Förutsägbarhet modulerar mänskligt hjärnans respons till belöning (2001)

RESULTAT

Efter skanningarna frågades ämnen om deras preferenser för de två stimuli. Arton av 25-ämnen (72%) föredragen juice och det återstående föredragna vattnet. De flesta ämnen hade en distinkt preferens för den ena eller den andra, även om vi inte bad dem kvantifiera detta. Även om det var signifikant huvudrörelse under skanningarna var alla översättningar och rotationer kring varje stimulans generellt små och skilde sig inte signifikant mellan några av villkoren. Exempelvis var den genomsnittliga ± SD-translation som associerades med varje stimulans 0.041 ± 0.069 mm i förutsägbart tillstånd och 0.044 ± 0.069 mm i oförutsägbart tillstånd (parat t testa;p =

Hjärnansvaret på den föredragna vätskan uppvisade överraskande liten differentialaktivitet i förhållande till den icke-föredragna vätskan (Tabell1). Vi observerade ingen signifikant aktivitetsskillnad i klassiska belöningsregioner som nucleus accumbens, hippocampus eller medial prefrontal cortex. Den primära aktivitetsändringen för föredragen> icke-föredragen inträffade i den somatosensoriska cortexen i ett område nära mun- och tungregionen (t = 4.19, MNI-koordinater, -60, -12, 16).

Huvudseffekten av förutsägbarheten var väsentligt större än den främsta effekten av preferensen (Fig. 3). För oförutsägbar körning i förhållande till förutsägbar körning observerades bilateral aktivering i en stor yta av medial orbitofrontal cortex som inkluderade kärnans accumbens (tabell 1). Ytterligare aktiveringsområden inkluderade ett stort område av parietal cortex bilateralt och paracentralt och små fokala aktiveringar i både den vänstra mediodorsala kärnan i thalamus och höger cerebellum. Eftersom ingen av dessa regioner överlappades med den främsta effekten av preferensen aktiverades de maximalt av oförutsägbara stimuli, oavsett preferens. För förutsägbar körning i förhållande till den oförutsägbara körningen aktiverades ett område av höger överlägsen temporal gyrus, såväl som fokala aktiveringar i vänster precentral gyrus och höger lateral orbitofrontal cortex.

  

Visa större version:  

• På den här sidan
• I ett nytt fönster

• Hämta som PowerPoint Slide

Fig. 3.  

Huvudseffekten av förutsägbarheten visade att belöningsrelaterade regioner hade ett större BOLD-svar på de oförutsägbara stimuli. APlaner som centreras vid (0, 4, -4) visar att bilateral kärnan accumbens / ventral striatum (NAC) och bilateral överlägsen parietal cortex var mer aktiv i förutsägbart tillstånd. BEn liten region i rätt överlägsen temporal gyrus var relativt mer aktiverad av förutsägbara stimuli. Betydelsen tröskelades vidp <0.001 och en utsträckning> 10 angränsande voxels.

Samspelet mellan preferens och förutsägbarhet identifierade områden där en effekt modulerade den andra oberoende av båda huvudverkningarna. Rätt insula, vänster bakre cingulat och höger cerebellum visade en signifikant växelverkan för kontrasten (föredragen icke-föredragen) × (förutsägbar oförutsägbar). Den motsatta konturen, (föredragen icke-föredragen) × (oförutsägbar förutsägbar) avslöjade inte några aktiveringar som var signifikanta vid p <0.001 nivå; emellertid var en liten region i vänster överlägsen temporal gyrus (MNI-koordinater, −48, −4, −16) signifikant vid p <0.01 nivå (t =

Datasimuleringen föreslog att oförutsägbara belöningar skulle framkalla mer dopaminfrisättning än förutsägbara (Fig.2 B). När belöningarna är förutsägbara förutspår varje stimulans perfekt den efterföljande, och felsignalen, som antas vara medierad av dopamin, minskar gradvis. När belöningarna är oförutsägbara finns det ingen möjlighet för systemet att lära sig, och svaret på varje stimulans är större.

DISKUSSION

Våra resultat visade en intressant separation i hjärnans svar på förutsägbarhet och subjektiva rapporter om preferens. Hjärnans respons på preferensen var uteslutande kortikalt, men svaret på förutsägbarhet visade specifik aktivering av belöningssystem som också är känt för att vara målet för dopaminerga neuroner med medelvärde. Om vi ​​antar att aktivering av dessa belöningsområden är angenäm för människor, tyder detta resultat på att den subjektiva preferensrapporten kan dissocieras från neurala kretsar som är kända för att vara kraftfulla determinanter för konditionerade beteenden.

Både vattnet och fruktjuice orsakade signifikanta aktiveringar i hela hjärnan, och även om något av detta svar var hänförligt till de motoriska aspekterna av uppgiften sönderdelades specifika delmängder av dessa regioner i dimensioner av preferens och förutsägbarhet. Effekten av preferensen begränsades till kortikala regioner associerade med sensorisk behandling, och den föredragna stimulansen resulterade i större aktivering i dessa regioner. Dessa regioner ligger nära sensimotorisk cortex som är känd för att aktiveras under tunga rörelser (Corfield et al., 1999) och svälja (Hamdy et al., 1999). I tidigare arbete med hjärnans svar på tungörrörelsen var det en väsentlig aktivering av cerebellum, ett konstaterande som i synnerhet saknar huvudförmågan hos preferensen. Differensialhjärnansvaret, dvs föredraget, icke-föredraget, avlägsnar gemensamma aktiveringsområden; Därför föreslår frånvaron av cerebellär aktivering att skillnader i tunga rörelser osannolikt skulle vara orsaken till mönstret för kortikal aktivering för subjektiv preferens. Det faktum att en somatosensorisk region var korrelerad med angiven preferens antyder att någon differentiell neural bearbetning inträffade för de två stimuli. Det var förvånande att detta uppenbarades i ett primärt sensoriskt bearbetningsområde och inte i klassiska belöningsområden. Även om ämnen tvingades utse ett ämne över det andra som deras preferens, väljades båda vätskorna avsiktligt för att vara behagliga, i motsats till att den var aversiv. Eftersom båda vätskorna i allmänhet var roliga, hade effekten av preferens kanske inte varit tillräckligt stark för att resultera i en signifikant aktivitetsskillnad i belöningsregioner. Detta skulle vara förenligt med fynd att dopaminneuroner med medelvärde aktiveras företrädesvis av aptitiva snarare än aversiva stimuli (Mirenowicz och Schultz, 1996). Våra resultat tyder dock på en systemdifferentiering av subjektiv preferens från enkel belöning, som stöder tidigare hypoteser att "vill" inte är detsamma som "liknar" (Robinson och Berridge, 1993).

Till skillnad från effekten av preferensen korrelerade oförutsägbarheten som en signifikant huvudverkan med aktivitet i nukleär accumbens, thalamus och medial orbitofrontal cortex, medan förutsägbarhet korrelerades huvudsakligen med aktivitet i rätt överlägsen temporal gyrus. De tidigare regionerna motsvarar nära kända dopaminprojektionsställen (Koob, 1992; Cooper et al., 1996). Det var något överraskande att oförutsägbarhet, och inte preferens, var korrelerad med aktivitet i dessa belöningsområden. Om ökad aktivitet i dessa regioner var förknippad med nöje, kunde man dra slutsatsen att oförutsägbara belöningar var mer anmärkningsvärda än förutsägbara. De flesta ämnena uppså emellertid inte någon skillnad mellan förutsägbara och oförutsägbara förhållanden. Om de oförutsägbara belöningarna var mer njutbara än förutsägbara, eller vice versa, då måste detta ske på en undermedveten nivå. En alternativ förklaring antar att dopamin frigörs i ökade mängder till oväntade belöningar (Montague et al., 1996; Schultz et al., 1997;Schultz, 1998). Dopamin kan minska neuronal excitabilitet (Cooper et al., 1996) och kan också direkt stryka mikrovasculaturen (Krimer et al., 1998), men ökad accumbens aktivitet har också associerats med det subjektiva nöje av kokain (Breiter et al., 1997). Dessa resultat tyder på att vår observerade ökning av aktivering med oförutsägbarhet kan relateras till ökat dopaminfrigörande, antingen för att accumbensprojekten till VTA eller för att det erhåller en projicering från VTA, vilken som helst skulle överensstämma med modellresultaten. Denna tolkning bör tempereras av två viktiga fakta: (1) mekanismerna som skulle koppla till ökad dopaminerg överföring till förändringar i BOLD-signalen är okända, och (2) har vi ingen självständig mätning av dopaminerg överföring, endast förändringar i BOLD-svaret. Möjligheten att vi observerar indirekt förändringar i dopaminerg aktivitet är spännande men kan inte bestämt entydigt i ett fMRI-experiment. Det är dock i överensstämmelse med tidigare fynd som använder positronemissionstomografi att dopamin frisätts i ventralstriatum under villkor för monetärt incitament (Koepp et al., 1998). Tillsammans med den förstärkande effekten av oförutsägbarhet är det också förenligt med hypotetiska effekter av dopamin på neuronal "gain" (Cohen och Servan-Schreiber, 1992), med slutresultatet att vissa regioner kommer att öka och andra kommer att minska.

De specifika regioner som aktiverats relativt av oförutsägbarhet motsvarade hjärnregioner associerade med aptitativa funktioner. Förutom kärnan accumbens, den mediala orbitofrontala cortexen visade en huvudeffekt för oförutsägbarhet. Denna region har visats i primater för att integrera både de givande och neutrala aspekterna av smakavkänningar och antages att reflektera primärt de motivativa värdena för dessa stimuli (Rolls, 2000). Denna region innehåller också neuroner som diskriminerar relativ preferens för belöning (Tremblay och Schultz, 1999). Den orbitofrontala cortexen är vanligtvis svår att bilda med fMRI på grund av mottaglighet artefakt från nasala bihålor (Ojemann et al., 1997). Den region som vi identifierade är dock generellt överlägsen och caudal till den vanliga artefaktplatsen. Denna region har tidigare funnits mottaglig för god smak (Francis et al., 1999). En andra region, i överlägsen parietalloben, var förmodligen inte relaterad till de givande aspekterna av uppgiften utan snarare resultatet av förändringar i uppmärksamhet. Denna region har tidigare varit inblandad i visuospatial uppmärksamhet, speciellt vid förväntningsbrott (Nobre et al., 1999). En annan region, i vänster temporal cortex, visade en gränsen signifikant modulering av oförutsägbarhet. I de senaste fMRI-experimenten har den vänstra temporala loben associerats med bearbetning av förutsägbarheten för sekventiella stimuli (Bischoff-Grethe et al., 2000). Här utsträcker vi dessa tidigare fynd från neutrala stimuli till trevliga stimuli, vilket tyder på att denna region kan utföra en generisk övervakning av förutsägbarhet oberoende av stimulusvalens.

Hjärnregionerna som vi identifierade som svar på oförutsägbarhet i direkt eller modulerande sätt har blivit implicerade i ett antal experiment på ekonomisk belöning. Pengar kan vara givande för människor, men det förstärker bara för att det har förvärvat dessa egenskaper genom komplex konditionering. På samma sätt som att kokain verkar på olika neuroner än naturliga förstärkare (Carelli et al., 2000), det är möjligt att konditionerade förstärkare, såsom pengar, agerar på olika neurala system än naturliga förstärkare som mat och vatten. Aktiviteten i både ventralstriatum och midbrain har korrelerats med absoluta nivåer av ekonomisk belöning (Thut et al., 1997;Delgado et al., 2000; Elliott et al., 2000; Knutson et al., 2000), ett resultat som i synnerhet saknas i våra resultat. Såsom noterats tidigare var både juice och vatten mildt angenäm, och så kan det inte ha varit en väsentlig skillnad i absolut belöning, även om vi antog en liten skillnad i den teoretiska modellen. Vi använde inte heller någon aversiv stimuli eller något som skulle kunna tolkas som en negativ belöning, vilket också kan bero på denna skillnad. Intressant är att de regioner som vi identifierade som antingen direkt påverkat eller förstärkt av oförutsägbarhet motsvarade de tidigare konstaterade regionerna för att vara känsliga för det ekonomiska belöningssammanhanget (Rogers et al., 1999; Elliott et al., 2000). I synnerhet var både den subgenuella cingulära och mediala talamus korrelerade med oförutsägbarhet i vår studie och befanns vara kontextberoende av Elliott et al. (2000).

Eftersom förutsägbarhet modulerade effekten av preferens är det viktigt att skilja de potentiella källorna till förutsägelse. I ett klassiskt konditioneringsexperiment föregår en neutral stimulans belöningen. Efter träning blir den tidigare neutrala stimulansen prediktor eller konditionerad stimulans. Eftersom det finns relativt få data om användningen av orala stimuli i fMRI valde vi att förenkla experimentet och kontrollera de motoriska aspekterna av uppgiften genom att använda två olika orala stimuli, vatten och fruktjuice. Således kom källan till förutsägelse i vårt experiment nödvändigtvis från stimulanssekvensen själva. På något sätt är detta enklare än att införa en annan stimulansmodalitet, såsom en visuell signal, men eftersom båda stimulierna var givande, kan vi inte göra några slutsatser när det gäller konditioneringsprocessen. Både den teoretiska modellen (Schultz et al., 1997) och neurofysiologiska data (Schultz et al., 1992, 1993) föreslår att belöningsförutsägelser beräknas under intervallet före belöningsleverans. Eftersom vi inte känner till den tidsskala över vilken sådana förutsägelser beräknas valde vi att analysera experimentet som bara två förutsättningar, förutsägbara och oförutsägbara. Genom att upprätthålla ett psykiskt rimligt intervall mellan stimuli, 10 sek, fanns det otillräcklig tid för att lösa skillnader i interstimulusbehandling. Förmodligen sker sådan behandling, och detta kan lösas med ett annorlunda utformat experiment.

Sammanfattningsvis kan aktiviteten i regionerna för mänskliga belöningar moduleras av den tidsmässiga förutsägbarheten av primärbelöningar som vatten och juice. Dessa resultat ger viktigt stöd för beräkningsmodeller som postulerar att fel i belöningsprognos kan driva synaptisk modifiering och utvidga dessa slutsatser från icke-humana primater till människor. Den regionala specificiteten hos denna modulering föreslår också att information, som belyses av den relativa förutsägbarheten hos en stimulusström, kan vara en form av neural valuta som kan detekteras med fMRI.