ratele de memorare / cunoaștere corectate) și anticiparea noutății (așteptate / neașteptate) au arătat un efect de interacțiuneF[1,11] = 5.66, p <0.05). Post hoc asociat t-testul a relevat o diferență semnificativ mai mare între ratele corecte de amintire / cunoaștere pentru imaginile noi așteptate (8.9 ± 5%) decât cele neașteptate (0.9 ± 4%) (p <0.05; pentru ratele de răspuns vezi Tabelul 2). Mai multe post hoc pereche t- testele au confirmat că nici rata de amintire corectată față de rata de cunoaștere corectată, nici cea așteptată față de cele neașteptate nu au fost semnificativ diferite. Proporția răspunsurilor la presupuneri nu a diferit între categorii (11.1 ± 2.3% pentru imaginile așteptate și 12.3 ± 2.4% pentru imaginile neașteptate).

Tabelul 2  

De asemenea, am analizat contribuțiile amintirii și familiarității în baza unei ipoteze de independență pe baza unui model larg acceptat (Yonelinas și colab., 1996), conform căruia amintirea reprezintă un proces de prag dependent de hipocamp, în timp ce familiaritatea reprezintă un proces de detectare a semnalului care poate fi susținut în absența unui hipocamp intact. Recolectarea a fost estimată scăzând rata de alarma falsă (RFA) din rata amintirii. Familiaritatea a fost estimată calculând mai întâi răspunsurile de familiaritate (FR, a se vedea ecuația de mai jos) și apoi obținând valoarea d-prime corespunzătoare.

FR=(rata de succes-(rem-Germania))1-(rem-Germania)=rata de succes-RE1-RE

Pentru a putea compara estimările de amintire (RE), care sunt proporții de răspuns în procente și estimări de familiaritate (FE), care sunt dvalorile, ambele măsuri au fost transformate în z-corpi înainte de analize statistice. O ANOVA bidirecțională cu memoria factorilor (estimare de amintire / estimare de familiaritate) și anticiparea noutății (așteptată / neașteptată) au confirmat efectul de interacțiune obținut în ANOVA asupra ratelor de răspuns (F[1,11] = 5.78, p <0.05).

Rezultate fMRI

Sondajele care au dus la anticiparea unor imagini noi, în contrast cu anticiparea imaginilor cunoscute, au dus la o activitate semnificativ mai mare în zonele creierului care formează sistemul dopaminergic (striat stâng; creierul mijlociu drept, cel mai probabil SN); Fig. 2A, B; Tabelul 3), zone asociate anterior cu anticiparea recompenselor (Knutson și colab., 2001a, b; O'Doherty și colab., 2002; pentru o revizuire a se vedea Knutson și Cooper, 2005). Pentru contrastul de rezultate, rezultatele inedite și așteptate ale romanului au activat și SN / VTA potrivite (Fig. 4A, B; Tabelul 4). Acest model de activare seamănă cu un model de activare observat în creierul dopaminergic cu paradigme de recompensă în care neuronii dopaminergici raportează o eroare de predicție în recompensă (Schultz și colab., 1997). În schimb, activitatea ca răspuns la indicii de familiaritate și imagini familiare neașteptate sau așteptate nu a arătat acest tipar. Astfel, aceste rezultate demonstrează paralele între procesarea noutății și recompensă în SN / VTA.

Fig. 2  

Răspuns „anticipare a noutății”: activitate hemodinamică pentru indicii care prevăd imagini inedite și indicii care prevăd imagini familiare. (A) Cluster de activare în SN / VTA dreapta. (B) Procent estimat de modificare a semnalului răspunsului hemodinamic ...
Fig. 4  

Răspuns „noutate neașteptată”: activitate hemodinamică pentru imagini romane neprevăzute, adică imagini inedite afișate după indicii care prezic imagini familiare, vs. imagini romane prezise, ​​adică imagini inedite preconizate de indicatorul precedent. (A) ...
Tabelul 3  

Răspuns anticipare noutăți: locații anatomice ale regiunilor active în anticiparea imaginilor noi vs. anticiparea imaginilor cunoscute
Tabelul 4  

Răspuns „noutate neașteptată”: locațiile anatomice ale regiunilor s-au activat mai puternic la rezultatele imaginilor neașteptate decât ale imaginilor inedite

În hipocamp, atât anticiparea noutății, cât și rezultatele noi au fost asociate cu activitatea bilaterală îmbunătățită, comparativ cu anticiparea și rezultatul stimulilor familiari (Fig. 2C, D și 3; Tabelul 3). Hipocampul potrivit a fost, de asemenea, mai activ pentru imaginile romane neașteptate decât pentru imaginile romane așteptate (Fig. 4C, D; Tabelul 4). Mai mult, hipocampul stâng (coordonatele Talairach: - 36, - 14, - 14) au prezentat o activitate mai mare pentru prezentarea tuturor imaginilor neașteptate, în contrast cu toate imaginile așteptate, în concordanță cu procesarea hipocampică a noutății contextuale (Ranganath și Rainer, 2003; Bunzeck și Duzel, 2006).

Fig. 3  

Răspunsul „rezultatului nou”: activitate hemodinamică pentru toate imaginile noi față de toate imaginile cunoscute, independent de indicatorul precedent. (A) Cluster de activare în hipocondrul stâng. (B) Procent estimat de modificare a semnalului răspunsului hemodinamic ...

În faza de repere, a existat o corelație pozitivă semnificativă între activarea SN / VTA dreaptă și activitatea hipocampală dreaptă, testată folosind schimbarea medie a semnalului procentual ca răspuns la indicii de noutate în voxelurile de vârf ale contrastului „noutate vs. anticipare a familiarității” asupra participanților ( A lui Pearson r = 0.48, p <0.05 cu o coadă; Fig. 5). Astfel, datele noastre indică o interacțiune funcțională, precum și disocieri funcționale între SN / VTA și hipocamp în procesarea noutății.

Fig. 5  

Corelația dintre activarea SN / VTA și activitatea hipocampului drept, testată la o modificare a semnalului procentual mediu, ca răspuns la indicii de noutate în vârfurile de vârf ale contrastului „noutate vs. anticipare a familiarității”.

Discuție

Din punct de vedere comportamental, validitatea indicelui a fost asociată cu un efect semnificativ asupra timpilor de reacție a subiecților în timpul discriminării stimulilor romani și familiari, arătând că indicii care prezic evenimente noi sau familiare au fost procesate de subiecți. Analiza fMRI a dezvăluit că indicii care prezic imagini noi au generat activare SN / VTA semnificativ mai mare decât indicii care prezic stimuli familiari (Fig. 2A, B; Tabelul 3). Acest model de activare SN / VTA ca răspuns la noutate seamănă cu un model găsit în paradigmele de recompensă în care se vede un răspuns la cel mai timpuriu predictor al recompensei (Knutson și colab., 2001a; Wittmann și colab., 2005). O altă proprietate a procesării recompenselor în SN / VTA, și anume, a crescut activitatea pentru neașteptate în comparație cu recompensele preconizate (Schultz, 1998), a fost paralelizat și cu răspunsurile SN / VTA la noutăți. Activarea SN / VTA a fost mai puternică ca răspuns la prezentarea neașteptată în comparație cu prezentarea preconizată a articolelor inedite (Fig. 4A, B; Tabelul 4). Rețineți că este puțin probabil ca activarea anticipativă SN / VTA să reflecte contaminarea semnalului hemodinamic indus de stimulii romani ulterior, deoarece nu a existat o activare SN / VTA prin stimuli noua previzionați sau cu indicii de familiaritate, care să demonstreze eficacitatea protocolului de bruiaj.

Descoperirile noastre indică faptul că asemănarea dintre noutate și recompensă depășește influența lor comună asupra circuitelor SN / VTA-hipocamp și crește posibilitatea ca noutatea în sine să fie procesată asemănător cu o recompensă. Acest lucru este compatibil cu o serie de observații din cercetările pe animale, inclusiv date care arată o auto-administrare redusă a amfetaminei în timpul explorării unor obiecte noi (Klebaur și colab., 2001), dezvoltarea preferinței locului pentru medii care conțin stimuli noi (Bevins și Bardo, 1999) și condiționarea la noutate (Reed și colab., 1996). Totuși, această relație între noutate și recompensă nu afectează inferențele derivate din protocoalele tradiționale de întărire, care funcționează eficient cu stimuli familiari. Acest lucru se referă la faptul că, în multe situații, este clar avantajos pentru un agent să formeze asociații de recompense către obiecte extrem de familiare. Cu toate acestea, datele noastre oferă sprijin pentru ideea că proprietățile intrinseci de recompensă ale stimulilor noi pot sta la baza comportamentelor exploratorii observate de obicei la contexte și elemente noi (Ennaceur și Delacour, 1988; Stansfield și Kirstein, 2006). O altă proprietate a codării neuronale SN / VTA a rezultatului recompensei este codificarea adaptivă (Tobler și colab., 2005), care se caracterizează printr-un nivel diferit de răspuns la aceeași valoare de recompensă preconizată, în funcție de recompensele alternative disponibile în fiecare context. Recompensele cu valoare medie duc la un răspuns dopaminergic mai mare dacă este prezentat în context cu recompense de valoare mică decât în ​​context cu recompense de mare valoare. Această proprietate a procesării recompenselor SN / VTA nu a fost încă reprodusă pentru noutate la om. Într-adevăr, există dovezi că, spre deosebire de recompensă, noutatea s-ar putea să nu fie codificată în mod adaptiv în SN / VTA uman (Bunzeck și Duzel, 2006), sugerând diferențe funcționale între noutate și recompensă care poartă investigații suplimentare.

Modelul legat de stimul în timpul procesării noutății în hipocamp diferă de modelul observat în SN / VTA. Spre deosebire de SN / VTA, hipocampul a arătat o activitate mai mare pentru stimuli noi așteptați ei înșiși (Fig. 3). Mai mult, hipocampul a fost, de asemenea, mai activat de noutatea contextuală (Lisman și Grace, 2005) independent de noutatea stimulului, aparent în răspunsul său la prezentarea imprevizibilă a imaginilor cunoscute. Acest lucru confirmă datele anterioare (Bunzeck și Duzel, 2006), inclusiv descoperirile care indică o sensibilitate a acestei structuri la nepotriviri în cadrul secvențelor învățate (Kumaran și Maguire, 2006). Activarea hipocampului de noi stimuli per se este bine compatibilă cu așa-numitul model de buclă hipocampală VTA, conform căruia semnalele de noutate ale hipocampului către SN / VTA rezultă dintr-o comparație intrahippocampală a informațiilor despre stimul cu asociațiile stocate (Lisman și Grace, 2005). Activarea hipocampului ca răspuns la indicii care prezic noutăți (Fig. 2C, D; Tabelul 3), pe de altă parte, nu poate fi explicat prin acest model. Vă sugerăm că un semnal de predicție dopaminergică induce activarea hipocampului prin introducerea dopaminergică la CA1 (Jay, 2003), o interpretare compatibilă cu o corelație semnificativă între activitatea legată de cete în SN / VTA și hipocampus găsită în acest studiu.

Rezultatele anterioare indică faptul că mai multe zone ale creierului în afara sistemului mezolimbic prezintă răspunsuri anticipative diferențiale în paradigme de recompensă. Un exemplu recent este demonstrarea unor astfel de răspunsuri în cortexul vizual primar V1 (Shuler și Urs, 2006). Aceste răspunsuri sunt ipotezate să fie determinate de modularea dopaminergică. Un mecanism similar s-ar putea aplica procesării noutății. Indiferent dacă nivelul creierului intermediar dopaminergic conduce hipocampul sau invers, coactivarea hipocampului și SN / VTA ar putea fi asociată cu o intrare dopaminergică crescută în hipocamp în timpul anticipației. La rândul său, acest lucru ar putea induce o stare care îmbunătățește învățarea pentru viitori stimuli noi, un model care este realizabil din punct de vedere computerizat (Blumenfeld și colab., 2006).

În plus față de prelucrarea SN / VTA-hipocampal de anticipare a noutății, au existat și alte regiuni ale creierului care prezintă activitate ca răspuns la semne de noutate, în special zone din cortexul frontal anterior asociate cu procesarea noutății (Daffner și colab., 2000; Tabelul 3) și regiunile cortexului parahippocampal (Duzel și colab., 2003; Ranganath și Rainer, 2003). Deoarece ipotezele noastre s-au concentrat pe procesarea SN / VTA și procesarea hipocampului, investigarea mai atentă a acestor rezultate se află în afara domeniului de aplicare al acestui studiu. Cercetarea viitoare a rețelei de noutăți frontoparietale și interacțiunile acesteia cu SN / VTA și hipocampus s-ar adăuga substanțial la înțelegerea tot mai mare a procesării noutăților.

În conformitate cu ideea că preactivarea hipocampului în timpul anticipării facilitează învățarea, datele noastre comportamentale arată că imaginile noi așteptate au generat o diferență mai mare de răspuns / amintire decât imaginile romane neașteptate când memoria a fost testată 1 ziua mai târziu. Un răspuns de amintire necesită reamintirea contextului din episodul de studiu și, prin urmare, reflectă memoria episodică, în contrast cu aspectul neepodic bazat pe familiaritate din memoria de recunoaștere (Tulving, 1985; Duzel și colab., 2001; Yonelinas și colab., 2002). Hipocampul a fost asociat cu formarea de memorie episodică de succes în studii anterioare (de ex Brewer și colab., 1998; Wittmann și colab., 2005; Daselaar și colab., 2006) și s-a constatat că leziunile hipocampului afectează în principal componenta de recunoaștere (Duzel și colab., 2001; Aggleton și Brown, 2006). Am raportat recent că memoria pentru stimuli care prezic recompensă a fost, de asemenea, asociată cu un raport de amintire / cunoaștere mai mare în comparație cu stimulii care au prezis absența recompensei (Wittmann și colab., 2005), iar această îmbunătățire a memoriei a fost asociată cu creșterea SN / VTA și activarea hipocampului ca răspuns la stimulii care prezic recompensă în momentul codificării. Rezultatele noastre actuale extind aceste descoperiri pentru a încorpora o îmbunătățire a plasticității hipocampului indusă de SN / VTA care este stabilită de cel mai vechi predictor de noutate. Interesant, datele electrofiziologice recente din înregistrările scalpului evidențiază o relație între activitatea creierului precedentă cu scurt timp înainte de apariția unui nou stimul și a memoriei episodice pentru acel stimul (Otten și colab., 2006). Datele noastre sugerează că anticiparea noutății ar putea fi un mecanism prin care activitatea prestimulului ar putea modula codificarea stimulului. Descoperirile noastre extind, de asemenea, datele recente ale RMN-ului, unde au fost găsite speranța de recompensă și anticiparea unui stimul emoțional pentru a îmbunătăți memoria (Adcock și colab., 2006; Mackiewicz și colab., 2006).

Suprapunerea funcțională și anatomică între prelucrarea recompenselor și a noutății în SN / VTA ar putea servi bine la consolidarea comportamentului explorator, permițând animalelor să găsească noi surse de hrană și să codifice locația acestora, sporind astfel supraviețuirea. O cale interesantă pentru cercetările viitoare va fi determinarea relației dintre anticiparea noutății și o trăsătură de personalitate care caută noutăți. La om, căutarea sporită a noutății este asociată cu jocurile de noroc și dependența (Spinella, 2003; Hiroi și Agatsuma, 2005) creșterea posibilității unui compromis între efectele benefice ale anticipării noutății în memorie și efectele adverse în legătură cu dependența. O mai bună înțelegere a relației dintre anticiparea noutății, formarea memoriei și căutarea noutăților ar putea, de asemenea, să informeze cercetările cu privire la deficiențele specifice de memorie găsite în disfuncția dopaminergică, cum ar fi boala Parkinson și schizofrenia.

În studiile cu celule unice cu privire la prelucrarea recompenselor, observația că SN / VTA răspunde atât la predicția recompenselor, cât și la recompensele neașteptate a inspirat modele de „diferență temporală” (TD) de procesare a recompenselor (Schultz, 1998, 2002). Trebuie menționat că, în studiul nostru, activările RMN pentru anticiparea noutății și noutatea neașteptată au fost localizate în porțiuni ușor diferite în cadrul SN / VTA. Acest lucru crește posibilitatea existenței unor diferențe de răspuns regional între predicția recompensei și răspunsurile neașteptate la recompense la animale, precum și că studiile cu un singur neuron de anticipare și noutate neașteptată ar putea arăta, de asemenea, că răspunsurile neuronale corespunzătoare sunt localizate în diferite porțiuni ale SN. / VTA. O problemă aici este faptul că nu putem exclude posibilitatea ca în studiul nostru aceeași populație neuronală care a răspuns la predicția noutății să răspundă și la noutăți neașteptate.

În rezumat, datele noastre RMN indică faptul că formarea hipocampului și SN / VTA servesc funcții parțial diferite în predicția și procesarea noutății. SN / VTA prelucrează predictibilitatea și hipocampul prezența anticipată și reală a noutății într-un context dat. Împreună cu datele noastre comportamentale, concluziile noastre sugerează că coactivarea SN / VTA și hipocampus la cel mai timpuriu predictor de noutate în faza prestimulus duce la o formare de memorie îmbunătățită pentru noul stimul nou. Aceste descoperiri oferă dovezi pentru o relație strânsă între procesarea recompenselor și noutatea stimulului și extind modelele recente de interacțiune dopaminergică-hipocampal. Ei subliniază importanța perioadei prestimulus pentru codificarea episodică. Prin urmare, efectele noutății asupra codificării pot depinde de inducerea unei stări anticipative în sistemul de memorie temporală medial, mediat de influențele modulatorii din zonele cerebrale midaminergice. Cu toate acestea, datele RMN nu oferă dovezi directe pentru implicarea unor sisteme specifice de neurotransmițători. Cu toate acestea, fMRI este un instrument valoros pentru a investiga activitatea legată de evenimente în SN / VTA la om. Integrarea abordărilor genetice moleculare în neuroimagistica (Schott și colab., 2006) și fMRI farmacologic ar putea ajuta la elucidarea suplimentară a rolului sistemelor de transmitere neuromodulatoare în procesarea noutății umane și a relației dintre răspunsurile SN / VTA și neurotransmisia dopaminergică.

recunoasteri

Această lucrare a fost susținută de subvenții de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (KFO [Control cognitiv al memoriei, TP3]). Mulțumim lui Michael Scholz pentru asistență în proiectarea fMRI, Kolja Schiltz pentru asistență cu analiza fMRI și Kerstin Möhring, Ilona Wiedenhöft și Claus Tempelmann pentru asistență la scanarea RMN.

Referinte

Adcock RA, Thangavel A., Whitfield-Gabrieli S., Knutson B., Gabrieli JD Învățare motivată de recompensă: activarea mezolimbică precede formarea memoriei. Neuron. 2006; 50: 507-517. [PubMed]
Aggleton JP, Brown MW Sisteme cerebrale de intercalare pentru memorie episodică și recunoaștere. Tendințe Cogn Sci. 2006; 10: 455-463. [PubMed]
Bevins RA, Bardo MT Creșterea condiționată a preferinței locului prin accesul la obiecte noi: antagonism de MK-801. Behav. Rez. Creier 1999; 99: 53-60. [PubMed]
Blumenfeld B., Preminger S., Sagi D., Tsodyks M. Dinamica reprezentărilor memoriei în rețele cu plasticitate sinaptică facilitată de noutate. Neuron. 2006; 52: 383-394. [PubMed]
Brett, M., 1999. http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/MniTalairach (de la 2007-08-08).
Brewer JB, Zhao Z., Desmond JE, Glover GH, Gabrieli JD Realizarea amintirilor: activitate cerebrală care prezice cât de bine va fi amintită experiența vizuală. Ştiinţă. 1998; 281: 1185-1187. [PubMed]
Bunzeck N., Duzel E. Codificarea absolută a noutății stimulilor în substanța umană Nigra / VTA. Neuron. 2006; 51: 369-379. [PubMed]
Daffner KR, Mesulam MM, Scinto LF, Acar D., Calvo V., Faust R., Chabrerie A., Kennedy B., Holcomb P. Rolul central al cortexului prefrontal în direcționarea atenției asupra evenimentelor inedite. Creier. 2000; 123: 927-939. [PubMed]
Daselaar SM, Fleck MS, Cabeza RE Tripla disociere în lobii tempiali mediali: amintire, familiaritate și noutate. J. Neurofiziol. 2006; 31: 31. [PubMed]
Duzel E., Vargha-Khadem F., Heinze HJ, Mishkin M. Dovezi privind activitatea creierului pentru recunoaștere fără amintire după deteriorarea timpurie a hipocampului. Proc. Natl. Acad. Sci. SUA 2001; 98: 8101 – 8106. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
Duzel E., Habib R., Rotte M., Guderian S., Tulving E., Heinze HJ Activitatea umană de hipocamp și parahippocampal în timpul memoriei de recunoaștere asociativă vizuală pentru configurații de stimul spațial și nepatrimonial. J. Neurosci. 2003; 23: 9439-9444. [PubMed]
Eckert T., Sailer M., Kaufmann J., Schrader C., Peschel T., Bodammer N., Heinze HJ, Schoenfeld MA. . NeuroImage. 2004; 21: 229-235. [PubMed]
Ennaceur A., ​​Delacour J. Un nou test unic pentru studii neurobiologice ale memoriei la șobolani: 1. Date comportamentale. Behav. Rez. Creier 1988; 31: 47-59. [PubMed]
Frey U., Schroeder H., Matthies H. Antagoniștii dopaminergici împiedică menținerea pe termen lung a LTP post-tetanice în regiunea CA1 a feliilor de hipocamp de șobolan. Rez. Creier 1990; 522: 69-75. [PubMed]
Frey U., Matthies H., Reymann KG Efectul blocării receptorului dopaminergic D1 în timpul tetanizării asupra expresiei potențării pe termen lung în regiunea CA1 de șobolan in vitro. Neurosci. Lett. 1991; 129: 111-114. [PubMed]
Friston KJ, Fletcher P., Josephs O., Holmes A., Rugg MD, Turner R. FMRI legat de evenimente: caracterizarea răspunsurilor diferențiale. NeuroImage. 1998; 7: 30-40. [PubMed]
Geng DY, Li YX, Zee CS Analiza volumetrică bazată pe imagistica prin rezonanță magnetică a nucleilor ganglionari bazali și a substanței negre la pacienții cu boala Parkinson. Neurochirurgie. 2006; 58: 256-262. (discuție 256–262) [PubMed]
Hinrichs H., Scholz M., Tempelmann C., Woldorff MG, Dale AM, Heinze HJ Deconvoluția răspunsurilor fMRI legate de evenimente în proiectele experimentale cu viteză rapidă: urmărirea variațiilor de amplitudine. J. Cogn. Neurosci. 2000; 12 (supliment 2): 76 – 89. [PubMed]
Hiroi N., Agatsuma S. Sensibilitate genetică la dependența de substanțe. Mol. Psihiatrie. 2005; 10: 336-344. [PubMed]
Agonistii receptorilor Huang YY, Kandel ER D1 / D5 induc o potențare tardivă dependentă de sinteză de proteine ​​în regiunea CA1 a hipocampului. Proc. Natl. Acad. Sci. SUA 1995; 92: 2446 – 2450. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
Jay TM Dopamine: un substrat potențial pentru plasticitate sinaptică și mecanisme de memorie. Prog. Neurobiol. 2003; 69: 375-390. [PubMed]
Josephs O., Henson RN Imagistica prin rezonanta magnetica functionala legata de evenimente: modelare, inferenta si optimizare. Philos. Trans. R Soc. Lond., B Biol. Sci. 1999; 354: 1215-1228. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
Klebaur JE, Phillips SB, Kelly TH, Bardo MT Expunerea la noi stimuli de mediu scade auto-administrarea amfetaminei la șobolani. Exp. Clin. Psychopharmacol. 2001; 9: 372-379. [PubMed]
Knutson B., Cooper JC Imagistica funcțională prin rezonanță magnetică a predicției recompensei. Curr. Opin. Neural. 2005; 18: 411-417. [PubMed]
Knutson B., Adams CM, Fong GW, Hommer D. Anticiparea creșterii recompensei monetare recrutează selectiv nucleus accumbens. J. Neurosci. 2001; 21 (RC159): 1-5. [PubMed]
Knutson B., Fong GW, Adams CM, Varner JL, Hommer D. Disocierea anticipării și rezultatelor recompenselor cu RMN-ul legat de eveniment. NeuroReport. 2001; 12: 3683-3687. [PubMed]
Kumaran D., Maguire EA O secvență neașteptată de evenimente: detectarea nepotrivirii în hipocondrul uman. PLoS Biol. 2006; 4: e424. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
Lancaster JL, Woldorff MG, Parsons LM, Liotti M., Freitas CS, Rainey L., Kochunov PV, Nickerson D., Mikiten SA, Fox PT Etichete automatizate de atlas Talairach pentru cartografierea funcțională a creierului. Zumzet. Mapp Brain. 2000; 10: 120-131. [PubMed]
Lamaie N., Manahan-Vaughan D. Receptorii Dopamina D-1 / D-5 sunt achiziționarea de informații noi prin potențarea hipocampală pe termen lung și depresia pe termen lung. J. Neurosci. 2006; 26: 7723-7729. [PubMed]
Lisman JE, Grace AA Bucla hipocampal-VTA: controlul intrării informațiilor în memoria pe termen lung. Neuron. 2005; 46: 703-713. [PubMed]
Ljungberg T., Apicella P., Schultz W. Răspunsurile neuronilor dopaminei maimuței în timpul învățării reacțiilor comportamentale. J. Neurofiziol. 1992; 67: 145-163. [PubMed]
Lupien SJ, Evans A., Lord C., Miles J., Pruessner M., Pike B., Pruessner JC Volumul de hipocamp este la fel de variabil la tineri ca la adulți mai în vârstă: implicații pentru noțiunea de atrofie hipocampală la om. NeuroImage. 2007; 34: 479-485. [PubMed]
Mackiewicz KL, Sarinopoulos I., Cleven KL, Nitschke JB Efectul anticipării și specificul diferențelor de sex pentru amigdala și hipocampul funcționează în memoria emoțională. Proc. Natl. Acad. Sci. SUA 2006; 103: 14200 – 14205. [Articol gratuit PMC] [PubMed]
O'Doherty JP, Deichmann R., Critchley HD, Dolan RJ Răspunsuri neuronale în timpul anticipării unei recompense gustative primare. Neuron. 2002; 33: 815-826. [PubMed]
Otten LJ, Quayle AH, Akram S., Ditewig TA, Rugg MD Activitatea creierului înainte ca un eveniment să prezice amintirea ulterioară. Nat. Neurosci. 2006; 9: 489-491. [PubMed]
Ranganath C., Rainer G. Mecanisme neuronale pentru detectarea și amintirea evenimentelor inedite. Nat. Rev., Neurosci. 2003; 4: 193-202. [PubMed]
Reed P., Mitchell C., Nokes T. Proprietăți de consolidare intrinsecă ale stimulilor neutri putativ într-o sarcină instrumentală de discriminare cu două pârghii. Anim. Învăța. Behav. 1996; 24: 38-45.
Sajikumar S., Frey JU Asociativitate tardivă, marcare sinaptică și rolul dopaminei în timpul LTP și LTD. Neurobiol. Învăța. Mem. 2004; 82: 12-25. [PubMed]
Schott BH, Sellner DB, Lauer CJ, Habib R., Frey JU, Guderian S., Heinze HJ, Duzel E. Activarea structurilor din creierul mijlociu prin noutatea asociativă și formarea memoriei explicite la om. Învăța. Mem. 2004; 11: 383-387. [PubMed]
Schott BH, Seidenbecher CI, Fenker DB, Lauer CJ, Bunzeck N., Bernstein HG, Tischmeyer W., Gundelfinger ED, Heinze HJ, Duzel E. Minbrenul dopaminergic participă la formarea memoriei episodice umane: dovezi provenite din imagistica genetică. J. Neurosci. 2006; 26: 1407-1417. [PubMed]
Schultz W. Semnal de recompensă predictivă a neuronilor dopaminici. J. Neurofiziol. 1998; 80: 1-27. [PubMed]
Schultz W. Obtinerea formalei cu dopamina si recompensa. Neuron. 2002; 36: 241-263. [PubMed]
Schultz W., Apicella P., Scarnati E., Ljungberg T. Activitatea neuronală în striatul ventral al maimuței legată de așteptarea recompensei. J. Neurosci. 1992; 12: 4595-4610. [PubMed]
Schultz W., Dayan P., Montague PR Un substrat neuronal de predicție și recompensă. Ştiinţă. 1997; 275: 1593-1599. [PubMed]
Shuler MG, Bear MF Timp de recompensă în cortexul vizual primar. Ştiinţă. 2006; 311: 1606-1609. [PubMed]
Spinella M. Nepotrivire evolutivă, circuite de recompense neuronale și jocuri de noroc patologice. Int. J. Neurosci. 2003; 113: 503-512. [PubMed]
Stansfield KH, Kirstein CL Efectele noutății asupra comportamentului la șobolan adolescent și adult. Dev. Psychobiol. 2006; 48: 10-15. [PubMed]
Talairach J., Tournoux P. Thieme; New York: 1988. Atlasul stereotetic co-planar al creierului uman.
Tobler PN, Fiorillo CD, Schultz W. Codificare adaptivă a valorii recompensei de către neuronii dopaminici. Ştiinţă. 2005; 307: 1642-1645. [PubMed]
Tulving E. Memorie și conștiință. Poate sa. Psychol. 1985; 26: 1-12.
Vargha-Khadem F., Gadian DG, Watkins KE, Connelly A., Van Paesschen W., Mishkin M. Efecte diferențiale ale patologiei hipocampale timpurii asupra memoriei episodice și semantice. Ştiinţă. 1997; 277: 376-380. [PubMed]
Wittmann BC, Schott BH, Guderian S., Frey JU, Heinze HJ, Duzel E. Activarea FMRI legată de recompensă a creierului midamin dopaminergic este asociată cu formarea de memorie pe termen lung dependentă de hipocamp. Neuron. 2005; 45: 459-467. [PubMed]
Yonelinas AP, Dobbins I., Szymanski MD, Dhaliwal HS, King L. Modelele de detectare a semnalului, prag și procesare duală a memoriei de recunoaștere: ROC și amintire conștientă. Conştient. Cogn. 1996; 5: 418-441. [PubMed]
Yonelinas AP, Kroll NE, Quamme JR, Lazzara MM, Sauve MJ, Widaman KF, Knight RT Efectele afectării lobului temporal extensiv sau a hipoxiei ușoare asupra amintirii și familiarității. Nat. Neurosci. 2002; 5: 1236-1241. [PubMed]