Frontostriatalno zorenje napoveduje neuspeh kognitivnega nadzora pri apetitivnih indikacijah pri mladostnikih (2011)

Eksperimentalna naloga

Udeleženci so izpolnili nalogo go-nogo (Hare, et al., 2005; Hare, et al., 2008) s strašljivimi, veselimi in mirnimi obraznimi izrazi, ki služijo kot dražljaji. Sedanje poročilo se osredotoča na srečne in mirne razmere in izpušča strah pred skupinskimi analizami, kar je bilo v središču predhodnega poročila (Hare et al., 2008). V enem samem zagonu fMRI sta bila predstavljena dva tipa izraza, eden kot dražljaj "pojdi" (tj. Tarča), na katerega so udeleženci dobili navodila, naj pritisnejo gumb, drugi izraz pa služi kot spodbudo "nogo" (tj. Neciljno) za katero bi morali udeleženci zadržati pritisk na gumb. Vse kombinacije izrazov so bile uporabljene tako kot tarče kot necilje, kar je povzročilo 2 (odgovor: pojdi, nogo) s 3 (čustva: strah, umirjenost, srečnost) faktorski dizajn. Pred nastopom vsakega teka se je pojavil zaslon, ki je prikazal, kateri izraz je služil kot ciljni dražljaj, z navodili udeležencem, da se odzovejo na ta izraz in nobenega drugega izraza. Udeležencem je bilo tudi naročeno, naj se odzovejo čim hitreje, vendar naj se skušajo izogniti napakam.

Spodbude in aparati

Stimuli so bili srečni, strašljivi in ​​mirni obrazi edinstvenih identitet iz NimStimovega nabora izrazov obraza (Tottenham, et al., 2009). Mirni obrazi (rahlo prijetne različice nevtralnih obrazov) so bili uporabljeni, ker je predhodno delo pokazalo, da se lahko nevtralni obrazi razumejo kot negativni v razvojnih populacijah (Gross & Ballif, 1991; Herba in Phillips, 2004; Thomas, et al., 2001). Naloga je bila predstavljena z uporabo programske opreme EPrime, ki jo lahko vidijo subjekti na zaslonski ploski zaslonov s tekočimi kristali (LCD), integrirani s sistemom IFIS-SA (fMRI Devices Corporation, Waukesha, WI). Programska oprema EPrime, integrirana s sistemom IFIS, odzivi na prijavljene gumbe in reakcijski časi.

Parametri naloge

Podatki so bili pridobljeni v šestih funkcionalnih poteh, ki predstavljajo vsako kombinacijo čustev (sreče, miru, strahu) in odziva (go, nogo; Slika 1) z uporabo hitrega dogodka, povezanega z dogodkom. Za vsako preskušanje se je pojavil obraz za 500 milisekund, ki mu je sledil pretrgan intertrial interval od 2 do 14.5 sekund v trajanju (povprečje 5.2 sekund), med katerim so udeleženci počivali, medtem ko so pregledovali fiksiranje. Skupno število 48 preskusov je bilo predstavljenih v teku v psevdonandomiziranem vrstnem redu (36 go, 12 nogo). Skupno so bili za vsak tip izraza pridobljeni preskusi 24 nogo in 72 go.

Slika 1

Shema štirih preskušanj v seriji fMRI. V tem primeru so mirni obrazi ciljni dražljaji, kamor naj udeleženci "gredo" s pritiskom na gumb. Veseli obrazi so neciljni (`nogo ') dražljaj, na katerega naj udeleženci zadržijo pritisk na gumb. ...

Pridobivanje slike

Udeleženci so bili skenirani z General Electric Signa 3.0T fMRI skenerjem (General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI) s kvadraturno glavo. Visoka ločljivost, tehtana anatomska slika T1, uničena zaporedje gradientov ([SPGR] 256 × 256 ločljivost v ravnini, vidno polje 240-mm [FOV], osne rezine 124 × 1.5), ali magnetizacija 3D, pripravljena hitra pridobitev zaporedje gradientnih odmevov ([MPRAGE] 256 × 256 ločljivost v ravnini, 240-mm FOV; 124 × 1.5-mm sagitalne rezine) je bila pridobljena za vsak subjekt za transformacijo in lokalizacijo podatkov v Talairachov prostor. Spiralno zaporedje (Glover & Thomason, 2004) je bil uporabljen za pridobitev funkcionalnih podatkov (čas ponavljanja = 2500ms, echo time = 30, FOV = 200 mm, Flip angle = 90, preskoči matriko 0, 64 × 64). Na TR je bilo pridobljenih 34 koronalnih rezin debeline 4-mm na rezolucijo 3.125 × 3.125 mm, ki je zajela celotne možgane, razen zadnjega dela okcipitalnega režnja.

Analiza vedenjskih podatkov

Vedenjski podatki so bili analizirani glede natančnosti z izračunom zadetka (pravilnega odziva), pogreškov (nepravilnega pomanjkanja odziva), pravilne zavrnitve (pravilnega zadržanja odziva) in lažne alarme (nepravilnega odziva) za zadovoljne in mirne pogoje. Za analizo so bili udeleženci razvrščeni v podskupine otrok (starih 6-12), najstniških (starih 13 – 17) in odraslih (18 let ali starejših).

Analiza podatkov fMRI

Analiza podatkov FMRI je bila izvedena v okviru programske opreme za analizo funkcionalnih nevroloških slik (AFNI) (Cox, 1996). Funkcionalni podatki so bili popravljeni glede na čas rezanja, poravnani znotraj in med poteki, da so popravili gibanje glave, registrirani z anatomskim pregledom visoke ločljivosti vsakega udeleženca, pomanjšani na odstotne enote za spremembo signala in zglajeni s polno širino 6 mm na polovici maksimuma (FWHM ) Gaussovo jedro.

Za vsakega udeleženca je bila izvedena splošna analiza linearnega modela, da bi opredelili učinke nalog z vključitvijo zanimivih regresorjev nalog (mirno-mirno, mirno-nogo, veselo-go, srečno-nogo, strah-go, strah-nogo, napake). funkcijo hemodinamskega odziva s spremenljivko gama in spremenljivke neobjektivnosti (parametri gibanja, linearni in kvadratni trend za vsak potek). Za popolnost so bili poskusi strahu modelirani kot regresorji nalog (združeni s kanonsko funkcijo hemodinamskega odziva na gama-variate), vendar niso bili dodatno analizirani. Ocene parametrov (β), ki predstavljajo učinke opravil, so se nato pretvorile v standardni koordinatni prostor Talairach in Tournoux (1988) z uporabo parametrov upogibanja, pridobljenih s preoblikovanjem anatomskega pregleda vsake osebe z visoko ločljivostjo. Zemljevidi ocenjenih preoblikovanih parametrov Talairach so bili ponovno vzorčeni na ločljivost 3 × 3 × 3 mm.

Izvedene so bile analize naključnih učinkov za identifikacijo funkcionalnih regij, ki nas zanimajo (ROI) za nadaljnjo analizo. Natančneje, pogoji srečni-go, happy-nogo, calm-go in calm-nogo so bili izvedeni v linearnem modelu mešanih učinkov skupine 2 × 2 × 3 s faktorji čustev (znotraj-subjektov: srečni, mirni), odziv ( znotraj-subjektov: go, nogo) in starost (med-subjekti: otrok, najstnik, odrasli). Glavni učinek odzivnega zemljevida je identificiral kandidatne regije, ki so bile različno vključene kot funkcija zahtev kognitivne kontrole, vključno z desno spodnjo čelno gyrus (x = 32, y = 23, z = 3). Odzivi, modulirani z razvojem, so bili identificirani v glavnem vplivu karte starosti, vključno z grozdi v ventralnem striatumu (x = −4, y = 11, z = −9).

Ugotovitve slikanja so štele, da je statistično značilno presežena korekcija celotnih možganov za večkratne primerjave, da se ohrani alfa <0.05 z uporabo kombinacije vrednosti p / vrednost grozda, ki jo določajo Monte Carlove simulacije, izvedene v programu Alphasim znotraj AFNI. Edina izjema pri omejevanju celotnih možganov je bila analiza starostnih učinkov. Glede na vlogo striatuma pri razvoju nadzora impulzov (Vaidya et al., 1998; Casey et al., 2000; Luna et al., 2001; Durston, Thomas, Yang in sod., 2002, Galvan et al., 2006; Somerville & Casey, 2010) je bila obravnavana kot a priori območje zanimanja za voxelwise analizo starostnih učinkov. Natančneje, starostne učinke smo spraševali v okviru vključujoče anatomske maske, ki vsebuje voksele v hrbtnem in trebušnem striatumu, s p <0.05, popravljenim statističnim pragom, uporabljenim na podlagi obsega iskanja striatuma (1,060 vokselov). Zaradi jasnosti se sklicujemo na prag podatkov o starostnem učinku kot p <0.05 popravljen majhen obseg (svc) v celotnem rokopisu.

Regije, ki nas zanimajo, so nastale kot krogle s polmerom 4mm, ki je centriran okoli zgoraj navedenih vrhov, od katerih vsak vsebuje deset vokselov 3 × 3 × 3. Ocene parametrov so bile izločene za pogoje 4 (veselo-dol, happy-nogo, calm-go, calm-nogo) za vsakega udeleženca in ROI ter so bile predložene v offline analize, da bi določili smer učinka. Odziv, čustva in razvojni učinki (neodvisni od kontrastnega kontrasta, s katerim je bil določen ROI) so bili ocenjeni z uporabo 2 (čustvo: mirno, srečno) × 2 (naloga: go, nogo) × 3 (starost: otrok, najstnica, odrasli) ) ANOVA. Avtonomne analize so bile izvedene v programski opremi SPSS Statistics 17.0 (SPSS, Chicago, IL).

Pomembni učinki so bili preizkušeni za modulacijo učinkovitosti s predložitvijo ocen parametrov na bivariatne korelacije glede na povprečne stopnje lažnih alarmov preiskovancev. Pomembne učinke na uspešnost so spremljali z delnimi korelacijskimi analizami, da bi preverili, ali so učinki učinkovitosti ostali pomembni pri nadzoru starosti. Nasprotno pa so pomembne učinke na starost spremljali z delnimi korelacijskimi analizami, da bi ugotovili, ali so učinki na starost ostali pomembni pri nadzoru uspešnosti.

Predhodno delo s paradigmo go-nogo je vzpostavilo vlogo frontostriatnega vezja pri podpori uspešnega zaviranja vedenja (Casey et al., 2000; Durston, Thomas, Yang in sod., 2002; Hare et al., 2005). Da bi identificirali to vezje v trenutnem podatkovnem nizu, smo uporabili analizo psihofizioloških interakcij (PPI), ki je bila občutljiva na diferencialno zasnovano funkcionalno povezljivost s semensko regijo v desnem spodnjem prednjem gyrusu, za katero je regionalna dejavnost napovedala razlike v uspešnosti po starostih. Natančneje, ta analiza je bila občutljiva na možganska področja, ki kažejo večjo funkcionalno povezavo s pravim IFG za pravilne preskuse nogo v primerjavi s preskusi v teku. Analiza PPI je bila izvedena s standardnimi koraki obdelave (Friston in sod., 1997) z izvlečenjem funkcijskega časa v semenski regiji (desno IFG ROI, opisano zgoraj x = 32, y = 23, z = 3), odstranitev virov hrupa in artefakta, dekonvolucija nevralnega signala in združitev podatkov časovnih poteh brez prehoda proti časovni zamiki opravil in funkcija kanoničnega hemodinamskega odziva (kot je določeno v Gitelman, Penny, Ashburner in Friston, 2003). Skupinski rezultati, vključno z vsemi udeleženci, katerih prag je bil p <0.05, popravljen zaradi večkratnih primerjav na ravni celotnih možganov, so identificirali eno skupino, ki je pokazala bistveno večjo funkcionalno povezanost s pravim IFG med nogo, kot da bi šli na preizkušnje. Ta skupina se je razširila medialno in posteriorno od desnega IFG do hrbtnega striatuma, posebej do kavdata. Zanimivo območje hrbtnega striatuma je bilo ustvarjeno na podlagi karte povezljivosti s centriranjem 4-milimetrske krogle okoli podvrha grozda znotraj anatomskih meja hrbtnega striatuma (x = 9, y = 13, z = 6).

Vrednosti za spremembo signala so bile ekstrahirane iz tega ROI in testirane na medsebojno koaktivacijo z ventralnim striatumom in desnim IFG. Natančneje, vrednosti za spremembo ventralnega striatala, dorzalnega striatala in desnega IFG signala iz prej opisanih ROI so bile ekstrahirane za kontrast sreče-nogo v primerjavi z happy-go kontrastom. Te vrednosti so bile nato podane med bivariate korelacije med posameznimi otroki, mladimi in odraslimi udeleženci. Te analize opredeljujejo stopnjo koaktivacije med subjekti za nogo glede na preskuse med temi regijami znotraj vsake starostne skupine. Identificirane vrednosti koaktivacije predstavljajo obseg, v katerem težnja po aktiviranju ene regije predvideva aktivacijo v drugi regiji med udeleženci.

Rezultati fMRI

Odzivi, modulirani z razvojem, so bili opredeljeni v glavnem učinku starostne karte, vključno z grozdom v ventralnem striatumu (x = −4, y = 11, z = −9; p <0.05 svc; Slika 3A). Post-hoc analiza starostnega glavnega učinka je pokazala, da so mladostniki z ventralnim striatumom bistveno bolj kot otroci in odrasli na veselih obrazih (p = / <0.01; Slika 3B) in v manjši meri za umirjene obraze (p's = / <0.06; pomeni +/− standardni odklon odstotne spremembe signala za mirno v primerjavi s počitkom: otroci: -0.095 +/− 0.21; najstniki: 0.046 +/− 0.16; odrasli : −0.051 +/− 0.17). Analiza najustreznejše funkcije, ki predstavlja odziv na starost na različne starosti, je pokazala, da je kvadratna (obrnjena U) funkcija pojasnila pomemben del variance pri odzivu na srečne obraze (F (1,59) = 10.05, p <0.003), medtem ko linearna funkcija ni (F (1,59) = 0.54, p> 0.4). Nelinearno izboljšanje zaposlovanja pri najstnikih je ostalo pomembno pri nadzoru razlik v uspešnosti naloge (stopnja lažnega alarma; F (2,59) = 6.77, p <0.002) in pri kontrolni analizi z enakim številom poskusov (F (2,59 ) = 7.80, p = 0.007). Obseg aktivnosti do srečnih preizkušenj, mirnih preizkušenj in preizkusov brez dovoljenja ni bil povezan z uspešnostjo naloge (p> 0.2).

Slika 3

A) Možganske regije, ki kažejo različno aktivnost v odvisnosti od starosti. Aktivacije, prag p <0.05, svc, so prikazane na reprezentativnem anatomskem pregledu visoke ločljivosti. B) Zaplet aktivnosti v ventralnem striatumu (obkrožen z A) kot odgovor na ...

Glavni učinek zemljevida odzivov (nogo vs. go) je opredelil regije, ki so različno angažirane kot funkcija zahtev kognitivnega nadzora, vključno z desnim spodnjim čelnim girusom (IFG; x = 32, y = 23, z = 3), kar kaže na bistveno večje odzive na nogo glede na preizkuse go (p <0.05, popravljeni celotni možgani; Slika 4A). Preskusi post-hoc analiz za najboljšo funkcijo prileganja so pokazali, da je bil pravi odziv IFG pomembno razložen z linearno funkcijo (F (1,59) = 4.53, p = 0.037) in ne s kvadratno funkcijo (F (1,59) =. 17, p> 0.6). Posthoc analize so pokazale, da je tudi desni IFG pokazal večjo aktivnost umirjanja glede na srečne obraze (F (2,59) = 8.95, p <0.005). Nadalje je desni ROI IFG pokazal linearno zmanjšanje obsega odziva s povečevanjem starosti na nogo preskušanja v primerjavi s preskusi go (r (61) = -0.28, p = 0.026; Slika 4B).

Slika 4

A) Možganske regije, ki kažejo različno aktivnost kot funkcijo naloge (nogo> go). Aktivacije s pragom p <0.05, popravljeni celotni možgani so prikazani na reprezentativnem anatomskem pregledu visoke ločljivosti. B) Naloga na desni ...

Pri kontroli učinkov učinka interakcija naloge x starost v desnem IFG ni bila več pomembna (p> 0.4), kar kaže, da je bila uspešnost močnejši napovednik aktivnosti v desnem IFG kot starost. To razmerje je bilo dokazano s pomembno korelacijo med velikostjo odziva za popravljanje preskusov nogo in go in splošno uspešnostjo (merjeno s stopnjo lažnega alarma; r (61) = 0.39, p = 0.002; glej Slika 4C), ki smo ga v kontrolni analizi ponovili s primerjanim številom poskusov (r (61) = 0.28, p = 0.026). Slika 4C prikazuje ta odnos z enim izključenim udeležencem, za katerega je bilo ugotovljeno, da je skrajno odstopajoč (opredeljen kot več kot trije interkvartilni razponi nad tretjino ali pod prvo vrednostjo kvartila). Čeprav je korelacija pomembna tudi za tega posameznika, je izključitev tega posameznika še bolj zanesljiva (r (60) = 0.45, p <0.001). Vse poročane analize predstavljajo odziv na pravilne preskuse. Tako posamezniki, ki so bolj dovzetni za lažne alarme, navadno rekrutirajo pravi IFG bolj na preizkušnje nogo, za katere so uspešno zatrli vedenjski odziv.

Omejitve

Tu predstavljene ugotovitve je treba obravnavati v luči njihovih omejitev. Najprej je treba izrecno priznati, da je bila tretja čustvena kategorija, strašen obraz, prisotna med poskusno nalogo in osredotočenost prejšnjega poročila (Hare et al., 2008). Stanje mirnega obraza je v obeh poročilih služilo kot kontrolni pogoj. Čeprav vedenjski izsledki nakazujejo prisotnost strašljivih obrazov v funkcionalnem skeniranju, ni spremenila vedenjske natančnosti drugače kot pri drugih dveh kategorijah čustev, možno je, da je prisotnost strašljivih obrazov vplivalo na ugotovitve na načine, na katere razpoložljivi ukrepi niso bili občutljivi. Poleg tega se srečni obrazi razlikujejo od mirnih obrazov v valenci in znaki, kar bi lahko prispevalo k opaženim učinkom privlačne vrednosti. Druga metodološka omejitev je uporaba mirnih obrazov kot kontrolnega stanja. Čeprav normativni podatki kažejo, da so mirni obrazi manj pozitivni in vzburljivi kot srečni obrazi (Tottenham et al., 2009), teh ocen nismo izrecno zbirali in možno je, da so bili miroljubni obrazi sami po sebi interpretirani kot blago pozitivni. Glede rezultatov je treba priznati tudi skromno naravo ugotovitev koaktivacije. Nenazadnje niso bili pridobljeni ukrepi glede statusa pubertete in endogenih hormonov. Seminarska raziskava je pokazala, kako kardinalni hormoni, ki krožijo, vplivajo na organizacijske in aktivacijske mehanizme, ki vplivajo na delovanje možganov med razvojem (Romeo in Sisk, 2001; Sisk & Foster, 2004; Steinberg, 2008) in pokazala napovedno razmerje med pubertetnim statusom in takšnim apetitnim obnašanjem kot iskanje občutkov in zloraba drog (Martin et al., 2002; glej Forbes in Dahl, 2010). Prihodnje raziskave, vključno z ukrepi hormonov, lahko vplivajo na odnos med striatokortikalnim razvojem, hormonskim zorenjem in vedenjskimi izidi (Blakemore, Burnett in Dahl, 2010).

Zahvaljujemo se za pomoč Doug Ballona, ​​Adriane Galvan, Garyja Gloverja, Viktorije Libby, Erike Ruberry, Therese Teslovich, Nima Tottenhama, Henninga Vossa in virov ter osebja v Biomedical Imaging Core Facility centra za biomedicinsko slikanje Citigroup pri Weill Cornell Medical College. To delo so podprli Nacionalni inštitut za mentalno zdravje P50MH062196 in P50MH079513, Nacionalni inštitut za zlorabo drog R01DA018879 in T32DA007274 ter Nacionalni inštitut za mentalno zdravje F31MH073265 in K99 MH087813 (LHS).