Cereb. Cortex (2010) 20 (1): 61-69. doi: 10.1093 / cercor / bhp078
+ Автор зв'язків
Адресна кореспонденція до Лінди Ван Лейенхорст. Кафедра психології Лейденського університету, Інститут психологічних досліджень, Wassenaarseweg 52, 2300 RB Leiden, Нідерланди. Електронна пошта: [захищено електронною поштою].
абстрактний
Взаємозв’язок між розвитком мозку в підлітковому віці та ризикованою поведінкою підлітків в останні роки викликає все більший інтерес. Запропоновано, що підлітки мають підвищену чутливість до винагороди через дисбаланс у моделі розвитку, що супроводжується стриатумом та префронтальною корою. На сьогоднішній день незрозуміло, чи підлітки займаються ризикованою поведінкою, оскільки вони завищують потенційну винагороду або більше реагують на отримані винагороди та чи виникають ці наслідки за відсутності рішень. У цьому дослідженні ми використовували функціональну парадигму магнітно-резонансної томографії, яка дозволила нам роз'єднати наслідки передбачення, отримання та упущення винагороди у 10- до 12-річного віку, 14- до 15-річного та 18- учасникам 23-літнього віку.
Ми показуємо, що, очікуючи невизначених результатів, передня інсула активніша у підлітків порівняно з молодими людьми і що вентральний смуга показує пік, пов’язаний із винагородою у середньому підлітковому віці, тоді як у молодих дорослих спостерігається активація орбітофронтальної кори для пропущеної винагороди. Ці регіони демонструють чіткі траєкторії розвитку.
Це дослідження підтверджує гіпотезу, що підлітки мають чутливий характер до винагороди та доповнює сучасну літературу, демонструючи, що нейронна активація відрізняється у підлітків навіть невеликими винагородами за відсутності вибору. Ці висновки можуть мати важливе значення для розуміння поведінки підліткового ризику.
Вступ
Часто рішення приймаються у невизначених ситуаціях, коли відома не вся інформація, необхідна для прийняття раціонального рішення. Коли вибір у невизначених ситуаціях пов'язаний з можливими негативними наслідками, вони вважаються ризикованими. Збільшення ризикованої поведінки - одна з найпомітніших характеристик підліткового віку (Arnett 1999; Steinberg 2004; Boyer 2006). Ця зміна поведінки говорить про різницю в процесах прийняття рішень підлітків порівняно з дорослими. Тобто підлітки можуть вибирати по-різному між конкуруючими напрямами дій у невизначеній ситуації, оскільки вони зважують можливі результати та ймовірності, з якими вони трапляються по-різному, порівняно з дорослими. Попередні дослідження свідчать про те, що підлітки схильні до ризику через різницю в способі їх отримання (Bjork et al. 2004; May et al. 2004; Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst та ін. 2006).
Дослідження функціональної магнітно-резонансної томографії (fMRI) виявили ділянки мозку, пов'язані з прогнозуванням та обробкою результатів. Багато досліджень показали, що вентральний стриатум відповідає на очікування потенційної винагороди (Breiter et al. 2001; Knutson et al. 2001; Дагер 2007; Tom et al. 2007), що було підтверджено нещодавним метааналізом (Knutson and Greer 2008). IКрім того, передня інсула була задіяна в очікуванні результатів, і активація в цій області також часто пов'язана з невизначеністю, пов'язаною з anticipation (Critchley et al. 2001; Volz та ін. 2003). Нарешті, кілька досліджень у дорослих показали це медіальна префронтальна кора (PFC), орбітофронтальна кора і передня черепиця кори беруть участь у обробці винагород (Рулони 2000; Bechara 2001; Knutson et al. 2001; О'Доерті та ін. 2001 рік, 2002).
Функціональний розвиток цих регіонів недостатньо вивчений. На сьогодні нечисленні дослідницькі дослідження показують, здавалося б, непослідовну модель результатів. Підвищення ризику підліткового віку, з одного боку, було пов'язане зі «зниженою» чутливістю вентральної смуги до нагородження у підлітків порівняно з дорослими. Запропоновано цю нервову реакцію змусити підлітків шукати більш стимулюючого досвіду, щоб компенсувати низький рівень активації у вентральній смузі (Спис 2000; Bjork et al. 2004). Оз іншого боку, сприйняття ризику підлітків було пов'язано з "підвищеною" чутливістю вентральної смуги до війниD (Galvan et al. 2006). У цих дослідженнях було висловлено припущення, що це збільшення реакції на потенційну винагороду в поєднанні з незрілими когнітивними можливостями контролю (внаслідок затяжного розвитку ПФК) спрямовує підлітків до ризику (Galvan et al. 2006; Ernst et al. 2006; Кейсі, Джонс та ін. 2008).
Інтерпретація цих знахідок розвитку є складною з причин 2. По-перше, існує велика розбіжність у віці учасників, які були включені в ці дослідження щодо обробки підліткової винагороди. Це проблематично, оскільки підлітки утворюють дуже неоднорідну групу, наприклад, в ранньому підлітковому віці на зміни розвитку можуть впливати пубертальні зміни. У попередні дослідження були включені підлітки широкого вікового діапазону. Наприклад, у дослідженні Bjork et al. (2004), підліткову групу складали учасники віком 12 – 17 років, що може перешкодити нашій інтерпретації структури змін у розвитку. Структурні дослідження зображень мозку продемонстрували, що розвиток структури мозку з точки зору пропорції сірої та білої речовини триває протягом усього підліткового віку (Giedd et al. 1999; Gogtay et al. 2004), і нещодавнє дослідження показало, що ці зміни в розвитку слідують за нелінійною схемою у багатьох регіонах мозку (Шоу та ін. 2008). Друга складність полягає в тому, що в попередніх звітах були використані різні експериментальні парадигми, що ускладнює порівняння результатів. Наприклад, у попередніх дослідженнях винагорода залежала від виконання завдань учасників і вимоги до отримання нагороди були різними. Винагорода може залежати від часу реакції (наприклад, Bjork et al. 2004) або на точність відповіді / відповідність ймовірності (наприклад, Ernst et al. 2005; Galvan et al. 2006; Van Leijenhorst та ін. 2006; Eshel et al. 2007). Крім того, величина нагороди (Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006), ймовірність винагороди (May et al. 2004; Van Leijenhorst та ін. 2006), або величиною та ймовірністю (Ernst et al. 2005; Eshel et al. 2007) маніпулювали. Тому важко пов'язати різницю розвитку в активації вентрального стриатуму з більш прийнятим ризиком або обробкою винагородою. Нещодавно дослідження щодо прийняття рішень у дорослих намагалися передбачити поведінку, грунтуючись на попередніх змінах активації вентрального смуга (Knutson and Greer 2008). Ці дослідження показали, що підвищена активація вентрального стриатума пов'язана з підвищеною готовністю ризикувати у дорослих. У попередньому дослідженні, включаючи дорослих, Knutson та ін. (2008) використав завдання для прийняття рішення та подав нагородні фотографії, які не мають відношення до завдання. Презентація цих знімків була пов'язана з посиленням активації вентрального стриатуму та з більшою готовністю ризикувати (Knutson et al. 2008). Таким чином, якщо пік активації вентральної смуги у підлітків змушує їх ризикувати, важливо зрозуміти, наскільки цей регіон не залежить від поведінкових вимог. Крім того, важливо зрозуміти, на якій фазі під час передбачення чи оброблення нагород спостерігаються відмінності між підлітками та дорослими. Краще розуміння причин переробки нагородження підлітків може допомогти інтерпретувати потенційно шкідливу ризиковану поведінку, до якої вступає багато підлітків. Важливо розуміти, чи підлітки частіше вступають у ризиковану поведінку порівняно з дорослими, оскільки вони завищують потенційну винагороду (у рання фаза процесу прийняття рішень) або тому, що їх відповідь на отримані винагороди відрізняється від реакції дорослих (на більш пізній фазі). Розуміння цих можливих відмінностей у чутливості до нагородження у підлітковому віці інформує нас про процеси, що лежать в основі ризикованої поведінки підлітків у реальному світі. Крім того, ці знання можуть допомогти спробам втрутитися та захистити підлітків від проблем, з якими вони стикаються. Основні відмінності в області мозку, пов'язані з винагородою, між учасниками різного віку можуть ускладнити трактування змін у поведінці в розвитку. Один із способів подолати цю складність - вивчити обробку винагороди за допомогою експериментального завдання, в якому винагорода та ризик не пов'язані з поведінкою учасників (про подібний підхід див. Тоблер та ін. 2008). Тому метою цього дослідження було вивчити відмінності розвитку нейронної активації, пов'язані з різними фазами обробки винагороди за відсутності поведінки.
Ми порівнювали нейронні субстрати передбачення результатів та обробку результатів у ранньому та середньому підлітковому віці та юному дорослому віці за допомогою fMRI. Для того, щоб визначити закономірність розвитку регіонів мозку, пов'язаних з обробкою винагороди, ми включили гомогенні вікові групи 3 (10 – 12 років, 14 – 15 років та 18 – 23). Ці учасники виконали завдання з ігровими автоматами (Донкерс та ін. 2005), проста парадигма, в якій невеликі грошові винагороди непередбачувані та не пов'язані з поведінкою. У цьому завданні учасники переглядають ігрові автомати 3, в яких малюнки фруктів подаються послідовно. Тільки коли ці фотографії 3 однакові, учасники виграють гроші. Завдання включає в себе представлення різних умов 3: 1) усі зображення 3 різні (називаються умовою XYZ), 2) перші зображення 2 однакові, але треті різні (називаються умовою XXY), і 3) усі зображення 3 однакові (називаються умовами XXX). Таким чином, парадигма дозволила нам роз'єднати активацію мозку, пов'язану з передчуттям результату (коли перші зображення 2 з 3 однакові проти всіх зображень 3 різні; XXY проти XYZ), обробка нагороди (коли всі зображення 3 є той самий проти першого 2 з трьох зображень однаковий; XXX проти XXY) та упущення нагороди (XXY проти XXX).
Наш аналіз зосередився на визначенні областей головного мозку, пов'язаних з обробкою винагороди та невизначеністю, включаючи стриатум, інсулу та орбітофронтальну кору (OFC). Наша перша гіпотеза полягала в тому, що ці регіони демонструють функціональний розвиток, що відображається в різній схемі активації в різних вікових групах. Ми перевірили лінійні та нелінійні закономірності розвитку. Друга наша гіпотеза полягала в тому, що якщо ризик підліткового віку пов'язаний з підвищеною чутливістю до винагороди, це повинно відображатися в піку активації в вентральній смузі в цій віковій групі. Ми досліджували, на якому етапі під час очікування чи обробки результатів вентральний смуга показує різні відповіді за відсутності поведінкових вимог та чи буде реакція на винагороду в цьому регіоні збільшуватися чи зменшуватися у підлітків порівняно з дорослими. Очікується, що результати допоможуть зрозуміти розвиток регіонів мозку, пов'язаних із винагородою, у підлітковому періоді та сприятимуть тлумаченню відмінностей у нервових реакціях підлітків та дорослих у складніших завданнях із винагородою та ризиком.
Матеріали та методи
Учасниками
Всього у дослідженні брали участь здорові добровольці з правою рукою 53, п'ятнадцять років 18 – 23 (жінки 7; середній вік = 20.2, стандартне відхилення [SD] = 1.6), вісімнадцять років 14 – 15 (жінки 10; середній вік = 15.0, SD = 0.7) і сімнадцять років 10 – 12 (жінки 8; середній вік 11.6, SD = 0.8). Інформована згода була отримана від усіх учасників та від первинної медичної допомоги, якщо учасники були молодшими за 18 років. Дослідження було схвалено Комітетом з медичної етики при Медичному центрі університету Лейденського університету (LUMC). Дані додаткових дорослих учасників 3 були виключені через технічні труднощі. Дані для учасників, які перемістили більше 3 мм у будь-якому напрямку, були виключені з аналізів. З цієї причини дані учасників 3 (14, 15 та 10 рік) були виключені. Середній рух становив 0.52 мм для дітей 18 – 23, 0.68 мм для дітей 14 – 15 та 0.62 мм для дітей 10 – 12 років. Різниця в середньому русі між віковими групами була незначною (P > 0.1).
Оцінка поведінки
До сканування всі учасники були підготовлені до сеансу сканування в тихій лабораторії, в якій був присутній макет-сканер. Цей макетний сканер, який імітував середовище та звуки фактичного сканера магнітно-резонансної томографії (МРТ), давав неповнолітнім можливість звикнути до середовища сканера і використовувався для пояснення процедури сканування всім учасникам. Для того, щоб отримати оцінку IQ, вікові версії підтестів 2 шкали розвідки Векслера для дорослих (Wechsler 1981) або інтелектуальні шкали Векслера для дітей (Wechsler 1991) - подібності та дизайн блоку - були надані всім учасникам. Для дітей 10 – 12, 14 – 15 років та 18 – 23 років, оцінка IQ була 119.7 (SD = 9.7), 106.0 (SD = 9.0) та 108.7 (SD = 9.4) відповідно. Середній показник IQ для 10 – 12 років був значно вищим порівняно з іншими віковими групами 2 (F2,49 = 11.62, P = 0.001), але загальний IQ учасників впав у середньому діапазоні. Аналітичні звіти, подані нижче, були виправлені на відмінності в IQ шляхом додавання IQ як коваріативного фактора до аналізів. Однак на жоден з ефектів не вплинули різниці в IQ. Тому відмінності IQ не описані далі.
Усіх учасників обстежували на психіатричні стани, вживання наркотиків, травми голови та протипоказання на МРТ за допомогою контрольного списку. Жоден учасник не повідомив про проблеми. Крім того, учасників молодших вікових груп 2 проводили обстеження на поведінкові проблеми, використовуючи оцінку батьків у контрольному списку поведінки дітей (Achenbach 1991). Оцінки для всіх учасників потрапляли в неклінічний діапазон.
Експериментальний дизайн
Учасники виконували Завдання ігрових автоматів, зручну для дітей версію парадигми, яку раніше використовували Донкерс та ін. (2005). Кожне випробування починалося з презентації порожніх ігрових автоматів 3. Після 500 мс в нижній частині екрана була представлена монета для 1000 мс, яка служила києм. Щоб учасники не брали участь у (інакше пасивному) завданні, їм було доручено запустити машини, натиснувши наперед встановлену кнопку правою вказівним пальцем під час подання сигналу. Відповідь потрібно було дати в часовому вікні 1000-мс. Після вікна відповіді 1000-ms, зображення 3, кожен 1 з можливих типів фруктів 3 - ківі, груша або пара вишень - були представлені послідовно, зліва направо в ігрових автоматах, кожні 1500 мс (див. Рис. 1).
Приклад (a) судовий процес і (b) можливі результати результатів для ігрових автоматів. Після часового вікна 1000-мс, в якому учасники могли відповісти на сигнал, зображення 3 з'являлися послідовно кожні 1500 мс, в результаті чого випробувальні типи 3: XXX, XXY або XYZ. Учасники вигравали € 0.05 у кожному випробуванні XXX і не виграли в інших умовах.
Фотографії були представлені у можливих замовленнях 3: 1) 3 різних зображень (наприклад, ківі-груша – вишня, що називаються випробуваннями XYZ), 2) 2 однакові та різні зображення 1 (наприклад, ківі – ківі – вишні, що називаються XXY випробування) або 3) 3 однакові зображення (наприклад, ківі – ківі – ківі, що називаються XXX випробуваннями). Ці випробувальні типи 3 представляють експериментальні умови 3. Порядок подання випробувань був рандомізований, а учасникам було представлено нове поєднання зображень 3 на кожному випробуванні.
Учасникам було заздалегідь доручено, що вони отримуватимуть € 0.05 на кожному випробуванні XXX та що вони не зароблять гроші на інших видах випробувань. Коли учасники не змогли відповісти під час презентації сигналу 1000-ms, випробування закінчилося, і вони отримали штраф у розмірі € 0.10. Це траплялося на менш ніж 5% випробувань. Після закінчення експерименту загальний виграш (€ 1.50) був доданий до суми, яку учасники отримали як відшкодування за участь у дослідженні.
Придбання даних МРТ
Випробування були представлені протягом сканувань, пов’язаних з подіями 2, які тривали приблизно 7 хв. Зорові подразники проектувалися на екран, який учасники могли бачити за допомогою дзеркала, прикріпленого до котушки голови. Під час сканування учасникам було представлено загальну кількість випробувань 120, в яких випробування XXX, XXY та XYZ були змішані, таким чином, що випробування 60 XYZ, 30 XXY та 30 XXX випробування були представлені загалом, з випробуваннями 60 у кожному циклі. На вікові відмінності у відповіді на винагороду може впливати повільне дозрівання здатності до вивчення ймовірностей та прогнозування ризику. Ми контролювали цю можливість, представляючи послідовні подразники 3 у псевдовипадковому порядку, щоб максимізувати невизначеність. У всіх випробуваннях після представлення першої картини ймовірність того, що наступне зображення в серії 3 було однаковим, завжди було 50%. Таким же чином, після того, як були представлені однакові зображення 2, ймовірність того, що третє зображення було таким же, було 50% (випробування 50% XYZ, 25% XXY та 25% XXX, наступні Донкерс та ін. 2005). Періоди фіксації тривалістю між 1 та 3 s, що коливаються з кроком 500 мс, були додані між експериментальними випробуваннями.
Сканування проводилося за допомогою стандартної котушки з усією головою на сканері 3-T Philips в LUMC. Функціональні дані були отримані за допомогою T2* -виважена градієнтно-ехо-ехо-плоска послідовність імпульсів (суміжні 38-косі 2.75-мм косі осьові зрізи, використовуючи переплетене збирання, повторення часу = 2.211 s, час відлуння = 30 мс, 2.75 × 2.75 мм в площині, роздільна здатність, 230 обсяг на пробіг ). Перші томи 2 кожного сканування були відкинуті, щоб дозволити T1-екваліфікаційні ефекти. Висока роздільна здатність T2* -зважені зображення та високу роздільну здатність T1-анатомічні зображення були зібрані в кінці сеансу сканування. Рух голови обмежували за допомогою подушки та пінопластових вставок, які оточували голову.
fMRI Попередня обробка та статистичний аналіз
Попередня обробка та аналіз даних проводилися за допомогою SPM2 (Велкемський відділ когнітивної неврології). Зображення були виправлені на відмінності в часі отримання зрізів з подальшим жорстким виправленням руху тіла. Структурні та функціональні обсяги були просторово нормалізовані до T1 і шаблони ехопланарних зображень відповідно. Алгоритм нормалізації використовував афінне перетворення параметра 12 разом з нелінійним перетворенням, що включає функції базисних косинусів. Під час нормалізації дані були перекомпоновані у кубічні вокселі 3-мм. Шаблони базувалися на стереотаксичному просторі MNI305 (Кокоско та ін. 1997). Функціональні об'єми розгладжувались повною шириною 8-мм у половині максимального ізотропного ядра Гаусса. Статистичний аналіз проводився за даними окремих суб'єктів, використовуючи загальну лінійну модель (GLM) в SPM2.
Часовий ряд fMRI моделювався як серія подій, пов'язаних з канонічною функцією гемодинамічного реагування (HRF) в окремих моделях 2. Ми моделювали кожне випробування в різних умовах 3 (XXX, XXY та XYZ) як нульову тривалість навколо часу початку другого подразника в першій моделі та навколо часу початку третього стимулу у другій моделі. Випробування помилок, визначені як ті випробування, коли учасник не відповідав у вікні киї 1000-ms, моделювались окремо і були виключені з аналізу fMRI.
Для кожного учасника оцінки параметрів висоти найкращого канонічного HRF для кожної умови використовувались в парних контрастах. Для першої моделі ми обчислили контрастні зображення для порівняння XXY та XYZ (тобто, порівнюючи ситуацію, коли учасники вперше побачили зображення 2, які були однаковими [XX] проти 2-зображеннями, які були різними [XY]), які виявили моделі активації мозку, пов'язані з "передчуттям" результатів випробувань, засновані на гіпотезі, що підлітки чутливіші до потенційних винагород, ніж дорослі. Для другої моделі ми обчислили контрастні зображення для порівняння умов XXX та XXY, порівнюючи структури активації мозку, пов'язані з обробкою результатів випробувань. Отримані в результаті контрастні зображення, обчислені для кожного учасника, були піддані груповому аналізу другого рівня. На груповому рівні протиставлення цілому мозку між умовами обчислювались шляхом виконання односхилого t-тести на цих зображеннях, трактуючи учасників як випадковий ефект. Статистичні карти загального мозку визначалися порогом P <0.001, з порогом екстенсу 5 суміжних вокселів.
Статистичні аналізи: Вікові відмінності
Оскільки нас особливо цікавила модель активації, пов'язана з передбаченням результатів та обробкою результатів у різних вікових групах 3, ми провели вокалісовий аналіз дисперсії (ANOVA) для виявлення регіонів, які виявили вікові відмінності в активації. Ми протестували на лінійні (−1 0 1), квадратичні (−0.5 1 −0.5) і криволінійні (1 −0.5 −0.5), (−0.5 −0.5 1) в контрастах для першої моделі XXY – XY (XY – XY) очікування результатів) та XXX – XXY для другої моделі (обробка результатів). ANOVA були визнані значущими при статистичному порозі 0.001, не виправленому для декількох порівнянь, з порогом ступеня суміжних вокселів 5.
Результати візуалізації: Аналіз регіону
Ми використовували панель інструментів MARSBAR для використання з SPM2 (Brett та ін. 2002) провести аналітичні області (ROI) для подальшої характеристики моделей активації. Ми створили 6-мм сферичні ROI, орієнтовані на пік воксельної активності в регіонах, які були визначені тестуванням ANOVAs на вікові відмінності. Крім того, ми використовували MARSBAR для вилучення часових рядів активності, що залежать від рівня кисню в цих рентабелях, шляхом усереднення часових курсів для різних експериментальних умов, починаючи з початку кожного випробування. Ці часові курси відображаються для ілюстративних цілей у Фігури 2 та 3.
Результати цілого мозку для учасників від 0 до 12 років, від 14 до 15 років та від 18 до 23 років пов'язані з очікуванням можливої винагороди за контраст XXY> XYZ на P <0.001 невиправлений поріг (верхня панель); 6-мм сферична рентабельність інвестицій та середні часові курси для 3 вікових груп для передньої острови та смугастого тіла (нижня панель).
Результати цілого мозку для учасників від 10 до 12 років, від 14 до 15 років та від 18 до 23 років пов'язані з очікуванням можливої винагороди за контраст XXX> XXY в P <0.001 невиправлений поріг (верхня панель) та XXY> XXX (синім кольором); 6-мм сферична рентабельність інвестицій та середні часові курси для 3 вікових груп для смугастого тіла та OFC (нижня панель).
результати
Очікування результату
Ми провели GLM-аналіз функціональних даних, змодельованих на початку другого стимулу, і обчислили воксельний контраст XXY> XYZ для 10-12-річних, 14-15-річних та 18-23-річних окремо. Ці аналізи призвели до значного перекриття областей активації для 3 вікових груп. У всіх вікових групах передбачення результату було послідовно пов'язане з активацією в правій передній острові (див Рис. 2, верхня панель). Для дітей 10 – 12 та 14 – 15 років активація передньої інсули виявлена в обох півкулях. Крім того, вікові групи підлітків показали скупчення активації у вентральному стриатумі та корі донзальної цингулату. Значні кластери та відповідні координати MNI повідомляються у Додаткова таблиця 1.
Тестування ANOVA за допомогою вокселів для вікових змін для контрасту XXY – XYZ не призвело до значних скупчень на порозі P <0.001. На більш ліберальному порозі (P <0.005), тестування ANOVA на контраст -1 0 1 виявило лінійну зміну активації з віком в правій передній острові (пік у 42, 12, -3, z = 2.95), F1,47 = 11.24, P = 0.002. Ми створили 6-мм сферичну рентабельність інвестицій, зосереджену на цьому вокселі, та виконали вікову групу (3) × умова (2) ANOVA на даних, витягнутих з цієї рентабельності інвестицій, для подальшої характеристики моделей активації в цьому регіоні. Середній часовий ряд для цієї рентабельності інвестицій подано на нижній панелі малюнок 2. ANOVA для цієї рентабельності інвестицій призвів до взаємодії вікової групи ×, F2,47 = 7.00, P = 0.002. Подальше порівняння підтвердило, що цей регіон був більш активним у XXY році порівняно із станом XYZ у 10 – 12-річних, F1,16 = 11.26, P = 0.004 та 14 – 15 років, F1,17 = 3.62, P = 0.005. Для дітей 18 – 23 різниця між умовами була незначною (P = 0.19).
Жодних вікових змін для контрасту XXY – XYZ у стриатумі не виявлено. ANOVA виявив, що цей регіон був активним у всіх вікових групах (пік при −9, 9, 0, z = 4.57) в очікуванні результатів, F3,47 = 13.11, P <0.001. Як і передбачалося, ANOVA на даних, отриманих із 6-мм сферичної рентабельності інвестицій для цієї області, призвела до головного ефекту стану, F1,47 = 23.73, P <0.001 і відсутність значної взаємодії з віковою групою (P = 0.1). Ці результати свідчать про те, що стриатум був більш активним в очікуванні потенційної винагороди однаковою мірою у всіх вікових групах. Тим не менш, порівняння для вікових груп окремо свідчить про більшу реакцію вентральної смуги у підліткових групах. Тобто, у дітей 10 – 12 та 14 – 15, стан XXY призвів до значно більшої активації порівняно з умовою XYZ (P = 0.001 для основного ефекту стану), тоді як у дорослих ця різниця лише демонструвала тенденцію до значущості (P = 0.09).
Обробка результатів
Для вивчення моделей активації мозку, пов’язаних з обробкою результатів, був проведений подібний аналіз GLM на функціональних даних, змодельованих на початку третього стимулу. Знову ж таки, ми розрахували відсотки відсотків для віку 10-12 років, 14-15 років та 18-23 років окремо. Для контрасту з XXX> XXY (обробка винагороди) ми виявили активацію в смугастому та спинному поясному мозку для 10-12-річних та 14-15-річних (див. Рис. 3, верхня панель). Не було виявлено значних скупчень для дітей 18-23, навіть при більш ліберальному некоректованому порозі P <0.005. Діти 14-15 років також продемонстрували активацію в лівому бічному PFC.
GLM для зворотного контрасту XXY> XXX (обробка пропущеної винагороди) не виявила жодних значущих скупчень як для 10-12-річних, так і для 14-15-річних. На відміну від цього, виявилося, що область в лівому OFC більш реагує на пропущені нагороди у віці 18-23 років при некорегованому порозі P <0.001. Огляд значущих кластерів та відповідні координати MNI представлені в Додаткова таблиця 2.
Воксельно-аналітичне тестування ANOVA на вікові зміни для контрасту XXX − XXY підтвердило результати цілого мозку для контрасту XXX> XXY, показавши, що активація в смугастому тілі відрізнялася у підлітків та молодих людей. При невиправленому порозі P <0.001, тестування ANOVA для контрасту -0.5 1-0.5 виявило скупчення в черевному смугастому тілі (пік 12, 9, -15, z = 3.68), який показав квадратичну схему розвитку, F1,47 = 17.64, P <0.001. Вікова група (3) × умова (2) ANOVA на даних, отриманих із 6-міліметрової сферичної рентабельності інвестицій, сконцентрованої на цьому вокселі, показала, що ця область була більш активною у ХХХ порівняно із станом XXY у віці 14-15 років F1,17 = 22.84, P <0.001, але не відрізнявся між умовами у віці 10-12 років (P = 0.41) та 18-23-річні (P = 0.12) (див Рис. 3, нижня панель).
Протиставлення цілому мозку для окремих вікових груп виявило область в бічній OFC, яка реагувала на опущені нагороди у дорослої групи. Цей висновок було підтверджено тестуванням ANOVA на криволінійний тренд розвитку з контрастом −0.5 −0.5 1, який призвів до області бічного OFC (пік при −27, 48, −3, z = 3.05), F1,47 = 11.99, P = 0.001 (див Рис. 3, нижня панель). ANOVA на сферичній рентабельності інвестицій 6-мм для цього регіону призвів до стану × взаємодії вікової групи F2,47 = 8.67, P = 0.001. Подальше порівняння підтвердило, що цей регіон показав лише посилену реакцію на пропущення нагород порівняно з отриманими нагородами у дітей 18 – 23 років F1,14 = 7.38, P = 0.02.
Обговорення
Це дослідження було мотивоване питанням, чим підлітки відрізняються від дорослих своєю чутливістю до невизначеної винагороди. Ми вивчили траєкторію розвитку активації мозку, пов'язану з обробкою невизначеної винагороди під час фази очікування та результату. Попередні дослідження повідомили про суперечливі результати оброблення винагороди для підлітків, показуючи і «надмірну активність» (Galvan et al. 2006) і "неактивна" (Bjork et al. 2004) стимулююча нейроциркуляція в підлітковому віці. Це дослідження відрізнялося від цих попередніх досліджень тим, що ми використовували парадигму, в результаті якої ймовірнісна винагорода не залежала від поведінки. Такий підхід дозволив дослідити основні відмінності у чутливості до винагороди за невизначеності. Крім того, ми дослідили нейронні відмінності у різних вікових групах 3: 10 – 12 років, 14 – 15 років та 18 – 23 років, що дозволило нам перевірити на різні закономірності зміни віку.
Дослідження дало основні результати 2: 1), коли очікували невизначених нагород, всі вікові групи показали посилену активацію в смузі, але скупчення передньої інсули показало лінійне зменшення форми активації в ранньому юнацькому віці та 2) при обробці результату випробування, середніх підлітків більш чутливо реагували на отримані нагороди, як це вказувало на посилення активації у вентральному стриатумі, тоді як молоді люди відповідали найбільше на упущення нагород, на що вказувало посилення активації в OFC. Загалом, наші результати підтверджують гіпотезу про те, що середній підлітковий вік характеризується надактивними стимулами, пов'язаними з нейроциркуляцією, але ми показуємо, що цей ефект найбільш виражений під час фази отримання винагороди. Зважаючи на результати попередніх досліджень, ці результати сприяють гіпотезі про те, що надмірна схема, пов'язана з нагородами, та незріла схема ПФУ потенційно схиляють підлітків до ризику (див. Також Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006; Кейсі, Гетц та ін. 2008).
Зміни розвитку в очікуванні результатів
Передбачення результатів було пов'язане з активацією в смузі та передній інсулі, коли перші подразники 2 були ідентичними та вказували на можливість перемоги. Активація в інсулі показала лінійне зменшення з віком; ця область була найактивнішою у 10 – 12 років, менш активна у 14 – 15 років та найменш активна у 18 – 23 років, коли очікували винагороди. У парадигмі, яку ми використовували, передбачення потенційної винагороди було пов'язане з максимальною невизначеністю. Після подання 2 одних і тих же зображень вірогідність того, що третя картинка буде однаковою чи різною, була однаковою. На відміну від цього, коли друга картина відрізнялася від першої, нагорода вже не була можливою, і, як наслідок, не було визначено невизначеності, пов'язаної з очікуванням результату. Отже, вікова зміна активації передньої інсули може відображати відмінності принаймні у процесах 2: 1) позитивне збудження, пов'язане з очікуванням отримання винагороди або 2) невизначеність при очікуванні невідомого результату.
Наші результати узгоджуються з результатами останніх досліджень, які впливали на передню ізоляцію в ситуаціях, коли рішення пов'язані з невизначеністю (Paulus та ін. 2003; Volz та ін. 2003; Huettel та ін. 2005; Huettel 2006; Вольц і фон Крамон 2006). Передня інсула часто була пов'язана з досвідом психофізіологічного збудження. Було запропоновано прийняти рішення щодо допомоги інсули, відображаючи реакції вегетативної нервової системи на ризик, пов'язаний з рішенням (Bechara 2001; Critchley et al. 2001; Paulus та ін. 2003). Великі автономні сигнали, що передували невигідному рішенню, пропонували служити попереджувальним сигналом, який захищає від прийняття ризику (Bechara et al. 1997). Зважаючи на цю гіпотезу, підвищена реакція інсули у молодших підлітків видається суперечливою. Однак інші дослідження припустили, що цей вегетативний сигнал відображає суттєвість рішення, яке має бути прийняте (Могила та ін. 2002), а попередні дослідження розвитку показали, що діти відчувають автономні сигнали, коли очікують ризикованих рішень, але не використовують ці сигнали для оптимізації своїх рішень (Crone and van der Molen 2004, 2007; Crone et al. 2005). У поточному дослідженні підвищена активація інсулі у молодих підлітків може відображати незрілість цього регіону. Наймолодші учасники могли зазнати посиленого психофізіологічного збудження, пов’язаного з невизначеністю, пов'язаною з очікуванням можливої винагороди. Незважаючи на те, що ми не збирали суб'єктивні оцінки афекту, попередні дослідження намагалися співвіднести досвід та атрибути мозкової активації. Нещодавно проведене дослідження виявило, що хоча активація в вентральній смузі корелює з повідомленим позитивним ефектом, активація в передній частині інсули корелює як з позитивним, так і з негативним ефектом (Саманез-Ларкін та ін. 2007). Результати цього дослідження говорять про те, що передня ізола може сприяти прийняттю рішення, відображаючи загальне збудження у невизначених ситуаціях.
Huettel (2006) дисоційована невизначеність, пов'язана з сумою потенційної винагороди, яку можна отримати (ризик винагороди) та невизначеністю щодо оптимального реагування (поведінковий ризик). Він показав, що на активацію в передній інсулі вибірково впливає невизначеність, пов'язана з вибором відповіді. Наші результати доповнюють цей висновок, показуючи, що передня ізола бере участь у невизначених ситуаціях за відсутності вибору відповіді, що дозволяє припустити, що ця область може відігравати більш загальну роль у представленні невизначеності результатів. Недавнє дослідження (Preuschoff et al. 2008) показав, що передня інсула відображає ступінь невизначеності таким чином, як той, у якому смугастий чутливий до величини винагороди. Автори припускають, що передня ізола могла б підтримувати процеси, подібні до помилок прогнозування винагороди у стриатумі. Лінійне зниження активації в цій області свідчить про те, що функція передньої ізоляції в підлітковому віці незріла, і це може вважати більшими труднощами підлітків для оцінки ризику, пов'язаного з невизначеною ситуацією. Можливо, підлітки очікували нагороди частіше порівняно з дорослими в цьому дослідженні, оскільки вони не дізналися, що поява винагород непередбачуване. У сукупності посилене реагування на передню частину острова в очікуванні невизначеної винагороди може схилити підлітків до посилення ризикованої поведінки.
Одне з пояснень, яке слід враховувати, полягає в тому, що посилена активація в передній частині ізоляції відображає негативний вплив. Не виграш може бути пов'язаний з більш досвідченим негативним збудженням, коли воно відбувається в кінці випробування (XXY) порівняно з тим, коли воно відбувається під час представлення другої картини (XYZ). Незважаючи на те, що ми оцінили коефіцієнт HRF на початку другого подразника, третій стимул пішов за 1.5 s пізніше. Тому можливо, що на спостережувану нервову відповідь впливає третій стимул. У майбутніх дослідженнях важливо буде додатково вивчити вплив як ступеня ризику / невизначеності, так і суми винагороди на прийняття підлітком рішень. З огляду на можливу спрямованість групи підлітків на винагороду, було б цікаво перевірити, чи реагують нейронні системи, які реагують на невизначеність, аналогічно, коли валентність результату негативна, тобто коли стан XXX відображатиме б втрату, а не виграш.
Зміни розвитку в обробці результатів
Як і очікувалося, виграш грошей призвів до посилення активації в вентральній смузі. Цей висновок повторює попередні дослідження, які показали, що цей регіон реагує на винагороду (Knutson et al. 2001; McClure et al. 2003; Huettel 2006). Цікаво, що активація смуг після виграшу досягла піку у дітей 14-15 та була менш вираженою у дітей 10 – 12 та 18 – 23 років, що відповідає гіпотезі про те, що цей регіон більш чуйний у підлітків (Galvan et al. 2006; Ernst та ін. 2006; Кейсі, Гетц та ін. 2008).
У цьому дослідженні ми знайшли пік чутливості вентрального стриатуму в середньому підлітковому віці лише для одержання винагороди, а не для очікування нагороди. Цей висновок суперечить попереднім дослідженням, в яких повідомлялося про збільшення активізації в цьому регіоні до фактичного отримання винагород. Ці попередні результати були взяті для того, щоб запропонувати роль вентральної смуги у прогнозуванні та передбаченні результатів (Knutson et al. 2001; Bjork et al. 2004; Galvan et al. 2006; Huettel 2006). Однак наші висновки дозволяють припустити, що пік реакції на вентральну смугу у підлітків виявляється лише для отримання винагороди. У попередніх експериментах сигнали означали потенційну винагороду та дозволяли передбачати винагороду, тому активація в вентральній смузі в цих дослідженнях могла б відображати ранню відповідь на "знання", що винагорода відбуватиметься, а не передбачати "можливість" винагороди. Ці дані також можуть бути використані для того, щоб припустити, що підлітки завищують свої шанси отримати винагороду або можливість отримати винагороду. Ми припускаємо, що в цьому дослідженні пік активації в вентральному стриатумі не спостерігався до фактичного вручення винагороди, оскільки проект завдання максимізував невизначеність і не дозволяв передбачати винагороду. Незважаючи на те, що результати передбачення не показали статистично значущого піку активації та відсутність взаємодії за віком × у вентральному стриатумі, подальші аналізи натякали на те, що реакція на передбачення стриатуму була більшою для молодих та середніх підлітків відносно дорослих. Майбутні дослідження повинні більш детально вивчати очікування та результати.
Нарешті, у молодих дорослих, але не у підлітків раннього та середнього віку, виявлено посилену активацію в лівій бічній ОФК після пропуску нагород. Бічний OFC раніше був залучений до обробки покарань (О'Доерті та ін. 2001 рік). OFC дуже пов'язаний як з апетитною схемою, так і з іншими регіонами в рамках PFC, і останнім часом було висунуто припущення, що OFC має інтегративну функцію, керуючи реакцією мізків на афективну інформацію та керуючи прийняттям афективних рішень шляхом підтримки та оновлення подання сподівання, пов'язані зі стимулом в Інтернеті (огляди див О'Доерті 2007 та Wallis 2007). Відповідно, реакція на бічні ЛФК у молодих людей може означати необхідність посилення уваги та коригування поведінки після негативних результатів. Слід зазначити, що OFC - це неоднорідний регіон, і багато питань щодо його ролі в поведінці, спрямованій на цілі та прийнятті рішень, і пов'язані з цим зміни в процесі розвитку повинні бути перевірені в майбутніх дослідженнях. Висновок про те, що цей регіон бере участь у обробці несприятливих результатів у дорослих, але не у раннього та середнього підлітків, відповідає гіпотезі про те, що мережі в мозку, пов'язані з обробкою вищого порядку, та когнітивними контрольними функціями не дозрівають до пізнього підліткового віку (Galvan et al. 2006; Ernst та ін. 2006).
Висновки
Нинішні висновки можна інтерпретувати у світлі останніх повідомлень, які шукають нейропсихологічне пояснення поведінки підлітків. Обидві мережі обробки соціальної інформації (SIPN) (Nelson et al. 2005) і Тріадна модель (Ernst et al. 2006) містять апетитивний компонент та когнітивний / регулятивний компонент. У цих моделях поведінка підлітків характеризується сильною апетитною системою та відносно слабкою системою управління. Модель SIPN (Nelson et al. 2005) припускає, що мозкові структури, що лежать в основі апетитного компонента, реагують на гонадні гормони і спрацьовують на початку статевого дозрівання, на відміну від когнітивних структур, що слідують за повільнішим розвитком.
Пасивна парадигма, що використовується в цьому дослідженні, не дозволила нам вирішити питання про те, яким чином відмінності в нервовій підкладці переробки винагороди та сприйняття ризику між підлітками та дорослими сприяють мотивованій поведінці підлітків та дорослих. Важливо з’ясувати це відношення та його траєкторію розвитку, оскільки ризикована поведінка підлітків може мати серйозні наслідки (Steinberg 2004; Fareri та ін. 2008). Висновок про те, що пов'язані з винагородою ділянки мозку більш чуйні у підлітковому віці, навіть коли винагорода не пов’язана з поведінкою та невелика, свідчить про принципові відмінності у способі обробки непевних винагород у різному віці. Для того, щоб оцінити екологічну обґрунтованість цих висновків, майбутні дослідження повинні враховувати індивідуальні відмінності, наприклад, в пошуку сенсації, темпераменту та статі, і доведеться досліджувати ці регіони, використовуючи складніші завдання. Другим обмеженням цього дослідження є те, що ми не отримали прямих заходів пубертального статусу, що обмежує нашу здатність інтерпретувати внесок пубертальних змін у відмінності між 10 – 12 та 14 – 15 роками. Майбутні дослідження повинні намагатися більш тісно пов'язати вікові зміни зі змінами, пов'язаними з пубертальним розвитком.
Підводячи підсумок, наші результати показують, що моделі активізації мозку, пов'язані з очікуванням результатів за відсутності поведінки, відрізняються від тих, що пов'язані з обробкою результатів. Передчуття невизначеної винагороди пов'язане з активацією в передній острі і смузі. Зокрема, активація в передній інсулі демонструє лінійну тенденцію розвитку і зменшується від раннього юнацького та юного віку. На відміну від цього, обробка винагороди пов'язана з піком активації в вентральній смузі у дітей 14 – 15 та 10 – 12 у меншій мірі. Цікаво, що діти 18 – 23 найбільше реагують на пропущені нагороди, демонструючи активацію в бічних регіонах OFC. Ці дані підтверджують гіпотезу про те, що підлітковий вік характеризується дисбалансом у дозріванні афективних та регуляторних схем мозку (May et al. 2004; Ernst et al. 2006; Galvan et al. 2006). Наведені дані показують, що на базовому рівні обробки підлітки більш чуйно реагують на очікувану та отриману винагороду та ризик, пов’язаний із невизначеністю, порівняно з дорослими.
Додатковий матеріал
Додатковий матеріал можна знайти за адресою: http://www.cercor.oxfordjournals.org/.
Фінансування
Дослідження авторів (EAC та SARBR) стало можливим завдяки грантам NWO VENI / VIDI.
посилання
;