Predvídateľnosť moduluje reakciu ľudského mozgu na odmenu (2001)

VÝSLEDKY

Po skenovaní boli subjekty dotazované na ich preferenciu pre tieto dva stimuly. Osemnásť subjektov 25 (72%) dáva prednosť šťave a zvyšok preferuje vodu. Väčšina subjektov mala jednoznačné uprednostňovanie jedného alebo druhého, hoci sme ich nepožiadali, aby to kvantifikovali. Aj keď počas skenovania došlo k výraznému pohybu hlavy, všetky preklady a rotácie okolo každého stimulu boli vo všeobecnosti malé a neboli v žiadnom z týchto stavov významne odlišné. Napríklad priemer ± translácia ± SD spojená s každým stimulom bola 0.041 ± 0.069 mm v predvídateľnom stave a 0.044 ± 0.069 mm v nepredvídateľnom stave (párovaný t test;p = 0.853).

Odozva mozgu na výhodnú tekutinu vykazovala prekvapivo malú diferenciálnu aktivitu v porovnaní s nepreferovanou tekutinou (Tabuľka 1)1). Nepozorovali sme žiadny významný rozdiel v aktivite v klasických oblastiach odmeňovania, ako sú nucleus accumbens, hippocampus alebo stredná prefrontálna kôra. Zmena primárnej aktivity pre preferovanú> nepreferovanú nastala v somatosenzorickej kôre v oblasti blízko oblasti úst a jazyka (t = 4.19, MNI súradnice, −60, −12, 16).

Hlavný účinok predvídateľnosti bol podstatne väčší ako hlavný účinok preferencie (obr. 1). 3). Pre nepredvídateľný priebeh v porovnaní s predvídateľným chodom bola pozorovaná bilaterálna aktivácia vo veľkom rozsahu mediálneho orbitofrontálneho kortexu, ktorý obsahoval nucleus accumbens (tabuľka 1). Ďalšie oblasti aktivácie zahŕňali veľkú oblasť parietálneho kortexu bilaterálne a paracentralálne a malé fokálne aktivácie v ľavom mediodorsálnom jadre talamu a pravého cerebellu. Keďže sa žiadny z týchto regiónov neprekrýva s hlavným efektom preferencie, boli maximálne aktivované nepredvídateľnými stimulmi bez ohľadu na preferencie. Pre predvídateľný priebeh v porovnaní s nepredvídateľným chodom bola aktivovaná oblasť pravého nadradeného temporálneho gyrusu, ako aj fokálne aktivácie v ľavom precentrálnom gyruse a pravom laterálnom orbitofrontálnom kortexe.

  

Zobraziť väčšiu verziu:  

• Na tejto stránke
• V novom okne

• Stiahnite si ako PowerPoint Slide

Obr. 3.  

Hlavný efekt predvídateľnosti ukázal, že regióny súvisiace s odmenou mali väčšiu odozvu na nepredvídateľné stimuly. A, Roviny v strede (0, 4, −4) ukazujú, že bilaterálne jadro accumbens / ventrálne striatum (NAC) a bilaterálny vyšší parietálny kortex boli aktívnejší v predvídateľnom stave. BMalá oblasť v pravom nadradenom temporálnom gyruse bola relatívne viac aktivovaná predvídateľnými stimulmi. Význam bol limitovaný nap <0.001 a rozsah> 10 susedných voxelov.

Interakcia medzi preferenciami a predvídateľnosťou identifikovala oblasti, v ktorých jeden efekt moduloval ostatné nezávisle od oboch hlavných účinkov. Pravá izolácia, ľavý zadný cingulate a pravý cerebellum vykazovali signifikantnú interakciu pre kontrast (preferovaný - nepreferovaný) × (predvídateľný – nepredvídateľný). Opačný kontrast (uprednostňovaný - nepreferovaný) × (nepredvídateľný – predvídateľný) neodhalil žiadne aktivácie významné pri p Úroveň <0.001; malá oblasť v ľavom hornom časovom gyruse (súradnice MNI, −48, −4, −16) bola na začiatku významná p <0.01 úroveň (t = 3.15).

Počítačová simulácia naznačila, že nepredvídateľné odmeny by mali vyvolať viac uvoľňovania dopamínu ako tie, ktoré sú predvídateľné.2 B). Keď sú odmeny predvídateľné, každý stimul dokonale predpovedá nasledujúci stimul a chybový signál, o ktorom sa predpokladá, že je sprostredkovaný dopamínom, sa postupne znižuje. Keď sú odmeny nepredvídateľné, systém nemá možnosť učiť sa a odpoveď na každý stimul je väčšia.

DISKUSIA

Naše výsledky ukázali zaujímavú separáciu v mozgovej odpovedi na predvídateľnosť a subjektívne správy preferencií. Odozva mozgu na preferencie bola výlučne kortikálna, ale reakcia na predvídateľnosť ukázala špecifickú aktiváciu systémov odmien, o ktorých je tiež známe, že sú cieľom dopaminergných neurónov stredného mozgu. Ak predpokladáme, že aktivácia týchto oblastí odmeňovania je príjemná pre ľudí, potom toto zistenie naznačuje, že subjektívna správa preferencie môže byť oddelená od nervových obvodov, o ktorých je známe, že sú silnými determinantmi podmieneného správania.

Voda aj ovocná šťava spôsobili významné aktivácie v celom mozgu, a hoci niektoré z týchto odpovedí možno pripísať motorickým aspektom úlohy, špecifické podskupiny týchto regiónov boli rozložené na rozmery preferencie a predvídateľnosti. Účinok preferencie bol obmedzený na kortikálne oblasti spojené so zmyslovým spracovaním a výhodný stimul mal za následok väčšiu aktiváciu v týchto oblastiach. Tieto oblasti ležia v blízkosti senzorimotorického kortexu, o ktorom je známe, že sa aktivuje počas pohybu jazyka (Corfield a kol., 1999) a prehltnutie (Hamdy a kol., 1999). V predchádzajúcej práci na mozgovej reakcii na pohyb jazyka nastala podstatná aktivácia cerebellu, čo je v hlavnom účinku preferencie najmä chýbajúce. Diferenciálna odozva mozgu, tj uprednostňovaná a nepreferovaná, odstraňuje spoločné oblasti aktivácie; preto absencia cerebelárnej aktivácie naznačuje, že pohyby diferenciálneho jazyka nie sú pravdepodobne príčinou štruktúry kortikálnej aktivácie pre subjektívne preferencie. Skutočnosť, že somatosenzorická oblasť bola korelovaná s uvedenou preferenciou, naznačovala, že pre tieto dva stimuly došlo k určitému diferenciálnemu nervovému spracovaniu. Bolo prekvapujúce, že sa to prejavilo v oblasti primárneho zmyslového spracovania a nie v klasických oblastiach odmeňovania. Hoci subjekty boli nútené označiť jednu substanciu za druhú ako svoju preferenciu, obe tekutiny boli zvolené zámerne, aby boli príjemné, na rozdiel od toho, ktorý je averzívny. Pretože obe tekutiny boli vo všeobecnosti príjemné, účinok preferencie nemusel byť dostatočne silný, aby vyústil do významného rozdielu aktivity v regiónoch odmeňovania. To by bolo v súlade so zisteniami, že dopamínové neuróny stredného mozgu sú prednostne aktivované skôr apetitívnymi ako averzívnymi stimulmi (Mirenowicz a Schultz, 1996). Naše zistenia však naznačujú systémovú diferenciáciu subjektívnej preferencie od jednoduchej odmeny, ktorá podporuje predchádzajúce hypotézy, že „chcieť“ nie je to isté ako „sympatie“ (Robinson a Berridge, 1993).

Na rozdiel od účinku preferencie, nepredvídateľnosť korelovala ako významný hlavný účinok s aktivitou v nucleus accumbens, talame a mediálnom orbitofrontálnom kortexe, keďže predvídateľnosť bola korelovaná prevažne s aktivitou v pravom nadradenom temporálnom gyruse. Bývalé regióny úzko súvisia so známymi projekciami dopamínu (Koob, 1992; Cooper et al., 1996). Bolo to trochu prekvapujúce, že nepredvídateľnosť, a nie preferencia, korelovala s činnosťou v týchto oblastiach odmeňovania. Ak by sa zvýšená aktivita v týchto regiónoch spájala s radosťou, potom by sa dalo dospieť k záveru, že nepredvídateľné odmeny boli príjemnejšie ako tie, ktoré boli predvídateľné. Väčšina subjektov však nerozpoznala žiadny rozdiel medzi predvídateľnými a nepredvídateľnými podmienkami. Ak boli nepredvídateľné odmeny príjemnejšie ako tie predvídateľné, alebo naopak, potom sa to musí vyskytnúť na podvedomej úrovni. Alternatívne vysvetlenie predpokladá, že dopamín sa uvoľňuje vo zvýšených množstvách na neočakávané odmeny (Montague a kol., 1996; Schultz a kol., 1997;Schultz, 1998). Dopamín môže znížiť excitabilitu neurónov (Cooper et al., 1996) a môže tiež priamo obmedziť mikrovaskulatúru (\ tKrimer a kol., 1998), ale zvýšená aktivita akumulov sa tiež spája so subjektívnym potešením kokaínu (\ tBreiter a kol., 1997). Tieto zistenia naznačujú, že náš pozorovaný nárast aktivácie s nepredvídateľnosťou by mohol súvisieť so zvýšeným uvoľňovaním dopamínu, buď preto, že akumulovali projekty na VTA, alebo preto, že dostávajú projekciu z VTA, ktorá by bola v súlade s výsledkami modelu. Táto interpretácia by mala byť zmiernená dvomi dôležitými skutočnosťami: (1) mechanizmy, ktoré by spájali zvýšený dopaminergný prenos so zmenami v signáli BOLD, nie sú známe a (2) nemáme žiadne nezávislé meranie dopaminergného prenosu, len zmeny v odpovedi BOLD. Možnosť, že pozorujeme nepriamo zmeny v dopaminergnej aktivite, je vzrušujúca, ale nedá sa jednoznačne rozhodnúť v experimente fMRI. Je to však v súlade s predchádzajúcimi zisteniami pomocou pozitrónovej emisnej tomografie, že dopamín sa uvoľňuje do ventrálneho striata za podmienok menového stimulu (Koepp a kol., 1998). Spolu so zosilňujúcim účinkom nepredvídateľnosti je tiež v súlade s predpokladanými účinkami dopamínu na neuronálny „zisk“ (Cohen a Servan-Schreiber, 1992), s konečným výsledkom, že niektoré regióny sa zvýšia a iné sa znížia.

Špecifické oblasti aktivované relatívne nepredvídateľnosťou zodpovedali mozgovým oblastiam spojeným s apetitívnymi funkciami. Okrem jadra accumbens, mediálny orbitofrontálny kortex ukázal hlavný efekt pre nepredvídateľnosť. Táto oblasť sa ukázala u primátov, že integrujú odmeňovanie a neutrálne aspekty chuťových vnemov a predpokladá sa, že odrážajú predovšetkým motivačné hodnoty týchto podnetov (Rolls, 2000). Táto oblasť tiež obsahuje neuróny, ktoré rozlišujú relatívnu preferenciu pre odmenu (Tremblay a Schultz, 1999). Orbitofrontálny kortex je typicky obtiažne zobraziteľný s fMRI kvôli artefaktu citlivosti z nosných dutín (Ojemann a kol., 1997). Avšak región, ktorý sme identifikovali, je vo všeobecnosti lepší a kaudálnejší ako obvyklé miesto artefaktu. Tento región bol predtým vnímaný ako vnímavý na príjemné chute (Francis a kol., 1999). Druhá oblasť, v nadradenom parietálnom laloku, pravdepodobne nesúvisí s odmeňujúcimi aspektmi úlohy, ale skôr výsledkom zmien v pozornosti. Tento región bol predtým zapojený do vizuálnej pozornosti, najmä počas porušovania očakávaní (Nobre a kol., 1999). Ďalšia oblasť v ľavej temporálnej kôre ukázala hraničnú významnú moduláciu nepredvídateľnosťou. V nedávnych experimentoch fMRI bol ľavý temporálny lalok spojený so spracovaním predvídateľnosti sekvenčných stimulov (Bischoff-Grethe a kol., 2000). Tu rozširujeme tieto predchádzajúce zistenia z neutrálnych stimulov na príjemné podnety, čo naznačuje, že táto oblasť môže vykonávať všeobecné monitorovanie predvídateľnosti nezávisle od stimulačnej valencie.

Oblasti mozgu, ktoré sme identifikovali ako reagujúce na nepredvídateľnosť buď priamym, alebo modulačným spôsobom, sa podieľali na niekoľkých pokusoch o finančnú odmenu. Peniaze môžu byť pre ľudí odmenou, ale posilňujú sa len preto, že tieto vlastnosti nadobudli prostredníctvom komplexnej úpravy. Podobne ako zistenie, že kokaín pôsobí na rôzne neuróny ako prirodzené posilňovače (Carelli a kol., 2000), je možné, že kondicionované zosilňovače, ako napríklad peniaze, pôsobia na rôzne nervové systémy ako prírodné zosilňovače, ako sú potraviny a voda. Aktivita vo ventrálnom striate a strednom mozgu bola korelovaná s absolútnou úrovňou finančnej odmeny (Thut a kol., 1997;Delgado a kol., 2000; Elliott a kol., 2000; Knutson a kol., 2000), zistenie, ktoré v našich výsledkoch chýba. Ako už bolo uvedené, šťava aj voda boli mierne príjemné, a preto v absolútnej odmene nemusel existovať podstatný rozdiel, aj keď sme predpokladali mierny rozdiel v teoretickom modeli. Tiež sme nepoužili žiadne averzívne podnety alebo čokoľvek, čo by sa mohlo chápať ako záporná odmena, ktorá môže tiež zodpovedať tomuto rozdielu. Je zaujímavé, že regióny, ktoré sme identifikovali ako priamo ovplyvnené alebo zosilnené nepredvídateľnosťou, zodpovedali oblastiam, ktoré boli skôr citlivé na závislosť finančnej odmeny od kontextu (Rogers a kol., 1999; Elliott a kol., 2000). Najmä subgenálny cingulát a mediálny talamus korelovali s nepredvídateľnosťou v našej štúdii a zistilo sa, že sú závislé od kontextu. Elliott a kol. (2000).

Pretože predvídateľnosť ovplyvnila účinok preferencie, je dôležité rozlišovať potenciálne zdroje predikcie. V klasickom experimente kondicionovania predchádza odmena neutrálny stimul. Po tréningu sa predtým neutrálny stimul stane prediktorom alebo podmieneným stimulom. Pretože existuje pomerne málo údajov o použití orálnych stimulov vo fMRI, rozhodli sme sa zjednodušiť experiment a kontrolu motorických aspektov úlohy pomocou dvoch rôznych orálnych podnetov, vody a ovocnej šťavy. Takže zdroj predikcie v našom experimente nevyhnutne pochádzal zo sekvencie samotných stimulov. V niektorých ohľadoch je to jednoduchšie ako zavedenie iného stimulačného spôsobu, napríklad vizuálneho podnetu, ale pretože oba podnety boli odmeňované, nemôžeme urobiť žiadne závery týkajúce sa procesu kondicionovania. Oba teoretické modely (Schultz a kol., 1997) a neurofyziologické údaje (\ tSchultz a kol., 1992, 1993) naznačujú, že predpovede odmeny sa počítajú v intervale predchádzajúcom dodaniu odmeny. Pretože nevieme, v akom časovom horizonte sa takéto predpovede počítajú, rozhodli sme sa analyzovať experiment ako jednoducho dve podmienky, predvídateľné a nepredvídateľné. Udržiavaním psychologicky rozumného intervalu medzi podnetmi, 10 sec, nebol dostatočný čas na vyriešenie rozdielov v interstimulárnom spracovaní. Takéto spracovanie pravdepodobne nastane, čo sa dá vyriešiť pomocou odlišne navrhnutého experimentu.

Stručne povedané, činnosť v regiónoch s odmenou človeka môže byť modulovaná časovou predvídateľnosťou primárnych odmien, ako je voda a šťava. Tieto výsledky poskytujú dôležitú podporu pre výpočtové modely, ktoré postulujú, že chyby v predikcii odmien môžu riadiť synaptickú modifikáciu a rozšíriť tieto závery z nehumánnych primátov na ľudí. Regionálna špecifickosť tejto modulácie tiež naznačuje, že informácie, ako sú vyjadrené relatívnou predvídateľnosťou stimulačného prúdu, môžu byť formou neurónovej meny, ktorú možno zistiť pomocou fMRI.