Фронтостратальное созревание предсказывает отсутствие когнитивного контроля у аппетитных сигналов у подростков (2011)

Экспериментальное задание

Участники выполнили задание go-nogo (Заяц и др., 2005; Заяц и др., 2008) с испуганным, счастливым и спокойным выражением лица, служащим стимулами. Текущий отчет фокусируется на счастливых и спокойных условиях и исключает состояние страха из группового анализа, который был предметом предыдущего отчета (Hare и др., 2008). В рамках одного прогона фМРТ были представлены два типа экспрессии: один в качестве стимула «вперед» (т. Е. Целевой), на который участники были проинструктированы нажать кнопку, а другое выражение, служащее в качестве стимула «нет» (т. Е. Нецелевого). для чего участники должны воздержаться от нажатия кнопки. Все комбинации выражений использовались как в качестве целей, так и в качестве нецелевых, что привело к факторному дизайну 2 (ответ: иди, нет) на 3 (эмоция: страх, спокойствие, счастье). Перед началом каждого прогона появлялся экран, показывающий, какое выражение служило целевым стимулом, инструктируя участников реагировать на это выражение, а не на другое выражение. Участников также попросили отвечать как можно быстрее, но стараться избегать ошибок.

Стимулы и аппараты

Стимулы состояли из счастливых, страшных и спокойных лиц уникальных личностей из набора выражений лица NimStim (Тоттенхэм и др., 2009). Спокойные лица (мягко приятные версии нейтральных лиц) были использованы, потому что предыдущая работа показала, что нейтральные лица могут быть истолкованы как отрицательные в популяциях развития (Гросс и Баллиф, 1991; Herba & Phillips, 2004 г.; Томас и др., 2001). Задача была представлена ​​с использованием программного обеспечения EPrime, доступного для просмотра объектам на жидкокристаллическом дисплее (LCD), встроенном в систему IFIS-SA (fMRI Devices Corporation, Waukesha, WI). Программное обеспечение EPrime, интегрированное с системой IFIS, регистрирует ответы кнопок и время реакции.

Параметры задачи

Данные были получены в шести функциональных прогонах, представляющих каждую комбинацию эмоций (счастье, спокойствие, страх) и реакции (go, nogo; Рисунок 1) используя быстрый дизайн, связанный с событиями. В каждом испытании лицо показывалось в течение миллисекунд 500, за которым следовал дрожащий интервал между испытаниями в диапазоне от 2 до 14.5 секунд (в среднем 5.2 секунд), в течение которых участники отдыхали, просматривая перекрестие фиксации. Общее количество испытаний 48 было представлено за цикл в псевдослучайном порядке (36 go, 12 nogo). В общей сложности были получены испытания 24 nogo и испытания 72 go для каждого типа экспрессии.

Рисунок 1

Схема четырех испытаний в рамках фМРТ. В этом примере спокойные лица - это целевые стимулы, к которым участники должны «уйти», нажав кнопку. Счастливые лица - это нецелевой («нет») стимул, на который участники должны воздерживаться от нажатия кнопки. ...

Приобретение изображения

Участники были отсканированы с помощью сканера МРТ General Electric Signa 3.0T (General Electric Medical Systems, Милуоки, Висконсин) с квадратурной катушкой для головы. Последовательность испорченного градиента с испорченным градиентом с высоким разрешением, T1 (разрешение в плоскости [SPGR] 256 × 256, поле зрения 240-мм [FOV], осевые срезы 124 × 1.5-мм) или быстрое получение подготовленного намагничивания 3D последовательность градиентного эха (разрешение [MPRAGE] 256 × 256 в плоскости, FOV 240-мм; сагиттальные срезы 124 × 1.5-мм) была получена для каждого субъекта для преобразования и локализации данных в сеточном пространстве Talairach. Последовательность спиралиГловер и Томасон, 2004 г.) был использован для получения функциональных данных (время повторения = 2500ms, время эха = 30, FOV = 200 мм, угол поворота = 90, пропуск матрицы 0, 64 × 64). Тридцать четыре коронарных среза толщиной 4-мм были получены на TR с разрешением 3.125 × 3.125 мм, покрывающим весь мозг, за исключением задней части затылочной доли.

Анализ поведенческих данных

Поведенческие данные были проанализированы на точность путем расчета количества попаданий (правильный ответ), промахов (неправильное отсутствие ответа), правильного отклонения (правильное удержание ответа) и частоты ложных тревог (неправильный ответ) для счастливых и спокойных условий. В целях анализа участники были сгруппированы в детскую (в возрасте 6 – 12), подростковую (в возрасте 13 – 17) и взрослую (18 годы или старше) подгруппы.

Анализ данных fMRI

Анализ данных FMRI был выполнен с помощью программного обеспечения Analysis of Functional Neuroimages (AFNI) (Cox, 1996). Функциональные данные были скорректированы по времени среза, перестроены внутри и между прогонами для корректировки движения головы, зарегистрированы с анатомическим сканированием высокого разрешения каждого участника, масштабированы до единиц процентного изменения сигнала и сглажены с полной шириной 6 мм на половине максимума (FWHM ) Гауссово ядро.

Для каждого участника был проведен общий анализ линейной модели, чтобы охарактеризовать эффекты задачи путем включения интересующих регрессоров задач (спокойное, спокойное, счастливое, счастливое, опасение, страх, ошибки), свернутые с гамма-вариативная функция гемодинамического отклика и ковариаты, не представляющие интереса (параметры движения, линейный и квадратичный тренд для каждого прогона). Для полноты испытания на страх были смоделированы как регрессоры задач (свернутые с канонической функцией гамма-вариабельной гемодинамической реакции), но не были проанализированы далее. Затем карты оценки параметров (β), представляющие эффекты задачи, были преобразованы в стандартное координатное пространство Талайрач и Турну (1988) путем применения параметров деформации, полученных в результате преобразования анатомического сканирования с высоким разрешением каждого субъекта. Преобразованные карты оценки параметров Talairach были повторно дискретизированы до разрешения 3 × 3 × 3 мм.

Был проведен групповой анализ случайных эффектов для определения функциональных областей интереса (ROI) для последующего анализа. В частности, условия «счастливый», «счастливый», «спокойный» и «спокойный» были перенесены в модель линейных смешанных эффектов группы 2 × 2 × 3 с факторами эмоций (внутри-субъекты: счастливы, спокойны), ответной реакцией ( внутри-предметы: go, nogo) и возраст (между предметами: ребенок, подросток, взрослый). Основной эффект карты ответов выявил области-кандидаты, дифференциально задействованные в зависимости от требований когнитивного контроля, включая правую нижнюю лобную извилину (x = 32, y = 23, z = 3). Ответы, модулированные развитием, были идентифицированы в основном эффекте возрастной карты, включая кластер в вентральном стриатуме (x = -4, y = 11, z = -9).

Результаты визуализации, которые считались статистически значимыми, превышали поправку на весь мозг для множественных сравнений, чтобы сохранить альфа <0.05 с помощью комбинации p-значение / размер кластера, предусмотренной симуляциями Монте-Карло, запущенными в программе Alphasim в AFNI. Единственным исключением из определения порогового значения для всего мозга был анализ влияния возраста. Учитывая роль полосатого тела в развитии контроля над импульсами (Vaidya и др., 1998; Кейси и др., 2000; Luna et al., 2001; Durston, Thomas, Yang и др., 2002, Galvan и др., 2006; Сомервилль и Кейси, 2010) это воспринималось как априорный область интереса для воксельного анализа возрастных эффектов. В частности, возрастные эффекты были запрошены в пределах инклюзивной анатомической маски, содержащей воксели в спинном и вентральном полосатом теле, с p <0.05, применено скорректированное статистическое пороговое значение на основе объема поиска полосатого тела (1,060 вокселей). Для ясности мы называем пороговое значение данных о влиянии возраста как p <0.05 с поправкой на малый объем (svc) по всей рукописи.

Интересующие области были созданы в виде сфер с радиусом 4mm, центрированным вокруг пиков, перечисленных выше, каждая из которых содержала десять вокселей 3 × 3 × 3. Оценки параметров были извлечены для условий 4 («счастливый», «счастливый», «спокойный», «спокойный») для каждого участника и ROI и были представлены для анализа в автономном режиме для определения направленности эффектов. Реакция, эмоции и эффекты развития (независимо от вокселитного контраста, с которым была определена область интереса) были оценены с использованием 2 (эмоция: спокойствие, счастье) × 2 (задание: идти, nogo) × 3 (возраст: ребенок, подросток, взрослый) ) ANOVAs. Автономный анализ проводился с помощью программного обеспечения SPSS Statistics 17.0 (SPSS, Чикаго, Иллинойс).

Существенные эффекты были протестированы на модуляцию производительности путем представления оценок параметров для двумерной корреляции со средней частотой ложных тревог у субъектов. Значительные эффекты производительности были отслежены с помощью частичного корреляционного анализа, чтобы проверить, остается ли влияние производительности значимым при контроле возраста. И наоборот, значимые возрастные эффекты отслеживались с помощью частичного корреляционного анализа, чтобы определить, остаются ли возрастные эффекты значимыми при контроле производительности.

Предшествующая работа с парадигмой go-nogo установила роль лобно-стриатальной схемы в поддержке успешного поведенческого торможения (Кейси и др., 2000; Durston, Thomas, Yang и др., 2002; Hare и др., 2005). Чтобы идентифицировать эту схему в текущем наборе данных, был использован анализ психофизиологического взаимодействия (ИПП), который был чувствителен к дифференциальной функциональной связности, основанной на задачах, с областью семени в правой нижней лобной извилине, для которой региональная активность предсказывала различия в производительности по возрастам. В частности, этот анализ был чувствителен к областям мозга, демонстрирующим большую функциональную связь с правильным IFG для правильных испытаний nogo по сравнению с go испытаниями. Анализ PPI проводился с использованием стандартных этапов обработки (Фристон и др., 1997) путем извлечения функционального временного течения в исходной области (правая область интереса IFG, описанная выше x = 32, y = 23, z = 3), удаления источников шума и артефактов, деконволюции нейронного сигнала и свертывания данных временного течения без изменений перейти к заданию времени и функции канонического гемодинамического ответа (как указано в Гительман, Пенни, Эшбернер и Фристон, 2003 г.). Групповые результаты, включающие всех участников, пороговые значения p <0.05, скорректированные на множественные сравнения на уровне всего мозга, выявили один кластер, показывающий значительно большую функциональную связь с правильным IFG во время отсутствия испытаний, чем до испытаний. Этот кластер простирался медиально и кзади от правой IFG до дорсального полосатого тела, особенно до хвостатого. Интересующая область спинного стриатума была создана на основе карты связности путем центрирования 4-миллиметровой сферы вокруг субпика кластера в анатомических границах дорсального полосатого тела (x = 9, y = 13, z = 6).

Значения изменения сигнала были извлечены из этой области интереса и протестированы на предметную коактивацию с вентральным полосатым телом и правым IFG. В частности, значения изменения сигнала вентрального стриатального, дорсального стриатального и правого IFG из ранее описанных областей интереса были извлечены для контраста «счастливый» против «счастливый». Эти значения были затем представлены между субъектами двумерных корреляций в детской, подростковой и взрослой группах участников. Эти анализы идентифицируют степень коактивации между субъектами по сравнению с испытаниями между этими регионами в каждой возрастной группе. Идентифицированные значения коактивации представляют степень, в которой тенденция активировать один регион прогнозирует активацию в другом регионе среди участников.

результаты fMRI

Ответы, модулируемые развитием, были идентифицированы в основном эффекте возрастной карты, включая кластер в вентральном полосатом теле (x = -4, y = 11, z = -9; p <0.05 svc; Рисунок 3A). Апостериорный анализ основного эффекта возраста показал, что подростки задействовали вентральное полосатое тело значительно больше, чем дети и взрослые, обращаясь к счастливым лицам (p's = / <0.01; Рисунок 3B) и в меньшей степени для успокоения лиц (p = / <0.06; означает +/- стандартное отклонение процентного изменения сигнала для спокойствия по сравнению с отдыхом: дети: -0.095 +/- 0.21; подростки: 0.046 +/- 0.16; взрослые : -0.051 +/- 0.17). Анализ наиболее подходящей функции, которая представляет реакцию на счастливых лицах разных возрастов, показал, что квадратичная (перевернутая U) функция объясняет значительную часть дисперсии ответов на счастливые лица (F (1,59) = 10.05, p <0.003), тогда как линейной функции не было (F (1,59) = 0.54, p> 0.4). Нелинейное увеличение набора у подростков оставалось значительным при контроле различий в выполнении заданий (частота ложных тревог; F (2,59) = 6.77, p <0.002) и в контрольном анализе с совпадающим числом испытаний (F (2,59) ) = 7.80, p = 0.007). Величина активности к счастливым испытаниям, спокойным испытаниям и непроходным испытаниям не была связана с выполнением задачи (p> 0.2).

Рисунок 3

А) Области мозга, демонстрирующие различную активность в зависимости от возраста. Активации, порог p <0.05, svc визуализируются на типичном анатомическом сканировании с высоким разрешением. B) График активности вентрального полосатого тела (обведен в A) в ответ на ...

Основной эффект карты ответов (nogo по сравнению с go) выявил области, по-разному задействованные в зависимости от требований когнитивного контроля, включая правую нижнюю лобную извилину (IFG; x = 32, y = 23, z = 3), демонстрируя значительно больший ответ на nogo. по сравнению с испытаниями (p <0.05, скорректирован весь мозг; Рисунок 4A). Апостериорный анализ функции наилучшего соответствия показал, что правильный ответ IFG в значительной степени объясняется линейной функцией (F (1,59) = 4.53, p = 0.037), а не квадратичной функцией (F (1,59) =. 17, p> 0.6). Анализ Posthoc показал, что правый IFG также показал большую активность в отношении успокоения по сравнению со счастливыми лицами (F (2,59) = 8.95, p <0.005). Кроме того, правая рентабельность инвестиций IFG показала линейное снижение величины ответа с увеличением возраста на участие в каких-либо испытаниях по сравнению с испытаниями go (r (61) = -0.28, p = 0.026; Рисунок 4B).

Рисунок 4

A) Области мозга, демонстрирующие различную активность в зависимости от задачи (нет> иди). Активации, пороговое значение p <0.05, скорректированный весь мозг визуализируются на типичном анатомическом сканировании с высоким разрешением. Б) Сюжет деятельности справа ...

При контроле влияния на производительность взаимодействие задача x возраст в правой IFG больше не было значимым (p> 0.4), что указывает на то, что производительность была более надежным предиктором активности в правой IFG, чем возраст. Эта взаимосвязь была продемонстрирована значимой корреляцией между величиной отклика на исправление испытаний nogo vs. go и общей производительностью (измеренной по частоте ложных тревог; r (61) = 0.39, p = 0.002; см. Рисунок 4C), который был воспроизведен в контрольном анализе с соответствующим количеством испытаний (r (61) = 0.28, p = 0.026). Рисунок 4C изображает эту взаимосвязь с одним исключенным участником, который оказался резко выбросом (определенным как более трех межквартильных диапазонов выше третьего или ниже первого значения квартиля). Хотя корреляция значима, включая этого человека, исключение этого человека делает полученную корреляцию еще более надежной (r (60) = 0.45, p <0.001). Все представленные анализы представляют собой ответы на правильные испытания. Таким образом, люди, более восприимчивые к ложным срабатываниям, склонны набирать правильный IFG больше для тех испытаний, в которых они успешно подавили поведенческую реакцию.

ограничения

Результаты, представленные здесь, должны рассматриваться в свете их ограничений. Во-первых, следует четко признать, что третья эмоциональная категория, лица со страхом, присутствовала во время экспериментального задания и в фокусе предыдущего доклада (Hare и др., 2008). Спокойное состояние лица служило условием контроля в обоих отчетах. Хотя результаты поведенческих исследований предполагают, что присутствие испуганных лиц на функциональном сканировании не влияло на поведенческую точность иначе, чем на две другие категории эмоций, возможно, что присутствие испуганных лиц повлияло на результаты так, что доступные показатели не были чувствительными. Кроме того, счастливые лица отличаются от спокойных лиц валентностью и выраженностью, которые могли бы способствовать наблюдаемым эффектам аппетитной ценности. Второе методологическое ограничение заключается в использовании спокойных лиц в качестве контрольного условия. Хотя нормативные данные предполагают, что спокойные лица менее позитивны и возбуждают, чем счастливые лица (Тоттенхэм и др., 2009), мы явно не собирали эти рейтинги, и вполне возможно, что спокойные лица были интерпретированы как умеренно позитивные сами по себе. С точки зрения результатов, следует также признать скромный характер результатов коактивации. Наконец, показатели пубертатного статуса и эндогенных гормонов не были получены. Основное исследование продемонстрировало, каким образом циркулирующие гонадные гормоны влияют как на организационные, так и на активационные механизмы, влияющие на функцию мозга в процессе развития (Ромео и Сиск, 2001; Сиск и Фостер, 2004; Steinberg, 2008) и показал прогностическую связь между пубертатным статусом и такими аппетитными формами поведения, как поиск ощущений и злоупотребление наркотиками (Martin et al., 2002; увидеть Форбс и Даль, 2010 г.). Дальнейшие исследования, включая измерение уровня гормонов, могут дать информацию о связи между развитием стриатокортикальной ткани, гормональным созреванием и поведенческими результатами (Блейкмор, Бернетт и Даль, 2010 г.).

Мы благодарны за помощь Дуга Баллона, Адрианы Гальван, Гэри Гловера, Виктории Либби, Эрики Руберри, Терезы Теслович, Нима Тоттенхэма, Хеннинга Восса, а также за ресурсы и персонал Центра биомедицинской визуализации Центра биомедицинской визуализации Citigroup в Weill Cornell Медицинский колледж. Эта работа была поддержана грантами Национального института психического здоровья P50MH062196 и P50MH079513, грантами Национального института по борьбе со злоупотреблением наркотиками R01DA018879 и T32DA007274, а также стипендией Национального института психического здоровья F31MH073265, а также M99 (MX).