Cereb. Bark (2010) 20 (1): 61-69. doi: 10.1093 / cercor / bhp078
+ Författaranslutningar
Adresskorrespondens till Linda Van Leijenhorst. Psykologiska institutionen, Leiden Universitet, Institutet för psykologisk forskning, Wassenaarseweg 52, 2300 RB Leiden, Nederländerna. E-post: [e-postskyddad].
Abstrakt
Relationen mellan hjärnans utveckling över ungdomar och ungdomar riskabelt beteende har lockat ökat intresse de senaste åren. Det har föreslagits att ungdomar är överkänsliga för belöning på grund av en obalans i utvecklingsmönstret följt av striatum och prefrontal cortex. Hittills är det oklart om ungdomar bedriver riskabelt beteende eftersom de överskattar potentiella belöningar eller svarar mer på mottagna belöningar och om dessa effekter uppstår i avsaknad av beslut. I den här studien använde vi ett funktionellt magnetiskt resonansbildningsparadigm som gjorde det möjligt för oss att skilja upp effekterna av förväntan, kvitto och utelämnande av belöning i 10-till 12-åriga, 14-till 15-åriga och 18- till 23-åriga deltagare.
Vi visar att i väntan på osäkra resultat är den främre insula aktivare hos ungdomar jämfört med unga vuxna och att den ventrala striatumen visar en belöningsrelaterad topp i medelåldersåren, medan unga vuxna uppvisar orbitofrontal cortexaktivering till utelämnad belöning. Dessa regioner visar tydliga utvecklingsbanor.
Denna studie stöder hypotesen att ungdomar är överkänsliga för att belöna och lägger till den nuvarande litteraturen för att visa att neuralt aktivering skiljer sig åt hos ungdomar, även för små belöningar i frånvaro av val. Dessa resultat kan få viktiga konsekvenser för att förstå ungdomsrisker.
Beskrivning
Ofta fattas beslut i osäkra situationer, där inte all information som behövs för att fatta ett rationellt beslut är känt. När val i osäkra situationer är förknippade med eventuella negativa resultat anses de vara riskabla. En ökning av riskabelt beteende är en av de mest framträdande egenskaperna hos ungdomar (Arnett 1999; Steinberg 2004; Boyer 2006). Denna förändring i beteende tyder på en skillnad i ungdomars beslutsprocesser jämfört med vuxna. Det innebär att ungdomar kan välja olika sätt mellan konkurrerande handlingssätt i en osäker situation eftersom de väger de möjliga resultaten och de sannolikheter som dessa uppträder annorlunda jämfört med vuxna. Tidigare studier har föreslagit att ungdomar är förspända mot att ta risker på grund av skillnader i hur de upplever belöningar (Bjork et al. 2004; May et al. 2004; Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst et al. 2006).
Funktionella magnetiska resonansbildningsstudier (fMRI) har identifierat hjärnregioner relaterade till resultatförväntning och behandling. Många studier har visat att ventralstriatumet svarar mot förväntningar på potentiella belöningar (Breiter et al. 2001; Knutson et al. 2001; Dagher 2007; Tom et al. 2007), vilket bekräftades av en ny metaanalys (Knutson och Greer 2008). jagn tillägg har den främre insula blivit implicerad i förväntan på resultat och aktivering i denna region är också ofta associerad med osäkerheten i samband med anticipation (Critchley et al. 2001; Volz et al. 2003). Slutligen har flera studier på vuxna visat det medial prefrontal cortex (PFC), orbitofrontal cortex och anterior cingulate cortex är involverade i behandling av belöningar (Rolls 2000; Bechara 2001; Knutson et al. 2001; O'Doherty et al. 2001, 2002).
Den funktionella utvecklingen av dessa regioner är inte väl förstådd. De få utvecklingsstudier hittills visar ett till synes inkonsekvent mönster av resultat. Risken för ungdomar har å ena sidan varit förknippad med en "minskad" känslighet hos ventralstriatum för att belöna hos ungdomar jämfört med vuxna. Detta neurala svar har föreslagits för att leda ungdomar att söka mer stimulerande upplevelser för att kompensera för låga nivåer av aktivering i ventralstriatumet (Spjut 2000; Bjork et al. 2004). On å andra sidan har ungdomsriskupptagning associerats med en "ökad" responsivitet hos ventralstriatumet för att rewarerad (Galvan et al. 2006). I dessa studier föreslogs att denna ökning av svaret på potentiella fördelar i kombination med omogna kognitiva kontrollförmågor (som följer av den långvariga utvecklingen av PFC) förhindrar ungdomar att ta risker (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Casey, Jones, et al. 2008).
Tolkningen av dessa utvecklingsfynd är komplicerad för 2 skäl. För det första finns det en stor variation i deltagarnas åldrar som har inkluderats i dessa studier om ungdomsbelöningsprocesser. Detta är problematiskt eftersom ungdomar bildar en mycket heterogen grupp, till exempel i början av ungdomsveckan kan utvecklingsförändringar påverkas av pubertetsförändringar. I tidigare studier har ungdomar från ett brett åldersintervall inkluderats. Till exempel i studien av Bjork et al. (2004)ungdomskoncernen bestod av deltagare i åldrarna 12-17 år, vilket kan hindra vår tolkning av utvecklingsmönstret. Strukturella hjärnbildningsstudier har visat att utvecklingen av hjärnstruktur i form av grå och vit materia andel fortsätter under hela tonåren (Giedd et al. 1999; Gogtay et al. 2004), och en ny studie har visat att dessa utvecklingsförändringar följer ett icke-linjärt mönster i många hjärnregioner (Shaw et al. 2008). En andra svårighet är att olika experimentella paradigmer har använts i tidigare rapporter, vilket gör det svårt att jämföra resultat. I tidigare studier var belöningarna till exempel beroende av deltagarnas arbetsuppgift och kraven för att få fördelar varierade. Belöningar kan bero på reaktionstider (t.ex. Bjork et al. 2004) eller på responsnoggrannhet / sannolikhet matchande (t.ex. Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst et al. 2006; Eshel et al. 2007). Dessutom är belöningsstyrkan (Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006), belöningssannolikhet (May et al. 2004; Van Leijenhorst et al. 2006), eller både storlek och sannolikhet (Ernst et al. 2005; Eshel et al. 2007) manipulerades. Det är därför svårt att relatera utvecklingsskillnader vid ventralstriatumaktivering för att riskera eller belöna behandlingen mer generellt. Nyligen har studier om vuxna beslutsfattande försökt att förutsäga beteende baserat på föregående förändringar i aktivering av ventralstriatumet (Knutson och Greer 2008). Dessa studier visade att ökad ventral striatumaktivering är associerad med ökad villighet att ta risker hos vuxna. I en tidigare studie inklusive vuxna, Knutson et al. (2008) använde en beslutsuppgift och presenterade givande bilder som inte var relaterade till uppgiften. Presentation av dessa bilder var relaterad till ökad aktivering av ventralstriatum och ökad risk att ta risker (Knutson et al., 2008). Om en topp i aktivering av ventralstriatum hos ungdomar driver dem för att ta risker är det viktigt att förstå i vilken utsträckning regionen är oberoende av beteendebehov. Dessutom är det viktigt att förstå vid vilken fas, under förväntan eller behandling av belöningar, skillnader mellan ungdomar och vuxna observeras. En bättre förståelse av orsakerna till ungdomsbelöningsprocessen kan bidra till att tolka det potentiellt skadliga riskbeteendet som många ungdomar engagerar sig i. Det är viktigt att förstå huruvida ungdomar är mer benägna att delta i riskabelt beteende jämfört med vuxna eftersom de överskattar potentiella fördelar (i en tidig fas i beslutsprocessen) eller eftersom deras svar på mottagna belöningar skiljer sig från det hos vuxna (i en senare fas). Insikt om dessa möjliga skillnader i belöningssensitivitet i ungdomar informerar oss om de processer som ligger till grund för ungdomars verkliga risker i det verkliga livet. Dessutom kan denna kunskap hjälpa till att försöka intervenera och skydda ungdomar mot de problem de står inför. Grundläggande skillnader i belöningsrelaterade hjärnregioner mellan deltagare från olika åldrar kan komplicera tolkningen av utvecklingsförändringar i beteende. Ett sätt att arbeta kring denna svårighet är att studera belöningsprocesser med hjälp av en experimentell uppgift, där belöning och risk inte är relaterad till deltagarnas beteende (för liknande sätt, se Tobler et al. 2008). Därför var målet med denna studie att undersöka utvecklingsskillnader i neuralt aktivering relaterad till olika faser av belöningsprocessering i avsaknad av beteende.
Vi jämförde de neurala substraten av resultatförväntning och resultatbehandling i tidig och medelålders adolescent och ung vuxen ålder med fMRI. För att identifiera utvecklingsmönstret för hjärnregioner som medverkat i behandlingen av belöning inkluderade vi 3-homogena åldersgrupper (10-12-åringar, 14-15-åringar och 18-23-åringar). Dessa deltagare utförde en spelautomatuppgift (Donkers et al. 2005), ett enkelt paradigm där små monetära belöningar är oförutsägbara och inte relaterade till beteende. I denna uppgift ser deltagarna 3-spelautomater där bilder av frukt presenteras i följd. Endast när dessa 3-bilder är desamma, vinner deltagarna pengar. Uppgiften innefattar presentationen av 3 olika förhållanden: 1) alla 3-bilder är olika (kallad XYZ-tillståndet), 2) De första 2-bilderna är desamma men det tredje är annorlunda (kallat XXY-tillståndet) och 3) är alla 3-bilder samma (benämns XXX villkor). På det sättet tillåter paradigmet oss att skilja upp hjärnans aktivering i samband med resultatförväntningen (när de första 2 av 3-bilderna är samma mot alla 3-bilder är olika, XXY vs XYZ), behandling av belöning (när alla 3-bilder är samma vs den första 2 av tre bilder är desamma, XXX vs XXY) och utelämnande av belöning (XXY vs XXX).
Våra analyser fokuserade på att identifiera hjärnregioner som är inblandade i belöningsprocesser och osäkerhet, inklusive striatum, insula och orbitofrontala cortex (OFC). Vår första hypotes var att dessa regioner visar funktionell utveckling, vilket återspeglas i ett annat aktiveringsmönster i de olika åldersgrupperna. Vi testade för linjära och olinjära utvecklingsmönster. Vår andra hypotes var att om ungdomsriskupptagning är förknippad med ökad känslighet för belöning, bör detta återspeglas i en topp vid aktivering i ventralstriatum i denna åldersgrupp. Vi undersökte vid vilken tidpunkt, under förväntan eller behandling av resultat, att ventralstriatumet skulle visa olika svar i avsaknad av beteendeskrav och huruvida responsen till belöningar i denna region skulle ökas eller minskas hos ungdomar jämfört med vuxna. Resultaten förväntas ge insikter i utvecklingen av belöningsrelaterade hjärnregioner under tonåren och bidra till tolkningen av skillnader i neurala svar mellan ungdomar och vuxna i mer komplexa belönings- och riskupptagande uppgifter.
Material och metoder
Deltagare
Totalt deltog 53-friska, högerhandiga volontärer i studien, femton 18-23-åringar (7-honor, medelålder = 20.2, standardavvikelse [SD] = 1.6), arton 14-15-åringar (10-honor ålder = 15.0, SD = 0.7) och sjutton 10-12 åringar (8 kvinnor, medelålder 11.6, SD = 0.8). Informerat samtycke erhölls från alla deltagare och från en primär vårdgivare om deltagarna var yngre än 18 år. Studien godkändes av den medicinska etiska kommittén vid Leids Universitets Medical Center (LUMC). Data från 3 ytterligare vuxna deltagare uteslutes på grund av tekniska svårigheter. Data för deltagare som hade flyttat mer än 3 mm i någon riktning uteslutits från analyserna. Av denna anledning utesluts data från 3-deltagare (14, 15 och 10 år gamla). Genomsnittlig rörelse var 0.52 mm för 18-23 åringar, 0.68 mm för 14-15 åringar och 0.62 mm för 10-12 åringar. Skillnaden i genomsnittlig rörelse mellan åldersgrupperna var inte signifikant (P > 0.1).
Beteendebedömning
Före avsökningen var alla deltagare förberedda för skanningssessionen i ett tyst laboratorium där en mock scanner var närvarande. Denna mock scanner, som simulerade miljön och ljudet av en MRI-skanner (magnetic resonance imaging), gav minderåriga möjlighet att bli vana vid skannermiljön och använde sig för att förklara skanningsförfarandet för alla deltagare. För att få en uppskattning av IQ, åldersanpassade versioner av 2-undersökningar av Wechsler Adult Intelligence Scale (Wechsler 1981) eller Wechsler Intelligence Scales för barn (Wechsler 1991) -Likheter och blockdesign-administrerades till alla deltagare. För 10-12-åringar, 14-15-åringar och 18-23-åringar, uppskattas IQ: er 119.7 (SD = 9.7), 106.0 (SD = 9.0) respektive 108.7 (SD = 9.4). 10-12-åringarnas genomsnittliga IQ var signifikant högre i förhållande till de andra 2-åldersgrupperna (F2,49 = 11.62, P = 0.001), men de totala deltagarnas IQ föll i genomsnitt. Analyserna som rapporteras nedan korrigerades alla för skillnader i IQ genom att addera IQ som en kovariabel faktor till analyserna. Emellertid påverkades ingen av effekterna av IQ-skillnader. Därför beskrivs inte IQ-skillnader vidare.
Alla deltagare screenades för psykiatriska tillstånd, drogbruk, huvudskador och kontraindikationer för MR med hjälp av en checklista. Inga deltagare rapporterade några problem. Därtill screenades deltagare i de yngsta åldersgrupperna i 2 för beteendeproblem med hjälp av föräldrarnas betyg på checklistan för barnbeteende (Achenbach 1991). Poängen för alla deltagare föll inom det icke-kliniska området.
Experimentell design
Deltagarna utförde Slot Machine Task, en barnvänlig version av ett paradigm som tidigare användes av Donkers et al. (2005). Varje försök startade med presentation av 3 tomma spelautomater. Efter 500 ms presenterades ett mynt längst ner på skärmen för 1000 ms, som fungerade som en cue. För att hålla deltagarna engagerade i (annars passiv) uppgiften instruerades de att starta maskinerna genom att trycka på en förinställd knapp med sitt högra pekfinger vid presentation av koden. Svaret måste ges inom ett 1000-ms tidsfönster. Efter 1000-ms-fönstret presenterades 3-bilder, varje 1 av 3 möjliga frukttyper - en kiwi, en päron eller ett par körsbär - i följd, från vänster till höger i spelautomaterna, varje 1500-ms Fig 1).
Exempel av (a) en rättegång och (b) möjliga resultat visas för spelautomaten. Efter ett 1000-ms tidsfönster där deltagare kunde svara på cue såg 3 bilder efter varandra varje 1500 ms, vilket resulterade i 3-provtyper: XXX, XXY eller XYZ. Deltagarna vann € 0.05 på varje XXX-försök och vann inte under de andra förutsättningarna.
Bilder presenterades i 3 möjliga beställningar: 1) 3 olika bilder (t.ex. kiwi-päron-körsbär, benämnda XYZ-försök), 2) 2 identisk och 1 olika bild (t.ex. kiwi-kiwi-körsbär, benämnd XXY försök) eller 3) 3 identiska bilder (t.ex. kiwi-kiwi-kiwi, kallad XXX försök). Dessa 3-provtyper representerar 3-experimentella förhållanden. Ordningen i vilken prövningar presenterades var randomiserad och deltagarna presenterades med en ny kombination av 3-bilderna på varje försök.
Deltagarna fick i förväg instruktioner om att de skulle få € 0.05 på varje XXX-försök och att de inte skulle få pengar på andra typer av försök. När deltagare misslyckades med att svara under Xuex-ms-cue-presentationen slutade försöket och de fick ett straff på € 1000. Detta inträffade på mindre än 0.10% av försöken. I slutet av försöket tillsattes de totala vinsterna (€ 5) till det belopp som deltagarna fick som ersättning för deltagande i studien.
MRI Data Acquisition
Försök presenterades under loppet av 2-händelsesskannade skanningar som varade vardera ungefär 7 min. De visuella stimuli projicerades på en skärm som deltagarna kunde se via en spegel kopplad till huvudspolen. Under skanning presenterades deltagarna med totalt 120-försök, i vilka XXX, XXY och XYZ-försök blandades, så att 60 XYZ-försök, 30 XXY och 30 XXX-försök presenterades totalt, med 60-försök i varje lopp. Åldersrelaterade skillnader som svar på belöningar kan påverkas av långsam mognad av förmågan att lära sig sannolikheter och förutsäga risk. Vi kontrollerade för denna möjlighet genom att presentera 3-konsekutiva stimuli i pseudorandom-ordning för att maximera osäkerheten. Vid alla försök efter presentation av den första bilden var sannolikheten att nästa bild i serien 3 var densamma alltid 50%. På samma sätt, efter att 2-identiska bilder hade presenterats, var sannolikheten för att den tredje bilden var densamma 50% (50% XYZ, 25% XXY och 25% XXX försök följt av Donkers et al. 2005). Fiksionsperioder som varade mellan 1 och 3 s, jittered i steg av 500 ms, tillsattes mellan försöksförsök.
Skanningen utfördes med hjälp av en standardhuvudspole på en 3-T Philips-scanner vid LUMC. Funktionsdata förvärvades med användning av a T2* -viktad gradient-eko-ekvatorisk pulsföljd (38-intilliggande 2.75-mm snedställda axiella skivor, med interleaved förvärv, tidsrepetition = 2.211 s, tid eko = 30 ms, 2.75 × 2.75 mm i planlösning, 230 volymer per körning ). De första 2-volymerna för varje skanning kasseras för att tillåta T1-ekvilibreringseffekter. Hög upplösning T2* -viktiga bilder och högupplösning T1-anatomiska bilder samlades i slutet av skanningssessionen. Huvudrörelsen begränsades med hjälp av en kudde och skuminsatser som omringade huvudet.
fMRI-förbehandling och statistisk analys
Dataförbehandling och analys genomfördes med hjälp av SPM2 (Wellcome Department of Cognitive Neurology). Bilder korrigeras för skillnader i tidpunkt för skivförvärv, följt av styv kroppsrörelsekorrigering. Strukturella och funktionella volymer normaliserades spatialt till T1 respektive echo-plana bildmallar. Normaliseringsalgoritmen använde en transformation av 12-parameteraffine tillsammans med en olinjär transformation med cosinabasfunktioner. Under normaliseringen resamplerades data till 3-mm kubiska voxeller. Mallar baserades på det MNI305 stereotaxiska utrymmet (Cocosco et al. 1997). Funktionsvolymerna mjukades med en 8-mm full bredd vid halvmaximal isotrop Gaussisk kärna. Statistiska analyser utfördes på individens data med den allmänna linjära modellen (GLM) i SPM2.
FMRI-tidsserien modellerades som en serie händelser som var förknippade med en kanonisk hemodynamisk responsfunktion (HRF) i 2-separata modeller. Vi modellerade varje försök i 3 olika förhållanden (XXX, XXY och XYZ) som en händelse med nollvaraktighet kring starttiden för den andra stimulansen i en första modell och kring starttiden för den tredje stimulansen i en andra modell. Felprov, definierade som de försök där deltagaren inte svarade i 1000-ms cue-fönstret, modellerades separat och uteslutes från fMRI-analyserna.
För varje deltagare användes parametrisuppskattningarna av höjden på den bästa passande kanoniska HRF för varje tillstånd i parvisa kontraster. För den första modellen beräknade vi kontrastbilder för jämförelse av XXY och XYZ (dvs. jämförelse av situationen där deltagare först hade sett 2-bilder som var samma [XX] vs 2-bilder som var olika [XY]), vilket avslöjade hjärnaktiveringsmönster relaterade till "förväntan" av utfallet av försök, baserat på hypotesen att ungdomar är känsligare för potentiella fördelar än vuxna. För den andra modellen beräknade vi kontrastbilder för jämförelse av XXX- och XXY-förhållanden, jämförelse av hjärnaktiveringsmönster i samband med behandlingen av utfallet av försök. De resulterande kontrastbilderna som beräknades för varje deltagare skickades till gruppnivåanalyser på andra nivåer. På gruppnivå beräknades hel-hjärnans kontrast mellan förhållanden genom att utföra en-tailed t-test på dessa bilder, behandlar deltagarna som slumpmässig effekt. Hela hjärnans statistiska kartor var trösklade vid P <0.001, med en utsträckningströskel på 5 angränsande voxels.
Statistiska analyser: Åldersrelaterade skillnader
Eftersom vi var speciellt intresserade av aktiveringsmönstret relaterat till resultatförväntning och resultatbehandling i 3s olika åldersgrupper utförde vi vxelwise analyser av varians (ANOVAs) för att identifiera regioner som visade åldersrelaterade skillnader i aktivering. Vi testade för linjära (-1 0 1), kvadratiska (-0.5 1 -0.5) och kröklinjiga (1 -0.5 -0.5), (-0.5 -0.5 1) effekter i kontrasterna XXY-XYZ för den första modellen ( resultatförväntning) och XXX-XXY för den andra modellen (resultatbehandling). ANOVAs ansågs signifikanta vid ett statistiskt tröskelvärde av 0.001 okorrigerat för multipla jämförelser, med en tröskelgräns för 5-sammanhängande voxlar.
Bildningsresultat: intresseområdeanalys
Vi använde MARSBAR verktygslådan för användning med SPM2 (Brett et al. 2002) för att utföra region av intresse (ROI) analyser för att ytterligare karakterisera aktiveringsmönster. Vi skapade 6-mm sfäriska ROI som centrerades vid toppaktivitetsvaxeln i de regioner som identifierades i ANOVAs testning för åldersrelaterade skillnader. Dessutom använde vi MARSBAR för att extrahera blodsyrenivåberoende aktivitets-tidsserier i dessa ROI genom att medelvärda kurser för olika experimentella förhållanden som börjar vid början av varje försök. Dessa tidskurser visas i illustrativa syften i Figurer 2 och 3.
Helhjärnsresultat för 0- till 12-åriga, 14- till 15-åriga och 18- till 23-åriga deltagare relaterade till förväntan på möjlig belöning för kontrasten av XXY> XYZ vid en P <0.001 okorrigerad tröskel (toppanel); 6 mm sfäriska ROI och genomsnittliga tidsförlopp för de 3 åldersgrupperna för den främre insula och striatum (nedre panelen).
Helhjärnsresultat för 10- till 12-åriga, 14- till 15-åriga och 18- till 23-åriga deltagare relaterade till förväntan på möjlig belöning för kontrasten av XXX> XXY vid en P <0.001 okorrigerad tröskel (toppanel) och XXY> XXX (i blått); 6-mm sfäriska ROI och genomsnittliga tidsförlopp för de 3 åldersgrupperna för striatum och OFC (nedre panelen).
Resultat
Resultat förväntan
Vi utförde en GLM-analys av de funktionella data som modellerades vid starten av den andra stimulansen och beräknade den voxelvisa kontrasten för XXY> XYZ för 10-12-åringar, 14-15-åringar och 18-23-åringar separat. Dessa analyser resulterade i i stort sett överlappande aktiveringsområden för de tre åldersgrupperna. I alla åldersgrupper var resultatförväntningen konsekvent associerad med aktivering i höger främre isolat (se Fig 2, topppanel). För 10-12 åringar och 14-15 åringar funnits främre insula aktivering i båda hemisfärerna. Dessutom visade de åldrande åldersgrupperna aktiveringskluster i den ventrala striatum- och dorsalcingulära cortexen. Betydande kluster och motsvarande MNI-koordinater rapporteras i Kompletterande tabell 1.
VVS-ANOVAs testning för åldersrelaterade förändringar för XXY-XYZ-kontrast resulterade inte i några betydande kluster vid ett tröskelvärde av P <0.001. Vid en mer liberal tröskel (P <0.005) avslöjade ANOVA-testningen för −1 0 1 kontrasten en linjär förändring av aktivering med ålder i höger främre isolat (topp vid 42, 12, −3, z = 2.95), F1,47 = 11.24, P = 0.002. Vi skapade en 6-mm sfärisk ROI centrerad vid denna voxel och utförde en åldersgrupp (3) × villkor (2) ANOVA på data som extraherades från denna ROI för att ytterligare karakterisera aktiveringsmönster i denna region. Genomsnittliga tidsserier för denna avkastning plottas i den nedre panelen av Figur 2. ANOVA för denna avkastning resulterade i en åldersgrupp × tillståndsinteraktion, F2,47 = 7.00, P = 0.002. Uppföljningsjämförelser bekräftade att denna region var mer aktiv i XXY jämfört med XYZ-tillståndet i 10-12-åringar, F1,16 = 11.26, P = 0.004 och 14-15 åringar, F1,17 = 3.62, P = 0.005. För 18-23-åringar var skillnaden mellan förhållandena inte signifikant (P =
Inga åldersrelaterade förändringar för XXY-XYZ-kontrast hittades i striatumet. En ANOVA avslöjade att denna region var aktiv i alla åldersgrupper (topp vid -9, 9, 0, z = 4.57) i väntan på resultat, F3,47 = 13.11, P <0.001. Som förväntat resulterade ANOVAs på de data som extraherades från den 6 mm sfäriska avkastningen för denna region i en huvudeffekt av tillståndet, F1,47 = 23.73, P <0.001 och ingen signifikant interaktion med åldersgruppen (P = 0.1). Dessa resultat visar att striatumet var mer aktivt i väntan på potentiell belöning i samma utsträckning i alla åldersgrupper. Ändå föreslår jämförelser för åldersgrupperna separat ett större ventralstriatumrespons hos ungdomar. Det vill säga i 10-12 och 14-15 åldern resulterade XXY-tillståndet i signifikant mer aktivering jämfört med XYZ-tillståndet (P = 0.001 för den huvudsakliga effekten av tillståndet), medan hos vuxna visade skillnaden endast en trend mot betydelse (P =
Resultatbehandling
För att undersöka hjärnaktiveringsmönster relaterade till bearbetning av resultat utfördes en liknande GLM-analys på de funktionella data som modellerades vid starten av den tredje stimulansen. Återigen beräknade vi intressekontrasterna för 10–12-åringar, 14–15-åringar och 18–23-åringar separat. För kontrasten av XXX> XXY (belöningsbehandling), hittade vi aktivering i striatum och rygg cingulat cortex för 10-12 åringar och 14-15 åringar (se Fig 3, topppanel). Inga betydande kluster hittades för 18-23-åringarna, inte ens vid en mer liberal, okorrigerad tröskel av P <0.005. 14-15-åringarna visade också aktivering i vänster lateral PFC.
En GLM för omvänd kontrast av XXY> XXX (bearbetning av utelämnad belöning) avslöjade inga signifikanta kluster för både 10–12-åringar och 14–15-åringar. Däremot befanns en region i vänster OFC vara mer lyhörd för utelämnade belöningar hos 18-23-åringar vid en okorrigerad tröskel på P <0.001. En översikt över betydande kluster och motsvarande MNI-koordinater rapporteras i Kompletterande tabell 2.
De voxelwise ANOVA-testerna för åldersrelaterade förändringar för kontrast XXX − XXY bekräftade hela hjärnans fynd för kontrast XXX> XXY genom att visa att aktivering i striatum skilde sig mellan ungdomar och unga vuxna. Vid en okorrigerad tröskel på P <0.001, ANOVA-testningen för −0.5 1 −0.5 kontrasten avslöjade ett kluster i ventralt striatum (topp vid 12, 9, −15, z = 3.68) som visade ett kvadratisk utvecklingsmönster, F1,47 = 17.64, P <0.001. Åldersgruppen (3) × tillstånd (2) ANOVA på data extraherade från den 6 mm sfäriska avkastningen centrerad vid denna voxel avslöjade att denna region var mer aktiv i XXX jämfört med XXY-tillståndet hos 14-15-åringar F1,17 = 22.84, P <0.001 men skilde sig inte mellan förhållanden hos 10–12-åringar (P = 0.41) och 18-23 åringar (P = 0.12) (se Fig 3, Bottenpanel).
Hela hjärnans kontraster för de separata åldersgrupperna avslöjade en region i lateral OFC, som var mottaglig för utelämnade belöningar i den vuxna gruppen. Detta resultat bekräftades med en ANOVA-testning för en krökt utvecklingstendens med -0.5-0.5 1-kontrast som resulterade i en region i lateral OFC (topp vid -27, 48, -3, z = 3.05), F1,47 = 11.99, P = 0.001 (se Fig 3, Bottenpanel). ANOVAs på 6-mm sfäriska ROI för denna region resulterade i ett tillstånd × åldersgruppsinteraktion F2,47 = 8.67, P = 0.001. Uppföljningsjämförelser bekräftade att denna region endast visade ett ökat svar på utelämnandet av belöningar jämfört med mottagna belöningar i 18-23 åringar F1,14 = 7.38, P = 0.02.
Diskussion
Denna studie motiverades av frågan hur ungdomar skiljer sig från vuxna i sin känslighet mot osäker belöning. Vi undersökte utvecklingsbanan för hjärnaktivering relaterad till behandling av osäker belöning under förväntan och utfallet. Tidigare studier har rapporterat inkonsekventa resultat om behandling av ungdomsbelöning, vilket visar både "överaktiv" (Galvan et al. 2006) och "underaktiv" (Bjork et al. 2004) incitamentsrelaterad neurokretsen i ungdomar. Den föreliggande studien skilde sig från dessa tidigare studier genom att vi använde ett paradigm, vilket resulterade i en probabilistisk belöning som inte var beroende av beteende. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för oss att undersöka grundläggande skillnader i belöningssensitivitet under osäkerhet. Dessutom undersökte vi neurala skillnader i 3-åldersgrupper: 10-12-åringar, 14-15-åringar och 18-23-åringar, som gjorde det möjligt för oss att testa för olika mönster av åldersrelaterad förändring.
Studien gav 2 huvudresultat: 1) vid förutseende osäkra belöningar visade alla åldersgrupper ökad aktivering i striatumet, men ett klyftan i den främre insulen visade en linjär minskning av aktiveringsformen tidig ungdom till vuxen ålder och 2) vid behandling av utfallet av Försök, medelåldersgruppen var mer mottagliga för mottagna belöningar, vilket indikeras av ökad aktivering i ventralstriatumen, medan unga vuxna svarade mest på utelämnandet av belöningar, vilket indikeras av ökad aktivering i OFC. I allmänhet stöder våra resultat hypotesen om att mellankolleken karaktäriseras av överaktiv incitamentsrelaterad neurokretsen, men vi visar att denna effekt är mest uttalad under mottagarfasen. I ljuset av resultaten från tidigare studier gynnar dessa resultat hypotesen att överaktiv belöningsrelaterad krets och omogna PFC-kretsar potentiellt förvirrar ungdomar mot att ta risker (se även Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006; Casey, Getz, et al. 2008).
Utvecklingsförändringar i förväntat resultat
Förutsättning av resultat associerades med aktivering i striatum och främre insula när de första 2-stimuli var identiska och indikerade möjligheten att vinna. Aktivering i insula visade en linjär minskning med ålder; den här regionen var mest aktiv i 10-12-åringar, mindre aktiva i 14-15-åringar, och minst aktiv i 18-23-åringar när man väntade på belöning. I det paradigm som vi använde var förhoppningen om potentiell belöning förenad med maximal osäkerhet. Efter presentation av 2 av samma bilder var sannolikheten för att den tredje bilden var lika eller annorlunda lika. Däremot, när den andra bilden var annorlunda än den första, var en belöning inte längre möjlig, och därmed fanns ingen osäkerhet i samband med förväntan på resultatet. Den åldersrelaterade förändringen i främre insula-aktiveringen kan därför återspegla skillnader i åtminstone 2-processer: 1) positiv upphetsning associerad med förväntan att ta emot en belöning eller 2) osäkerheten vid förutseende av ett okänt resultat.
Våra resultat är förenliga med resultaten av de senaste studierna, som har medfört den främre insulen i situationer där beslut är förenade med osäkerhet (Paulus et al. 2003; Volz et al. 2003; Huettel et al. 2005; Huettel 2006; Volz och von Cramon 2006). Den främre insula har ofta blivit involverad i upplevelsen av psykofysiologisk upphetsning. Det har föreslagits att beslutet om insula aid beslutar genom att reflektera det autonoma nervsystemet svar på risken i samband med ett beslut (Bechara 2001; Critchley et al. 2001; Paulus et al. 2003). Stora autonoma signaler som föregår ett nackdeligt beslut har föreslagits att fungera som en varningssignal som skyddar mot risktagande (Bechara et al. 1997). Mot bakgrund av denna hypotes verkar det ökade insula svaret hos yngre ungdomar motsägelsefullt. Andra studier har dock föreslagit att denna autonoma signal återspeglar det beslutets beslutsamhet som måste göras (Tomb et al. 2002) och tidigare utvecklingsstudier visade att barn upplever autonoma signaler när de förutser riskiva beslut, men misslyckas med att använda dessa signaler för att optimera sina beslut (Crone och van der Molen 2004, 2007; Crone et al. 2005). I den aktuella studien kan den ökade insula aktiveringen hos unga ungdomar återspegla omogenheten i denna region. De yngsta deltagarna kunde ha upplevt ökad psykofysiologisk upphetsning i samband med osäkerheten i samband med förväntan på en eventuell belöning. Trots att vi inte samlat subjektiva betyg av påverkan har tidigare studier försökt att korrelera erfaren påverkan och mönster för hjärnaktivering. En ny studie visade att även om aktivering i ventralstriatum korrelerade med rapporterad positiv effekt var aktiveringen i den främre insulen korrelerad med både positiv och negativ rapporterad effekt (Samanez-Larkin et al. 2007). Resultaten från denna studie tyder på att den främre insula kan bidra till beslutsfattandet genom att återspegla generell upphetsning i osäkra situationer.
Huettel (2006) dissocierad osäkerhet relaterad till mängden potentiell belöning som kan erhållas (belöningsrisk) och osäkerhet med avseende på det optimala svaret (beteenderisk). Han visade att aktivering i den främre insula selektivt påverkades av osäkerhet relaterad till responsval. Våra resultat lägger till detta resultat genom att visa att den främre insulaen är inblandad i osäkra situationer i avsaknad av responsval, vilket tyder på att denna region kan ha en mer allmän roll för att representera osäkerhet om resultat. En ny studie (Preuschoff et al. 2008) visade att den främre insula speglar graden av osäkerhet på ett sätt som liknar det där striatumet är känsligt för belöningsbeloppet. Författarna föreslår att den främre insula kan stödja processer som liknar belöningsprognosfel i striatumet. Den linjära minskningen av aktivering i denna region visar att anterior insula-funktionen är omog i ungdomar och kan antas för att föreslå en större svårighet hos ungdomar att uppskatta risken i en osäker situation. Möjligen förväntas ungdomar oftare jämföra med vuxna i den här studien, eftersom de inte lärde sig att förekomsten av belöningar var oförutsägbar. Tillsammans kan det ökade svaret i den främre insulen förutse en osäker belöning förvirra ungdomar mot ökat riskupptagande beteende.
En förklaring som måste beaktas är att den ökade aktiveringen i den främre insula reflekterar negativ påverkan. Att vinna inte kan vara associerad med mer erfaren negativ upphetsning när det inträffar i slutet av försöket (XXY) jämfört med när det inträffar vid presentationen av den andra bilden (XYZ). Trots att vi uppskattade HRF vid starten av den andra stimulansen följde den tredje stimulansen 1.5 s senare. Därför är det möjligt att det observerade neurala svaret påverkas av den tredje stimulansen. I framtida studier är det viktigt att ytterligare undersöka effekten av både graden av risk / osäkerhet och beloppet av belöning på ungdomens beslutsfattande. Med tanke på den ungdomsgruppens möjliga inriktning mot belöning skulle det vara intressant att testa om de neurala systemen som svarar mot osäkerhet svarar på samma sätt när utfallets valens är negativ, det vill säga när XXX-villkoret skulle återspegla en förlust snarare än få.
Utvecklingsförändringar i resultatbehandling
Som väntat resulterade vinnande pengar i ökad aktivering i ventralstriatumet. Detta resultat replikerar tidigare studier som har visat att denna region svarar på belöningar (Knutson et al. 2001; McClure et al. 2003; Huettel 2006). Intressant var att striatalaktivering efter en win toppade i 14-15 åringar och var mindre uttalad i 10-12 åringar och 18-23 åringar i överensstämmelse med hypotesen att denna region är mer responsiv hos ungdomar (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Casey, Getz, et al. 2008).
I den aktuella studien fann vi toppen i responsen hos ventralstriatum i medelåldersgruppen endast för belöningsprocesser och inte för förväntad belöning. Detta resultat är inkonsekvent med tidigare studier, som rapporterade en ökning av aktiveringen i denna region innan den faktiska leverans av belöningar. Dessa tidigare resultat togs för att föreslå en roll för ventralstriatum i prognos och förväntan på resultat (Knutson et al. 2001; Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006; Huettel 2006). Våra resultat tyder dock på att toppen i ventralstriatumrespons hos ungdomar endast finns för mottagande av belöningar. I tidigare experiment signalerade signalerna potentiella belöningar och tillåtades för belöningsprognos, därför kan aktivering i ventralstriatumet i dessa studier återspegla ett tidigt svar på att "veta" att belöningen kommer att följa snarare än att förutse "möjligheten" av en belöning. Dessa data kan också tas för att föreslå att ungdomar överskattar sina chanser att få en belöning eller förmåga att erhålla en belöning. Vi föreslår att i den aktuella studien observerades inte en topp i aktivering i ventralstriatumen tills den faktiska belöningen av belöning, eftersom uppgiftsdesignen maximerade osäkerheten och inte möjliggjorde belöningsprognos. Trots att förväntningsresultaten inte visade en statistiskt signifikant topp vid aktivering och ingen ålder × tillståndsinteraktion i ventralstriatumen, antyder uppföljningsanalyser att förväntat striatumrespons var större för unga och medelålders ungdomar jämfört med vuxna. Framtida studier bör studera förhoppningen jämfört med resultatresultaten mer detaljerat.
Slutligen visade unga vuxna, men inte tidiga och medelålders ungdomar, ökad aktivering i vänster lateral OFC efter att utelämnandet av belöningar utelämnades. Lateral OFC har tidigare varit inblandad i behandling av straff (O'Doherty et al. 2001). OFC är starkt kopplad till både aptitretande kretslopp och andra regioner inom PFC. För det senaste har det föreslagits att OFC har en integrerande funktion genom att styra hjärnans svar på affektiv information och vägledande affektiv beslutsfattande genom att upprätthålla och uppdatera en representation av incitamentsrelaterade förväntningar online (för recensioner, se O'Doherty 2007 och Wallis 2007). Svaret från laterala OFC hos unga vuxna kan därför indikera behovet av ökad uppmärksamhet och anpassning av beteende efter negativa resultat. Det bör noteras att OFC är en heterogen region och många frågor om dess roll i målinriktade beteenden och beslutsfattande och därtill hörande förändringar med utveckling måste testas i framtida studier. Upptäckten att denna region är involverad i behandlingen av ogynnsamma resultat hos vuxna, men inte hos ungdomar i början och mellanrum, överensstämmer med hypotesen att nätverk i hjärnan i samband med högre orderbehandling och kognitiva kontrollfunktioner inte mognar fram till sen ungdom (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006).
Slutsatser
De aktuella resultaten kan tolkas mot bakgrund av de senaste kontona som söker en neuropsykologisk förklaring till ungdomar beteende. Både nätverket för social information (SIPN) (Nelson et al. 2005) och triadmodellen (Ernst et al. 2006) innehåller en aptitlig komponent och en kognitiv / reglerande komponent. I dessa modeller präglas adolescent beteende av ett starkt appetitivt system och ett relativt svagt kontrollsystem. SIPN-modellen (Nelson et al. 2005) antyder att hjärnstrukturerna som ligger till grund för den aptitliga komponenten är mottagliga för gonadala hormoner och utlöses i början av puberteten, i motsats till kognitiva strukturer som följer en långsammare utveckling.
Det passiva paradigmet som användes i den nuvarande studien gav oss inte möjlighet att lösa frågor om hur skillnader i det neurala substratet av belöningsbehandling och riskuppfattning mellan ungdomar och vuxna bidrar till motiverat beteende hos ungdomar och vuxna. Det är viktigt att belysa detta förhållande och dess utvecklingsbana eftersom ungdomar riskabelt beteende kan få allvarliga konsekvenser (Steinberg 2004; Fareri et al. 2008). Upptäckten att belöningsrelaterade hjärnregioner är mer mottagliga i ungdomar, även om belöningar inte är relaterade till beteende och små, föreslår grundläggande skillnader i hur osäkra belöningar behandlas i olika åldrar. För att bedöma dessa fins ekologiska validitet bör framtida studier ta hänsyn till individuella skillnader i exempelvis sensationssökande, temperament och kön och måste undersöka dessa regioner med mer komplexa uppgifter. En andra begränsning av denna studie är att vi inte uppnådde direkta åtgärder för pubertetsstatus, vilket begränsar vår förmåga att tolka bidraget av pubertetsförändringar till skillnaderna mellan 10-12 och 14-15-åringar. Framtida studier bör försöka närmare relatera åldersrelaterade förändringar till förändringar i samband med pubertetsutveckling.
Sammanfattningsvis visar våra resultat att hjärnaktiveringsmönster relaterade till resultatförväntning i frånvaro av beteende skiljer sig från de som är relaterade till behandlingen av resultat. Anticipering av osäker belöning är förknippad med aktivering i den främre insula och striatum. I synnerhet visar aktivering i den främre insula en linjär utvecklingstendens och minskar från tidig ungdom till ung vuxen ålder. I motsats härtill är behandling av belöning förenad med en topp i aktivering i ventralstriatum i 14-15 åringar och 10-12 åringar i mindre utsträckning. Intressant är att 18-23 åringar är mest mottagliga för utelämnad belöning, som visar aktivering i laterala OFC-regioner. Dessa fynd stöder hypotesen att ungdomar präglas av en obalans i mognad av affektiva och regelbundna hjärnkretsar (May et al. 2004; Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006). Nuvarande data visar att vid en grundläggande nivå av behandlings ungdomar är mer responsiva mot förväntad och mottagen belöning och risk i samband med osäkerhet jämfört med vuxna.
Extramaterial
Extramaterial kan hittas på: http://www.cercor.oxfordjournals.org/.
Finansiering
Forskning från författare (EAC och SARBR) möjliggörs av NWO VENI / VIDI-bidrag.
Referensprojekt
;
