Cereb. kôra (2010) 20 (1): 61-69. doi: 10.1093 / cercor / bhp078
+ Autorské príslušnosti
Adresa korešpondencie Linda Van Leijenhorst. Katedra psychológie, Univerzita Leiden, Inštitút pre psychologický výskum, Wassenaarseweg 52, 2300 RB Leiden, Holandsko. e-mail: [chránené e-mailom].
abstraktné
Vzťah medzi vývojom mozgu v adolescencii a rizikovým správaním adolescentov vzbudil v posledných rokoch rastúci záujem. Bolo navrhnuté, že adolescenti sú precitlivení na odmenu kvôli nerovnováhe vo vývojovom modeli nasledovanom striatom a prefrontálnym kortexom. Doteraz nie je jasné, či sa adolescenti venujú riskantnému správaniu, pretože nadhodnocujú potenciálne odmeny alebo reagujú viac na prijaté odmeny a či sa tieto účinky vyskytujú pri absencii rozhodnutí. V tejto štúdii sme použili zobrazovaciu paradigmu zobrazujúcu funkčnú magnetickú rezonanciu, ktorá nám umožnila oddeliť účinky predvídania, prijatia a vynechania odmeny v 10-na-12-rok-starý, 14- na 15-rok-starý, a 18- účastníkom 23-u.
Ukázali sme, že v očakávaní neistých výsledkov je predná insula v porovnaní s mladými dospelými aktívnejšia a že ventrálna striatum vykazuje v strednej adolescencii vrchol spojený s odmenou, zatiaľ čo mladí dospelí vykazujú aktiváciu orbitofrontálnej kôry na vynechanie odmeny. Tieto oblasti vykazujú odlišné vývojové trajektórie.
Táto štúdia podporuje hypotézu, že adolescenti sú precitlivení na odmeňovanie a pridávajú k súčasnej literatúre demonštráciu, že neurálna aktivácia sa líši u adolescentov aj pri malých odmenách v prípade absencie voľby. Tieto zistenia môžu mať významný vplyv na pochopenie správania, ktoré je spojené s rizikom dospievania.
úvod
Často sa rozhodnutia prijímajú v neistých situáciách, v ktorých nie sú známe všetky informácie potrebné na racionálne rozhodnutie. Ak sú voľby v neistých situáciách spojené s možnými negatívnymi výsledkami, považujú sa za rizikové. Zvýšenie rizikového správania je jednou z najvýraznejších charakteristík dospievania (Arnett 1999; Steinberg 2004; Boyer 2006). Táto zmena v správaní naznačuje rozdiel v rozhodovacích procesoch adolescentov v porovnaní s dospelými. To znamená, že adolescenti si môžu vybrať medzi súťažiacimi kurzami v neistej situácii, pretože vážia možné výsledky a pravdepodobnosť, s akou sa vyskytujú v porovnaní s dospelými. Predchádzajúce štúdie naznačujú, že dospievajúci sú zaujatí voči rizikám kvôli rozdielom v spôsobe odmeňovania (Bjork a kol. 2004; May a kol. 2004; Ernst a kol. 2005; Galvan a kol. 2006; Van Leijenhorst a kol. 2006).
Štúdie funkčnej magnetickej rezonancie (fMRI) identifikovali oblasti mozgu súvisiace s očakávaním a spracovaním výsledkov. Mnohé štúdie ukázali, že ventrálna striatum reaguje na očakávanie potenciálnych odmien (Breiter a kol. 2001; Knutson a kol. 2001; Dagher 2007; Tom a kol. 2007), čo bolo potvrdené nedávnou metaanalýzou (\ tKnutson a Greer 2008). jan Predná izolácia bola okrem toho zapojená do predvídania výsledkov a aktivácia v tejto oblasti je tiež často spojená s neistotou spojenou s očakávaním.n (Critchley a kol. 2001; Volz a kol. 2003). Na záver, niekoľko štúdií na dospelých to dokázalo mediálna prefrontálna kôra (PFC), orbitofrontálna kôra a predná cingulárna kôra sa podieľajú na odmeňovaní (Rolls 2000; Bechara 2001; Knutson a kol. 2001; O'Doherty a kol. 2001, 2002).
Funkčný rozvoj týchto regiónov nie je dobre pochopený. Niekoľko doterajších vývojových štúdií ukazuje zdanlivo nekonzistentný model výsledkov. Užívanie rizika u adolescentov bolo na jednej strane spojené so „zníženou“ citlivosťou ventrálneho striata na odmeňovanie u adolescentov v porovnaní s dospelými. Táto nervová odpoveď bola navrhnutá tak, aby viedla adolescentov k vyhľadávaniu viac stimulujúcich skúseností s cieľom kompenzovať nízke hladiny aktivácie vo ventrálnom striate (Spear 2000; Bjork a kol. 2004). ONa druhej strane riziko užívania adolescentov je spojené so „zvýšenou“ reakciou ventrálneho striata na rewarovúd (Galvan a kol. 2006). V týchto štúdiách sa predpokladalo, že toto zvýšenie odpovede na potenciálne odmeňovanie v kombinácii s nezrelými schopnosťami kognitívnej kontroly (vyplývajúce z dlhodobého vývoja PFC) ovplyvňuje adolescentov voči rizikám (Galvan a kol. 2006; Ernst a kol. 2006; Casey, Jones a kol. 2008).
Výklad týchto vývojových nálezov je komplikovaný pre 2 dôvody. Po prvé, existuje veľký rozdiel vo veku účastníkov, ktorí boli zaradení do týchto štúdií na spracovanie odmien adolescentov. To je problematické, pretože adolescenti tvoria veľmi heterogénnu skupinu, napríklad pri včasnej adolescencii môžu byť vývojové zmeny ovplyvnené zmenami v pubertách. V predchádzajúcich štúdiách boli zahrnutí adolescenti zo širokého vekového rozpätia. Napríklad v štúdii Bjork a kol. (2004), adolescentná skupina pozostávala z účastníkov vo veku 12 – 17 rokov, čo môže brániť našej interpretácii štruktúry vývojovej zmeny. Štruktúrne štúdie zobrazovania mozgu ukázali, že vývoj štruktúry mozgu z hľadiska podielu šedej a bielej hmoty pretrváva počas dospievania (Giedd a kol. 1999; Gogtay a kol. 2004), a nedávna štúdia ukázala, že tieto vývojové zmeny sledujú nelineárny model v mnohých oblastiach mozgu (Shaw a kol. 2008). Druhým problémom je, že v predchádzajúcich správach boli použité rôzne experimentálne paradigmy, čo sťažuje porovnávanie výsledkov. Napríklad v predchádzajúcich štúdiách boli odmeny závislé od výkonu úloh účastníkov a od požiadaviek na získanie odmien. Odmeny môžu závisieť od reakčných časov (napr. Bjork a kol. 2004) alebo na presnosť / zhodu pravdepodobnosti (napr. Ernst a kol. 2005; Galvan a kol. 2006; Van Leijenhorst a kol. 2006; Eshel a kol. 2007). Okrem toho, veľkosť odmeny (Bjork a kol. 2004; Galvan a kol. 2006), pravdepodobnosť odmeny (May a kol. 2004; Van Leijenhorst a kol. 2006), alebo ako veľkosť, tak pravdepodobnosť (Ernst et al. 2005; Eshel a kol. 2007) boli manipulované. Preto je ťažké spojiť vývojové rozdiely v aktivácii ventrálnej striatum s procesom riskovania alebo odmeňovania vo všeobecnosti. Nedávno sa štúdie o rozhodovaní dospelých pokúsili predpovedať správanie založené na predchádzajúcich zmenách aktivácie ventrálneho striata (Knutson a Greer 2008). Tieto štúdie ukázali, že zvýšená aktivácia ventrálnej striatum je spojená so zvýšenou ochotou riskovať u dospelých. V predchádzajúcej štúdii zahŕňajúcej dospelých, Knutson et al. (2008) použil rozhodovaciu úlohu a predstavil odmeňujúce obrázky, ktoré nesúviseli s úlohou. Prezentácia týchto obrázkov sa týkala zvýšenej aktivácie ventrálneho striata a zvýšenej ochoty riskovať (Knutson et al. 2008). Ak je teda vrchol aktivácie ventrálneho striata u adolescentov vystavený riziku, je dôležité pochopiť, do akej miery je táto oblasť nezávislá od požiadaviek na správanie. Okrem toho je dôležité pochopiť, v akej fáze, počas predvídania alebo spracovania odmien, sú pozorované rozdiely medzi adolescentmi a dospelými. Lepšie pochopenie príčin spracovania adolescentných odmien môže pomôcť interpretovať potenciálne škodlivé rizikové správanie, do ktorého sa zapojilo mnoho adolescentov. Je dôležité pochopiť, či je u adolescentov pravdepodobnejšie, že sa budú v rizikovom správaní v porovnaní s dospelými zúčastňovať s väčšou pravdepodobnosťou, pretože nadhodnocujú potenciálne odmeny. v počiatočnom štádiu rozhodovacieho procesu) alebo preto, že ich odpoveď na prijaté odmeny sa líši od odpovede dospelých (v neskoršej fáze). Vhľad do týchto možných rozdielov v citlivosti odmeňovania v adolescencii nás informuje o procesoch, ktoré sú základom rizikového správania adolescenta v reálnom svete. Okrem toho by tieto poznatky mohli pomôcť pokusom zasiahnuť a chrániť mladistvých pred problémami, ktorým čelia. Základné rozdiely v mozgových oblastiach súvisiacich s odmeňovaním medzi účastníkmi z rôznych vekových kategórií môžu komplikovať interpretáciu vývojových zmien v správaní. Jedným zo spôsobov, ako tento problém vyriešiť, je študovať spracovanie odmien pomocou experimentálnej úlohy, v ktorej odmena a riziko nesúvisia so správaním účastníkov (pre podobný prístup pozri Tobler a kol. 2008). Cieľom tejto štúdie bolo preto skúmať vývojové rozdiely v nervovej aktivácii súvisiace s rôznymi fázami spracovania odmien v neprítomnosti správania.
Porovnali sme neurálne substráty očakávaného výsledku a spracovania výsledkov v skorej a strednej adolescencii a mladej dospelosti pomocou fMRI. Aby sme identifikovali vývoj mozgových oblastí, ktoré sa podieľajú na spracovaní odmeny, zahrnuli sme homogénne vekové skupiny 3 (10-12, 14-15 a 18-23). Títo účastníci vykonali úlohu Slot Machine (Donkers a kol. 2005), jednoduchá paradigma, v ktorej sú malé peňažné odmeny nepredvídateľné a nesúvisia so správaním. V tejto úlohe si účastníci prezerajú hracie automaty 3, v ktorých sú postupne prezentované obrázky ovocia. Len ak sú tieto obrázky 3 rovnaké, účastníci vyhrajú peniaze. Úloha zahŕňa prezentáciu 3 rôznych podmienok: 1) všetky 3 obrázky sú rôzne (označované ako XYZ podmienka), 2) prvé 2 obrázky sú rovnaké, ale tretia je iná (označovaná ako XXY podmienka) a 3) všetky 3 obrázky sú rovnaké (označované ako XXX podmienky). Takýmto spôsobom nám paradigma umožnilo oddeliť aktiváciu mozgu spojenú s očakávaním výsledku (keď sú prvé 2 obrázkov 3 rovnaké ako všetky obrázky 3 sú odlišné; XXY vs. XYZ), spracovanie odmeny (keď sú všetky obrázky 3 rovnaký ako prvý 2 z troch obrázkov je rovnaký, XXX vs. XXY) a vynechanie odmeny (XXY vs. XXX).
Naše analýzy sa zamerali na identifikáciu oblastí mozgu zapojených do spracovania odmien a neistoty, vrátane striatum, insula a orbitofrontal cortex (OFC). Našou prvou hypotézou bolo, že tieto regióny vykazujú funkčný vývoj, ktorý sa prejavuje v odlišnom vzore aktivácie v rôznych vekových skupinách. Testovali sme lineárne a nelineárne vývojové vzory. Našou druhou hypotézou bolo, že ak je riziko užívania adolescentov spojené so zvýšenou citlivosťou na odmenu, malo by sa to prejaviť v maximálnej aktivácii ventrálneho striata v tejto vekovej skupine. Skúmali sme, v akom štádiu, počas predvídania alebo spracovania výsledkov, by ventrálna striatum vykazovala rôzne reakcie v neprítomnosti požiadaviek na správanie a či by reakcia na odmeny v tomto regióne bola zvýšená alebo znížená u dospievajúcich v porovnaní s dospelými. Očakáva sa, že výsledky poskytnú pohľad na vývoj oblastí mozgu súvisiacich s odmenou počas dospievania a prispejú k interpretácii rozdielov v nervových reakciách medzi adolescentmi a dospelými v komplexnejších úlohách odmeňovania a riskovania.
Materiály a metódy
účastníci
Na štúdii sa zúčastnilo celkovo 53 zdravých, pravákov, dobrovoľníkov, pätnásť rokov 18-23 (ženy 7, priemerný vek = 20.2, štandardná odchýlka [SD] = 1.6), osemnásť rokov 14 – 15 (ženy 10) vek = 15.0, SD = 0.7) a sedemnásť rokov 10 – 12 (ženy 8; priemerný vek 11.6, SD = 0.8). Informovaný súhlas bol získaný od všetkých účastníkov a od primárneho opatrovateľa v prípade, že účastníci boli mladší ako 18 rokov. Štúdia bola schválená lekárskou etickou komisiou v Leiden University Medical Center (LUMC). Údaje od 3 ďalších dospelých účastníkov boli vylúčené z dôvodu technických ťažkostí. Údaje pre účastníkov, ktorí sa presunuli o viac ako 3 mm v akomkoľvek smere, boli z analýz vylúčené. Z tohto dôvodu boli údaje účastníkov 3 (14, 15 a 10 rok) vylúčené. Priemerný pohyb bol 0.52 mm pre 18-23 rokov, 0.68 mm pre 14 – 15 rokov a 0.62 mm pre 10 – 12 rokov. Rozdiel v priemernom pohybe medzi vekovými skupinami nebol významný (P > 0.1).
Hodnotenie správania
Pred skenovaním boli všetci účastníci pripravení na skenovanie v tichom laboratóriu, v ktorom bol prítomný falošný skener. Tento falošný skener, ktorý simuloval prostredie a zvuky skutočného snímača magnetickej rezonancie (MRI), poskytol neplnoletým príležitosť, aby si zvykli na prostredie skenera a bol použitý na vysvetlenie postupu skenovania všetkým účastníkom. S cieľom získať odhad IQ, vekovo zodpovedajúce verzie podtestov 2 nástroja Wechsler Adult Intelligence Scale (Wechsler 1981) alebo Wechsler Intelligence Scales pre deti (Wechsler 1991) - Všetkým účastníkom boli podané „Osobnosti a návrh blokov“. Pre deti vo veku 10 – 12, vekové skupiny 14 – 15 a ročníky 18 – 23 odhadujú IQ 119.7 (SD = 9.7), 106.0 (SD = 9.0) a 108.7 (SD = 9.4). Priemerný IQ 10 – 12 ročného veku bol výrazne vyšší v porovnaní s ostatnými vekovými skupinami 2 (F2,49 = 11.62, P = 0.001), ale celkové IQ účastníkov klesli v priemere. Nižšie uvedené analýzy boli korigované na rozdiely v IQ pridaním IQ ako koeficientu pre analýzy. Žiadny z vplyvov však nebol ovplyvnený rozdielmi v IQ. Preto rozdiely IQ nie sú ďalej opísané.
Všetci účastníci boli vyšetrení na psychiatrické stavy, užívanie drog, poranenia hlavy a kontraindikácie pre MRI pomocou kontrolného zoznamu. Žiadni účastníci neuviedli žiadne problémy. Okrem toho sa účastníci v najmladších vekových skupinách 2 podrobili skríningu na problémy so správaním pomocou rodičovských hodnotení v kontrolnom zozname Child Behavior Checklist (Achenbach 1991). Skóre pre všetkých účastníkov spadalo do neklinického rozsahu.
Experimentálny dizajn
Účastníci vykonali hru Slot Machine, detskú verziu paradigmy, ktorú predtým používali Donkers a kol. (2005), Každá skúška začala prezentáciou 3 prázdnych hracích automatov. Po 500 ms bola v dolnej časti obrazovky zobrazená minca pre 1000 ms, ktorá slúžila ako cue. Aby boli účastníci zapojení do (inak pasívnej) úlohy, boli inštruovaní, aby spustili stroje stlačením prednastaveného tlačidla s pravým ukazovákom po prezentácii tága. Odpoveď sa musela podať v časovom okne 1000-ms. V nadväznosti na 1000-ms odpoveďové okno, 3 obrázky, každý 1 3 možných druhov ovocia - kiwi, hruška, alebo pár čerešní - boli prezentované postupne, zľava doprava v hracích automatoch, každý 1500 ms (pozri Obr. 1).
Príklad (a) súdneho procesu a (b) možné zobrazenie výsledkov pre úlohu automatu. Po časovom okne 1000-ms, v ktorom účastníci mohli odpovedať na cue, sa obrazy 3 objavili postupne každých 1500 ms, čo viedlo k skúšobným typom 3: XXX, XXY alebo XYZ. Účastníci vyhrali 0.05 na každý pokus XXX a nevyhrali v ostatných podmienkach.
Obrázky boli prezentované v 3 možných objednávkach: 1) 3 rôzne obrázky (napr. Kivi-hrušky-čerešne, označované ako XYZ skúšky), 2) 2 identické a 1 iný obrázok (napr. Kivi-kivi-čerešne, označované ako XXY alebo 3) 3 identické obrázky (napr. kivi-kivi-kivi, označované ako XXX skúšky). Tieto skúšobné typy 3 predstavujú experimentálne podmienky 3. Poradie, v akom boli prezentované pokusy, bolo randomizované a účastníci boli prezentovaní s novou kombináciou 3 obrázkov na každej skúške.
Účastníci boli vopred poučení o tom, že získajú 0.05 na každom skúške XXX a že nebudú získavať peniaze na iné typy skúšok. Keď účastníci počas prezentácie 1000-ms neodpovedali, proces sa skončil a dostali trest 0.10. K tomu došlo pri menej ako 5% pokusov. Na konci experimentu boli celkové výhry (€ 1.50) pripočítané k sume, ktorú účastníci dostali ako náhradu za účasť v štúdii.
Získavanie údajov MRI
Testy boli prezentované v priebehu 2 udalostí súvisiacich s udalosťami, z ktorých každý trval približne 7 min. Vizuálne podnety boli premietané na obrazovku, ktorú účastníci videli prostredníctvom zrkadla pripojeného k hlavovej cievke. Počas skenovania boli účastníkom prezentované celkovo štúdie 120, v ktorých boli zmiešané štúdie XXX, XXY a XYZ, takže štúdie 60 XYZ, štúdie 30 XXY a štúdie 30 XXX boli prezentované spolu s testami 60 v každom cykle. Vekové rozdiely v odozve na odmeny by mohli byť ovplyvnené pomalým dozrievaním schopnosti učiť sa pravdepodobnosti a predpovedať riziko. Túto možnosť sme kontrolovali prezentovaním 3 po sebe idúcich stimulov v pseudonáhodnom poradí, aby sme maximalizovali neistotu. Na všetkých skúškach po prezentácii prvého obrázku bola pravdepodobnosť, že nasledujúci obrázok v sérii 3 bola rovnaká, vždy 50%. Rovnakým spôsobom, po tom, čo boli prezentované 2 identické obrázky, bola pravdepodobnosť, že tretí obrázok bol rovnaký, 50% (50% XYZ, 25% XXY a 25% XXX skúšok, nasledujúcich Donkers a kol. 2005). Medzi experimentálnymi pokusmi boli pridané periódy fixácie trvajúce medzi 1 a 3 s, roztrhnuté v prírastkoch 500 ms.
Skenovanie sa uskutočnilo pomocou štandardnej celoplošnej cievky na skeneri 3-T Philips na zariadení LUMC. Funkčné dáta sa získali s použitím a T2* - vážený gradient-echo echo-planárna sekvencia impulzov (38 priľahlé 2.75-mm šikmé axiálne rezy, s použitím preloženej akvizície, opakovanie času = 2.211 s, čas echo = 30 ms, 2.75 × 2.75 mm v rozlíšení v rovine, 230 zväzkov na beh ). Prvé 2 zväzky každého skenovania boli vyradené, aby sa umožnilo T1-vyrovnávacie účinky. S vysokým rozlíšením T2* - vážené obrázky a vysoké rozlíšenie T1-anatomické obrazy boli odobrané na konci skenovacej relácie. Pohyb hlavy bol obmedzený použitím vankúša a vložiek z peny, ktoré obklopovali hlavu.
fMRI Preprocessing a štatistická analýza
Spracovanie a analýza údajov sa uskutočnila s použitím SPM2 (Wellcome Department of Kognitive Neurology). Obrázky boli korigované na rozdiely v načasovaní akvizície rezu, po ktorom nasledovala rigidná korekcia telesného pohybu. Štrukturálne a funkčné objemy boli priestorovo normalizované na T1 a echo-planárne zobrazovacie šablóny. Normalizačný algoritmus použil afinitnú transformáciu parametra 12 spolu s nelineárnou transformáciou zahŕňajúcou funkcie kosínovej bázy. Počas normalizácie boli dáta preosiate na 3-mm kubické voxely. Šablóny boli založené na stereotaxickom priestore MNI305 (Cocosco a kol. 1997). Funkčné objemy boli vyhladené s 8-mm plnou šírkou v polovici maximálneho izotropného Gaussovho jadra. Štatistické údaje o jednotlivých subjektoch boli uskutočnené pomocou všeobecného lineárneho modelu (GLM) v SPM2.
Časové rady fMRI boli modelované ako séria udalostí konvertovaných s funkciou kanonickej hemodynamickej odozvy (HRF) v oddelených modeloch 2. Každý pokus sme modelovali v rôznych podmienkach 3 (XXX, XXY a XYZ) ako udalosť s nulovým trvaním okolo nástupných časov druhého stimulu v prvom modeli a okolo nástupných časov tretieho stimulu v druhom modeli. Pokusy s chybami definované ako tie pokusy, pri ktorých účastník neodpovedal v rámci okna cue 1000-ms, boli modelované oddelene a boli vylúčené z analýz fMRI.
Pre každého účastníka boli použité odhady parametrov výšky najvhodnejšieho kanonického HRF pre každú podmienku v párových kontrastoch. Pre prvý model sme vypočítali kontrastné obrazy pre porovnanie XXY a XYZ (tj porovnanie situácie, keď účastníci prvýkrát videli 2 obrázky, ktoré boli rovnaké [XX] vs. 2 obrázky, ktoré boli odlišné [XY]), čo odhalilo vzory aktivácie mozgu súvisiace s „očakávaním“ výsledkov skúšok, založené na hypotéze, že dospievajúci sú citlivejší na potenciálne odmeny ako dospelí. Pre druhý model sme vypočítali kontrastné obrazy pre porovnanie podmienok XXX a XXY, porovnanie vzorcov aktivácie mozgu súvisiacich so spracovaním výsledkov pokusov. Výsledné kontrastné obrazy vypočítané pre každého účastníka boli predložené do skupinových analýz druhej úrovne. Na úrovni skupiny sa vypočítali celo mozgové kontrasty medzi stavmi vykonaním jednostranného sledovania t-testuje na týchto obrazoch, zaobchádzanie s účastníkmi ako s náhodným efektom. Štatistické mapy v celých mozgoch boli prahové P <0.001, s prahovou hodnotou rozsahu 5 susedných voxelov.
Štatistické analýzy: Rozdiely súvisiace s vekom
Pretože sme sa zaujímali najmä o model aktivácie súvisiaci s očakávaním výsledkov a spracovaním výsledkov v rôznych vekových skupinách 3, vykonali sme voxelwise analýzy variance (ANOVAs) na identifikáciu oblastí, ktoré vykazovali rozdiely v aktivácii súvisiace s vekom. Testovali sme lineárne (−1 0 1), kvadratické (−0.5 1 −0.5) a krivočiare (1 −0.5 −0.5), (−0.5 −0.5 1) efekty v kontrastoch XXY – XYZ pre prvý model ( očakávania) a XXX – XXY pre druhý model (spracovanie výsledkov). ANOVA boli považované za významné na štatistickom prahu 0.001 nekorigovanom pre viacnásobné porovnania, s rozsahom prahovej hodnoty 5 súvislých voxelov.
Výsledky zobrazenia: Analýza oblasti záujmu
Použili sme MARSBAR toolbox pre použitie s SPM2 (Brett a kol. 2002) na vykonanie analýz oblasti záujmu (ROI) na ďalšiu charakterizáciu vzorcov aktivácie. Vytvorili sme sférické oblasti záujmu 6-mm sústredené na vrcholovú aktivitu voxel v oblastiach, ktoré boli identifikované v ANOVA testovaní na vekovo závislé rozdiely. Okrem toho sme použili MARSBAR na extrakciu časových radov aktivity závislej od hladiny kyslíka v krvi v týchto ROI spriemerovaním časových priebehov pre rôzne experimentálne podmienky začínajúce na začiatku každej štúdie. Tieto časové kurzy sa zobrazujú na ilustračné účely v roku 2006. \ T Obrázky 2 a 3.
Výsledky z celého mozgu u účastníkov vo veku 0 až 12 rokov, 14 až 15 rokov a 18 až 23 rokov vo vzťahu k očakávaniu možnej odmeny za kontrast XXY> XYZ o P <0.001 neopravený prah (horný panel); 6 mm sférické ROI a priemerné časové kurzy pre 3 vekové skupiny pre prednú ostrovček a striatum (dolný panel).
Výsledky z celého mozgu u 10- až 12-ročných, 14- až 15-ročných a 18- až 23-ročných účastníkov súviseli s očakávaním možnej odmeny za kontrast XXX> XXY o P <0.001 neopraveného prahu (horný panel) a XXY> XXX (modro); 6 mm sférické ROI a priemerné časové kurzy pre 3 vekové skupiny pre striatum a OFC (dolný panel).
výsledky
Výsledok Očakávania
Uskutočnili sme GLM analýzu funkčných údajov modelovaných na začiatku druhého stimulu a samostatne vypočítali kontrast voxelwise XXY> XYZ pre 10–12 ročných, 14–15 ročných a 18–23 ročných. Tieto analýzy viedli k veľkému prekrývaniu oblastí aktivácie pre 3 vekové skupiny. Vo všetkých vekových skupinách bolo očakávanie výsledkov konzistentne spojené s aktiváciou v pravej prednej ostrove (pozri Obr. 2, horný panel). V prípade pacientov vo veku 10 – 12 a 14 – 15 rokov sa v oboch hemisférach zistila aktivácia prednej izolácie. Okrem toho dospievajúce vekové skupiny vykazovali aktivačné klastre vo ventrálnom striate a dorzálnom cingulárnom kortexe. Významné zhluky a zodpovedajúce súradnice MNI sú uvedené v Doplnková tabuľka 1.
Testovanie voxelwise ANOVA pre zmeny súvisiace s vekom v súvislosti s XXY – XYZ kontrastom nevyvolalo žiadne významné klastre na hranici P <0.001. Na liberálnejšej hranici (P <0.005), testovanie ANOVA na kontrast −1 0 1 odhalilo lineárnu zmenu v aktivácii s vekom v pravej prednej ostrove (vrchol pri 42, 12, -3, z = 2.95), F1,47 = 11.24, P = 0.002. Vytvorili sme sférickú ROI 6-mm sústredenú v tomto voxeli a vykonali vekovú skupinu (3) × podmienku (2) ANOVA na dátach extrahovaných z tejto ROI na ďalšiu charakterizáciu aktivačných vzorov v tejto oblasti. Priemerné časové rady pre túto ROI sú vynesené v dolnom paneli Obrázok 2, Výsledkom ANOVA pre túto ROI bola interakcia s vekovou skupinou × stav, F2,47 = 7.00, P = 0.002. Následné porovnania potvrdili, že táto oblasť bola aktívnejšia v XXY v porovnaní so stavom XYZ vo veku 10-12, F1,16 = 11.26, P = 0.004 a 14 – 15 rokov, F1,17 = 3.62, P = 0.005. Pre deti vo veku 18 – 23 nebol rozdiel medzi podmienkami významný (P = 0.19).
V striatu sa nezistili žiadne zmeny súvisiace s vekom v súvislosti s kontrastom XXY – XYZ. ANOVA odhalila, že táto oblasť bola aktívna vo všetkých vekových skupinách (vrchol pri -9, 9, 0, z = 4.57) v očakávaní výsledkov, F3,47 = 13.11, P <0.001. Ako sa očakávalo, výsledkom ANOVA na údajoch získaných z 6 mm sférickej ROI pre tento región bol hlavný účinok stavu, F1,47 = 23.73, P <0.001 a žiadna významná interakcia s vekovou skupinou (P = 0.1). Tieto výsledky ukazujú, že striatum bolo aktívnejšie v očakávaní potenciálnej odmeny v rovnakej miere vo všetkých vekových skupinách. Porovnania pre jednotlivé vekové skupiny však naznačujú väčšiu odozvu ventrálnej striatum u adolescentných skupín. To znamená, že vo veku 10 − 12 a 14 − 15 má XXY podmienka podstatne vyššiu aktiváciu v porovnaní so stavom XYZ (P = 0.001 pre hlavný účinok stavu), zatiaľ čo u dospelých tento rozdiel ukázal iba trend smerom k významnosti (P = 0.09).
Spracovanie výsledkov
Na preskúmanie vzorcov aktivácie mozgu súvisiacich so spracovaním výsledkov sa uskutočnila podobná analýza GLM na funkčných dátach modelovaných na začiatku tretieho stimulu. Opäť sme vypočítali kontrasty záujmov pre 10–12 ročných, 14–15 ročných a 18–23 ročných zvlášť. Pre kontrast XXX> XXY (spracovanie odmeny) sme zistili aktiváciu v striate a dorzálnej cingulárnej kôre u 10–12 ročných a 14–15 ročných (pozri Obr. 3, horný panel). Neboli nájdené žiadne významné klastre pre 18-23 rokov, ani pri liberálnejšom nekorigovanom prahu P <0.005. U 14-15-ročných sa tiež prejavila aktivácia v ľavom bočnom PFC.
GLM pre reverzný kontrast XXY> XXX (spracovanie vynechanej odmeny) neodhalil žiadne významné zhluky pre 10–12 ročných aj 14–15 ročných. Naproti tomu sa zistilo, že oblasť v ľavom OFC lepšie reaguje na vynechané odmeny u osôb vo veku 18 - 23 rokov pri nekorigovanej hranici P <0.001. Prehľad významných klastrov a zodpovedajúce súradnice MNI sú uvedené v Doplnková tabuľka 2.
Testovanie metódou ANOVA voxelwise na vekové zmeny kontrastu XXX - XXY potvrdilo nálezy celého mozgu pre kontrast XXX> XXY tým, že ukázalo, že aktivácia v striate sa medzi dospievajúcimi a mladými dospelými líšila. Na neopravenej hranici P <0.001, testovaním ANOVA pre kontrast -0.5 1 -0.5 sa zistil zhluk vo ventrálnom striate (vrchol pri 12, 9, -15, z = 3.68), ktoré vykazovali kvadratický vývojový model, F1,47 = 17.64, P <0.001. Veková skupina (3) × stav (2) ANOVA na základe údajov získaných z 6 mm sférickej ROI sústredenej na tento voxel odhalila, že táto oblasť bola aktívnejšia v podmienkach XXX v porovnaní s podmienkami XXY u 14–15 ročných F1,17 = 22.84, P <0.001, ale nelíšili sa medzi stavmi u 10–12 ročných (P = 0.41) a 18-23 rokov (P = 0.12) (pozri Obr. 3, spodný panel).
Kontrasty celého mozgu pre jednotlivé vekové skupiny odhalili oblasť v laterálnej OFC, ktorá reagovala na vynechané odmeny v dospelej skupine. Toto zistenie bolo potvrdené ANOVA testom na krivočiary vývojový trend s kontrastom −0.5 −0.5 1, ktorý vyústil do oblasti v laterálnom OFC (vrchol pri −27, 48, −3, z = 3.05), F1,47 = 11.99, P = 0.001 (pozri Obr. 3, spodný panel). Výsledkom ANOVA na sférickej ROI 6-mm pre túto oblasť bola interakcia so stavom x veková skupina F2,47 = 8.67, P = 0.001. Následné porovnania potvrdili, že táto oblasť ukázala iba zvýšenú reakciu na vynechanie odmien v porovnaní s prijatými odmenami v ročníkoch 18 – 23. F1,14 = 7.38, P = 0.02.
Diskusia
Táto štúdia bola motivovaná otázkou, ako sa adolescenti odlišujú od dospelých v ich citlivosti na neistú odmenu. Skúmali sme vývojovú trajektóriu aktivácie mozgu súvisiacu so spracovaním neistých odmien v priebehu fázy predvídania a výsledku. Predchádzajúce štúdie zaznamenali nekonzistentné zistenia týkajúce sa spracovania odmeňovania u mladistvých, ktoré ukázali „nadmernú aktivitu“ (Galvan a kol. 2006) a „neaktívne“ (Bjork a kol. 2004) neurocircuitry súvisiace s stimuláciou v adolescencii. Táto štúdia sa od týchto predchádzajúcich štúdií líšila tým, že sme použili paradigmu, ktorá vyústila do pravdepodobnostnej odmeny, ktorá nebola závislá od správania. Tento prístup nám umožnil preskúmať základné rozdiely v citlivosti odmeňovania v rámci neistoty. Okrem toho sme skúmali rozdiely v nervových rozdieloch vo vekových skupinách 3: 10-12, 14-15 a 18-23, čo nám umožnilo testovať rôzne vzorce zmeny súvisiacej s vekom.
Štúdia priniesla 2 hlavné výsledky: 1) pri predvídaní neistých odmien, všetky vekové skupiny ukázali zvýšenú aktiváciu v striate, ale klaster v prednej izolácii vykazoval lineárny pokles aktivačnej formy na začiatku dospievania do dospelosti a 2) pri spracovaní výsledku V štúdiách u stredných adolescentov sa prejavila väčšia citlivosť na získané odmeny, ako sa ukázalo zvýšenou aktiváciou v ventrálnom striate, zatiaľ čo mladí dospelí reagovali najviac na opomenutie odmien, čo sa prejavilo zvýšenou aktiváciou v OFC. Naše zistenia vo všeobecnosti podporujú hypotézu, že stredná adolescencia je charakterizovaná nadmernou neurocirkuitúrou súvisiacou s motiváciou, ale ukázali sme, že tento efekt je najvýraznejší počas fázy prijímania odmeny. Vo svetle výsledkov predchádzajúcich štúdií tieto výsledky podporujú hypotézu, že nadmerne závislé obvody súvisiace s odmenou a nezrelé obvody PFC potenciálne skresľujú adolescentov voči rizikám (pozri tiež Ernst a kol. 2006; Galvan a kol. 2006; Casey, Getz a kol. 2008).
Vývojové zmeny vo výsledkoch očakávania
Očakávanie výsledkov bolo spojené s aktiváciou v striate a prednej izolácii, keď boli prvé stimuly 2 identické a naznačovali možnosť výhry. Aktivácia v izolácii ukázala lineárny pokles s vekom; tento región bol najaktívnejší v ročníkoch 10 – 12, menej aktívny vo veku 14 – 15 a najmenej aktívny vo veku 18 – 23, keď očakával odmenu. V paradigme, ktorú sme použili, bolo očakávanie potenciálnej odmeny spojené s maximálnou neistotou. Po prezentácii 2 rovnakých obrázkov bola pravdepodobnosť, že tretí obrázok je rovnaký alebo odlišný, rovnaká. Naproti tomu, keď sa druhý obraz líšil od prvého, odmena už nie je možná av dôsledku toho neexistovala neistota spojená s očakávaním výsledku. Veková zmena v aktivácii prednej izolácie by preto mohla odrážať rozdiely aspoň v 2 procesoch: 1) pozitívne vzrušenie spojené s očakávaním získania odmeny alebo 2) neistoty pri predvídaní neznámeho výsledku.
Naše výsledky sú v súlade s výsledkami nedávnych štúdií, ktoré sa týkali prednej izolácie v situáciách, keď sú rozhodnutia spojené s neistotou (Paulus a kol. 2003; Volz a kol. 2003; Huettel a kol. 2005; Huettel 2006; Volz a von Cramon 2006). Predná insula sa často podieľala na skúsenostiach psychofyziologického vzrušenia. Navrhlo sa, že pomoc pri rozhodovaní o izolácii odráža reakcie autonómneho nervového systému na riziko spojené s rozhodnutím (Bechara 2001; Critchley a kol. 2001; Paulus a kol. 2003). Veľké varovné signály, ktoré predchádzali nevýhodnému rozhodnutiu, boli navrhnuté ako výstražný signál, ktorý chráni pred rizikom (Bechara a kol. 1997). Vo svetle tejto hypotézy sa zvýšená odozva izolátu u mladších adolescentov javí ako protichodná. Iné štúdie však naznačujú, že tento autonómny signál odráža význam rozhodnutia, ktoré sa musí urobiť (Tomb a kol. 2002), a predchádzajúce vývojové štúdie ukázali, že deti sa pri predvídaní rizikových rozhodnutí stretávajú s autonómnymi signálmi, ale tieto signály nepoužívajú na optimalizáciu svojich rozhodnutí (Crone a van der Molen 2004, 2007; Crone a kol. 2005). V súčasnej štúdii by zvýšená aktivácia izolátov u mladých adolescentov mohla odrážať nezrelosť tohto regiónu. Najmladší účastníci mohli zažiť zvýšené psychofyziologické vzrušenie súvisiace s neistotou spojenou s očakávaním možnej odmeny. Napriek tomu, že sme nezískali subjektívne hodnotenie vplyvu, predchádzajúce štúdie sa pokúsili o koreláciu skúseného vplyvu a vzorcov aktivácie mozgu. Nedávna štúdia zistila, že hoci aktivácia vo ventrálnej striatum korelovala s hláseným pozitívnym účinkom, aktivácia v prednej insuflácii korelovala s pozitívnym aj negatívnym hláseným účinkom (Samanez-Larkin a kol. 2007). Výsledky tejto štúdie naznačujú, že predná izolácia môže prispieť k rozhodovaniu tým, že odráža všeobecné vzrušenie v neistých situáciách.
Huettel (2006) disociovaná neistota súvisiaca s výškou potenciálnej odmeny, ktorú by bolo možné získať (riziko odmeňovania) a neistotou, pokiaľ ide o optimálnu odpoveď (riziko správania). Ukázal, že aktivácia v prednej izolácii bola selektívne ovplyvnená neistotou súvisiacou s výberom odpovede. Naše výsledky prispievajú k tomuto zisteniu tým, že ukazujú, že predná izolácia je zapojená v neistých situáciách v neprítomnosti výberu odpovede, čo naznačuje, že táto oblasť môže mať všeobecnejšiu úlohu pri reprezentovaní neistoty výsledkov. Nedávna štúdia (Preuschoff a kol. 2008) ukázali, že predná izolácia odráža stupeň neistoty spôsobom podobným tomu, v ktorom je striatum citlivé na veľkosť odmeny. Autori naznačujú, že predná izolácia by mohla podporovať procesy podobné chybám predikcie odmien v striate. Lineárny pokles aktivácie v tejto oblasti ukazuje, že predná funkcia insula je v dospievaní nezrelá a mohla by sa použiť na naznačenie väčších ťažkostí u dospievajúcich na odhadnutie rizika v neistej situácii. Pravdepodobne adolescenti v tejto štúdii očakávali odmenu častejšie v porovnaní s dospelými, pretože sa nenaučili, že výskyt odmien je nepredvídateľný. Celkovo vzaté, zvýšená odozva na prednom ostrove v očakávaní neistej odmeny môže zaujať adolescentov k zvýšenému rizikovému správaniu.
Jedným z vysvetlení, ktoré treba brať do úvahy, je to, že zvýšená aktivácia v prednej insuflexii odráža negatívny vplyv. Nevyhrávanie môže byť spojené so skúsenejším negatívnym vzrušením, keď sa objaví na konci pokusu (XXY) v porovnaní s tým, keď nastane pri prezentácii druhého obrazu (XYZ). Aj keď sme odhadovali HRF na začiatku druhého stimulu, tretí stimul nasledoval 1.5 s neskôr. Preto je možné, že pozorovaná nervová odpoveď je ovplyvnená tretím stimulom. V budúcich štúdiách bude dôležité ďalej skúmať vplyv stupňa rizika / neistoty a výšky odmeny na rozhodovanie adolescentov. Vzhľadom na možné zameranie adolescentnej skupiny na odmenu by bolo zaujímavé otestovať, či neurónové systémy, ktoré reagujú na neistotu, reagujú podobne, keď je valencia výsledku negatívna, to znamená, keď podmienka XXX by odrážala skôr stratu než získať.
Vývojové zmeny v spracovaní výsledkov
Ako sa dalo očakávať, víťazné peniaze viedli k zvýšenej aktivácii vo ventrálnom striate. Toto zistenie opakuje predchádzajúce štúdie, ktoré ukázali, že tento región reaguje na odmeny (Knutson a kol. 2001; McClure a kol. 2003; Huettel 2006). Je zaujímavé, že striatálna aktivácia po víťazstve dosiahla vrchol v ročníkoch 14-15 a bola menej výrazná v ročníkoch 10-12 a vo veku 18-23, čo je v súlade s hypotézou, že táto oblasť je v adolescentoch citlivejšia (Galvan a kol. 2006; Ernst a kol. 2006; Casey, Getz a kol. 2008).
V tejto štúdii sme zistili vrchol v citlivosti ventrálneho striata v strednej adolescencii len na spracovanie odmien a nie na predvídanie odmeny. Toto zistenie je v rozpore s predchádzajúcimi štúdiami, ktoré zaznamenali nárast aktivácie v tomto regióne pred samotným poskytnutím odmien. Tieto predchádzajúce výsledky boli urobené s cieľom navrhnúť úlohu ventrálneho striata v predikcii a predvídaní výsledkov (Knutson a kol. 2001; Bjork a kol. 2004; Galvan a kol. 2006; Huettel 2006). Naše zistenia však poukazujú na to, že vrchol odpovede ventrálnej striatum u adolescentov sa zistí len na získanie odmien. V predchádzajúcich experimentoch signály signalizovali potenciálne odmeny a umožnili predikciu odmeňovania, preto aktivácia v ventrálnom striatu v týchto štúdiách mohla odrážať skorú reakciu na „poznanie“, že odmena bude nasledovať skôr ako predvídanie „možnosti“ odmeny. Tieto údaje by sa mohli tiež použiť na to, aby dospievajúci nadhodnotili svoje šance na získanie odmeny alebo schopnosti získať odmenu. Navrhujeme, aby v tejto štúdii nebol pozorovaný vrchol aktivácie vo ventrálnom striate, až do skutočného dodania odmeny, pretože návrh úlohy maximalizoval neistotu a neumožňoval predikciu odmeny. Napriek tomu, že výsledky očakávania nepreukázali štatisticky významný vrchol aktivácie a žiadne interakcie vek / stav v ventrálnom striatu, následné analýzy naznačili, že odpoveď na očakávanie striatum bola väčšia u mladých a stredných adolescentov v porovnaní s dospelými. Budúce štúdie by mali podrobnejšie skúmať očakávania oproti výsledkom.
Nakoniec, mladí dospelí, ale nie skorí a strední dospievajúci, prejavili zvýšenú aktiváciu v ľavom bočnom OFC po vynechaní odmien. Bočný OFC bol predtým zapletený do spracovania trestu (O'Doherty a kol. 2001). OFC je vysoko prepojený s apetitívnym obvodom a inými regiónmi v rámci PFC a nedávno sa navrhlo, že OFC má integračnú funkciu tým, že riadi reakciu mozgov na citlivé informácie a usmerňuje afektívne rozhodovanie udržiavaním a aktualizáciou reprezentácie. očakávania súvisiace s motiváciou online (pre recenzie pozri O'Doherty 2007 a Wallis 2007). Odozva laterálneho OFC u mladých dospelých môže preto signalizovať potrebu zvýšenej pozornosti a prispôsobenia správania sa po negatívnych výsledkoch. Treba poznamenať, že OFC je heterogénna oblasť a mnohé otázky týkajúce sa jej úlohy v cielenom správaní a rozhodovaní a súvisiacich zmenách s vývojom musia byť testované v budúcich štúdiách. Zistenie, že tento región je zapojený do spracovania nepriaznivých výsledkov u dospelých, ale nie u skorých a stredných adolescentov, je v súlade s hypotézou, že siete v mozgu súvisiace so spracovaním vyššieho rádu a funkciami kontroly kognitívnych funkcií nie sú zrelé až do neskorej adolescencie (Galvan a kol. 2006; Ernst a kol. 2006).
Závery
Súčasné zistenia by sa mohli interpretovať vo svetle nedávnych účtov, ktoré hľadajú neuropsychologické vysvetlenie správania adolescentov. Sieť na spracovanie sociálnych informácií (SIPN) (Nelson a kol. 2005) a Triadic Model (Ernst et al. 2006) obsahujú chuťovú zložku a kognitívnu / regulačnú zložku. V týchto modeloch sa správanie adolescentov vyznačuje silným apetitívnym systémom a relatívne slabým kontrolným systémom. Model SIPN (Nelson a kol. 2005) naznačuje, že mozgové štruktúry, ktoré sú základom chutnej zložky, reagujú na gonádové hormóny a sú spúšťané na začiatku puberty, na rozdiel od kognitívnych štruktúr, ktoré nasledujú po pomalšom vývoji.
Pasívna paradigma použitá v tejto štúdii nám neumožnila vyriešiť otázky týkajúce sa spôsobu, akým rozdiely v nervovom substráte spracovania miezd a vnímania rizika medzi adolescentmi a dospelými prispievajú k motivovanému správaniu u adolescentov a dospelých. Je dôležité objasniť tento vzťah a jeho vývojovú trajektóriu, pretože rizikové správanie adolescentov môže mať vážne následky (Steinberg 2004; Fareri a kol. 2008). Zistenie, že regióny mozgu súvisiace s odmenou sú v adolescencii citlivejšie, aj keď odmeny nesúvisia s chovaním a sú malé, naznačuje zásadné rozdiely v spôsobe, akým sú neisté odmeny spracovávané v rôznom veku. Aby bolo možné posúdiť ekologickú platnosť týchto zistení, budúce štúdie by mali brať do úvahy individuálne rozdiely, napríklad v hľadaní vnímania, temperamente a rode, a budú musieť skúmať tieto regióny pomocou zložitejších úloh. Druhým obmedzením tejto štúdie je, že sme nezískali priame miery pubertálneho statusu, čo obmedzuje našu schopnosť interpretovať príspevok pubertálnych zmien k rozdielom medzi osobami vo veku 10 – 12 a 14 – 15. Budúce štúdie by sa mali pokúsiť o bližšie porovnanie zmien súvisiacich s pubertálnym vývojom súvisiacich s vekom.
V súhrne, naše zistenia ukazujú, že vzory aktivácie mozgu súvisiace s očakávaním výsledkov v neprítomnosti správania sú odlíšiteľné od modelov súvisiacich so spracovaním výsledkov. Očakávanie neistého odmeňovania je spojené s aktiváciou v prednej zóne a striate. Aktivácia v prednej izolácii vykazuje najmä lineárny vývojový trend a pokles od skorej adolescencie po mladú dospelosť. Naproti tomu spracovanie odmeňovania je spojené s vrcholom aktivácie vo ventrálnom striatu vo veku 14-15 a vo veku 10-12 v menšom rozsahu. Zaujímavé je, že 18-23 ročné deti sú najviac citlivé na vynechanú odmenu, čo ukazuje aktiváciu v bočných oblastiach OFC. Tieto zistenia podporujú hypotézu, že adolescencia je charakterizovaná nerovnováhou v dozrievaní afektívnych a regulačných obvodov mozgu (May a kol. 2004; Ernst a kol. 2006; Galvan a kol. 2006). Súčasné údaje ukazujú, že na základnej úrovni spracovania dospievajúci reagujú na očakávané a získané odmeny a riziko spojené s neistotou v porovnaní s dospelými.
Doplnkový materiál
Doplnkový materiál možno nájsť na adrese: http://www.cercor.oxfordjournals.org/.
Financovanie
Výskum autorov (EAC a SARBR) umožňuje grant NWO VENI / VIDI.
Referencie
;
