Cereb. Cortex (2010) 20 (1): 61-69. doi: 10.1093 / cercor / bhp078
+ Avtorske povezave
Naslovna korespondenca z Lindo Van Leijenhorst. Oddelek za psihologijo, Univerza Leiden, Inštitut za psihološke raziskave, Wassenaarseweg 52, 2300 RB Leiden, Nizozemska. E-naslov: [e-pošta zaščitena].
Minimalizem
Razmerje med razvojem možganov med adolescenco in tveganim vedenjem mladostnikov je v zadnjih letih pritegnilo vse večje zanimanje. Predlagano je bilo, da so mladostniki preobčutljivi za nagrajevanje zaradi neravnovesja v razvojnem vzorcu, ki mu sledi striatum in prefrontalni korteks. Do danes ni jasno, ali se mladostniki lotevajo tveganega vedenja, ker precenjujejo potencialne nagrade ali se odzivajo na prejete nagrade in ali se ti učinki pojavijo brez odločitev. V tej študiji smo uporabili funkcionalno paradigmo za slikanje z magnetno resonanco, ki nam je omogočila, da ločimo učinke predvidevanja, prejema in izpustitve nagrad v 10- do 12-letnem, 14- do 15-letnem in 18- za 23-letne udeležence.
Pokazali smo, da je v pričakovanju negotovih izidov sprednja inzula aktivnejša pri mladostnikih v primerjavi z mlajšimi odraslimi in da je v srednjem adolescenci v zgornjem delu traktuma nagrajen vrh, medtem ko mladi odrasli kažejo aktivacijo orbitofrontalne skorje na izpuščeno nagrado. Te regije kažejo različne razvojne poti.
Ta študija podpira hipotezo, da so mladostniki preobčutljivi za nagrajevanje in dodajajo k dosedanji literaturi, ko dokazujejo, da se živčna aktivacija pri mladostnikih razlikuje tudi pri majhnih nagradah v odsotnosti izbire. Te ugotovitve imajo lahko pomembne posledice za razumevanje obnašanja mladostnikov glede tveganja.
Predstavitev
Pogosto se odločitve sprejemajo v negotovih okoliščinah, v katerih niso znane vse informacije, potrebne za razumno odločitev. Kadar so izbire v negotovih razmerah povezane z možnimi negativnimi rezultati, se štejejo za tvegane. Povečanje tveganega vedenja je ena najpomembnejših značilnosti adolescence (Arnett 1999; Steinberg 2004; Boyer 2006). Ta sprememba v vedenju kaže na razliko v postopkih odločanja mladostnikov v primerjavi z odraslimi. To pomeni, da se lahko mladostniki med tekmovalnimi načini ukrepanja v negotovem položaju odločijo drugače, ker tehtajo možne izide in verjetnosti, s katerimi se ti pojavljajo drugače kot odrasli. Predhodne študije so pokazale, da so mladostniki nagnjeni k tveganju zaradi razlik v načinu doživetij (Bjork et al. 2004; May et al. 2004; Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst et al. 2006).
Raziskave s funkcijsko magnetno resonanco (fMRI) so identificirale možganske regije, povezane s predvidevanjem in obdelavo izida. Številne študije so pokazale, da se ventralni striatum odziva na predvidevanje potencialnih nagrad (Breiter et al. 2001; Knutson et al. 2001; Dagher 2007; Tom et al. 2007), kar je potrdila nedavna meta-analiza (Knutson in Greer 2008). Poleg tega so bile anteriorne insule vpletene v predvidevanje rezultatov in aktivacija v tej regiji je pogosto povezana tudi z negotovostjo, povezano s predvidevanjemn (Critchley et al. 2001; Volz et al. 2003). To so pokazale tudi številne študije pri odraslih medialni prefrontalni korteks (PFC), orbitofrontalni korteks in sprednja cingularna skorja so vključeni v obdelavo nagrad (Rolls 2000; Bechara 2001; Knutson et al. 2001; O'Doherty et al. 2001, 2002).
Funkcionalni razvoj teh regij ni dobro razumljen. Dosedanje razvojne študije kažejo na videz nedosledne vzorce rezultatov. Tveganje za mladostnike je na eni strani povezano z "zmanjšano" občutljivostjo ventralnega striatuma za nagrajevanje pri mladostnikih v primerjavi z odraslimi. Predlagano je bilo, da ta nevralni odziv mladoletnikom narekuje, da poiščejo bolj stimulativne izkušnje, da bi kompenzirale nizko raven aktivacije v ventralnem striatumu (Kopje 2000; Bjork et al. 2004). OPo drugi strani pa je tveganje za mladostnike povezano s "povečano" odzivnostjo ventralnega striatuma nad (Galvan et al. 2006). V teh študijah je bilo predlagano, da to povečanje odziva na potencialne nagrade v kombinaciji s sposobnostmi nezrelega kognitivnega nadzora (ki izhaja iz dolgotrajnega razvoja PFC) povzroči, da mladostniki premagujejo tveganja (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Casey, Jones, et al. 2008).
Razlaga teh razvojnih ugotovitev je za 2 razloge zapletena. Prvič, obstaja velika razlika v starosti udeležencev, ki so bili vključeni v te študije o adolescentskem nagrajevanju. To je problematično, ker mladostniki tvorijo zelo heterogeno skupino, na primer v zgodnjih adolescenčnih razvojnih spremembah lahko vplivajo pubertetne spremembe. V predhodnih študijah so bili vključeni mladostniki iz široke starostne skupine. Na primer, v študiji Bjork et al. (2004)Skupina mladostnikov je bila sestavljena iz udeležencev, starih let 12 – 17, kar lahko ovira našo interpretacijo vzorca razvojnih sprememb. Strukturne študije slikanja možganov so pokazale, da se razvoj možganske strukture glede na sivo in belo snov nadaljuje skozi vse mladostnike (Giedd et al. 1999; Gogtay et al. 2004), in nedavna študija je pokazala, da te razvojne spremembe sledijo nelinearnemu vzorcu v mnogih regijah možganov (Shaw et al. 2008). Druga težava je v tem, da so bile v predhodnih poročilih uporabljene različne eksperimentalne paradigme, zaradi česar je težko primerjati rezultate. Na primer, v predhodnih študijah so bile nagrade odvisne od uspešnosti nalog udeležencev in so bile različne zahteve za pridobitev nagrad. Nagrade so lahko odvisne od reakcijskih časov (npr. Bjork et al. 2004) ali na točnost odgovora / verjetnostno ujemanje (npr. Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst et al. 2006; Eshel et al. 2007). Poleg tega je velikost nagrajevanja (Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006), verjetnost nagrajevanja (May et al. 2004; Van Leijenhorst et al. 2006), ali tako velikost in verjetnost (Ernst et al. 2005; Eshel et al. 2007). Zato je težko povezati razvojne razlike v aktivaciji ventralnega striatuma s prevzemanjem tveganja ali splošnejšim procesom nagrajevanja. V zadnjem času so študije o odločanju odraslih poskušale napovedati vedenje, ki temelji na predhodnih spremembah aktivacije ventralnega striatuma (Knutson in Greer 2008). Te študije so pokazale, da je povečana aktivacija ventralnega striatuma povezana s povečano pripravljenostjo na tveganje pri odraslih. V predhodni študiji, ki je vključevala odrasle, so Knutson et al. (2008) je uporabil nalogo odločanja in predstavil nagrajevanje slik, ki niso bile povezane z nalogo. Predstavitev teh slik je bila povezana z večjo aktivacijo ventralnega striatuma in povečano pripravljenostjo na tveganje (Knutson et al. 2008). Če jih vrhunec aktivacije ventralnega striatuma pri mladostnikih spodbuja k tveganju, je pomembno razumeti, v kolikšni meri je ta regija neodvisna od vedenjskih zahtev. Poleg tega je pomembno razumeti, na kateri stopnji, med predvidevanjem ali obdelavo nagrad, opazimo razlike med mladostniki in odraslimi. Boljše razumevanje vzrokov za nagrajevanje mladostnikov lahko pomaga pri razlagi potencialno škodljivega tveganega vedenja, s katerim se ukvarjajo številni mladostniki. v zgodnji fazi postopka odločanja) ali ker se njihov odziv na prejete nagrade razlikuje od odziva odraslih (v poznejši fazi). Vpogled v te možne razlike v občutljivosti nagrajevanja v adolescenci nas seznani s procesi, ki so osnova za tvegano vedenje mladostnikov v resničnem svetu. Poleg tega bi to znanje lahko pomagalo pri poskusih posredovanja in zaščite mladostnikov pred težavami, s katerimi se soočajo. Osnovne razlike v regijah možganov, povezanih z nagrajevanjem, med udeleženci iz različnih starosti lahko otežijo interpretacijo razvojnih sprememb v vedenju. Eden od načinov za izogibanje tej težavi je preučevanje obdelave nagrajevanja z eksperimentalno nalogo, pri kateri sta nagrada in tveganje povezana z vedenjem udeležencev (za podoben pristop glej Tobler et al. 2008). Zato je bil cilj te študije preučiti razlike v razvoju nevronske aktivacije, povezane z različnimi fazami procesnega nagrajevanja v odsotnosti vedenja.
Primerjali smo nevralne substrate pričakovanega izida in obdelavo izidov v zgodnjem in srednjem adolescenci ter mladi odrasli z uporabo fMRI. Da bi ugotovili vzorec razvoja možganskih regij, vključenih v obdelavo nagrad, smo vključili homogene starostne skupine 3 (letniki 10 – 12, letniki 14 – 15 in letniki 18 – 23). Ti udeleženci so izvedli nalogo z avtomati (Donkers et al. 2005), preprosta paradigma, v kateri so majhne denarne nagrade nepredvidljive in nepovezane z vedenjem. Pri tej nalogi udeleženci ogledajo igralne avtomate 3, v katerih so zaporedno predstavljene slike sadja. Šele ko so te slike 3 enake, udeleženci dobijo denar. Naloga vključuje predstavitev različnih pogojev 3: 1) vse slike 3 so drugačne (imenovane stanje XYZ), 2) prve slike 2 so enake, tretja pa je drugačna (imenuje se XXY pogoj), in 3) vse slike 3 so enake (imenovane XXX pogoji). Na ta način nam je paradigma omogočila, da ločimo možgansko aktivacijo, povezano s predvidevanjem izida (ko je prvi 2 slik 3 enak vsemu od 3 slik je drugačen; XXY proti XYZ), obdelava nagrad (ko so vse slike 3 enaka kot prva 2 od treh slik je ista, XXX proti XXY) in opustitev plačila (XXY proti XXX).
Naše analize so se osredotočile na identifikacijo regij možganov, ki so bile vpletene v proces nagrajevanja in negotovosti, vključno s striatumom, insulo in orbitofrontalnim skorjem (OFC). Naša prva hipoteza je bila, da te regije kažejo funkcionalni razvoj, kar se odraža v drugačnem vzorcu aktivacije v različnih starostnih skupinah. Testirali smo linearne in nelinearne razvojne vzorce. Naša druga hipoteza je bila, da če je tveganje za mladostnike povezano s povečano občutljivostjo za nagrajevanje, bi se to moralo odražati v najvišji vrednosti aktivacije v ventralnem striatumu v tej starostni skupini. Preučili smo, na kateri stopnji, med predvidevanjem ali obdelavo izidov, bi kazalo, da bi se v odseku vetrnih traktumov pojavili različni odzivi v odsotnosti vedenjskih zahtev in ali bi se odziv na nagrado v tej regiji povečal ali zmanjšal pri mladostnikih v primerjavi z odraslim. Pričakuje se, da bodo rezultati omogočili vpogled v razvoj regij možganov, povezanih z nagrajevanjem, med adolescenco in prispevali k interpretaciji razlik v nevralnih odzivih med mladostniki in odraslimi v bolj kompleksnih nalogah za nagrajevanje in prevzemanje tveganj.
Materiali in metode
udeleženci
V študiji je sodelovalo 53 zdravih, desničarskih prostovoljcev, petnajst let starih 18 – 23 (ženske 7; povprečna starost = 20.2, standardni odklon [SD] = 1.6), osemnajst let starcev 14 – 15 (ženske 10; starost = 15.0, SD = 0.7) in sedemnajst letnikov 10 – 12 (ženske 8; povprečna starost 11.6, SD = 0.8). Informiran pristanek so dobili od vseh udeležencev in od primarnega skrbnika, če so bili udeleženci mlajši od 18 let. Študijo je odobril Odbor za medicinsko etiko na Univerzitetnem kliničnem centru Leiden (LUMC). Podatki iz dodatnih odraslih udeležencev 3 so bili izključeni zaradi tehničnih težav. Podatki za udeležence, ki so se pomaknili za več kot 3 mm v katero koli smer, so bili izključeni iz analiz. Zaradi tega so bili izločeni podatki udeležencev 3 (14, 15 in 10 starost). Povprečno gibanje je bilo 0.52 mm za letnike 18 – 23, 0.68 mm za letnike 14 – 15 in 0.62 mm za letnike 10 – 12. Razlika v povprečnem gibanju med starostnimi skupinami ni bila pomembna (P > 0.1).
Vedenjska ocena
Pred skeniranjem so bili vsi udeleženci pripravljeni na sejo skeniranja v tihem laboratoriju, v katerem je bil prisoten lažen skener. Ta model, ki simulira okolje in zvoke magnetnega resonančnega skenerja, je mladoletnikom omogočil, da so se navadili na okolje optičnega bralnika in so bili uporabljeni za razlago postopka skeniranja vsem udeležencem. Da bi dobili oceno IQ, starostno primerne različice pod-preskusov 2 na lestvici Wechsler Adult Intelligence (Wechsler 1981) ali Wechslerjeve lestvice obveščevalnih podatkov za otroke (Wechsler 1991) —Podobnosti in načrtovanje blokov — so bile dane vsem udeležencem. Za letnike iz letnikov 10 – 12, letnike 14 – 15 in letnike starejših od 18 – 23 so bili ocenjeni IQ-ji 119.7 (SD = 9.7), 106.0 (SD = 9.0) in 108.7 (SD = 9.4). Povprečni IQ letnika 10 – 12 je bil bistveno višji v primerjavi z drugimi starostnimi skupinami 2 (F2,49 = 11.62, P = 0.001), vendar je splošni IQ udeležencev padel v povprečnem razponu. Analize, navedene spodaj, so bile popravljene zaradi razlik v IQ z dodajanjem IQ kot spremenljivke za analizo. Vendar na noben učinek niso vplivale razlike v IQ. Zato razlike v IQ niso podrobneje opisane.
Vsi udeleženci so bili pregledani glede psihiatričnih stanj, uporabe drog, poškodb glave in kontraindikacij za MRI z uporabo kontrolnega seznama. Noben udeleženec ni poročal o kakršnih koli težavah. Poleg tega so bili udeleženci v najmlajših starostnih skupinah 2 pregledani na vedenjske težave z uporabo starševskih ocen na kontrolnem seznamu za otrokovo vedenje (Achenbach 1991). Ocene za vse udeležence so se uvrstile v neklinični obseg.
Eksperimentalno oblikovanje
Udeleženci so izvedli Nalogo na avtomatih, ki je otrokom prijazna različica paradigme, ki jo je prej uporabljal Donkers et al. (2005). Vsak poskus se je začel s predstavitvijo praznih igralnih avtomatov 3. Po 500 ms je bil na dnu zaslona predstavljen kovanec za 1000 ms, ki je služil kot cue. Da bi se udeleženci vključili v (sicer pasivno) nalogo, jim je bilo naročeno, naj zaženejo stroje s pritiskom na vnaprej določen gumb z desnim kazalcem na predstavitvi iztočnice. Odziv je moral biti podan v časovnem oknu 1000-ms. Po odzivnem oknu 1000-ms so bile slike 3, vsak 1 možnih vrst sadja 3 - kiwi, hruška ali par češenj - predstavljene zaporedoma, od leve proti desni v igralnih avtomatih, vsak 1500 ms (glej Slika 1).
Primer (a) preizkus in (b) Možni prikazi rezultatov za nalogo z avtomati. Po časovnem oknu 1000-ms, v katerem so se udeleženci lahko odzvali na cue, so se slike 3 pojavile zaporedoma vsakih 1500 ms, kar je povzročilo preskusne vrste 3: XXX, XXY ali XYZ. Udeleženci so osvojili € 0.05 na vsakem poskusu XXX in niso zmagali v drugih pogojih.
Slike so bile predstavljene v možnih naročilih 3: 1) 3 različne slike (npr. Kivi-češnje, imenovane XYZ poskusi), 2) 2 identična in drugačna slika 1 (npr. Kivi-kivi češnje, imenovana XXY) 3 enake slike (npr. kivi-kivi, ki se imenuje XXX poskusi). Ti poskusni tipi 3 predstavljajo eksperimentalne pogoje 3. Vrstni red, v katerem so bili predstavljeni preskusi, je bil naključno izbran in udeležencem je bila predstavljena nova kombinacija slik 3 na vsakem preskušanju.
Udeleženci so bili vnaprej obveščeni, da bodo na vsakem sojenju po XXX dobili € 0.05 in da ne bodo pridobili denarja za druge vrste poskusov. Ko se udeleženci niso odzvali med predstavitvijo programa 1000-ms, se je poskus končal in prejeli je kazen € 0.10. To se je zgodilo pri manj kot 5% preskusov. Ob koncu poskusa so bili skupni dobički (€ 1.50) dodani znesku, ki so ga udeleženci prejeli kot povračilo za sodelovanje v študiji.
MRI pridobivanje podatkov
Poskusi so bili predstavljeni med potekom dogodkov, povezanih z dogodki 2, ki so trajali približno 7 min. Vizualni dražljaji so bili projicirani na zaslon, ki so ga udeleženci lahko videli skozi ogledalo, pritrjeno na glavno tuljavo. Med skeniranjem so udeležencem predstavili skupno število preizkusov 120, v katerih so bile preizkušene XXX, XXY in XYZ mešane, tako da so bile v celoti predstavljene poskuse 60 XYZ, preskušanja 30 XXY in 30 XXX, v vsaki seriji pa so bila opravljena preskušanja 60. Na razlike v odzivu na nagrade, povezane s starostjo, lahko vpliva počasno zorenje sposobnosti za učenje verjetnosti in predvidevanje tveganja. Ta možnost smo nadzorovali s predstavitvijo zaporednih dražljajev 3 v psevdonosnem redu, da bi povečali negotovost. Na vseh preskušanjih po predstavitvi prve slike je bila verjetnost, da je naslednja slika v seriji 3 enaka, vedno 50%. Na enak način so bile po predstavitvi 2 enakih slik verjetnost, da je bila tretja slika enaka, 50% (50% XYZ, 25% XXY in 25% XXX poskusi, Donkers et al. 2005). Med eksperimentalnimi poskusi smo dodali obdobja fiksacije, ki so trajala med 1 in 3 s, posnetimi po korakih po 500 ms.
Skeniranje je bilo izvedeno s standardno tuljavo s celotno glavo na skenerju 3-T Philips na LUMC. Funkcionalni podatki so bili pridobljeni z uporabo T2* -težko odmevno-odmevni impulzni zaporedji gradient-eho (38 sosednje 2.75-mm poševne aksialne rezine, z uporabo prepletene pridobitve, časovno ponavljanje = 2.211 s, čas echo = 30 ms, 2.75 × 2.75 mm v ravnini ločljivost, 230 volumne na vožnjo ). Prvi 2 volumni vsakega skeniranja so bili zavrnjeni, da bi se omogočilo T1- učinki uravnoteženja. Visoka ločljivost T2* - tehtane slike in visoka ločljivost T1Ob koncu skeniranja smo zbrali anatomske slike. Gibanje glave je bilo omejeno z uporabo blazinic in penastih vložkov, ki so obdajali glavo.
fMRI predobdelava in statistična analiza
Predobdelavo in analizo podatkov smo izvedli z uporabo SPM2 (Wellcome Department of Cognitive Neurology). Slike so bile popravljene zaradi razlik v časovni razporeditvi zajemanja rezine, ki ji sledi korekcija gibanja trdnega telesa. Strukturni in funkcionalni volumni so bili prostorsko normalizirani T1 in echo-planarne slikovne predloge. Normalizacijski algoritem je uporabil afinitetno transformacijo s parametrom 12 skupaj z nelinearno transformacijo, ki vključuje kosinusne bazne funkcije. Med normalizacijo so bili podatki ponovno združeni v kubične voksele 3-mm. Predloge so temeljile na stereotaksnem prostoru MNI305 (Cocosco et al. 1997). Funkcionalni volumni so bili zglajeni s polno širino 8-mm pri polovici največjega izotropnega Gaussovega jedra. Statistične analize so bile izvedene na podatkih posameznih subjektov z uporabo splošnega linearnega modela (GLM) v SPM2.
Časovne vrste fMRI so bile modelirane kot serija dogodkov, povezanih s kanonično funkcijo hemodinamskega odziva (HRF) v ločenih modelih 2. Vsako preskušanje v modelu 3 smo modelirali (XXX, XXY in XYZ) kot dogodek ničelnega trajanja okoli začetka drugega dražljaja v prvem modelu in okoli začetka tretjega dražljaja v drugem modelu. Preskusi napak, ki so bili opredeljeni kot tisti poskusi, kjer se udeleženec ni odzval v oknu napak 1000-ms, so bili modelirani ločeno in so bili izključeni iz analiz fMRI.
Za vsakega udeleženca so bile uporabljene ocene parametrov višine najbolj primernega kanoničnega HRF za vsako stanje v parnih kontrastih. Za prvi model smo izračunali kontrastne slike za primerjavo XXY in XYZ (tj primerjavo situacije, ko so udeleženci prvič videli 2 slike, ki so bile iste [XX] proti 2 slikam, ki so bile drugačne [XY]), kar je razkrilo. vzorci aktivacije možganov, povezani s »predvidevanjem« izida preskušanj, temeljijo na hipotezi, da so mladostniki bolj občutljivi na potencialne nagrade kot odrasli. Pri drugem modelu smo izračunali kontrastne slike za primerjavo pogojev XXX in XXY ter primerjali možganske aktivacijske vzorce, povezane z obdelavo rezultatov poskusov. Nastali kontrastni posnetki, izračunani za vsakega udeleženca, so bili predloženi v analizo druge stopnje. Na ravni skupine so bili kontrasti med celimi možgani med pogoji izračunani z izvajanjem enostranskega t-preskusi na teh slikah, ki obravnavajo udeležence kot naključni učinek. Statistične karte celotnih možganov so bile določene na P <0.001, s pragom obsega 5 sosednjih vokslov.
Statistične analize: starostne razlike
Ker smo bili še posebej zainteresirani za vzorec aktivacije, povezane s predvidevanjem izidov in obdelavo rezultatov v različnih starostnih skupinah 3, smo opravili voxelno analizo variance (ANOVA) za identifikacijo regij, ki so pokazale razlike v aktivaciji, povezane s starostjo. Testirali smo za linearne (−1 0 1), kvadratne (−0.5 1 −0.5) in ukrivljene (1 − 0.5 −0.5), (−0.5 −0.5 1) učinke v kontrastih XXY – XYZ za prvi model ( izid) in XXX – XXY za drugi model (obdelava rezultatov). ANOVA so bile ocenjene kot pomembne pri statističnem pragu 0.001, ki ni bil popravljen za več primerjav, s pragom obsega 5 sosednjih vokselov.
Rezultati slikanja: Analiza regije interesa
Uporabili smo orodno orodje MARSBAR za uporabo s SPM2 (Brett et al. 2002) za analizo območja interesa (ROI) za nadaljnjo karakterizacijo vzorcev aktivacije. Ustvarili smo 6-mm sferične ROI-je, ki so bili osredotočeni na voksel aktivnosti v regijah, ki so bile identificirane pri testiranju ANOVA za razlike v starosti. Poleg tega smo uporabili MARSBAR za ekstrakcijo časovne vrste aktivnosti, ki je odvisna od ravni kisika v krvi, v teh ROI s povprečenjem časovnih tečajev za različne eksperimentalne pogoje, ki se začnejo na začetku vsakega preskušanja. Ti časovni tečaji so prikazani v ilustrativne namene Številke 2 in 3.
Rezultati celotnih možganov za udeležence od 0 do 12 let, od 14 do 15 let in od 18 do 23 let so povezani s pričakovanjem možne nagrade za kontrast XXY> XYZ na P <0.001 nepopravljen prag (zgornja plošča); 6-milimetrski sferični ROI in povprečni časovni tečaji za 3 starostne skupine za sprednji otok in striatum (spodnja plošča).
Rezultati celotnih možganov za udeležence od 10 do 12 let, od 14 do 15 let in od 18 do 23 let so povezani s pričakovanjem možne nagrade za kontrast XXX> XXY na P <0.001 nepopravljen prag (zgornja plošča) in XXY> XXX (v modri barvi); 6-milimetrski sferični ROI in povprečni časovni tečaji za 3 starostne skupine za striatum in OFC (spodnja plošča).
Rezultati
Pričakovani izid
Izvedli smo analizo GLM na funkcionalnih podatkih, oblikovanih ob nastopu drugega dražljaja, in izračunali voksealni kontrast XXY> XYZ za 10–12-letnike, 14–15-letnike in 18–23-letnike ločeno. Te analize so privedle do prekrivanja področij aktivacije za 3 starostne skupine. V vseh starostnih skupinah je bilo predvidevanje izida dosledno povezano z aktivacijo v desni sprednji otočki (glej Slika 2, zgornja plošča). Za starostnike 10 – 12 in starostnike 14 – 15 so v obeh hemisferah našli aktivacijo sprednje insule. Poleg tega so adolescentne starostne skupine pokazale aktivacijske grozde v ventralnem striatumu in hrbtni cingulatni skorji. V poročilu so navedene pomembne skupine in ustrezne koordinate MNI Dodatna tabela 1.
Testiranje ANOS za voxelwise za starostne spremembe za kontrast XXY – XYZ ni povzročilo nobenih pomembnih skupin na pragu P <0.001. Na bolj liberalnem pragu (P <0.005), je testiranje ANOVA za kontrast −1 0 1 razkrilo linearno spremembo aktivacije s starostjo v desni sprednji otoki (vrh pri 42, 12, −3, z = 2.95), F1,47 = 11.24, P = 0.002. Ustvarili smo 6-mm sferično ROI s središčem na tem vmesniku in izvedli starostno skupino (3) × pogoj (2) ANOVA na podatkih, izpisanih iz te ROI, za nadaljnjo karakterizacijo aktivacijskih vzorcev v tej regiji. Povprečne časovne vrste za ta ROI so prikazane na spodnji plošči Slika 2. ANOVA za to ROI je povzročila interakcijo med starostno skupino × stanje, F2,47 = 7.00, P = 0.002. Nadaljnje primerjave so potrdile, da je bila ta regija bolj aktivna v XXY v primerjavi s stanjem XYZ v starostnikih 10 – 12, F1,16 = 11.26, P = 0.004 in starostniki 14 – 15, F1,17 = 3.62, P = 0.005. Za letnike, starejše od 18 – 23, razlika med pogoji ni bila pomembna (P =
V striatumu ni bilo ugotovljenih starostnih sprememb za kontrast XXY-XYZ. ANOVA je pokazala, da je bila ta regija aktivna v vseh starostnih skupinah (vrh pri -9, 9, 0, z = 4.57) v pričakovanju rezultatov, F3,47 = 13.11, P <0.001. Kot je bilo pričakovano, so ANOVA na podatkih, pridobljenih iz 6-milimetrske kroglaste ROI za to regijo, povzročili glavni učinek stanja F1,47 = 23.73, P <0.001 in brez pomembne interakcije s starostno skupino (P = 0.1). Ti rezultati kažejo, da je bil striatum v vseh starostnih skupinah v enaki meri predviden za potencialno nagrado. Kljub temu pa primerjave za starostne skupine ločeno kažejo na večji odziv striktuma v adolescentih. To pomeni, da je v letih starih 10-12 in 14-15 stanje XXY povzročilo bistveno večjo aktivacijo v primerjavi s pogojem XYZ (P = 0.001 za glavni učinek stanja), medtem ko je pri odraslih ta razlika pokazala le trend do pomena (P =
Obdelava rezultatov
Za preučevanje vzorcev aktivacije možganov, povezanih z obdelavo izidov, je bila opravljena podobna analiza GLM na funkcionalnih podatkih, oblikovanih ob nastopu tretjega dražljaja. Spet smo izračunali nasprotja obresti za 10-12-letnike, 14-15-letnike in 18-23-letnike ločeno. Za kontrast XXX> XXY (obdelava nagrad) smo v striatumu in hrbtni cingulativni skorji našli aktivacijo pri 10-12-letnikih in 14-15-letnikih (glej Slika 3, zgornja plošča). Za letnike, starejše od 18-23, ni bilo najdenih pomembnih skupin, niti na bolj liberalnem nepopravljenem pragu P <0.005. Otroci od 14 do 15 let so pokazali aktivacijo tudi v levem bočnem PFC.
GLM za obratni kontrast XXY> XXX (obdelava izpuščene nagrade) ni razkril nobenih pomembnih skupin tako za 10-12-letnike kot za 14-15-letnike. Nasprotno pa je bilo ugotovljeno, da se je regija v levem OFC bolj odzivala na izpuščene nagrade pri 18-23-letnikih pri nepopravljenem pragu P <0.001. Pregled pomembnih skupin in ustrezne koordinate MNI so predstavljeni v Dodatna tabela 2.
Testiranje voxelwise ANOVA za starostne spremembe za kontrast XXX-XXY je potrdilo ugotovitve celotnih možganov za kontrast XXX> XXY s prikazom, da se aktivacija v striatumu razlikuje med mladostniki in mlajšimi odraslimi. Na nepopravljenem pragu P <0.001, je testiranje ANOVA za kontrast –0.5 1 –0.5 razkrilo skupino v ventralnem striatumu (vrh pri 12, 9, –15, z = 3.68), ki je pokazala kvadratni razvojni vzorec, F1,47 = 17.64, P <0.001. Starostna skupina (3) × pogoj (2) ANOVA na podatkih, pridobljenih iz 6-milimetrske sferične ROI, osredotočene na ta voksel, je pokazala, da je bila ta regija bolj aktivna v XXX v primerjavi s stanjem XXY pri 14-15-letnikih F1,17 = 22.84, P <0.001, vendar se niso razlikovali med pogoji pri 10-12-letnikih (P = 0.41) in 18 - 23 letniki (P = 0.12) (glej Slika 3, spodnja plošča).
Kontrasti celih možganov za različne starostne skupine so razkrili regijo v lateralni OFC, ki se je odzvala na izpuščene nagrade v skupini odraslih. Ta ugotovitev je bila potrjena z ANOVA testom za krivuljni razvojni trend z kontrastom −0.5-0.5 1, ki je povzročil regijo v lateralnem OFC (vrh pri -27, 48, −3, z = 3.05), F1,47 = 11.99, P = 0.001 (glej Slika 3, spodnja plošča). ANOVA na sferičnem ROI za 6-mm za to regijo je povzročil pogoj × interakcijo med starostnimi skupinami F2,47 = 8.67, P = 0.001. Nadaljnje primerjave so potrdile, da je ta regija pokazala le večji odziv na opustitev nagrad v primerjavi s prejetimi nagradami v letnikih starosti 18 – 23. F1,14 = 7.38, P = 0.02.
Razprava
Ta študija je bila motivirana z vprašanjem, kako se mladostniki razlikujejo od odraslih v njihovi občutljivosti na negotovo nagrado. Preučili smo razvojno trajektorijo aktivacije možganov, povezano z obdelavo negotovega nagrajevanja med fazami predvidevanja in izida. V predhodnih študijah so poročali o nedoslednih ugotovitvah glede obravnave nagrajevanja mladostnikov, ki kažejo tako »prekomerno« (Galvan et al. 2006) in »nedejavno« (Bjork et al. 2004) spodbujevalna nevroskopska povezava v adolescenci. Ta študija se je od teh prejšnjih študij razlikovala v tem, da smo uporabili paradigmo, ki je povzročila verjetnostno nagrado, ki ni bila odvisna od vedenja. Ta pristop nam je omogočil preučiti osnovne razlike v občutljivosti nagrajevanja v negotovosti. Poleg tega smo preučevali nevralne razlike v različnih starostnih skupinah 3: starostniki 10 – 12, starostniki 14 – 15 in letniki 18 – 23, kar nam je omogočilo testiranje različnih vzorcev sprememb, povezanih s starostjo.
Študija je pokazala glavne rezultate 2: 1), ko so predvidevali negotovo nagrado, so vse starostne skupine pokazale povečano aktivacijo v striatumu, vendar je grozd v sprednji inzuli pokazal linearno zmanjšanje aktivacijske oblike v zgodnji adolescenci do odraslosti in 2) pri obdelavi rezultatov V raziskavah so bili mladostniki bolj odzivni na prejete nagrade, kar kaže povečana aktivacija v ventralnem striatumu, medtem ko so se mladi odrasli najbolj odzvali na opustitev nagrad, kar je pokazala povečana aktivacija v OFC. Naše ugotovitve na splošno podpirajo hipotezo, da je za srednjo adolescenco značilna prekomerna nevroskopska povezava, povezana s spodbudami, vendar pa smo pokazali, da je ta učinek najbolj izrazit v fazi prejemanja nagrad. V luči rezultatov predhodnih študij ti rezultati dajejo prednost hipotezi, da prekomerno placilno vezano vezje in nezrelo vezje PFC potencialno pristransko mladostnike proti tveganju (glej tudi Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006; Casey, Getz, et al. 2008).
Razvojne spremembe v pričakovanju izida
Predvidevanje rezultatov je bilo povezano z aktivacijo v striatumu in sprednji inzuli, ko so bili prvi dražljaji 2 identični in so pokazali možnost zmage. Aktivacija v insuli se je s starostjo zmanjšala linearno; ta regija je bila najbolj aktivna v letnikih starejših od 10 – 12, manj aktivnih v letnikih starejših od 14 – 15 in najmanj aktivnih v letnikih 18 – 23, ko so predvidevali nagrado. V paradigmi, ki smo jo uporabili, je bilo predvidevanje potencialne nagrade povezano z največjo negotovostjo. Po predstavitvi 2 enakih slik je bila verjetnost, da je tretja slika enaka ali različna, enaka. V nasprotju s tem, ko je bila druga slika drugačna od prve, nagrada ni bila več mogoča in posledično ni bilo negotovosti, povezane s predvidevanjem izida. Starostna sprememba v aktivaciji sprednje insule bi tako lahko odražala razlike v vsaj procesih 2: 1) pozitivne vzburjenosti, povezane s predvidevanjem prejemanja nagrade, ali 2) negotovosti pri predvidevanju neznanega izida.
Naši rezultati so skladni z rezultati nedavnih študij, ki so vključevale prednjo insulo v primerih, ko so odločitve povezane z negotovostjo (Paulus et al. 2003; Volz et al. 2003; Huettel et al. 2005; Huettel 2006; Volz in von Cramon 2006). Anteriorna insula je bila pogosto vpletena v izkušnjo psihofiziološkega vzburjenja. Predlagano je bilo, da insula pomaga pri odločanju tako, da odraža odzive avtonomnega živčnega sistema na tveganje, povezano z odločitvijo (Bechara 2001; Critchley et al. 2001; Paulus et al. 2003). Predlagali smo, da veliki avtonomni signali pred neugodnimi odločitvami služijo kot opozorilni signal, ki ščiti pred tveganjem (Bechara et al. 1997). V luči te hipoteze se zdi, da je povečan odziv insule pri mlajših mladostnikih protisloven. Vendar pa so druge študije pokazale, da ta avtonomni signal odraža pomembnost odločitve, ki jo je treba sprejeti (Tomb et al. 2002), in predhodne razvojne študije so pokazale, da otroci pri predvidevanju tveganih odločitev doživljajo avtonomne signale, vendar teh signalov ne uporabljajo za optimizacijo svojih odločitev (Crone in van der Molen 2004, 2007; Crone et al. 2005). V sedanji študiji bi lahko povečana aktivacija insule pri mladih mladostnikih odražala nezrelost te regije. Najmlajši udeleženci so lahko doživeli povečano psihofiziološko vzburjenost, povezano z negotovostjo, povezano s predvidevanjem možne nagrade. Čeprav nismo zbirali subjektivnih ocen vpliva, so prejšnje študije poskušale povezati izkušene učinke in vzorce aktivacije možganov. Nedavna študija je pokazala, da čeprav je aktivacija v ventralnem striatumu povezana s pozitivnim učinkom, je aktivacija v sprednji inzuli povezana s pozitivnim in negativnim učinkom.Samanez-Larkin et al. 2007). Rezultati te študije kažejo, da bi lahko anteriorna insula prispevala k odločanju tako, da bi v nejasnih situacijah odražala splošno vzburjenje.
Huettel (2006) ločena negotovost, povezana s količino potencialne nagrade, ki bi jo bilo mogoče pridobiti (tveganje nagrajevanja), in negotovost glede optimalnega odziva (vedenjsko tveganje). Pokazal je, da na aktivacijo v sprednji inzuli selektivno vpliva negotovost, povezana z izbiro odziva. Naši rezultati prispevajo k tej ugotovitvi s tem, da kažejo, da je anteriorna insula vključena v negotove razmere v odsotnosti izbire odziva, kar kaže, da ima ta regija lahko bolj splošno vlogo pri predstavljanju negotovosti rezultatov. Nedavna študija (Preuschoff et al. 2008) je pokazala, da sprednja insula odraža stopnjo negotovosti na podoben način, kot je striatum občutljiv na velikost nagrad. Avtorji predlagajo, da bi lahko sprednja insula podpirala procese, podobne napakam napovedi napovedi v striatumu. Linearno zmanjšanje aktivacije v tej regiji kaže, da je funkcija sprednje insule nezrela v adolescenci in da bi jo lahko uporabili za sklepanje o večjih težavah pri mladostnikih, da bi ocenili tveganje v negotovem položaju. Možno je, da so mladostniki pričakovali, da bodo nagrado pogosteje primerjali z odraslimi v tej študiji, ker niso izvedeli, da je pojav nagrade nepredvidljiv. Povišan odziv v sprednji insuli pri predvidevanju negotovega nagrajevanja lahko vzbudi adolescente proti povečanemu tveganemu vedenju.
Ena razlaga, ki jo je treba upoštevati, je, da povečana aktivacija v sprednji inzuli odraža negativni učinek. Nepobudba je lahko povezana z bolj izkušenim negativnim vzburjenjem, ko se pojavi na koncu preskušanja (XXY) v primerjavi s tem, ko se pojavi na predstavitvi druge slike (XYZ). Čeprav smo ocenjevali HRF na začetku drugega dražljaja, je tretji stimulus sledil 1.5 s kasneje. Zato je možno, da na opazovani nevralni odziv vpliva tretji dražljaj. V prihodnjih študijah bo pomembno nadalje preučiti učinek tako stopnje tveganja / negotovosti kot višine plačila za odločanje mladostnikov. Glede na možno osredotočenost mladostniške skupine na nagrado bi bilo zanimivo preskusiti, ali se nevralni sistemi, ki se odzivajo na negotovost, odzivajo podobno, ko je valenca izida negativna, tj. Ko bi pogoj XXX odražal izgubo, ne pa dobiček.
Razvojne spremembe pri obdelavi rezultatov
Kot je bilo pričakovano, je zmagovalni denar povzročil povečano aktivacijo v ventralnem striatumu. Ta ugotovitev ponavlja prejšnje študije, ki so pokazale, da se ta regija odziva na nagrade (Knutson et al. 2001; McClure et al. 2003; Huettel 2006). Zanimivo je, da je striatna aktivacija po zmagi dosegla najvišjo vrednost v 14-15 letnikih in je bila manj izrazita v starostnikih 10-12 in 18-23, v skladu s hipotezo, da je ta regija bolj odzivna pri mladostnikih (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Casey, Getz, et al. 2008).
V tej študiji smo ugotovili, da je najvišja odzivnost ventralnega striatuma v srednji adolescenci le za procesno nagrajevanje in ne za predvidevanje nagrajevanja. Ta ugotovitev je v neskladju s prejšnjimi študijami, ki so poročale o povečanju aktivacije v tej regiji pred dejanskim prejemanjem nagrad. Ti predhodni rezultati so bili narejeni, da kažejo na vlogo ventralnega striatuma pri napovedovanju in predvidevanju rezultatov (Knutson et al. 2001; Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006; Huettel 2006). Naše ugotovitve pa kažejo, da je najvišji odziv v ventralnem striatumu pri mladostnikih ugotovljen le za prejemanje nagrad. V prejšnjih poskusih so znaki pokazali potencialne nagrade in omogočili napovedovanje nagrad, zato bi aktivacija v ventralnem striatumu v teh študijah lahko odražala zgodnji odziv na »poznavanje«, ki ga bo nagrada sledila, ne pa predvidevanje »možnosti« za nagrado. Te podatke je mogoče uporabiti tudi za sklepanje, da mladostniki precenjujejo svoje možnosti za pridobitev nagrade ali zmožnosti za nagrado. Predlagamo, da v tej študiji največje povečanje aktivacije v ventralnem striatumu ni bilo opaženo do dejanske dostave nagrad, ker je zasnova naloge maksimizirala negotovost in ni dopuščala napovedi za nagrado. Čeprav rezultati predvidevanja niso pokazali statistično značilnega maksimuma v aktivaciji in medsebojne interakcije brez pogojev starosti v ventralnem striatumu, so sledilne analize nakazovale, da je bil odziv striptizma večji pri mladih in srednjih mladostnikih glede na odrasle. Prihodnje študije bi morale podrobneje preučiti predvidevanje v primerjavi z rezultati.
Končno, mlajši odrasli, vendar ne zgodnji in srednji mladostniki, so pokazali povečano aktivacijo v levem stranskem OFC po opustitvi nagrad. Stranski OFC je bil prej vpleten v obravnavo kazni (O'Doherty et al. 2001). OFC je močno povezan tako z apetitnim tokokrogom kot z drugimi regijami znotraj PFC, pred kratkim pa je bilo predlagano, da ima OFC integrativno funkcijo, ki usmerja odziv možganov na čustvene informacije in usmerja afektivno odločanje z vzdrževanjem in posodabljanjem predstavitve. pričakovanja v zvezi s spodbudami na spletu (za preglede glej O'Doherty 2007 in Wallis 2007). Odziv lateralnega OFC pri mladih odraslih lahko torej kaže na potrebo po večji pozornosti in prilagajanju vedenja po negativnih rezultatih. Opozoriti je treba, da je OFC heterogena regija in da je treba v prihodnjih študijah preizkusiti številna vprašanja v zvezi z njeno vlogo pri ciljno usmerjenem vedenju in odločanju ter s tem povezane spremembe z razvojem. Ugotovitev, da je ta regija vključena v obdelavo neugodnih izidov pri odraslih, vendar ne v zgodnjih in srednjih mladostnikih, je skladna s hipotezo, da mreže v možganih, povezane z obdelavo višjega reda in kognitivnimi nadzornimi funkcijami, ne zrejo do pozne adolescence (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006).
Sklepi
Sedanje ugotovitve je mogoče razlagati v luči nedavnih poročil, ki iščejo nevropsihološko pojasnilo za vedenje mladostnikov. Oba omrežja za obdelavo socialnih informacij (SIPN) (Nelson et al. 2005) in triadni model (Ernst et al. 2006) vsebujejo apetitivno komponento in kognitivno / regulativno komponento. V teh modelih je za adolescentno obnašanje značilen močan apetitivni sistem in razmeroma šibek nadzorni sistem. Model SIPN (Nelson et al. 2005) kaže, da so možganske strukture, ki so osnova za apetitivno komponento, odzivne na gonadne hormone in se sprožijo na začetku pubertete, v nasprotju s kognitivnimi strukturami, ki sledijo počasnejšemu razvoju.
Pasivna paradigma, uporabljena v tej študiji, nam ni omogočila, da bi rešili vprašanja o tem, kako razlike v nevralnem substratu obdelave nagrajevanja in zaznavanja tveganja med mladostniki in odraslimi prispevajo k motiviranemu vedenju pri mladostnikih in odraslih. Pomembno je pojasniti to razmerje in njegovo razvojno usmerjenost, saj ima lahko mladostno tvegano vedenje resne posledice (Steinberg 2004; Fareri et al. 2008). Ugotovitev, da so možganske regije, povezane z nagrajevanjem, bolj odzivne v adolescenci, tudi če so nagrade nepovezane z vedenjem in majhnimi, kaže na bistvene razlike v načinu obdelave negotovih nagrad v različnih starostnih obdobjih. Da bi lahko ocenili ekološko veljavnost teh ugotovitev, bi morale prihodnje študije upoštevati individualne razlike, na primer pri iskanju občutkov, temperamentu in spolu, ter te regije preučiti z bolj zapletenimi nalogami. Druga omejitev te študije je, da nismo dobili neposrednih meritev pubertetnega statusa, kar omejuje našo zmožnost interpretacije prispevka pubertetnih sprememb k razlikam med letniki 10 – 12 in 14 – 15. Prihodnje študije bi morale poskušati tesneje povezati spremembe, povezane s starostjo, s spremembami, povezanimi s pubertetnim razvojem.
Če povzamemo, naše ugotovitve kažejo, da se vzorci aktivacije možganov, povezani s predvidevanjem izida v odsotnosti vedenja, razlikujejo od tistih, ki so povezani z obdelavo rezultatov. Predvidevanje negotove nagrade je povezano z aktivacijo v sprednji insuli in striatumu. Zlasti aktivacija v sprednji inzuli kaže linearni razvojni trend in se zmanjšuje od zgodnjega mladostništva do mlade odrasle dobe. V nasprotju s tem je obdelava nagrade povezana z najvišjo vrednostjo aktivacije v ventralnem striatumu v starostnikih 14 – 15 in starostnikih 10 – 12 v manjši meri. Zanimivo je, da so letniki 18 – 23 najbolj odzivni na izpuščeno nagrado, kar kaže na aktivacijo v lateralnih regijah OFC. Te ugotovitve podpirajo hipotezo, da je za adolescenco značilno neravnovesje v zorenju afektivnih in regulativnih možganskih vezij (May et al. 2004; Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006). Sedanji podatki kažejo, da se na osnovni ravni obdelave mladostniki bolj odzivajo na pričakovano in prejeto nagrado ter tveganje, povezano z negotovostjo v primerjavi z odraslimi.
Dodatni material
Dodatni material najdete na: http://www.cercor.oxfordjournals.org/.
Financiranje
Raziskave avtorjev (EAC in SARBR) so omogočile donacije NWO VENI / VIDI.
Reference
;
