ScienceDaily (nov. 29, 2011) - Ju mer grå substans du har i den beslutsfattande delen av din hjärna, desto bättre är din förmåga att utvärdera belöningar och konsekvenser. Det kan verka som en uppenbar slutsats, men en ny studie genomförd vid US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory är den första som visar denna koppling mellan struktur och funktion hos friska människor - och försämringen av både struktur och funktion hos människor som är beroende av kokain. .
"Denna studie dokumenterar för första gången vikten av att belöna bearbetning av strukturell integritet av grå substans i de delar av hjärnans prefrontala cortex som är involverade i högre ordningens verkställande funktion, inklusive självkontroll och beslutsfattande", säger Muhammad Parvaz, en postdoktor vid Brookhaven Lab och en medförfattare på tidningen.
"Tidigare studier vid Brookhaven och på andra håll har utforskat den strukturella integriteten hos prefrontal cortex vid drogberoende och de funktionella komponenterna i belöningsprocessen, men dessa studier genomfördes separat", säger Parvaz. "Vi ville veta om den specifika funktionen för belöningsbehandling kunde" kartläggas "på den underliggande hjärnstrukturen - huruvida och hur dessa två är relaterade", tillade han.
Skillnader i grå substansvolym - mängden hjärnmateria som består av nervcellkroppar, i motsats till "vita substans" -axonerna som bildar sambandet mellan celler - har observerats i en rad neuropsykiatriska sjukdomar jämfört med friska tillstånd, förklarade. Anna Konova, den andra medförfattaren på tidningen. "Vi ville veta mer om vad dessa skillnader betyder funktionellt hos friska individer och narkotikamissbrukare", sa hon.
För att utforska detta struktur-funktionsförhållande utförde forskarna magnetisk resonanstomografi (MRI) hjärnskanningar för att mäta hjärnvolymen hos 17 friska människor och 22 kokainanvändare. Skanningarna samlar strukturella mätningar för hela hjärnan och kan analyseras voxel-för-voxel - motsvarande tredimensionella pixlar - för att få detaljerade mätningar för enskilda hjärnregioner.
Inom en kort period av MR-undersökningarna använde forskarna också elektroder placerade på forskarnas hårbotten för att mäta en viss elektrisk signal som kallas P300 (en händelsesrelaterad potential härrörande från ett pågående elektroencefalogram eller EEG, det är tids- låst för en viss händelse). Denna specifika åtgärd kan indexera hjärnaktivitet relaterad till belöningsbehandling. Under dessa elektriska inspelningar utförde försökspersonerna en tidsinställd psykologisk uppgift (att trycka på knappar enligt en specifik uppsättning regler) med utsikter att tjäna olika nivåer av monetär belöning, från inga pengar upp till 45 cent för varje korrekt svar med en total potentiell belöning på $ 50.
Tidigare studier från forskargruppen har visat att P300-signalen i hälsosamma ämnen ökar i storleksordning med den mängd monetär belöning som erbjuds. Kokainmissbrukare uppvisar emellertid inte detta differentialsvar i P300-måttet av hjärnaktivitet, trots att de som de friska ämnena räknar upp uppgiften som mer intressant och spännande när den potentiella belöningen är större.
Den aktuella studien utvidgade dessa resultat genom att länka dem för första gången med strukturella mätningar.
Forskarna använde statistiska metoder för att leta efter korrelationer mellan skillnaden i hjärnaktivitet som observerades i förhållandena med hög belöning och ingen belöning - hur mycket hjärnans P300-svar förändrades med ökad belöning - och volymen av grå substans i olika delar av hjärnan som uppmätt voxel-för-voxel i MR-skanningarna.
Hos de friska försökspersonerna var storleken av förändringen i P300-signalen med ökande belöning starkast korrelerad med volymen grå substans i tre regioner i prefrontal cortex.
"Ju högre volymen av gråmaterial i de specifika regionerna, desto mer hjärnaktivitet ökade för den högsta monetära belöningen jämfört med icke-belöningstillståndet", säger Konova.
De kokainberoende individerna hade minskat gråmaterialvolymen i dessa regioner jämfört med de friska försökspersonerna och inga påvisbara skillnader mellan belöningsförhållandena i P300-måttet på hjärnaktivitet. Det fanns inga signifikanta korrelationer mellan det förra och det senare - struktur och funktionsmått - hos de kokainberoende ämnena.
"Dessa resultat tyder på att försämrad belöningsprocess kan tillskrivas brister i hjärnans strukturella integritet, särskilt i prefrontala kortikala regioner som är inblandade i kognitiv och emotionell funktion av högre ordning", säger Parvaz. "Denna studie validerar därför användningen av de strukturåtgärder som erhållits med MR som ett tecken på funktionsunderskott."
Konsekvenserna är viktiga för att förstå den potentiella förlusten av kontroll och ogynnsamt beslutsfattande som kan uppstå hos personer som lider av narkotikamissbruk, förklarade Konova: ”Dessa strukturfunktionsunderskott kan översättas till dysfunktionella beteenden i den verkliga världen. Specifikt kan nedsatt förmåga att jämföra belöningar och minskad grå substans i prefrontal cortex kulminera i den komprometterade förmågan att uppleva njutning och att kontrollera beteende, särskilt i högrisksituationer - till exempel när man längtar efter eller är under stress - vilket leder individer till använda droger trots katastrofala konsekvenser. ”
Författarna erkänner att det fortfarande finns frågor om huruvida dessa förändringar i hjärnstruktur och funktion är en orsak eller konsekvens av missbruk. Men användningen av multimodala bildtekniker, som illustreras av denna studie, kan öppna nya sätt att ta itu med dessa och andra frågor som är relevanta för att förstå mänsklig motivation i både hälso- och sjukdomstillstånd, med särskild relevans för behandling av narkotikamissbruk.
Denna forskning utfördes vid Brookhaven Lab under ledning av Rita Goldstein, chef för Brookhaven Labs Neuropsychoimaging Group och motsvarande författare på tidningen. Dardo Tomasi från National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism, som driver Brookhavens MR-anläggning, och Nora Volkow, direktör för National Institute for Drug Abuse (NIDA), var medförfattare. Forskningen finansierades av ett bidrag till Goldstein från National Institutes of Health och av General Clinical Research Center vid Stony Brook University.
;