Tam Çalışma: yenilik beklentileri hatırlama teşvik ederken ödül sistemi ve hipokampus işe
- Neuroimage. 2007 Ekim 15; 38 (1-9): 194 – 202.
- doi: 10.1016 / j.neuroimage.2007.06.038
PMCID: PMC2706325
Bianca C. Wittmann, Nico Bunzeck,b Raymond J. Dolan,a ve Emrah Düzelb,c,⁎
Bu makale oldu tarafından alıntılanan PMC’deki diğer makaleler.
Özet
Önemli nigra ve ventral tegmental alandan (SN / VTA) oluşan dopaminerjik orta beyin, ödül işlemede merkezi bir rol oynar. Bu bölge aynı zamanda yeni uyaranlarla da aktive edilir, yenilik ve ödülün paylaşılan işlevsel özelliklere sahip olma olasılığını arttırır. Şu anda SN / VTA’da ödül işlemenin işlevsel yönlerinin, yani beklenmeyen ödüller ve ödülü öngören ipuçlarıyla aktifleştirilmesinin, yenilik sürecini karakterize edip etmediği henüz açık değildir. Bu soruyu ele almak için, deneklerin, 75% geçerliliği olan sahnelerin yeni veya tanıdık görüntülerini öngören sembolik ipuçlarını gördüğü bir fMRI deneyi yaptık. SN / VTA'nın, yeni görüntüleri öngören ipuçlarının yanı sıra, 'beklenmedik bir yenilik' yanıtı olan aşinalık-tahmin edici ipuçlarını izleyen beklenmedik yeni görüntüler tarafından aktive edildiğini gösterdik. Yeni uyaranları tespit edip kodlayan bir bölge olan hipokampus, beklenen bir yenilik yanıtı gösterdi ancak SN / VTA'nın beklenen ve 'beklenmeyen' yeniliklere cevap verirken cevap profilinden farklıydı. Deneyin davranışsal bir uzantısında, beklenmedik yeni uyaranlarla beklenen yeni uyaranlara ilişkin gecikmeli tanıma hafızasını karşılaştırırken tanıma bağlılığı artmıştır. Bu veriler, ödül öngörme ve yeni uyaranları öngörme yönündeki SN / VTA yanıtlarındaki ortaklıkları ortaya koymaktadır. Bu beklenti yanıtının, hipokampüsün öngörülü olarak etkinleştirilmesiyle birlikte, yeni olayların daha fazla kodlanmasına yol açan motivasyonel bir keşif yenilik kodunu kodlamasını öneriyoruz. Daha genel bir ifadeyle, veriler dopaminerjik yeniliğin işlenmesinin yeni ortamların keşfedilmesinde önemli olabileceğini göstermektedir.
Giriş
Hayvanlarda tek nöron kayıtları ve insanlarda son fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) çalışmaları, SN / VTA orta beyin bölgesinin sadece ödül ile aktive edilmediğine dair yakın kanıtlar sağlar (Schultz, 1998) ancak takviye yokluğunda bile yeni uyaranlarla (Schultz ve arkadaşları, 1997; Schott ve diğerleri, 2004; Bunzeck ve Düzel, 2006). Yenilikle SN / VTA aktivasyonu, yeniliğin kendine özgü ödüllendirme özelliklerine sahip olma olasılığını arttırır. Eğer öyleyse, koşullandırmadaki tepkilerin geçici kayması gibi, ödül işleme özellikleri de yenilik işleme için geçerli olmalıdır. Ödül beklenti paradigmalarında, dopaminerjik nöronlar, öngörücü bir uyarıcı ile müteakip ödül dağıtımı arasındaki beklenmedikliğin öğrenildiği durumlarda ödül tahminini kodlar. Spesifik olarak, bu nöronlar, ödülün ilk güvenilir tahmincisine cevap verir, ancak ödül almaya hak kazanmazlar (Ljungberg ve arkadaşları, 1992; Schultz ve arkadaşları, 1992, 1997; Schultz, 1998). SN / VTA’daki yenilik işlemenin de bu ödülle ilgili özellikleri gösterip göstermediği belirsizdir.
Hipokampus, yeni olaylar için epizodik uzun süreli hatıraların oluşmasında kritik öneme sahiptir (Vargha-Khadem ve arkadaşları, 1997; Duzel ve diğerleri, 2001ve SN / VTA’da bir yenilik sinyali için ana girdi sağladığına inanılır (Lisman ve Grace, 2005). SN / VTA nöronları tarafından salınan Dopamin, hipokampal bölgede CA1’te uzun süreli güçlenme (LTP) ve uzun süreli depresyonun (LTD) stabilizasyonu ve korunması için kritiktir.Frey ve arkadaşları, 1990, 1991; Huang ve Kandel, 1995; Sajikumar ve Frey, 2004; Limon ve Manahan-Vaughan, 2006; inceleme için bkz. Jay, 2003). fMRI verileri, eklem SN / VTA ve hipokampal aktivasyonun başarılı uzun süreli hafıza oluşumuyla ilişkili olduğunu göstermiştir (Schott ve diğerleri, 2006) ve yeni uyaran kodlamada ödülle ilgili gelişme (Wittmann ve arkadaşları, 2005; Adcock ve diğerleri, 2006). Bu tür yakınsak kanıtların ışığında, hipokampusa bağlı bellek oluşumunun son modelleri, hipokampustaki yenilik tespiti ile SN / VTA'dan kaynaklanan yenilik kaynaklı dopaminerjik modülasyonu ile hipokampal plastisitenin arttırılması arasında fonksiyonel bir ilişki olduğunu vurgulamaktadır (Lisman ve Grace, 2005). Bu nedenle, SN / VTA'nın yenilik öngörülerek etkinleştirilip etkinleştirilmediği sorusu, hipokampal plastikliğin mekanizmalarını kucaklamak için yenilik ile ödül arasındaki ilişkinin kavramsal olarak anlaşılmasının ötesine geçiyor. Ayrıca, yakın zamanda SN / VTA’da yenilik ve ödül işleme arasındaki ilişkinin anlaşılmasının, motivasyon, yenilik arama davranışı ve keşif arasındaki bağlantıları ortaya çıkarabileceği öne sürülmüştür (Bunzeck ve Düzel, 2006; Knutson ve Cooper, 2005).
Ödül beklenti prosedürleri üzerine modellenmiş bir fMRI paradigmasında yeni ve tanıdık uyaranlara karşı beklenen yanıtları araştırdık (İncir. 1). Renkli kareler, yeni veya daha önce bilinen sahnelerin görüntülerinin daha sonra tanıtılmasını öngören ipuçları olarak görev yaptı. Deneklere her bir ipucuna katılmaları ve ardından sonraki görüntünün tanıdık ya da yeni olup olmadığını mümkün olduğunca hızlı ve doğru bir şekilde belirtmeleri talimatı verildi. FMRI deneyi çok sayıda deneme gerektirdiğinden, hatırlama / tanıma paradigması kullanılarak yapılan yenilik beklentisiyle epizodik bellek performansının nasıl etkilendiğini değerlendirmek için deneme sayılarının daha uygun olduğu tamamen davranışsal bir versiyon gerçekleştirdik (Lale, 1985).
Deneysel prosedürler
denekler
Deneye on beş sağlıklı yetişkin (ortalama yaş [± SD] 24.5 ± 4.0 yıl, tümü sağ elini kullanan, 7 erkek) katıldı. Tüm katılımcılar katılmak için yazılı bilgilendirilmiş onam verdi ve çalışma Magdeburg Üniversitesi Tıp Fakültesi etik kurulunun yönergelerine uygun olarak yapıldı.
Deneysel paradigma
Normalleştirilmiş parlaklığa sahip 245 gri tonlamalı manzara fotoğrafı kullandık. Katılımcılar, alışmaları için seçilen beş resmin çıktılarını içeren yazılı talimatlar aldı. Tarayıcıya girmeden önce, bu resimlerin her biri bilgisayar ekranında rastgele sırayla (süre: 1500 ms, ISI: 1200 ms) sekiz kez sunulurken, katılımcılara dikkatlice izleme talimatı verildi. Tarayıcıda hem anatomik hem de fonksiyonel görüntüler toplandı. Katılımcılar, her biri 12-5.7 saniye uzunluğunda 40 deneme içeren 4.5 dakika süreli 12 seansa katıldı. Her deneme sırasında katılımcılar, aşağıdaki resmin tanıdık mı yoksa yeni mi olacağını% 1500 doğrulukla gösteren sarı veya mavi bir kare (75 ms) gördüler (bkz. İncir. 1A görev ve talimatlar için). Değişken bir gecikmeden (0-4.5 sn) sonra, tahmin edilen kategoriden bir resim denemelerin% 75'inde gösterildi ve tahmin edilmeyen kategoriden bir resim, bir aşinalık ipucunu takip eden ve bir yenilik ipucunu takiben tanıdık olan, 25'te gösterildi denemelerin% 'si (1500 ms). Her iki kategori de eşit sıklıkta gösterildi. Katılımcılar, resmin tanıdık kategoriden olup olmadığını hızlı bir şekilde (sağ veya sol işaret veya orta parmak) gösterdiler. Bunu değişken süreli bir fiksasyon aşaması izledi (1.5-4.5 sn). Her bir resim kategorisiyle ilişkili işaret renkleri, yanıt veren el ve parmakların kategorilere atanmasının yanı sıra katılımcılar arasında dengelendi.
fMRI prosedürleri
226 T tarayıcıda (Siemens Magnetom Trio, Erlangen, Almanya) 3 s TR ve 1.5 ms TE ile oturum başına 30 eko-düzlemsel görüntü (EPI) elde ettik. Görüntüler orta beynin uzunlamasına ekseni boyunca 24 dilimden oluşuyordu (64x64 matris; görüş alanı: 19.2 cm; voksel boyutu: 3x3x3 mm). Bu kısmi hacim hipokampus, amigdala, beyin sapı (diensefalon, mezensefalon, pons ve medulla oblongata dahil) ve prefrontal korteksin kısımlarını kapsıyordu. Tarayıcı gürültüsü kulak tıkaçları ile azaltıldı ve deneklerin kafa hareketleri köpük pedlerle en aza indirildi. Uyarı dizisi ve zamanlama, işaret ve sonuçla ilişkili hemodinamik yanıtların güvenilir şekilde ayrılmasına ilişkin verimlilik için optimize edilmiştir (Hinrichs ve diğerleri, 2000). Normalleşmeyi geliştirmek için her denek için bir geri kazanım geri kazanım EPI dizisi (IREPI) elde edildi. Tarama parametreleri, EPI sekansındaki ile aynıydı ancak tam beyin kapsamı vardı.
Ön işleme ve veri analizi, Matlab'da (SPM2; Wellcome Trust Centre for Neuroimaging, Institute of Neurology, London, UK) uygulanan İstatistiksel Parametrik Haritalama yazılımı kullanılarak gerçekleştirildi. EPI görüntüleri, dilim zamanlaması ve hareketi için düzeltildi ve ardından deneğin anatomik IREPI'sini SPM şablonuna çarpıtarak ve bu parametreleri fonksiyonel görüntülere uygulayarak, bunları 2 × 2 × 2 mm boyutlu voksellere dönüştürerek mekansal olarak Montreal Nöroloji Enstitüsü şablonuna normalize edildi. Daha sonra 4 mm Gauss çekirdeği kullanılarak yumuşatıldılar.
İstatistiksel analiz için, veriler genel ortalamaları üzerine voksel-voksel tarafından ölçeklendirildi ve yüksek geçişli filtrelendi. Her denek için deneme ile ilgili aktivite, bir kanonik hemodinamik cevap fonksiyonu ve zamansal türevleriyle bir deneme başlangıç vektörünün konvolde edilmesiyle değerlendirildi (Friston ve arkadaşları, 1998). Her katılımcı için, deneme başına iki başlangıç kullanarak, biri başlama başlangıcı için ve sonuç için başlama için bir tane olmak üzere ilgi etkilerini modellemek için her bir katılımcı için genel bir doğrusal model (GLM) belirlenmiştir (değişkenler şunlardı: yenilik ipucu, tanıdıklık ipucu, beklenen / beklenmeyen yeni sonuç, beklenen / Beklenmeyen bilinen sonuç) ve artık hareketle ilgili eserleri yakalamakla ilgilenmeyen altı değişken. Aşağıdaki karşıtlıklar analiz edildi: yeni ve tanıdık ipuçları, yeni ve tanıdık sonuçlar, beklenmeyen ve beklenen sonuçlar, beklenmeyen ve beklenen yeni sonuçlar ve beklenmeyen ve beklenen tanıdık sonuçlar. Her bir katılımcı için parametre tahminlerine doğrusal kontrastlar uygulayarak istatistiksel parametrik haritalar oluşturduktan sonra, grup etkilerini değerlendirmek için ikinci seviye rastgele etki analizi yapıldı. Ödül ve hipokampal sistemlerin aktivasyonu ile ilgili priori hipotezimiz göz önüne alındığında, etkiler tek örneklemde önem açısından test edildi. t- eşiğinde test p <0.005, düzeltilmemiş ve minimum küme boyutu k = 5 voksel, aksi belirtilmedikçe. Daha sonra, yapıların boyutuna karşılık gelen çaplar [ön hipokampustaki aktivasyonlar için 7.5 mm) kullanılarak, tepe vokselleri ortalayarak küresel küçük hacim düzeltmesi gerçekleştirildi (bkz. Lupien ve arkadaşları, 2007) ve substantia nigra'daki aktivasyonlar için 4.5 mm (bkz. Geng ve arkadaşları, 2006)]. Substantia nigra ve hipokampustaki tepe voksellerin beta değerleri çıkarıldı ve sinyal değişiminin yüzdesini elde etmek için denemede genel aktivasyon seviyesi için HRF'nin değeri ile düzeltildi. Tüm davranışsal ortalamalar, ortalama değerler ± ortalamanın standart hatası (SEM) olarak verilmiştir.
Orta beyin aktivitesini lokalize etmek için, aktivasyon haritaları daha önce elde edilen 33 uzamsal olarak normalize edilmiş mıknatıslanma transferi (MT) görüntülerinin ortalama görüntüsüne eklenmiştir (Bunzeck ve Düzel, 2006). MT görüntülerde, önemli nigra çevre yapılardan kolayca ayırt edilebilir (Eckert ve arkadaşları, 2004). Aktivasyonların yerelleştirilmesine yardımcı olmak için, her kontrastın tepe vokselleri Talairach uzayına aktarıldı (Talairach ve Tournoux, 1988) Matlab işlevini kullanarak mni2tal.m (Matthew Brett, 1999) ve Talairach Daemon Client yazılımını kullanarak anatomik alanlarla eşleşti (Lancaster ve diğerleri, 2000; Sürüm 1.1, Araştırma Görüntüleme Merkezi, San Antonio'daki Teksas Sağlık Bilimleri Merkezi). Bu nedenle tüm stereotaksik koordinatlar Talairach uzayda verilmiştir.
Ayrı hafıza değerlendirmesi
FMRI bulgularının motive ettiği ayrı bir davranış izleme çalışmasında, 12 katılımcıları (2 erkek), fMRI deneyi için uygulanan aynı alışma ve yenilik beklenti prosedürlerini tamamladı. Davranışsal deney, fMRI deneyinden ayrıldı çünkü fMRI'daki uyaranların süresi ve sayısı, sinyal kalitesini iyileştirmek için optimize edildi, fakat hafıza performansının şansın üstünde kalması için çok genişdi. Bu nedenle, davranış deneyinde ezberlenmeyi kolaylaştırmak için, beklenen yeni resimleri içeren deneme sayısı, 120'e beklenmeyen yeni resim sayısı olan 40'e düşürüldü. Çalışma oturumundan bir gün sonra katılımcılar, çalışma aşamasındaki tüm 160 roman resimlerini (şimdi 'eski' resimler) ve katılımcıların daha önce görmedikleri 80 yeni dikkat dağıtıcı resimlerini içeren bir hafıza testini tamamladılar (İncir. 1B). Çalışmanın bu bölümünde, katılımcılar her bir resim için arka arkaya iki karar verdiler, bunların ikisi de resmin altında sunulan metinle işaretlendi. İlk karar "eski / yeni" bir karar vermekti, ikinci karar "hatırla / bil / tahmin et" ("eski" bir yanıttan sonra) veya "emin / tahmin et" ("yeni" bir yanıttan sonra) yargı. Zamanlama, sırasıyla 3 sn ve 2.5 sn kararlar için bir zaman sınırı ile kendi hızına göre ayarlandı, ardından bir sonraki resmin sunumundan önce 1 sn sabitleme aşaması izledi.
ÇIKTILAR
Davranış sonuçları
Çalışma aşaması için, resim kategorisi (yeni / tanıdık), beklenti (beklenen / beklenmeyen) ve grup (taranan grup / bellek grubu) faktörleri ile doğru denemelerde katılımcıların tepki sürelerine ilişkin 2 × 2 × 2 ANOVA, resim kategorisi ve beklenti ve grup ve resim kategorisi etkisi arasındaki etkileşim (bkz. Tablo 1 reaksiyon süreleri için; kategori efekti: F[1,25] = 31.57, p <0.001; beklenti etkisi: F[1,25] = 8.47, p <0.01; etkileşim etkisi: F[1,25] = 5.49, p <0.05). Hoc eşlendi t-Testler hem beklenen tanıdık resimlerin hem de beklenen yeni resimlerin tepki sürelerinin karşılık gelen beklenmedik resimlerden önemli ölçüde daha kısa olduğunu doğruladı (p <0.01 ve p <0.05 sırasıyla). Hem beklenen hem de beklenmedik tanıdık resimler için tepki süreleri, karşılık gelen yeni resimlerden önemli ölçüde kısaydı (p <0.001 ve p = 0.001, sırasıyla). Etkileşim etkisi, yalnızca bir katılımcı grubunda önemli bir kategori etkisinden kaynaklanmamıştır. t- reaksiyon sürelerini yeni ve tanıdık resimlerle karşılaştıran testler her iki grup için de önemliydi (p Taranan grup için <0.05 ve p Hafıza grubu için <0.001). Bu sonuçlar, katılımcıların ipuçlarına dikkat ettiğini ve bunları yeni ve tanıdık resimlerin ayırt edilmesinde davranışsal bir avantaj elde etmek için kullandığını doğrulamaktadır. Doğru yanıt oranları, kategoriler arasında veya gruplar arasında farklılık göstermedi (beklenen yeni resimler için ortalama:% 95.1 ±% 3.7, beklenmedik yeni resimler için:% 94.1 ± 3.6, beklenen tanıdık resimler için:% 93.8 ±% 3.9 ve beklenmedik tanıdık resimler için :% 93.4 ±% 3.5).
Daha sonra davranış takibinde çalışma evresinden bir gün sonra 1 yapılan bellek testinden elde edilen sonuçları analiz ettik. Bellek faktörleri (düzeltilmiş hatırlama / bilme oranları) ve yenilik beklentisiyle (beklenen / beklenmeyen) iki yönlü bir ANOVA etkileşim etkisi göstermiştir (F[1,11] = 5.66, p <0.05). Hoc eşlendi t-test beklenen (% 8.9 ± 5) düzeltilmiş hatırlama / bilme oranları arasında beklenmedik (% 0.9 ± 4) yeni resimlerden (p <0.05; yanıt oranları için bkz. Tablo 2). Diğer postayla eşleştirildi t- Testler ne düzeltilmiş hatırlama oranı ile düzeltilmiş bilgi oranı ne de beklenen ile beklenmeyen tek başına önemli ölçüde farklı olduğunu doğruladı. Tahmin yanıtlarının oranı kategoriler arasında farklılık göstermedi (beklenen resimler için% 11.1 ± 2.3 ve beklenmedik resimler için% 12.3 ± 2.4).
Ayrıca, hatırlama ve aşinalıkların katkılarını, bağımsız bir varsayım çerçevesinde, geniş çapta kabul görmüş bir model temelinde analiz ettik (Yonelinas ve diğerleri, 1996), hangi hatırlamanın hipokampusa bağlı bir eşik sürecini temsil ettiğine göre, aşinalık sağlam bir hipokampüsün yokluğunda desteklenebilen bir sinyal saptama işlemini temsil eder. Hatırlama, hatırlama yanlış alarmlarının (RFA) hatırlama oranından çıkarılmasıyla hesaplandı. Aşinalık, ilk önce aşinalık yanıtları (FR, aşağıdaki denkleme bakınız) hesaplanarak ve daha sonra karşılık gelen d-prime değerini elde ederek hesaplandı.
Yüzde olarak yanıt oranları olan hatırlama tahminlerini (RE) ve alışılma tahminlerini (FE) karşılaştırabilmek için dDeğerler, her iki ölçü de zİstatistiksel analizlerden önce puanlar. Bellek faktörleri (hatırlama tahmini / aşinalık tahmini) ve yenilik beklentisiyle (beklenen / beklenmedik) iki yönlü bir ANOVA, ANOVA'da yanıt oranları üzerinde elde edilen etkileşim etkisini doğruladı (F[1,11] = 5.78, p <0.05).
fMRI sonuçları
Bilinen resimlerin öngörülmesinin aksine, yeni resimlerin beklentisine yol açan ipuçları, dopaminerjik sistemi (sol striatum; sağ orta beyin, büyük olasılıkla SN; Şekil. 2A, B; Tablo 3), daha önce ödül beklentisiyle ilişkili alanlar (Knutson ve diğerleri, 2001a, b; O'Doherty ve diğerleri, 2002; inceleme için bkz. Knutson ve Cooper, 2005). Sonuç kontrastı için beklenmeyen ve beklenen yeni sonuçlar da doğru SN / VTA'yı etkinleştirdi (Şekil. 4A, B; Tablo 4). Bu aktivasyon paterni, dopaminerjik nöronların ödülde bir tahmin hatası bildirdiği ödül paradigmalarıyla dopaminerjik orta beyinde görülen bir aktivasyon paternini andırır (Schultz ve diğerleri, 1997). Buna karşılık, tanıdıklık ipuçlarına ve beklenmeyen ve beklenen tanıdık resimlere cevaben aktivite bu modeli göstermedi. Bu nedenle, bu sonuçlar SN / VTA'da yenilik işleme ile ödül arasındaki paralellikleri göstermektedir.
Hipokampusta, hem yenilik beklentisi hem de yeni sonuçlar, tanıdık uyaranların beklentileri ve sonuçları ile karşılaştırıldığında artmış iki taraflı aktivite ile ilişkilendirilmiştir (Şekil. 2C, D ve 3; Tablo 3). Sağ hipokampus da beklenmeyen yeni resimler için beklenen yeni resimlerden daha etkindi (Şekil. 4C, D; Tablo 4). Dahası, sol hipokampus (Talairach koordinatları: - 36, - 14, - 14), bağlamsal yeniliğin hipokampal işlenmesi ile tutarlı olarak, beklenen tüm resimlerin aksine tüm beklenmedik resimlerin sunumu için daha yüksek aktivite gösterdi (Ranganath ve Rainer, 2003; Bunzeck ve Düzel, 2006).
İşaret aşamasında, katılımcılar üzerinde 'yenilik ve tanıdıklık beklentisi' kontrastının tepe voksellerinde yenilik ipuçlarına yanıt olarak ortalama yüzde sinyal değişikliği kullanılarak test edildiği üzere sağ SN / VTA aktivasyonu ile sağ hipokampal aktivite arasında anlamlı bir pozitif korelasyon vardı ( Pearson r = 0.48, p <0.05 tek kuyruklu; İncir. 5). Bu nedenle, verilerimiz, işlevsel bir etkileşimin yanı sıra, SN / VTA ve hipokampus arasındaki yenilik işlemede fonksiyonel ayrışmaları gösterir.
Tartışma
Davranışsal olarak, ipucu geçerliliği, yeni ve tanıdık uyaranların ayrımı sırasında deneklerin tepki süreleri üzerinde önemli bir etkiyle ilişkilendirildi ve bu, yeni veya tanıdık olayları tahmin eden ipuçlarının denekler tarafından işlendiğini gösterdi. fMRI analizi, yeni görüntüleri tahmin eden ipuçlarının, tanıdık uyaranları tahmin eden ipuçlarından önemli ölçüde daha yüksek SN / VTA aktivasyonu ortaya çıkardığını ortaya çıkarmıştır (Şekil. 2A, B; Tablo 3). Yeniliğe cevaben bu SN / VTA aktivasyon paterni, ödül paradigmalarında bulunan ve ödülün en eski tahmincisine bir cevap görülen bir paterni andırır (Knutson ve diğerleri, 2001a; Wittmann ve arkadaşları, 2005). SN / VTA’daki bir diğer ödül işleme özelliği, yani, beklenen ödüllere kıyasla beklenmedik faaliyetler için artan aktivite (Schultz, 1998), aynı zamanda yeniliğe SN / VTA cevapları ile paralel olmuştur. SN / VTA aktivasyonu, beklenmeyen sunumlara cevap olarak, yeni eşyaların beklenen sunumlarıyla karşılaştırıldığında daha güçlüydü (Şekil. 4A, B; Tablo 4). Beklenti SN / VTA aktivasyonunun, titreme protokolünün etkinliğini gösteren, öngörülen yeni uyaranlar veya tanıdıklık ipuçları ile SN / VTA aktivasyonu olmadığı için, yeni uyarıcıların neden olduğu hemodinamik sinyalin kontaminasyonunu yansıtma ihtimalinin düşük olduğuna dikkat edin.
Bulgularımız, yenilik ve ödül arasındaki benzerliğin SN / VTA-hipokampal devreler üzerindeki ortak etkisinin ötesine geçtiğini ve yeniliğin bir ödüle benzer şekilde işlenme olasılığını arttırdığını göstermektedir. Bu, yeni nesnelerin keşfedilmesi sırasında amfetaminin kendi kendine tatbikatının azaldığını gösteren veriler dahil, hayvan araştırmalarından elde edilen bir takım gözlemlerle uyumludur (Klebaur ve arkadaşları, 2001), yeni uyaranları içeren ortamlar için yer tercihinin geliştirilmesi (Bevins ve Bardo, 1999) ve yeniliğe koşullandırma (Reed ve diğerleri, 1996). Bununla birlikte, yenilik ve ödül arasındaki bu ilişki, bilinen uyarıcılarla etkili bir şekilde çalışan geleneksel takviye protokollerinden elde edilen çıkarımları etkilemez. Bu, birçok durumda bir ajanın çok tanıdık eşyalar ile ödül ilişkilendirmeleri kurmasının açıkça avantajlı olduğu gerçeğinden bahseder. Bununla birlikte, verilerimiz, yeni uyaranların kendine özgü ödül özelliklerinin, yeni bağlam ve öğelere tipik olarak gözlemlenen keşif davranışlarının altında olabileceği fikrine destek sağlamaktadır (Ennaceur ve Delacour, 1988; Stansfield ve Kirstein, 2006). SN / VTA'nın ödül sonuçlarının nöronal kodlamasının bir başka özelliği de uyarlamalı kodlamadır (Tobler ve diğerleri, 2005her bağlamda mevcut alternatif ödüllere bağlı olarak beklenen aynı ödül değerine cevap vermenin farklı bir seviyesi ile karakterize edilen). Orta değerli ödüller, düşük değerli ödüller bağlamında, yüksek değerli ödüller bağlamında olduğundan daha yüksek bir dopaminerjik tepkiye yol açar. SN / VTA ödül işlemlerinin bu özelliği insanlarda yenilik için henüz çoğaltılmamıştır. Aslında, ödülün aksine, yeniliğin insan SN / VTA'sına uyarlanabilir bir şekilde kodlanamayacağına dair kanıtlar var (Bunzeck ve Düzel, 2006) yenilik ve ödül arasında daha fazla araştırma yapan fonksiyonel farklılıkları öne sürerek.
Hipokampustaki yenilik işleme sırasındaki uyaranla ilişkili aktivite paterni, SN / VTA'da görülen paternden farklıydı. SN / VTA'nın aksine, hipokampus beklenen yeni uyaranlara karşı daha yüksek aktivite göstermiştir (İncir. 3). Ayrıca, hipokampus da bağlamsal yenilikle daha aktif hale getirildi (Lisman ve Grace, 2005) Bilinen resimlerin öngörülemeyen sunumuna verdiği yanıtta açıkça görülen, uyarıcı yenilikten bağımsız olarak. Bu önceki verileri doğrular (Bunzeck ve Düzel, 2006(bu yapının öğrenilmiş dizilerdeki uyuşmazlıklara karşı duyarlı olduğunu gösteren bulgular dahil)Kumaran ve Maguire, 2006). Hipokampüsün kendi başına yeni uyaranlarla aktifleştirilmesi, VTA-hipokampal halka modeliyle uyumludur, buna göre hipokampal yenilik SN / VTA'ya sinyaller, uyarıcı bilginin depolanmış ilişkilerle intrakippokampal bir karşılaştırması sonucu ortaya çıkar.Lisman ve Grace, 2005). Yenilik öngören ipuçlarına yanıt olarak hipokampal aktivasyon (Şekil. 2C, D; Tablo 3) Öte yandan, bu model tarafından açıklanamamaktadır. Dopaminerjik bir tahmin sinyalinin, CA1'e dopaminerjik giriş yoluyla hipokampal aktivasyonu indüklediğini düşünüyoruz (Jay, 2003), bu çalışmada bulunan SN / VTA'daki işaret ile ilişkili aktivite ile hipokampus arasında anlamlı bir korelasyon ile uyumlu bir yorum.
Önceki sonuçlar, mezolimbik sistem dışındaki birkaç beyin alanının ödül paradigmalarında farklı beklenti yanıtları gösterdiğini göstermektedir. Yeni bir örnek, bu tür yanıtların birincil görsel korteks V1’te gösterilmesidir (Shuler ve Bear, 2006). Bu tepkiler dopaminerjik modülasyon tarafından yönlendirildiği varsayılmaktadır. Benzer bir mekanizma yeniliğin işlenmesi için de geçerli olabilir. Dopaminerjik orta beynin hipokampusu tahrik edip etmemesine bakılmaksızın, bunun yerine, hipokampusun ve SN / VTA'nın koaktivasyonu, beklenti sırasında hipokampusun artan dopaminerjik girdisi ile ilişkili olabilir. Bu da, gelecekteki yeni uyaranlar için öğrenmeyi geliştiren, hesaplamalı olarak uygulanabilir bir model yaratabilir.Blumenfeld ve arkadaşları, 2006).
Yenilik beklentisinin SN / VTA-hipokampal işlemine ek olarak, daha önce yenilik işlemeyle ilişkilendirilen ön kortekste başta olmak üzere yenilik işaretlerine cevap olarak aktivite gösteren başka beyin bölgeleri de vardı (Daffner ve arkadaşları, 2000; Tablo 3) ve parahippokampal korteksin bölgeleri (Duzel ve diğerleri, 2003; Ranganath ve Rainer, 2003). Hipotezlerimiz SN / VTA ve hipokampal işleme odaklandığından, bu sonuçların daha yakından araştırılması bu çalışmanın kapsamı dışındadır. Frontoparietal yenilik ağının gelecekteki araştırılması ve SN / VTA ve hipokampus ile etkileşimleri, büyüyen yenilik işleme anlayışına büyük ölçüde katkı sağlayacaktır.
Beklenti sırasında hipokampüsün önceden etkinleştirilmesinin öğrenmeyi kolaylaştırdığı fikrini koruyarak, davranışsal verilerimiz, beklenen yeni resimlerin, bellek gün sonra 1 test edildiğinde beklenmedik yeni resimlerden daha yüksek hatırlama / bilme tepki farkına neden olduğunu göstermektedir. Hatırlama cevabı, çalışma bölümünden içeriğin hatırlanmasını gerektirir ve bu nedenle tanıma hafızasının aşinalık temelli, epizodik olmayan yönünün aksine epizodik hafızayı yansıtır (Tulving, 1985; Duzel ve diğerleri, 2001; Yonelinas ve diğerleri, 2002). Hipokampus önceki çalışmalarda başarılı epizodik hafıza oluşumuyla ilişkilendirilmiştir (örn. Brewer ve arkadaşları, 1998; Wittmann ve arkadaşları, 2005; Daselaar ve diğerleri, 2006ve hipokampusun lezyonlarının öncelikle hatırlama bileşeninin hatırlama bileşenine zarar verdiği bulunmuştur (Duzel ve diğerleri, 2001; Aggleton ve Kahverengi, 2006). Kısa süre önce, ödül öngören uyaranlara yönelik hafızanın, ödülün yokluğunu öngören uyaranlara kıyasla daha yüksek hatırlama / tanıma oranı ile ilişkili olduğunu bildirmiştik (Wittmann ve arkadaşları, 2005ve bu hafıza gelişimi, kodlama sırasında ödül öngören uyaranlara cevap olarak artan SN / VTA ve hipokampal aktivasyon ile ilişkiliydi. Mevcut sonuçlarımız, bu bulguları, en erken yenilik tahmincisi tarafından kurulan SN / VTA kaynaklı hipokampal plastisite artışını içerecek şekilde genişletmektedir. İlginç bir şekilde, kafa derisi kayıtlarından elde edilen son elektrofizyolojik veriler, yeni bir uyaranın başlangıcından kısa bir süre önceki beyin aktivitesi ile bu uyaran için epizodik hafıza arasındaki ilişkiyi vurgulamaktadır (Otten ve diğerleri, 2006). Verilerimiz, yenilik beklentisinin, prestij aktivitesinin uyaran kodlamasını değiştirebildiği bir mekanizma olabileceğini gösteriyor. Bulgularımız ayrıca, ödül beklentisinin ve duygusal bir uyaran beklentisinin hafızayı iyileştirdiği tespit edilen son fMRI verilerini de genişletmektedir (Adcock ve diğerleri, 2006; Mackiewicz ve arkadaşları, 2006).
SN / VTA'daki ödül ve yenilik işleme arasındaki fonksiyonel ve anatomik örtüşme, keşif davranışını güçlendirmeye, hayvanların yeni gıda kaynakları bulmalarını ve konumlarını kodlamalarını sağlayarak hayatta kalmayı artırabilir. Gelecekteki araştırmalar için ilginç bir yol, yenilik beklentisiyle yenilik arayan kişilik özelliği arasındaki ilişkiyi belirlemek olacaktır. İnsanlarda, yenilik arayışı artması kumar ve bağımlılıkla ilişkilidir (Spinella, 2003; Hiroi ve Agatsuma, 2005) hafızadaki yeniliği tahmin etmenin yararlı etkileri ile bağımlılıkla ilişkili olumsuz etkiler arasında bir değiş tokuş olasılığını artırma. Yenilik beklentisi, hafıza oluşumu ve yenilik arayışı arasındaki ilişkinin daha iyi anlaşılması, Parkinson hastalığı ve şizofreni gibi dopaminerjik disfonksiyonda bulunan belirli hafıza eksikliklerine ilişkin araştırmaları da bilgilendirebilir.
Ödül işleme ile ilgili tek hücreli hayvan çalışmalarında, SN / VTA'nın ödül tahminine ve beklenmedik bir ödüle yanıt verdiğine dair gözlem, ödül işleme (“geçici fark”) modellerine ilham vermiştir.Schultz, 1998, 2002). Çalışmamızda, yenilik beklentisiyle fMRI aktivasyonlarının ve beklenmeyen yeniliklerin SN / VTA içerisinde biraz farklı bölümlerde bulunduğu belirtilmelidir. Bu, ödül öngörüsü ile hayvanlarda beklenmeyen ödül tepkisi arasında bölgesel tepki farklılıkları olabileceği ve yenilik beklentisiyle beklenmedik yeniliklerin beklenmedik nöron çalışmalarının, karşılık gelen nöronal tepkilerin SN'nin farklı bölümleri içinde bulunduğunu gösterebileceği ihtimalini arttırmaktadır. / VTA. Buradaki bir uyarı, çalışmamızda yenilik tahminine cevap veren aynı nöronal popülasyonun da beklenmeyen yeniliklere cevap verme ihtimalini dışlayamayacağımız gerçeğidir.
Özet olarak, fMRI verilerimiz hipokampal oluşumun ve SN / VTA'nın inovasyonun tahmin ve işlenmesinde kısmen farklı fonksiyonlara hizmet ettiğini göstermektedir. SN / VTA, öngörülebilirliği işler ve hipokampus, belirli bir bağlamda yeniliğin beklenen ve gerçek varlığını gösterir. Davranışsal verilerimizle birlikte, bulgularımız, SN / VTA ve hipokampüsün, primulus öncesi fazdaki en erken yenilik tahmincisine koaktivasyonunun, yaklaşmakta olan yeni uyaran için gelişmiş bir bellek oluşumuna yol açtığını göstermektedir. Bu bulgular, ödül ve uyaran yeniliğinin işlenmesi arasında yakın bir ilişki olduğuna dair kanıt sunar ve son zamanlarda dopaminerjik-hipokampal etkileşim modellerini genişletir. Prestimulus döneminin epizodik kodlama için öneminin altını çizerler. Bu nedenle, yeniliğin kodlama üzerindeki etkileri, dopaminerjik orta beyin alanlarındaki modülatör etkilerin aracılık ettiği, medial temporal hafıza sisteminde bir beklenen durumun indüklenmesine bağlı olabilir. Bununla birlikte, fMRI verileri, spesifik nörotransmitter sistemlerinin katılımı için doğrudan kanıt sağlamaz. Bununla birlikte, fMRI, insanlarda SN / VTA'daki olaya bağlı aktiviteyi araştırmak için değerli bir araçtır. Moleküler genetik yaklaşımların nörogörüntülemeye entegrasyonu (Schott ve diğerleri, 2006) ve farmakolojik fMRI, nöromodülatör verici sistemlerinin, insan yenilik işlemindeki rolünü ve SN / VTA yanıtları ve dopaminerjik nörotransmisyon arasındaki ilişkiyi daha iyi açıklamaya yardımcı olabilir.
Teşekkürler
Bu çalışma Deutsche Forschungsgemeinschaft'tan (KFO [Hafızanın Bilişsel Kontrolü, TP3]) hibeleri ile desteklenmiştir. FMRI tasarımına yardım için Michael Scholz'a, fMRI analizlerinde yardım için Kolja Schiltz'e ve fMRI taramasında yardım için Kerstin Möhring, Ilona Wiedenhöft ve Claus Tempelmann'a teşekkür ederiz.
Referanslar