Source
Інститут психології біології Саклера, Медичний коледж Вейля Корнельського університету, Нью-Йорк, Нью-Йорк 10021, США. [захищено електронною поштою]
абстрактний
Підлітковий вік характеризується ризикованою поведінкою, яка може призвести до летальних наслідків. У цьому дослідженні вивчався нейробіологічний розвиток нервових систем, причетних до поведінки, що прагне винагороди. Тридцять сім учасників (7-29 років) були скановані за допомогою функціональної магнітно-резонансної томографії та парадигми, яка параметрично маніпулювала значеннями винагороди. Результати показують перебільшену активність накопичувачів у порівнянні з передфронтальною активністю у підлітків порівняно з дітьми та дорослими, яка, як видається, зумовлена різними часовими курсами розвитку для цих регіонів. Активність накопичувачів у підлітків виглядала як активність дорослих як за ступенем активності, так і за чутливістю до цінностей винагороди, хоча величина активності була перебільшена. На відміну від цього, ступінь орбітальної активності лобової кори у підлітків виглядав більше як у дітей, ніж у дорослих, з меншою фокусною структурою активності. Ці висновки свідчать про те, що дозрівання підкіркових систем стає непропорційно активізованим порівняно з пізніше зрілими системами управління зверху вниз, упереджуючи дії підлітка до негайних над довгостроковими досягненнями.
Вступ
Початок зловживання психоактивними речовинами часто відбувається в період підвищеного ризику підліткового віку (Silveri et al., 2004). До теперішнього часу мало відомо про нейробіологічні фактори, які можуть схиляти підлітків до підвищеного ризику. У дорослих мезолімбічні області були залучені до винагороди (Knutson et al., 2001; Elliott et al., 2003; McClure et al., 2004), прийняття ризику (Kuhnen і Knutson, 2005), і залежність (Hyman і Malenka, 2001; Volkow et al., 2004), але менше відомо про розвиток цих систем. Метою даного дослідження було перевірити гіпотезу про те, що підлітковий вік є періодом розвитку підвищеної чутливості до винагороди щодо дитинства і дорослості. Зокрема, ми досліджували, чи можуть розбіжності у розвитку підкоркових [наприклад, nucleus accumbens (NAcc)] щодо префронтальних [наприклад, областей орбітальної фронтальної кори (OFC)] характеризувати цей період розвитку, щоб пояснити збільшення поведінки ризику .
Підлітковий вік характеризується тривалим структурним і функціональним розвитком фронтостріальної схеми, що втягується в поведінкове регулювання. У щурів-периадольсентов спостерігається збільшення передачі дофаміну, пов'язаного з винагородою, у стриатумі (Laviola et al., 1999), а нелюдські примати показують підвищену допамінергічну іннервацію в префронтальній корі (PFC) (Розенберг і Льюїс, 1994, 1995). Дослідження зображень людини показують зміни фронтострітального регіону (Giedd et al., 1999; Sowell et al., 1999; Casey et al., 2005), які, здається, паралельно збільшують когнітивний контроль (Casey et al., 1997; Rubia et al., 2000; Luna et al., 2001; Luna і Sweeney, 2004; Steinberg, 2004). Здається, ці зміни показують зрушення активації префронтальних регіонів з дифузного до більш фокусного набору з часом (Casey et al., 1997; Bunge et al., 2002; Moses et al., 2002; Durston et al., 2006). Неврологічні дослідження не можуть остаточно охарактеризувати механізм таких змін у розвитку (наприклад, синаптична обрізка, мієлінізація). Однак ці об'ємні та структурні зміни можуть відображати уточнення та тонке налаштування взаємних проекцій з цих областей мозку під час дозрівання. Таким чином, ця інтерпретація є лише умоглядною.
Останнім часом дослідження нейровізуалізації почали досліджувати пов'язану з винагородою обробку у підлітків і показали активацію NAcc, як показано у дорослих (Bjork et al., 2004; May et al., 2004; Ernst et al., 2005). Однак результати були змішаними щодо того, як підлітки та дорослі відрізняються за активністю. Ці дослідження зосереджувалися, перш за все, на регіоні accumbens, а не OFC при розгляді змін. Крім того, мало уваги було приділено характеристиці розвитку NAcc і OFC з дитинства до дорослого віку. Відстеження цього розвитку надає додаткові обмеження щодо того, чи зміни, зазначені в підлітковому віці, є специфічними для цього періоду розвитку або відображають літні зміни, що відбуваються.
Тут ми використовували функціональну магнітно-резонансну томографію (ФМР) для вивчення поведінкових і нервових реакцій на користь маніпуляцій з цінністю розвитку. Ми зосередилися на NAcc і OFC, враховуючи попередні звіти у тварин (Hikosaka і Watanabe, 2000; Pecina et al., 2003), зображення (O'Doherty et al., 2001; Zald et al., 2004), і залежність (Hyman і Malenka, 2001) дослідження, які втягують їх у навчання, пов'язане з винагородою. На основі моделей гризунів (Laviola et al., 1999; Спис, 2000) та попередня робота з зображеннями (Ernst et al., 2005Ми припустили, що у порівнянні з дітьми та дорослими підлітки показуватимуть перебільшену відповідь, що свідчить про уточнені фокусні активації в межах цього періоду, разом з менш зрілими активаціями в зонах ПФК зверху вниз.
Матеріали та методи
Учасники
Шістнадцять дітей (сім самок; у віці 7 – 11, середній вік 9.8 років), підлітки 13 (шість жінок; у віці 13 – 17, середній вік 16 років) і здорові дорослі люди 12 (шість жінок; 23 – 29, з середнім віком 25 років, брав участь у експерименті fMRI. Раніше повідомлялося про окремий статистичний аналіз даних для дорослих (Galvan et al., 2005). Троє дітей та один підліток були виключені з аналізу через надмірні рухи (> 2 мм). Рух становив> 0.5 вокселя (1.56 мм) у будь-якому напрямку для двох суб'єктів (одна дитина та один дорослий), включені в аналіз. Виключення цих суб'єктів з аналізу не змінило результатів, а різні вікові групи не суттєво відрізнялись у русі в площині (дорослі: x = 0.48, y = 0.76, z = 0.49; підлітки: x = 0.26, y = 0.58, z = 0.45; діти: x = 0.18, y = 0.76, z = 0.36). Суб'єкти не мали історії неврологічного або психічного розладу, і кожен дав інформовану згоду (згоду батьків і згоду дитини для підлітків і дітей) для протоколу, затвердженого Інституційним комітетом з перегляду медичного коледжу Вейля Корнельського університету. Експеримент на підлітків і дітей був змодельований в макетному сканері перед експериментом, в якому вони піддавалися звукам, які вони почули б під час фактичного експерименту.
Експериментальне завдання.
Учасники були протестовані з використанням адаптованої версії задачі з двома виборами із затримкою відповіді, які раніше використовувалися у приматів, які не належать до людини (Кромвель і Шульц, 2003) і описано раніше (Galvan et al., 2005) у дослідженні fMRI, пов'язаному з подіями (Рис. 1). У цьому завданні три сигнали (врівноважені) були пов'язані з явним винагородою. Суб'єктам було доручено натиснути або свій індекс, або середній палець, щоб вказати сторону, на якій з'явився сигнал під час запиту, і відповісти якомога швидше без помилок.
Поведінкова парадигма. Ліва панель. Кожен з трьох сигналів був сполучений з чітко визначеним значенням винагороди (врівноваженим для суб'єктів), який залишався постійним протягом всього експерименту. Права панель, парадигма складалася з кия, відповіді і винагороди, які були тимчасово розділені в часі з 12 s ITI. Загальна тривалість дослідження була 20 s.
Параметри стимулу були наступними. Одне з трьох піратських мультфільмів було представлено в псевдослужбовому порядку на лівій або правій стороні центрованої фіксації для 1000 ms (Рис. 1). Після затримки 2000 мс, суб'єктам було запропоновано відповідь двох скриньок зі скарбами по обидві сторони фіксації (2000 мс) і доручено натиснути кнопку з правом вказівним пальцем, якщо пірат був на лівій стороні фіксації або правий середній палець, якщо пірат перебував на правій стороні фіксації. Після іншої затримки 2000 ms, нагорода зворотного зв'язку або з малим, середнім або великим обсягом монет була представлена в центрі екрану (1000 мс). Кожен пірат був пов'язаний з чітко визначеною нагородою. Перед початком наступного випробування було проведено міжречевий інтервал 12 (ITI). Загальна тривалість дослідження була 20 s. Суб'єкти не отримували винагороди, якщо вони не дали відповіді або якщо вони зробили помилку; в обох випадках вони отримали повідомлення про помилку, коли вони зазвичай отримували зворотний зв'язок з винагородою.
Суб'єктам було гарантовано $ 50 для участі в дослідженні і їм сказали, що вони можуть заробити до $ 25 більше, залежно від продуктивності (як індексується за часом реакції та точності) щодо завдання. Незважаючи на те, що винагороди були чітко відрізняються один від одного, точне значення кожної винагороди не було розкрито суб'єкту, оскільки під час пілотних досліджень суб'єкти повідомляли про підрахунок грошей після кожного випробування, і ми хотіли уникнути цього можливого відволікання. Стимули були представлені з інтегрованою функціональною системою візуалізації (PST, Pittsburgh, PA) з використанням рідкокристалічного дисплея відеодисплея в отворі магнітно-резонансного (MR) сканера і волоконно-оптичного пристрою збору відповіді.
Експеримент складався з п'яти прогонів 18 випробувань (шість кожен з малих, середніх і великих випробувань нагороди), які тривали 6 хв і 8 і кожен. Кожен біг мав шість випробувань кожної винагороди, які були представлені у випадковому порядку. Наприкінці кожного пробігу суб'єкти оновлювалися про те, скільки грошей вони заробили під час цього запуску. Сума зароблених коштів була послідовною для всіх суб'єктів і всі отримали безперервний графік підкріплення (нагороджений на 100% випробувань). Перед початком експерименту суб'єктам показували фактичні гроші, які вони могли б заробити для забезпечення мотивації. Вони отримали докладні інструкції, які включали ознайомлення з використовуваними стимулами. Наприклад, суб'єктам було показано три підказки та три винагороди, які вони бачили б під час експерименту. Їм не розповідали, як сигнали пов'язані з нагородами. Ми чітко підкреслили, що існує три суми винагороди, одна - маленька, інша - середня, а інша - велика. Ці кількості візуально очевидні в експерименті, оскільки кількість монет в подразниках зростає зі збільшенням винагороди. Тільки один суб'єкт міг би сформулювати зв'язок між конкретними стимулами та винагородою, коли він чітко запитав про цю асоціацію під час опитування суб'єкта в кінці експерименту.
Зображення зображень.
Візуалізацію виконували за допомогою сканера 3T General Electric (Мілуокі, Віргінія) з використанням квадратурної головки. Функціональні сканування були отримані за допомогою спіральної вхідної та вихідної послідовності (Гловер і Томасон, 2004). Параметри включали наступне: час повторення (TR), 2000 мс; час відлуння (TE), 30 мс; Матриця 64 × 64; 29 5 мм корональних зрізів; 3.125 × 3.125 мм. flip, 90 ° для повторів 184, включаючи чотири відкинуті придбання на початку кожного запуску. Зібрано анатомічні T1-зважені сканування в площині (TR, 500; TE, min; 256 × 256; поле зору, 200 мм; товщина зрізу 5 мм) в тих же місцях, що і функціональні зображення, крім тривимірного набір даних високого дозволу зіпсованого градієнтно-згаданого придбання в стійкому стані зображень (TR, 25; TE, 5; 1.5 мм товщини зрізу; шматочки 124).
Аналіз зображень.
Пакет програм Brainvoyager QX (Мозкові інновації, Маастріхт, Нідерланди) був використаний для аналізу випадкових ефектів даних візуалізації. Перед аналізом були виконані наступні процедури попередньої обробки на необроблених зображеннях: тривимірна корекція руху для виявлення і виправлення малих рухів голови шляхом просторового вирівнювання всіх обсягів до першого обсягу шляхом трансформації твердого тіла, корекції часу сканування зрізу (з використанням інтерполяції sinc) ), усунення лінійного тренду, тимчасова фільтрація високих частот для видалення нелінійних дрейфу трьох або менше циклів за часовий хід, і згладжування просторових даних з використанням гауссового ядра з 4 мм повної ширини на пів-максимуму. Розраховані рухи обертання і трансляції ніколи не перевищували 2 мм для суб'єктів, включених у цей аналіз. Функціональні дані були приведені до анатомічного обсягу шляхом вирівнювання відповідних точок і ручних налаштувань для отримання оптимальної придатності шляхом візуального контролю і потім були перетворені в простір Talairach. Функціональні воксели були інтерпольовані з одержуваного вокселя розміром 48.83 мм3 до дозволу 1 мм3 під час трансформації Талайраха. NAcc і OFC визначалися координатами Talairach у поєднанні з атласом Дуверного мозку (Talairach і Tournoux, 1988; Дуверной, 1999).
Початковий аналіз загальної лінійної моделі (GLM) включав усі суб'єкти та всі пробіги по всьому випробуванню (відносно досудової базової лінії), щоб визначити регіони, чутливі до винагороди (NAcc і OFC). Щоб забезпечити проведення статистичних аналізів на одних і тих же регіонах для кожної вікової групи, було проведено окремий аналіз GLM. Кожна група показала активацію в NAcc і OFC на основі винагороди проти базового контрасту. Локалізація цих областей була додатково підтверджена для кожної групи окремо координатами Талайраха у поєднанні з атласом Дуверного мозку (Talairach і Tournoux, 1988; Дуверной, 1999), як описано вище. Попередня методологічна робота показала, що стереотаксична реєстрація і часовий хід гемодинамічної відповіді протягом віку, випробуваних у поточному дослідженні, не відрізняються (Burgund et al., 2002; Kang et al., 2003). Подальший аналіз і Постфактум контрасти були виконані в регіонах, ідентифікованих з цим початковим омнібусом GLM для всіх груп разом, а потім окремо для кожної групи. Нарешті, було проведено аналіз кон'юнкції, який ідентифікував воксели, які зазвичай активувалися в усіх трьох групах, в NAcc і OFC (додатковий рис. 1, доступний на www.jneurosci.org as додатковий матеріал). Області інтересу, ідентифіковані в аналізі кон'юнкції, перекриваються з тими, які ідентифікуються з початковим омнібусом GLM, і Постфактум випробування підтвердили аналогічні ефекти, отримані з вищенаведених аналізів.
У аналізі цілої групи омнібус GLM містив усі прогони по всьому випробуванню (5 запускає × 37 предметів = 185 z- нормовані функціональні курси часу) і проводилися з величиною винагороди як основний предиктор. Провісники були отримані шляхом згортки ідеальної реакції вагона (припускаючи величину 1 для обсягу представлення завдання і обсяг 0 для решти моментів часу) з лінійною моделлю гемодинамічної відповіді (Boynton et al., 1996) і використовуються для побудови матриці проектування кожного часового курсу в експерименті. Були включені тільки правильні випробування, і були створені окремі предиктори для випробувань помилок. Загальна кількість правильних випробувань для кожної групи була наступною: 1130 для дітей (n = 13), 1061 для підлітків (n = 12) і 1067 для дорослих (n = 12). Менша кількість випробувань для дітей було виправлено шляхом включення додаткового дитячого предмета.
Post hoc Аналізи контрастності потім виконували на основі t тести на β-ваги предикторів для ідентифікації області, що представляє інтерес, в NAcc і OFC. Контрасти проводилися за допомогою аналізу випадкових ефектів. Часові ряди і відсоткові зміни в МР-сигналі, по кожній точці даних всього дослідження (18 s) відносно 2 з фіксації, що передує початку дослідження (загальна тривалість судового дослідження 20 с), були розраховані з використанням подій, пов'язаних із усередненням по значно активним вокселам отримані з контрастних аналізів. Розрахунок кількості вокселів, набраних у кожній області за віковими групами, ґрунтувався на аналізі GLM, проведеному для кожної групи, описаної вище.
Виправлення для множинних порівнянь базувалися на моделюваннях Монте-Карло, які виконувалися за допомогою програми AlphaSim в рамках AFNI (Кокс, 1996), щоб визначити відповідні пороги сусідства для досягнення скоригованого рівня α p <0.01 (Forman et al., 1995) на основі обсягу пошуку 450 мм3 для NAcc. Корекційний рівень α p <0.05 в OFC базувався на обсязі пошуку ,25,400 мм3 (Forman et al., 1995). Активація OFC не пережила більш жорсткий поріг p <0.01 у групах.a
результати
Результати візуалізації
Об'єднаний GLM-аналіз даних зображень ідентифікував NAcc [праворуч (x = 6, y = 5, z = −2) і зліва (x = −8, y = 6, z = −2)] і правої OFC (x = 46, y = 31, z = 1), зображений на малюнок 2, A та C, з значенням винагороди як основного предиктора, по всіх суб'єктах і прогонах експерименту протягом всього випробування (18 s), відносно інтервального інтервалу 2, що передує початку наступного випробування (наприклад, контраст проти базового рівня). У цих регіонах спостерігався головний вплив вартості винагороди (F(2,72) = 8.424; p = 0.001) (Рис. 2B) в NAcc, але не в OFC (F(2,72) = 1.3; p = 0.44) (Рис. 2D). Post hoc t випробування на основний ефект винагороди для NAcc підтвердили значні відмінності між великим і малим (t(36) = 4.35; p <0.001), великий і середній (t(36) = 2.01; p <0.05), а також середні та малі (t(36) = 2.09; p <0.04) винагороди, з більшою активацією для більших нагород.
Локалізація nucleus accumbens (A) і орбітальна лобова кора (C) активація для винагороди. В ядрі accumbens виявлено головний вплив вартості винагороди (B) [праворуч (x = 6, y = 5, z = −2) і зліва (x = −8, y = 6, z = −2)], але не в правій бічній орбітальній лобовій корі (x = 46, y = 31, z = 1) (D). Смуги помилок позначають SEM. Зірочки позначають значні відмінності між малими і середніми, середніми і великими, малими і великими.
Відмінності в розвитку за величиною і ступенем активності винагороди
Оскільки фокус цього дослідження полягав у тому, як винагорода впливає на нервовий рекрутмент через розвиток, ми розглянули відмінності в розвитку величини і ступеня активності та діяльності OFC для випробувань до найбільшої винагороди. Величина активності була розрахована як відсоткове зміна в МР-сигналі, усередненому по перших 18s випробування відносно міжфазного інтервалу фіксації безпосередньо перед випробуванням (2 s), яке було усереднено по всьому експерименту (випробування 90 = 900) сканування). Цей розрахунок проводили для кожної групи. Ступінь активності обчислювали як об'єм активності (кількість вокселів) по ходах, за групою, використовуючи той же контраст.
Величина діяльності.
У accumbens і OFC, були значні відмінності у відсотках зміни у сигналі MR (F(2,22) = 6.47, p <0.01; F(2,22) = 5.02, p = 0.01, відповідно) (Рис. 3A,B). У аккумбендах підлітки виявили найбільшу зміну сигналу. Post hoc випробування підтвердили значні відмінності між підлітками та дітьми (t(11) = 4.2; p = 0.03) і між підлітками та дорослими (t(11) = 5.5; p = 0.01) за величиною активності accumbens. У OFC, Постфактум випробування підтвердили значні відмінності між дітьми та підлітками (t(11) = 4.9; p = 0.01) і дітей і дорослих (t(11) = 3.99; p = 0.01). Таким чином, підлітки проявляли підвищену активність в аккумбенсах, і ця закономірність відрізнялася від такої в OFC і від дітей і дорослих.
Величина і ступінь аккумбенс і діяльності OFC для винагороди. AПідлітки показали перебільшену процентну зміну сигналу МР у велику винагороду відносно дітей і дорослих в аккумбенс. BУ OFC діти мали найбільший відсоток зміни MR сигналу щодо підлітків і дорослих. CДіти показали найбільший обсяг активності в аккумбенс відносно підлітків і дорослих. DУ дітей і підлітків спостерігається більший об'єм активності в OFC щодо дорослих. Смуги помилок позначають SEM. Зірочки означають значні відмінності активації між дітьми та підлітками та підлітками та дорослими в Росії A; більша активація у дітей щодо підлітків і дорослих в Росії B; більший об'єм активності у дітей у порівнянні з підлітками і дорослими в Росії C; і більший об'єм активності у дітей у порівнянні з підлітками та підлітками щодо дорослих в Росії D.
Обсяг діяльності.
Існували значні відмінності в розвитку в обсязі діяльності вF(2,22) = 4.7; p <0.02) та OFC (F(2,22) = 5.01; p = 0.01). Post hoc випробування підтвердили найбільший об'єм активності в аккумбенс для дітей (інтерпольовані воксели 503 ± 43) щодо підлітків (інтерпольовані воксели 389 ± 71) (t(22) = 4.2; p <0.05) та дорослих (311 ± 84 інтерпольованих вокселів) (t(22) = 3.4; p <0.05) (Рис. 3C). Підлітки та дорослі не відрізнялися (t(22) = 0.87; p = 0.31). Для OFC, діти (інтерпольовані воксели 864 ± 165) (t(22) = 7.1; p = 0.01) і підлітків (671 ± 54) (t(22) = 5.8; p = 0.01) показали найбільшу ступінь активності відносно дорослих (воксали 361 ± 45) (Рис. 3D), але істотних відмінностей між дітьми та підлітками не було (t(22) = 1.8; p = 0.07). Ця картина активності відображає тривалий розвиток OFC відносно NAcc (Рис. 4, графік).
Нормалізована міра активності для nucleus accumbens і OFC для всіх суб'єктів, з поправкою на середню ступінь активності (x - середній / середній) для кожного регіону.
Розвиток відмінностей у тимчасовій обробці вартості винагороди
Щоб вивчити диференційні зміни в нервовому підборі протягом всього експерименту, ми вивчили основний ефект і час взаємодії (ранні, середні і пізні випробування) на зміну сигналу МР в NAcc або OFC. Ефект часу спостерігався лише у взаємодії часу групою з винагородою в аккумбенс (F(8,136) = 3.08; p = 0.003) і менш надійно в OFC (F(8,136) = 2.71; p = 0.02). Ця взаємодія була обумовлена в основному змінами, що відбувалися під час пізніх випробувань експерименту (для змін як функції раннього, середнього і пізнього досліджень, див. Додаткові фіг. 2, доступні на www.jneurosci.org as додатковий матеріал). Фігури 5 та 6 зображують часовий хід зміни сигналу МР як функцію малих, середніх і великих значень винагороди для пізніх випробувань за групами для кожної області. Ці часові ряди показують перебільшену зміну аккумбенс активності у підлітків щодо дітей або дорослих за малі та великі винагороди випробувань, що відбувається UM 5-6 с після відповіді і точки, в якій всі три вікові групи показують зміну в МР-сигналу. Ця схема ілюструється графічно в малюнок 7 для ясності (для зміни активності OFC в цей момент часу для всіх трьох вікових груп див. доповнення Рис. 3, Доступний за адресою www.jneurosci.org as додатковий матеріал).
Тимчасові зміни в ядрі accumbens як функції від малих, середніх і великих значень винагороди для пізніх випробувань експерименту для кожної вікової групи. Сірі смуги відповідають точці (ах) N5 – 6 s після відповіді. Смуги помилок позначають SEM. Зірочки означають відмінності активації між групами.
Тимчасові зміни в орбітофронтальній корі як функції малих, середніх і великих значень винагороди для пізніх випробувань експерименту для кожної вікової групи. Сірі смуги відповідають точці (ах) N5 – 6 s після відповіді. Смуги помилок позначають SEM. Зірочки означають відмінності активації між групами.
Відсоткове зміна МР-сигналу N5 – 6 s після відповіді щодо базової лінії до початку дослідження для кожної вікової групи, що демонструє перебільшену зміну активності підлітків у підлітків щодо дітей або дорослих для невеликих і великих винагород. Смуги помилок позначають SEM. Зірочки означають відмінності активації між групами.
Результати поведінки
Вплив часу на завдання і винагороду було перевірено з 5 (прогонами) × 3 (невелика, середня і велика винагорода) × 3 (група) ANOVA для залежних змінних середнього часу реакції для правильних випробувань і середньої точності. Існували основні ефекти вартості винагороди (F(2,72) = 9.51; p = 0.001) і групи (F(2,220) = 4.37; p = 0.02) і значні взаємодії винагороди за часом (F(8,288) = 4.176; p <0.001) та згрупувати за винагородою за часом (F(16,272) = 3.01; p = 0.01) для середнього часу реакції. Основний ефект від винагороди показав, що серед усіх суб'єктів середній час реакції був швидшим до найбільшої винагороди (середній, 515.47; SD, 178.75; t(36) = 3.8; p <0.001) щодо середньої (середнє значення, 556.89; SD, 180.53) або невеликої винагороди (середнє значення, 552.39; SD, 180.35). Значна взаємодія винагороди за часом була зумовлена головним чином тристороннім взаємодією групи за винагороду за часом. До кінця експерименту дорослі відрізнялись середнім часом реакції на всі три значення винагороди (Рис. 8). Підлітки були значно швидше до великих відносно середніх і малих нагород без різниці між середніми і малими нагородами. Діти не виявили значних відмінностей у середньому часу реакції на малі, середні або великі винагороди. Не було виявлено значних кореляцій між середнім часом реакції або точністю і акумбенсом або орбітофронтальною активністю.
Результати поведінки. Середній час реакції як функція малих, середніх і великих значень винагороди показано для раннього, середнього і пізнього випробувань експерименту для кожної вікової групи. Смуги помилок позначають SEM. Зірочки позначають більш повільний час реакції на малі і середні нагороди щодо малих у підлітків і більш повільний час реакції на малі щодо середніх і середніх по відношенню до великих у дорослих.
Не було значних наслідків винагороди (F(2,72) = 0.26; p = 0.40), група (F(2,220) = 0.73; p = 0.80) або час (F(4,476) = 0.57; p = 0.44) або взаємодії для середньої точності. Всі суб'єкти мали високу точність щодо цінностей винагороди (діти: малі, 96%; середні, 98%; великі 96%; підлітки: малі, 98%; середні, 99%; великі, 99%; і дорослі: малі, 98%; середовище, 99%, великий, 99%).
Обговорення
У цьому дослідженні розглянуто поведінкові та нервові реакції на винагороду за цільові маніпуляції з розвитком. Наші висновки підтверджують нашу гіпотезу про те, що підлітки відрізняються від дітей і дорослих в наборі NAcc і OFC, регіони, які раніше були залучені до обробки винагороди (Knutson et al., 2001) і залежність (Volkow et al., 2004). Наші результати узгоджуються з гризунами (Laviola et al., 2003) і попередня візуалізація (Ernst et al., 2005) дослідження посиленої аккумбенс активності в підлітковому віці. Ці результати свідчать про те, що різні траєкторії розвитку для цих регіонів можуть бути пов'язані з підвищеною імпульсивною та ризикованою поведінкою, що спостерігається протягом цього періоду розвитку.
Розвиток змін у структурі та функції
Покращена активність аккумбенс була паралельна до вишуканого характеру діяльності для підлітків щодо дітей, але подібний до дорослих. Навпаки, підлітки показали більш дифузний рекрутмент OFC, більш схожий на дітей, ніж у дорослих. Ми інтерпретуємо ці дані, щоб припустити, що розвиток NAcc може передувати розвитку OFC у підлітковому віці. Затяжний розвиток префронтальних областей, з переходом від дифузного до фокального рекрутингу узгоджується з нейроанатомом на основі МРТ (Sowell et al., 1999; 2003; Gogtay et al., 2004) та дослідження fMRI (Casey et al., 1997, 2002; Brown et al., 2005, Durston et al., 2006) префронтального розвитку (Casey et al., 2005).
Зміни в обсягах активності у фронтострітальних районах (Sowell et al., 1999) є цікавими у світлі відомих процесів розвитку (наприклад, дендритних обростання, синаптичної обрізки, мієлінізації), що відбуваються в цей період. Однак ні fMRI, ні MRI не дають рівня аналізу, за допомогою якого можна остаточно охарактеризувати механізм таких змін. Об'ємні заходи були частково використані для обмеження інтерпретації розходжень величини, але ми можемо тільки припустити, що наші зміни в обсязі та величині активності NAcc і OFC відображають точну настройку цієї схеми з досвідом і розвитком.
Диференціальний набір фронтостріальних регіонів був зареєстрований у кількох дослідженнях ФМРТ (Casey et al., 2002; Monk et al., 2003; Thomas et al., 2004). Як правило, ці висновки інтерпретуються в термінах незрілих префронтальних регіонів, а не дисбалансу між префронтальними і підкірковими регіонами. Наведені дані про префронтальні регіони в направленні відповідних дій у різних контекстах (Міллер і Коен, 2001) незріла префронтальна діяльність може перешкоджати належній оцінці майбутніх результатів і оцінці ризикованого вибору, і, таким чином, може бути менш впливовим на оцінку винагород, ніж аккумбенс. Ця закономірність узгоджується з попередніми дослідженнями, які показують підвищену підкоркову, відносно кортикальної активності, коли рішення змінюються безпосередньо на довгострокові вигоди (McClure et al., 2004). Крім того, активність accumbens позитивно корелює з подальшою поведінкою ризику (Kuhnen і Knutson, 2005).
Навчання, пов'язане з винагородою в рамках розвитку
Одна з цілей цього дослідження полягала в тому, щоб охарактеризувати нагороду навчання в рамках розвитку. Дорослі показали поведінкове розрізнення до трьох сигналів, з найшвидшими відповідями на велику нагороду. Підлітки показали меншу дискретність відповідей, і діти не мали ніякого навчання. Уповільнення розвитку через розвиток паралельно призводить до результатів тривалого розвитку OFC, що може перешкоджати асоціативному навчанню між прогнозними подіями та результатами винагороди. Ця інтерпретація підтримується тваринами (Hikosaka і Watanabe, 2000; Chudasama і Robbins, 2003; Cetin et al., 2004; Hosokawa et al., 2005) і зображення людини (Elliott et al., 2000; O'Doherty et al., 2003; McClure et al., 2004; Cox et al., 2005; Galvan et al., 2005) дослідження, що показують роль ОФК у навчанні та представляють зв'язки між прогнозуючими подіями (стимулами та відповідями) і результатом винагороди в оптимізації поведінки вибору.
На сьогоднішній день лише незначна кількість досліджень, що стосуються винагороди, здатна показати відмінності в поведінці як функцію результату винагороди (Haruno et al., 2004; Delgado et al., 2005; Galvan et al., 2005). Тут наші дані показують, що пов'язані з винагородою нервові відповіді впливають на поведінковий вихід. Мінімальна поведінкова мінливість могла б перешкодити попереднім авторам визначити, чи відрізняються умови винагороди за відхиленням поведінкового результату. Однією з причин, з якої ми могли роздратувати окремі поведінкові відмінності, може бути тому, що наша парадигма була розроблена для максимального реагування на поведінку та навчання за допомогою безперервного графіку підкріплення (Дікінсон і Макінтош, 1978; Gottlieb, 2004, 2005). Дослідження на тваринах свідчать про більш швидке навчання з безперервним по відношенню до інтервалівним графікам армуванняGottlieb, 2004), які, можливо, пояснювали швидше реагування на великі випробування винагороди за участю суб'єктів та чітку схему поведінки для кожного винагороди у дорослих шляхом пізніх випробувань.
Нагороди відносні для різних контекстів і віків
Налаштування премії залежить від контексту винагород (Тверський і Канеман, 1981; Трембле і Шульц, 1999). Докази нашого дослідження підтверджують уявлення про те, що відносна перевага в нагоді перебільшується під час підліткового віку: підлітки демонструють посилену відповідь на велику винагороду і зменшення активності на невелику винагороду відносно інших нагород та інших віків. Підлітки повідомляють про більшу інтенсивність позитивних відчуттів і більш позитивну інтенсивність BOLD-сигналу, ніж дорослі під час перемоги (Ernst et al., 2005). Підлітки, можливо, розглядали невелику винагороду як відсутність винагороди, подібно до відсутності очікуваної події в даний час, раніше показали, що знижують стриатичну активність (Davidson et al., 2004). Цей висновок відповідав уповільненню часу реакції від раннього до пізнього випробувань на менші винагороди, надаючи додаткові докази того, що цей стан можна було сприймати як більш негативний для підлітків. Разом ці висновки означають, що на сприйняття винагороди можуть впливати зміни в нейронних системах під час підліткового віку (Ірвін, 1993).
Зміни у розвитку можуть паралельно змінюватися з навчанням
В останній час Пасупаті та Міллер (2005) показали, що в мавпах смугасті ділянки спочатку виявляли винагороду за непередбачувані обставини, які потім, здавалося, упереджували префронтальні регіони до дій. Інша робота показала, що OFC, здається, втягується у зв'язок відповідей з результатами (Elliott et al., 2000; Galvan et al., 2005). Проте цей ефект може залежати від зрілості префронтальних систем і взаємних зв'язків між фронтостриатними регіонами (Хабер, 2003), які пов'язують дії з результатом, оскільки діти та підлітки не виявляють навчання, як індексується середнім часом реакції, в тій мірі, в якій це зробили дорослі. Залишається відкритим питання, чи не могли діти навчитися розрізняти різні нагороди, чи були вони так само задоволені невеликою винагородою, як велика винагорода.
Результати меншої чутливості в поведінковій реакції, ніж у нервовій відповіді у молодих суб'єктів, можуть узгоджуватися з попередніми дослідженнями, які показують, що нейронні зміни передують змінам поведінки (Tremblay et al., 1998). До кінця експерименту підлітки значно швидше переходили до більших випробувальних випробувань щодо інших значень винагороди, але накопичені демонстрували чіткі моделі активності для кожного значення винагороди, подібного до дорослих. Якби це пояснення було правдивим, ми могли б очікувати, що при додатковому тренуванні поведінкові показники підлітків в кінцевому підсумку будуть паралельними активності. Так само можна було б очікувати, що подібні закономірності з’являться у дітей, але з більш широким навчанням.
Контрасти між поточними та попередніми результатами
Незважаючи на те, що у підлітків перебільшена відповідь, вона повторюється May et al. (2004) та Ernst et al. (2005), Bjork et al. (2004) виявили зменшену активність по відношенню до дорослих під час посилення проти контрасту посилення. Тоді як Bjork et al. (2004) повідомили про зміну МР-сигналу протягом усього експерименту, ми досліджували зміни МР по всьому експерименту, а також під час раннього і пізнього випробувань, причому більш пізні дослідження показали більшу активацію у підлітків щодо дорослих.
Друга різниця в поточному дослідженні, щодо існуючої літератури (O'Doherty et al., 2001, Elliott et al., 2003, Galvan et al., 2005), - відсутність основного ефекту вартості винагороди в OFC для суб'єктів. Досліджуючи цей головний ефект, ми згорнули діяльність OFC у вікових групах і в експерименті. Інші дослідження винагороди OFC не включали популяції, що розвиваються, які мають дифузні та більш різноманітні структури діяльності в цьому регіоні (Casey et al., 1997). Включення популяцій, що розвиваються, таким чином, збільшило варіабельність у наборі цієї області, з менш послідовними схемами активності OFC. Крім того, наші дані показали, що для подальших випробувань експерименту, OFC активність відрізнялася для більших відносно менших винагород, але показала менш точне відображення для винагороди у відношенні до NAcc, який показав дискретні моделі активності для кожного значення винагороди за віком групи, що відповідають нашій попередній роботі (Galvan et al., 2005) та інших (Elliott et al., 2003).
Наслідки
Наші результати показують, що існують тривалі зміни в системах контролю «зверху-вниз» відносно субкортикальних областей, пов'язаних з апетитною поведінкою. Ці різні траєкторії розвитку можуть сприяти неоптимальному вибору у підлітків, які більш спричинені апетитними системами, ніж системи контролю (Спис, 2000). Розуміння розвитку структурної та функціональної зв'язності мезолімбічної схеми, пов'язаної з винагородою, може додатково інформувати поле на нейробіологічній основі підвищеної залежності від винагороди та підлітків.
Нейронну структуру, подібну до тієї, яку ми пропонуємо тут, було запропоновано пояснити залежністю. Відповідно, PFC «захоплений» імпульсною підкорковою системою, що може зробити її нездатною належним чином модулювати рішення в контексті майбутніх наслідків (Bechara, 2005). Наші результати узгоджуються з цією спекуляцією, але відбуваються під час типового розвитку. Таким чином, непропорційні вклади субкортикальних систем щодо префронтальних регуляторних систем можуть лежати в основі несприятливого прийняття рішень, що схиляє підлітків до вживання наркотиків і, зрештою, до залежності.
Виноски
- Отриманий 5 Січня, 2006.
- Отримано версію Травень 15, 2006.
- Прийняті Травень 25, 2006.
↵a Розміри кластерів 6 і 10 для accumbens і OFC, відповідно, були визначені за допомогою цих моделювань. Розміри кластерів 8 і 10 у даних підлітків і дітей, відповідно, пережили більш жорсткі пороги (p <0.002 та p <0.001 відповідно). У OFC розміри кластерів 14 та 18 у підлітків та дітей, відповідно, пережили більш суворі пороги (p <0.004 та p <0.001 відповідно).
Ця робота була частково підтримана Національним інститутом з протидії наркоманії R01 DA18879 та R21 DA15882, Національному інституту охорони психічного здоров'я P50 MH62196 (BJC), та стипендії T32 EY07138 (AG). Ми вдячні всім учасникам та їхнім родинам за участь у цьому дослідженні та трьох анонімних рецензентів.
- Кореспонденція повинна бути адресована або Адріані Галван, або Б.Я. Кейсі, 1300 York Avenue, Box 140, Нью-Йорк, Нью-Йорк 10021. Електронна пошта: [захищено електронною поштою] or [захищено електронною поштою]
посилання
Статті з посиланням на цю статтю
;