Передбачається, що система винагороди новим новобранців і гіпокамп при сприянні спогаду (2007)

Повне дослідження: Передбачається, що нововведення набирає систему винагороди і гіпокампу, одночасно сприяючи спогадам

Перейти до:

абстрактний

Допамінергічний середній мозок, який включає субстанцію нігра і вентральну тегментальну зону (SN / VTA), відіграє центральну роль в обробці винагороди. Цей регіон також активізується новими стимулами, що підвищує ймовірність того, що новизна і винагорода мають спільні функціональні властивості. В даний час незрозуміло, чи функціональні аспекти обробки винагороди в SN / VTA, а саме активація непередбаченими нагородами і сигналами, які передбачають винагороду, також характеризують обробку новизни. Щоб вирішити це питання, ми провели експеримент fMRI, під час якого суб'єкти розглядали символічні сигнали, які передбачали або нові, або знайомі зображення сцен з дійсністю 75%. Ми показуємо, що SN / VTA активізувався сигналами, що передбачають нові зображення, а також несподіваними новими образами, які слідували пророкувальним сигналам, що є «несподіваною новинкою». Гіпокамп, область, що бере участь у виявленні та кодуванні нових стимулів, показав очікувану відповідь на новизну, але відрізнявся від профілю відповіді SN / VTA у відповідь на результат очікуваної та «несподіваної» новизни. У поведінковому продовженні експерименту спогад збільшився відносно знайомства при порівнянні запам'ятовуваної пам'яті розпізнавання з очікуваними новими стимулами з несподіваними новими стимулами. Ці дані показують спільність у відповідях SN / VTA на передбачення нагороди та передбачення нових стимулів. Ми припускаємо, що це попереджувальна відповідь кодує мотиваційний сигнал розвідки, який разом з попередньою активацією гіпокампу призводить до посиленого кодування нових подій. У більш загальних термінах, дані свідчать про те, що дофамінергічна обробка новизни може бути важливою для просування нових середовищ.

Вступ

Записи на одних нейронах у тварин і недавні дослідження функціональної магнітно-резонансної томографії (fMRI) на людях дають збіжні докази того, що середній мозок SN / VTA активується не тільки винагородою (Шульц, 1998), але і новими стимулами навіть за відсутності посилення (Schultz et al., 1997; Schott et al., 2004; Bunzeck і Duzel, 2006). Активація SN / VTA новизною підвищує ймовірність того, що новизна може мати власні корисні властивості. Якщо це так, характеристики обробки винагороди, такі як тимчасовий зсув відповідей у ​​кондиціонуванні, також повинні проходити для обробки новизни. У парадигмах очікуваної винагороди дофамінергічні нейрони передбачають прогнозування винагороди, коли вивчено непередбачуваність між передбачуваним стимулом і подальшою доставкою винагороди. Зокрема, ці нейрони реагують на перший надійний предиктор винагороди, але не на отримання винагороди (Ljungberg et al., 1992; Schultz et al., 1992, 1997; Шульц, 1998). Неясною є також обробка новизни в SN / VTA.

Гіпокамп є критичним у формуванні епізодичних довготривалих спогадів для нових подій (Vargha-Khadem et al., 1997; Duzel et al., 2001) і, як вважають, забезпечують основний вхід для сигналу новизни в SN / VTA (Лісман і Грейс, 2005). Допамін, вивільнений нейронами SN / VTA, в свою чергу, є критичним для стабілізації та підтримки довгострокового потенціювання (LTP) і тривалої депресії (LTD) в області гіппокампа CA1 (Frey et al., 1990, 1991; Хуан і Кандель, 1995; Sajikumar і Frey, 2004; Лимон і Манахан-Воган, 2006; для перегляду див Джей, 2003). Дані fMRI показали, що спільна активація SN / VTA і гіпокампа пов'язана з успішним формуванням довготривалої пам'яті (Schott et al., 2006) і поліпшення, пов'язане з винагородою, в кодуванні нових стимулів (Wittmann et al., 2005; Adcock et al., 2006). У світлі таких збіжних даних свідчать, що нещодавні моделі формування пам'яті, залежної від гіпокампу, підкреслюють функціональну залежність між виявленням новизни в гіпокампі та підвищенням пластичності гіппокампа шляхом індукованої новизною допамінергічної модуляції, що виникає при SN / VTA (Лісман і Грейс, 2005). Таким чином, питання, чи активується SN / VTA шляхом передбачення новизни, виходить за рамки концептуального розуміння взаємозв'язку між новизною та винагородою, щоб охопити механізми пластичності гіпокампу. Крім того, нещодавно було висловлено припущення, що розуміння взаємозв'язку між новизною та обробкою винагороди в SN / VTA може виявити зв'язок між мотивацією, новим пошуком поведінки та дослідженням (Bunzeck і Duzel, 2006; Кнутсон і Купер, 2005).

Ми досліджували попереджувальні відповіді на нові та знайомі стимули в парадигмі ФМРІ, змодельованої за процедурами прогнозування винагороди (Рис. 1). Кольорові квадрати служили сигналами, які передбачали подальше представлення нових або раніше знайомих зображень сцен. Суб'єктам було доручено відвідувати кожний кий, а потім якомога швидше і чіткіше вказувати, чи є наступне зображення знайомим або новим. Оскільки експеримент fMRI вимагав великої кількості випробувань, ми також провели суто поведінкову версію, в якій числа випробувань були більш оптимальними для оцінки того, наскільки епізодичні показники пам'яті вплинули на очікування новизни з використанням парадигми пам'яті / знання (Tulving, 1985).

Рис. 1  

Експериментальний дизайн. (А) Пробні послідовності для фази дослідження. Після фази ознайомлення кольорові сигнали прогнозували з точністю до 75%, чи слідувало знайоме чи нове зображення. Учасників поінформували про ймовірність і попросили вказати ...

Експериментальні процедури

Тематика

У експерименті брали участь 24.5 здорових дорослих (середній вік [± SD] 4.0 ± 7 року, усі правші, XNUMX чоловіків). Усі учасники дали письмову інформовану згоду на участь, і дослідження відповідало рекомендаціям комітету з етики Медичного факультету Магдебурзького університету.

Експериментальна парадигма

Ми використали 245 сірих пейзажних фотографій із нормалізованою яскравістю. Учасники отримали письмові вказівки, включаючи роздруківки п’яти фотографій, відібраних для ознайомлення. Перед тим, як увійти в сканер, кожна з цих картинок була представлена ​​вісім разів на екрані комп'ютера в рандомізованому порядку (тривалість: 1500 мс, ISI: 1200 мс), тоді як учасникам було наказано уважно спостерігати. У сканері були зібрані як анатомічні, так і функціональні зображення. Учасники взяли участь у 12 сеансах тривалістю 5.7 хв, кожен з яких містив 40 випробувань тривалістю 4.5–12 с. Під час кожного випробування учасники бачили жовтий або синій квадрат (1500 мс), який із 75% точністю вказував, чи буде наступна картинка знайомою чи новою (див. Рис. 1A для завдання та інструкцій). Після змінної затримки (0–4.5 с), зображення із передбачуваної категорії було показано в 75% випробувань, а зображення з непередбачуваної категорії, роман після репліки знайомства та знайомий після репліки новинки, був показаний у 25 % випробувань (1500 мс). Обидві категорії показували однаково часто. Учасники швидким натисканням кнопки (правий чи лівий вказівний або середній палець) вказували, чи було зображення із знайомої категорії чи ні. Далі настала фаза фіксації змінної тривалості (1.5–4.5 с). Кольори репліки, пов'язані з кожною категорією зображень, були врівноважені між учасниками, а також відповідна рука та віднесення пальців до категорій.

fMRI процедури

Ми отримали 226 ехо-планарних зображень (EPI) за сеанс на 3-Т сканері (Siemens Magnetom Trio, Ерланген, Німеччина) з TR 1.5 с і TE 30 мс. Зображення складалися з 24 зрізів уздовж поздовжньої осі середнього мозку (матриця 64 × 64; поле зору: 19.2 см; розмір вокселя: 3 × 3 × 3 мм), зібрані в послідовно перемежованій послідовності. Цей частковий об’єм охоплює гіпокамп, мигдалину, стовбур мозку (включаючи проміжний мозок, довгастий мозок, понс та довгастий мозок) та частини передньо-лобової кори. Шум сканера зменшився за допомогою вушних пробок, а рухи голови обстежуваних були мінімізовані за допомогою пінопластових прокладок. Послідовність стимулювання та терміни були оптимізовані для ефективності щодо надійного розділення гемодинамічних реакцій, пов'язаних із сигналом та результатом (Hinrichs et al., 2000). Послідовність інверсійного відновлення EPI (IREPI) була отримана для кожного суб'єкта для поліпшення нормалізації. Параметри сканування були такими ж, як для послідовності EPI, але з повним покриттям мозку.

Попередня обробка та аналіз даних проводились із використанням програмного забезпечення статистичного параметричного картографування, реалізованого в Matlab (SPM2; Центр довіри з питань нейровізуалізації Wellcome, Інститут неврології, Лондон, Великобританія). Зображення EPI виправляли на час зрізу та рух, а потім просторово нормалізовували до шаблону Монреальського неврологічного інституту, перекручуючи анатомічний IREPI обстежуваного до шаблону SPM та застосовуючи ці параметри до функціональних зображень, перетворюючи їх у вокселі розміром 2 × 2 × 2 мм. Потім їх розгладжували за допомогою 4 мм ядра Гауса.

Для статистичного аналізу дані масштабували воксель-вокселем на їхню глобальну середню і фільтрували високими частотами. Атрибутивну активність для кожного суб'єкта оцінювали шляхом згортання вектора пробних наборів з функцією канонічної гемодинаміки і її тимчасовими похідними (Friston et al., 1998). Для кожного учасника було визначено загальну лінійну модель (GLM) для моделювання впливу інтересу з використанням двох наборів на одне випробування, одного для початкового сигналу та одного для виникнення результату (коваріати були: новизна, сигнал про знайомство, очікуваний / несподіваний новий результат, очікування / несподіваний знайомий результат) і шість ковариат, що не цікавлять захоплюючих залишкових артефактів руху. Були проаналізовані наступні контрасти: новельство проти знайомих сигналів, роман проти знайомих результатів, несподівані і очікувані результати, несподівані і очікувані нові результати і несподівані порівняно з очікуваними результати. Після створення статистичних параметричних карт для кожного учасника шляхом застосування лінійних контрастів до оцінок параметрів було проведено аналіз випадкових ефектів другого рівня для оцінки групових ефектів. Враховуючи нашу апріорну гіпотезу про активацію системи винагороди та гіпокампа, наслідки були перевірені на значимість в одній пробі t-тести на порозі p <0.005, не виправлено, і мінімальний розмір кластера k = 5 вокселів, якщо не вказано інше. Потім проводили сферичну корекцію малого обсягу з центром на пікових вокселях, використовуючи діаметри, що відповідають розміру структур [7.5 мм для активації в передньому гіпокампі (див. Lupien et al., 2007) і 4.5 мм для активації в чорній речовині (див Geng et al., 2006)]. Бета-значення пікових вокселів у чорній субстанції та гіпокампі були вилучені та скореговані зі значенням HRF для загального рівня активації в дослідженні, щоб отримати відсоток зміни сигналу. Всі середні показники поведінки подаються як середні значення ± стандартна помилка середнього значення (SEM).

Для локалізації активності середнього мозку накладалися карти активації на середнє зображення просторово нормованих переносів намагніченості (MT), отриманих раніше (Bunzeck і Duzel, 2006). На зображеннях МТ сутність nigra можна легко відрізнити від навколишніх структур (Eckert et al., 2004). Для полегшення локалізації активацій пікові воксели кожного контрасту були передані в простір Talairach (Talairach і Tournoux, 1988) за допомогою функції Matlab mni2tal.m (Меттью Бретт, 1999) і відповідає анатомічним зонам за допомогою програмного забезпечення Talairach Daemon Client (Lancaster et al., 2000; Версія 1.1, Центр досліджень досліджень, Університет Техасу, Науковий центр охорони здоров'я в Сан-Антоніо). Тому всі стереотаксичні координати наводяться в просторі Талайраха.

Окрема оцінка пам'яті

В окремому дослідженні з поведінкою, мотивованому результатами fMRI, учасники 12 (чоловіки 2) виконали ті ж процедури ознайомлення та очікування новизни, які були впроваджені для експерименту fMRI. Поведінковий експеримент був відокремлений від експерименту fMRI, оскільки тривалість та кількість стимулів у fMRI були оптимізовані для поліпшення якості сигналу, але занадто великі, щоб дозволити продуктивності пам'яті залишатися вище шансів. Тому, щоб полегшити запам'ятовування в поведінковому експерименті, кількість випробувань, що містять очікувані нові зображення, було скорочено до 120, кількість несподіваних нових фотографій до 40. Через день після сесії учасники завершили тест на пам'ять, що містить всі нові фотографії 160 з фази дослідження (тепер «старі» фотографії) і 80 нові фотографії дистрактора, які учасники не бачили раніше (Рис. 1Б). У цій частині дослідження учасники прийняли два послідовних рішення для кожної картинки, обидва з яких були визначені текстом, представленим під малюнком. Перше рішення полягало у винесенні “старого / нового” судження, друге рішення було “пам’ятати / знати / здогадуватися” (після “старої” відповіді) або “впевнено / здогадуватися” (після “нової” відповіді) судження. Хронометраж здійснювався самостійно, з обмеженням часу для прийняття рішень відповідно 3 с та 2.5 с, з подальшим етапом фіксації 1 с перед поданням наступного знімка.

Результати

Результати поведінки

На етапі дослідження 2 × 2 × 2 ANOVA на час реакції учасників на правильні випробування з категорією факторів зображення (нове / знайоме), очікуванням (очікуване / несподіване) та групою (сканована група / група пам’яті) показали основні ефекти категорія зображення та очікування та взаємодія між групою та ефектом категорії зображення (див Таблиця 1 для часу реакції; ефект категорії: F[1,25] = 31.57, p <0.001; очікуваний ефект: F[1,25] = 8.47, p <0.01; ефект взаємодії: F[1,25] = 5.49, p <0.05). Post hoc в парі t-тести підтвердили, що час реакції як для очікуваних знайомих фотографій, так і для очікуваних нових зображень значно коротше, ніж для відповідних несподіваних знімків (p <0.01 і p <0.05 відповідно). Час реакції як на очікувані, так і на несподівані знайомі фотографії були значно коротшими, ніж на відповідні нові фотографії (p <0.001 і p = 0.001 відповідно). Ефект взаємодії не був результатом значного ефекту категорії лише в одній групі учасників, оскільки t-тести, які порівнювали час реакції з новими і звичними зображеннями, були значними для обох груп (p <0.05 для відсканованої групи та p <0.001 для групи пам’яті). Ці результати підтверджують, що учасники звертали увагу на репліки та використовували їх, щоб отримати поведінкову перевагу для дискримінації нових та звичних фотографій. Коефіцієнти правильної реакції не відрізнялися між категоріями або між групами (середнє значення для очікуваних нових зображень: 95.1% ± 3.7%, для несподіваних нових зображень: 94.1 ± 3.6%, для очікуваних знайомих зображень: 93.8% ± 3.9% та для несподіваних знайомих знімків : 93.4% ± 3.5%).

Таблиця 1  

Час реакції (у мс ± SEM) для правильно класифікованих зображень з двох категорій зображень (знайомі / нові) та щодо попереднього сигналу (очікувані / несподівані) для двох тестових груп

Потім ми проаналізували результати тесту пам'яті, які проводилися 1 день після фази дослідження в поведінковій спостереженні. Двостороння ANOVA з пам'яттю факторів (виправлені пам'ять / ставки) і передбачення новизни (очікувана / несподівана) показали ефект взаємодії (F[1,11] = 5.66, p <0.05). Post hoc в парі t-тест виявив значно вищу різницю між виправленими показниками запам'ятовування / знання для очікуваних (8.9 ± 5%), ніж несподіваних (0.9 ± 4%) нових картинок (p <0.05; щодо рівня відповіді див Таблиця 2). Далі пост-хор спарені t-тести підтвердили, що ні виправлена ​​частота запам'ятовування порівняно з виправленою швидкістю знання, ні очікувана порівняно з несподіваною істотно не відрізнялися. Частка відповідей на здогадки не відрізнялася між категоріями (11.1 ± 2.3% для очікуваних та 12.3 ± 2.4% для несподіваних знімків).

Ми також проаналізували внески спогаду та знайомства в рамках припущення про незалежність на основі широко прийнятої моделі (Yonelinas et al., 1996), згідно з яким спогад являє собою залежний від гіпокампу пороговий процес, тоді як знайомство являє собою процес детектування сигналу, який може підтримуватися у відсутності інтактного гіпокампу. Спогад оцінювався вирахуванням швидкості запам'ятовування помилкових тривог (RFA) з частоти запам'ятовування. Знайомство оцінювали, спочатку обчислюючи відповіді про знайомство (FR, див. Рівняння нижче), а потім отримуючи відповідне d-прем'єр-значення.

FR=(хітрат-(рем-RFA))1-(рем-RFA)=хітрат-RE1-RE

Для того, щоб можна було порівняти оцінки спогаду (RE), які є пропорціями відповідей у ​​відсотках, та оцінок ознайомлення (FE), які dЗначення, обидва міри були перетворені в z-оцінки перед статистичними аналізами. Двостороння ANOVA з пам'яттю факторів (оцінка спогаду / оцінка ознайомлення) та очікування новизни (очікуване / несподіване) підтвердили ефект взаємодії, отриманий в ANOVA, на коефіцієнт відповіді (F[1,11] = 5.78, p <0.05).

Результати fMRI

Сигнали, що ведуть до очікування нових картин, на відміну від очікування знайомих картинок, призвели до значно більшої активності в областях мозку, які формують дофамінергічну систему (лівий смугастий; правий середній мозок, швидше за все, СН; Фіг. 2А, В; Таблиця 3), області, раніше пов’язані з очікуванням нагороди (Knutson et al., 2001a, b; О'Доерті та ін., 2002; для перегляду див Кнутсон і Купер, 2005). Для контрасту результатів несподівані порівняно з очікуваними новими результатами також активували правильну SN / VTA (Фіг. 4А, В; Таблиця 4). Ця схема активації нагадує схему активації, яку спостерігають у дофамінергічному середньому мозку з парадигмами винагороди, де дофамінергічні нейрони повідомляють про помилку передбачення у винагороді (Schultz et al., 1997). На відміну від цього, активність у відповідь на ознаки знайомства та несподівані порівняно з очікуваними знайомими зображеннями не демонстрували цю схему. Таким чином, ці результати демонструють паралелі між обробкою новизни та винагородою в SN / VTA.

Рис. 2  

Відповідь на «Передчуття новизни»: Гемодинамічна активність для сигналів, що прогнозують нові фотографії, порівняно із сигналами, що передбачають знайомі фотографії. (A) Кластер активації в правій SN / VTA. (B) Розрахунковий відсоток зміни сигналу гемодинамічної відповіді ...
Рис. 4  

Відповідь "Несподівана новизна": Гемодинамічна активність для непередбачуваних картин роману, тобто картинки роману, показані після сигналів, що прогнозують знайомі картини, порівняно з передбачуваними картинками роману, тобто з картинами роману, передбаченими попередньою києю. (А) ...
Таблиця 3  

Відповідь на очікування новизни: анатомічні розташування регіонів, що діють під час очікування нових роликів та передбачення знайомих фотографій
Таблиця 4  

Відповідь "Несподівана новизна": анатомічні місця в регіонах активізуються сильніше в результаті несподіваними картинками роману, ніж очікуваними новинками

У гіпокампі як передбачення новизни, так і нові результати були пов'язані з посиленням двосторонньої активності порівняно з очікуванням та результатом знайомих стимулів (Рис. 2C, D і 3; Таблиця 3). Правий гіпокамп також був більш активним для неочікуваних картинок роману, ніж для очікуваних картин роману (Фіг. 4C, D; Таблиця 4). Крім того, лівий гіпокамп (координати Талайраха: - 36, - 14, - 14) виявив більш високу активність для подання всіх несподіваних знімків на відміну від усіх очікуваних знімків, що узгоджується з обробкою гіппокампа контекстною новизною (Ranganath і Rainer, 2003; Bunzeck and Duzel, 2006).

Рис. 3  

Відповідь "Новий результат": Гемодинамічна активність для всіх зображень роману проти всіх знайомих картинок, незалежно від попереднього сигналу. (A) Скупчення активації в лівому гіпокампі. (B) Розрахунковий відсоток зміни сигналу гемодинамічної відповіді ...

У фазі репліки спостерігалася суттєва позитивна кореляція між активацією правого SN / VTA та активністю правого гіпокампа при тестуванні із використанням середнього відсотка зміни сигналу у відповідь на новинки в пікових вокселях контрасту `` новизна проти очікування знайомства '' щодо учасників ( Пірсона r = 0.48, p <0.05 однохвоста; Рис. 5). Таким чином, наші дані вказують на функціональну взаємодію, а також на функціональні дисоціації між SN / VTA та гіпокампом при обробці новинок.

Рис. 5  

Кореляція між активацією SN / VTA та активністю правого гіпокампа при тестуванні середнього відсотка зміни сигналу у відповідь на підказки новизни у пікових вокселях контрасту «новизна проти очікування знайомства».

Обговорення

Поведінково, дійсність репліки була пов'язана зі значним впливом на час реакції суб'єктів під час дискримінації нових та знайомих стимулів, показуючи, що підказки, що передбачають нові або знайомі події, оброблялись суб'єктами. Аналіз fMRI показав, що сигнали, що передбачають нові зображення, викликали значно вищу активацію SN / VTA, ніж сигнали, що передбачають знайомі подразники (Фіг. 2А, В; Таблиця 3). Ця схема активації SN / VTA у відповідь на новинку нагадує зразок, знайдений у парадигмах винагороди, де відповідь бачиться на найраніший прогноз винагороди (Knutson та ін., 2001a; Wittmann et al., 2005). Ще одна властивість обробки винагороди в SN / VTA, а саме - активність за несподівані порівняно з очікуваними винагородами (Шульц, 1998), також паралельно відповіді SN / VTA на новинку. Активація SN / VTA була сильнішою у відповідь на несподівану презентацію порівняно з очікуваною презентацією нових предметів (Фіг. 4А, В; Таблиця 4). Зауважте, що навряд чи передбачувальна активація SN / VTA відображає забруднення гемодинамічного сигналу, індукованого наступними новими стимулами, оскільки не було активації SN / VTA за передбачуваними новими стимулами або ознаками ознайомлення, що демонструє ефективність протоколу тремтіння.

Наші результати показують, що схожість між новизною та винагородою виходить за рамки їх загального впливу на схеми SN / VTA-гіпокампа і збільшує можливість того, що сама новизна переробляється як винагорода. Це сумісно з низкою спостережень із досліджень на тваринах, включаючи дані, що показують зменшене самовведення амфетаміну під час дослідження нових об'єктів (Klebaur та ін., 2001), розвиток переваги місця для середовищ, що містять нові стимули (Бевінс і Бардо, 1999) та обумовлення новизни (Reed et al., 1996). Однак ця залежність між новизною та винагородою не впливає на умовиводи, отримані з традиційних протоколів підкріплення, які ефективно працюють із знайомими стимулами. Це говорить про те, що в багатьох ситуаціях агенту очевидно вигідно формувати асоціації з винагородою для дуже знайомих предметів. Тим не менш, наші дані дійсно підтримують думку про те, що властиві властивості нагородження нових стимулів можуть лежати в основі дослідницької поведінки, як правило, дотримується нових контекстів та предметів (Енасер і Делакур, 1988; Стансфілд і Кірштейн, 2006). Ще однією властивістю кодування SN / VTA нейрональних результатів є адаптивне кодування (Tobler et al., 2005), який характеризується різним рівнем реагування на одне і те ж очікуване значення винагороди залежно від альтернативних винагород, наявних у кожному контексті. Нагороди з середньою цінністю призводять до більш високої дофамінергічної реакції, якщо її представити в контексті з низькоцінними винагородами, ніж у контексті з нагородами з високим значенням. Ця властивість опрацювання винагороди SN / VTA ще не повторена для новизни у людей. Дійсно, є докази того, що, на відміну від винагороди, новизна не може бути адаптована кодовим способом у людській SN / VTA (Bunzeck і Duzel, 2006), пропонуючи функціональні відмінності між новизною та винагородою, які потребують подальшого дослідження.

Стимул, пов'язаний із стимулом, під час обробки новинок у гіпокампі відрізнявся від картини, що спостерігається у SN / VTA. На відміну від SN / VTA, гіпокамп виявляв більшу активність щодо очікуваних нових стимулів (Рис. 3). Більше того, гіпокамп також активізувався контекстною новинкою (Лісман і Грейс, 2005) незалежно від новин стимулу, очевидного в його відповіді на непередбачуване представлення знайомих картинок. Це підтверджує попередні дані (Bunzeck і Duzel, 2006), включаючи висновки, що вказують на чутливість цієї структури до невідповідностей у вивчених послідовностях (Кумаран і Магуайер, 2006). Активація гіпокампу новими подразниками сама по собі добре сумісна з так званою моделлю циклу VTA-гіппокампа, згідно з якою сигнали новизни гіпокампа до SN / VTA є результатом внутрішньогіпокампанного порівняння інформації про стимул із збереженими асоціаціями (Лісман і Грейс, 2005). Активізація гіпокампа у відповідь на прогнози новинок (Фіг. 2C, D; Таблиця 3), з іншого боку, не можна пояснити цією моделлю. Ми вважаємо, що сигнал дофамінергічного прогнозування індукує активацію гіпокампа через дофамінергічний вхід до CA1 (Джей, 2003), інтерпретація, сумісна зі значною кореляцією між пов'язаною з києю активністю в SN / VTA та гіпокампу, виявленого в цьому дослідженні.

Попередні результати показують, що декілька областей мозку поза мезолімбічної системи демонструють різні передбачувані реакції у парадигмах винагороди. Недавній приклад - демонстрація таких реакцій у первинній зоровій корі V1 (Шулер і ведмідь, 2006). Ці відповіді, як вважається, визначаються дофамінергічною модуляцією. Аналогічний механізм міг би застосовуватися і до переробки новинки. Незалежно від того, чи допамінергічний середній мозок приводить у рух гіпокампу, чи навпаки, коактивація гіпокампу та СН / ВТА може бути пов'язана зі збільшенням допамінергічного введення в гіпокамп під час очікування. Це, в свою чергу, може викликати стан, що покращує вивчення майбутніх нових стимулів - моделі, обчислювально обґрунтованої (Blumenfeld та ін., 2006).

Окрім SN / VTA-гіпокампальної обробки передбачення новизни, існували також інші області мозку, що демонструють активність у відповідь на новинки, особливо серед областей лобової кори, раніше пов'язаних з обробкою новинок (Даффнер та ін., 2000; Таблиця 3) та регіони кори парахіпокампа (Duzel та ін., 2003; Ranganath and Rainer, 2003). Оскільки наші гіпотези були зосереджені на SN / VTA та обробці гіпокампами, більш детальне дослідження цих результатів лежить поза рамками цього дослідження. Подальше дослідження мережі фронтопарієтальних новинок та її взаємодії з SN / VTA та гіпокампу значно доповнить зростаюче розуміння переробки новинок.

Відповідно до думки, що попередня активація гіпокампу під час очікування полегшує навчання, наші поведінкові дані показують, що очікувані нові фотографії спричинили вищу різницю реакцій запам'ятовування / знання, ніж несподівані картинки роману, коли пам'ять була протестована 1 на наступний день. Відповідь на запам'ятовування вимагає згадування контексту з досліджуваного епізоду і, отже, відображає епізодичну пам'ять на відміну від неепізодичного аспекту розпізнавання на основі знайомства (Tulving, 1985; Duzel та ін., 2001; Yonelinas та ін., 2002). У попередніх дослідженнях гіпокамп був пов'язаний з успішним формуванням епізодичної пам'яті (напр Brewer et al., 1998; Wittmann et al., 2005; Daselaar та ін., 2006), і виявлено, що ураження гіпокампу в основному погіршують компонент запам'ятовування (Duzel та ін., 2001; Агглтон і Браун, 2006). Нещодавно ми повідомляли, що пам'ять на стимули, що прогнозують нагороду, також була пов'язана з більшим співвідношенням запам'ятовування / знання в порівнянні зі стимулами, які передбачали відсутність нагородиWittmann et al., 2005), і це поліпшення пам’яті було пов’язане зі збільшенням SN / VTA та активацією гіпокампа у відповідь на стимули, що прогнозують нагороду в момент кодування. Наші нинішні результати поширюють ці висновки, щоб включити посилення пластичності гіпокампа, спричинене SN / VTA, що встановлено найдавнішим прогнозом новизни. Цікаво, що останні електрофізіологічні дані із записів шкіри голови підкреслюють взаємозв'язок між мозковою діяльністю, що незабаром передує появі нового подразника та епізодичною пам'яттю для цього подразника (Otten та ін., 2006). Наші дані говорять про те, що передбачення новизни може бути одним із механізмів, за допомогою яких престимульна активність може модулювати кодування стимулу. Наші результати також розширюють недавні дані ФМР, де тривалість винагороди та очікування емоційного стимулу покращують пам'ять (Adcock та ін., 2006; Mackiewicz та ін., 2006).

Функціональне та анатомічне перекриття між обробкою винагороди та новинки в SN / VTA може послужити посиленню дослідницької поведінки, дозволяючи тваринам знаходити нові джерела їжі та кодувати їх місце розташування, тим самим підвищуючи виживання. Цікавим напрямком майбутніх досліджень буде визначення взаємозв'язку між очікуванням новизни та ознакою особистості, що шукає новизну. У людей посилення пошуку новизни пов'язане з азартними іграми та залежністю (Шпінель, 2003; Хірой і Агацума, 2005) підвищення можливості компромісу між корисними ефектами передбачення новизни в пам’яті та несприятливими наслідками щодо залежності. Краще розуміння взаємозв'язку між передбаченням новизни, формуванням пам'яті та пошуком новинок може також забезпечити дослідження конкретних дефіцитів пам'яті, виявлених при дофамінергічній дисфункції, такі як хвороба Паркінсона та шизофренія.

У одноклітинних дослідженнях на обробку винагороди на тваринах, спостереження, що SN / VTA відповідає на прогнозування винагороди, а також на несподіване винагороду, надихнуло моделі «часової різниці» (TD) для обробки винагороди (Шульц, 1998, 2002). Слід зазначити, що в нашому дослідженні активації fMRI для передбачення новизни та несподіваної новизни були розташовані дещо в інших частинах в межах SN / VTA. Це збільшує можливість існування регіональних відмінностей між прогнозуванням винагороди та несподіваними відповідями на винагороду також у тварин, і що дослідження одного нейрону передбачення новизни та несподіваної новизни також можуть показати, що відповідні нейронні відповіді розташовані в різних частинах СН / VTA. Застереженням є той факт, що ми не можемо виключати ймовірність того, що в нашому дослідженні та сама популяція нейронів, яка відповіла на передбачення новизни, також відреагувала на несподівану новизну.

Підводячи підсумок, наші дані ФМР вказують на те, що формування гіпокампа та СН / ВТА виконують частково різні функції в прогнозуванні та обробці новизни. SN / VTA обробляє передбачуваність, а гіпокамп - передбачувану та фактичну наявність новизни в заданому контексті. Разом з нашими поведінковими даними, наші висновки дозволяють стверджувати, що коактивація SN / VTA та гіпокампу як найбільш раннього прогнозованого новизни у престимульній фазі призводить до посилення формування пам’яті щодо майбутнього нового стимулу. Ці результати свідчать про тісний взаємозв'язок між обробкою винагороди та новизною стимулів та розширюють останні моделі дофамінергічної та гіпокампанської взаємодії. Вони підкреслюють значення престимульного періоду для епізодичного кодування. Ефекти новизни на кодування можуть, таким чином, залежати від індукції передчуваючого стану в системі медіальної тимчасової пам'яті, опосередкованої модулюючими впливами з дофамінергічних областей середнього мозку. Однак дані ФМР не дають прямих доказів участі конкретних систем нейромедіаторів. Незважаючи на це, fMRI є цінним інструментом для дослідження пов’язаної з подіями активності в SN / VTA у людини. Інтеграція молекулярно-генетичних підходів у нейровізуалізації (Schott et al., 2006) та фармакологічні fMRI можуть сприяти подальшому з'ясуванню ролі нейромодулюючих систем передавачів у обробці новинок людини та взаємозв'язку відповідей SN / VTA та дофамінергічної нейротрансмісії.

Подяки

Цю роботу підтримали гранти Deutsche Forschungsgemeinschaft (KFO [Когнітивний контроль пам'яті, TP3]). Ми дякуємо Майклу Шольцу за допомогу в розробці fMRI, Коля Шильц за допомогу в аналізі fMRI та Керстіну Мьорінгу, Ілоні Віденхьофт та Клаусу Темпельману за допомогу у скануванні ФМР.

Посилання

Adcock RA, Thangavel A., Whitfield-Gabrieli S., Knutson B., Gabrieli JD Навчання, мотивоване нагородами: мезолімбічна активація передує формуванню пам'яті. Нейрон. 2006; 50: 507 – 517. [PubMed]
Aggleton JP, Brown MW Перемежування мозкових систем для епізодичної та розпізнавальної пам'яті. Тенденції Cogn Sci. 2006; 10: 455 – 463. [PubMed]
Бевінс Р.А., Бардо М.Т. Умовно збільшує перевагу місця через доступ до нових об'єктів: антагонізм від MK-801. Бехав. Мозок Рез. 1999; 99: 53 – 60. [PubMed]
Блуменфельд Б., Премінгер С., Сагі Д., Цодикс М. Динаміка уявлень пам’яті в мережах із синтаптичною пластичністю, полегшеною новизною. Нейрон. 2006; 52: 383 – 394. [PubMed]
Бретт, М., 1999. http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/imaging/MniTalairach (станом на 2007-08-08).
Brewer JB, Zhao Z., Desmond JE, Glover GH, Gabrieli JD Створення спогадів: мозкова діяльність, яка передбачає, наскільки добре запам'ятовується візуальний досвід. Наука. 1998; 281: 1185 – 1187. [PubMed]
Бунзек Н., Дузель Е. Абсолютне кодування новизни стимулу в людській речовині Nigra / VTA. Нейрон. 2006; 51: 369 – 379. [PubMed]
Даффнер К.Р., Месулам М.М., Скінто Л.Ф., Акар Д., Кальво В., Фауст Р., Шабрері А., Кеннеді Б., Холкомб П. Центральна роль префронтальної кори в спрямуванні уваги на нові події. Мозок. 2000; 123: 927 – 939. [PubMed]
Daselaar SM, Fleck MS, Cabeza RE Потрійна дисоціація в медіальних скроневих долях: спогад, знайомство та новизна. Й. Нейрофізіол. 2006; 31: 31. [PubMed]
Дузель Е., Варга-Хадем Ф., Хайнце Х.Й., Мішкін М. Докази активності мозку для розпізнавання без спогаду після раннього ураження гіпокампа. Зб. Natl. Акад. Наук. США 2001; 98: 8101 – 8106. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
Duzel E., Habib R., Rotte M., Guderian S., Tulving E., Heinze HJ Людські гіпокампа та парахіпокампа активність під час візуального асоціативного розпізнавання пам’яті для конфігурацій просторових та непростірних стимулів. Й. Невроскі. 2003; 23: 9439 – 9444. [PubMed]
Eckert T., Sailer M., Kaufmann J., Schrader C., Peschel T., Bodammer N., Heinze HJ, Schoenfeld M.A. . NeuroImage. 2004; 21: 229–235. [PubMed]
Еннасер А., Делакур Дж. Новий однопробний тест на нейробіологічні дослідження пам'яті щурів: 1. Дані про поведінку. Бехав. Мозок Рез. 1988; 31: 47 – 59. [PubMed]
Frey U., Schroeder H., Matthies H. Допамінергічні антагоністи перешкоджають тривалому утриманню посттетанічного ЛТП у ділянці CA1 області шматочків гіпокампа щурів. Мозок Рез. 1990; 522: 69 – 75. [PubMed]
Фрей U., Matthies H., Reymann KG Вплив дофамінергічної блокади рецепторів D1 під час тетанізації на експресію тривалої потенціації в області CA1 щура in vitro. Невросці. Лет. 1991; 129: 111 – 114. [PubMed]
Фрістон К.Д., Флетчер П., Джозефс О., Холмс А., Ругг, доктор медицини, Тернер Р. Пов'язані з подіями фМРТ: характеризуючи диференціальні відповіді. NeuroImage. 1998; 7: 30 – 40. [PubMed]
Geng DY, Li YX, Zee CS Заснований на магнітно-резонансному зображенні об'ємний аналіз ядер базальних гангліїв та чорної субстанції у пацієнтів з хворобою Паркінсона. Нейрохірургія. 2006; 58: 256–262. (обговорення 256–262) [PubMed]
Гінріхс Х., Шольц М., Темпельман К., Волдорф М.Г., Дейл А.М., Хайнце Х.Й. Деконволюція реакцій фМР, пов'язаних з подіями, у швидких експериментальних проектах: відстеження змін амплітуди. Дж. Когн. Невросці. 2000; 12 (Suppl 2): 76 – 89. [PubMed]
Хірой Н., Агацума С. Генетична сприйнятливість до залежності від речовин. Мол. Психіатрія. 2005; 10: 336 – 344. [PubMed]
Huang YY, Kandel ER D1 / D5 рецептори агоністів індукують залежне від синтезу білка пізнє потенціювання в області CA1 гіпокампу. Зб. Natl. Акад. Наук. США 1995; 92: 2446 – 2450. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
Jay TM Dopamine: потенційний субстрат для синаптичної пластичності та механізмів пам’яті. Прог. Нейробіол. 2003; 69: 375 – 390. [PubMed]
Джозефс О., Хенсон Р.Н. Функціональна магнітно-резонансна томографія, пов'язана з подіями: моделювання, висновок та оптимізація. Філос. Транс. R Соц. Лонд., Б Біол. Наук. 1999; 354: 1215 – 1228. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
Klebaur JE, Phillips SB, Kelly TH, Bardo MT Вплив нових стимулів навколишнього середовища зменшує самоуправління амфетаміну у щурів. Досвід Клін. Психофармакол. 2001; 9: 372 – 379. [PubMed]
Кнутсон Б., Купер JC Функціональна магнітно-резонансна томографія прогнозування винагороди. Curr. Думка. Нейрол. 2005; 18: 411 – 417. [PubMed]
Кнутсон Б., Адамс К.М., Фонг Г.В., Хоммер Д. Очікування збільшення грошової винагороди вибірково набирає нуклеусів. Й. Невроскі. 2001; 21 (RC159): 1 – 5. [PubMed]
Knutson B., Fong GW, Adams CM, Varner JL, Hommer D. Дисоціація очікування нагороди та результату за допомогою FMRI, пов'язаного з подією. NeuroReport. 2001; 12: 3683 – 3687. [PubMed]
Кумаран Д., Магуаре Е. А. Несподівана послідовність подій: виявлення невідповідності в гіпокампі людини. PLoS Biol. 2006; 4: e424. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
Lancaster JL, Woldorff MG, Parsons LM, Liotti M., Freitas CS, Rainey L., Kochunov PV, Nickerson D., Mikiten SA, Fox PT Автоматизовані мітки атласу Talairach для функціонального картографування мозку. Гул. Мозковий карту. 2000; 10: 120 – 131. [PubMed]
Lemon N., Manahan-Vaughan D. Допамінові D-1 / D-5 рецептори захищають здобуття нової інформації за рахунок довготривалої потенціації гіпокампа та тривалої депресії. Й. Невроскі. 2006; 26: 7723 – 7729. [PubMed]
Лісман Дж. Е., Грейс А. А. Петля гіпокампа-VTA: контроль за внесенням інформації в довгострокову пам'ять. Нейрон. 2005; 46: 703 – 713. [PubMed]
Люнгберг Т., Апіцелла П., Шульц В. Реакції нейронів дофаміну мавпи під час вивчення поведінкових реакцій. Й. Нейрофізіол. 1992; 67: 145 – 163. [PubMed]
Люпіен SJ, Еванс А., Лорд К., Майлз Дж., Прусснер М., Пайк Б., Пруеснер Ж.К. Обсяг гіппокампа настільки ж мінливий, як у молодих людей, як у старших дорослих: наслідки для поняття атрофії гіпокампи у людини. NeuroImage. 2007; 34: 479 – 485. [PubMed]
Мацкевич К.Л., Сарінопулос І., Клівен К.Л., Ніцке Ж.Б. Ефект передчуття та специфіка статевих відмінностей для мигдалини та гіпокампу функціонують в емоційній пам'яті. Зб. Natl. Акад. Наук. США 2006; 103: 14200 – 14205. [PMC безкоштовна стаття] [PubMed]
O'Doherty JP, Deichmann R., Critchley HD, Dolan RJ Нейронні реакції під час очікування першої винагороди за смак. Нейрон. 2002; 33: 815–826. [PubMed]
Otten LJ, Quayle AH, Akram S., Ditewig TA, Rugg MD Мозкова діяльність перед подією передбачає пізніший спогад. Нат. Невросці. 2006; 9: 489 – 491. [PubMed]
Ranganath C., Rainer G. Нейронні механізми виявлення та запам'ятовування нових подій. Нат. Преподобний, Невросці. 2003; 4: 193 – 202. [PubMed]
Рід П., Мітчелл К., Нокс Т. Внутрішні властивості, що підсилюють імовірні нейтральні подразники в інструментальній задачі дискримінації з двох важелів. Тварина. Дізнайтеся. Бехав. 1996; 24: 38 – 45.
Sajikumar S., Frey JU Пізня асоціативність, синаптичне маркування та роль дофаміну під час LTP та LTD. Нейробіол. Дізнайтеся. Мем. 2004; 82: 12 – 25. [PubMed]
Schott BH, Sellner DB, Lauer CJ, Habib R., Frey JU, Guderian S., Heinze HJ, Duzel E. Активація структур середнього мозку шляхом асоціативної новизни та формування явної пам'яті у людини. Дізнайтеся. Мем. 2004; 11: 383 – 387. [PubMed]
Schott BH, Seidenbecher CI, Fenker DB, Lauer CJ, Bunzeck N., Bernstein HG, Tischmeyer W., Gundelfinger ED, Heinze HJ, Duzel E. Дофамінергічний середній мозок бере участь у формуванні епізодичної пам'яті людини: свідчення генетичної візуалізації. Й. Невроскі. 2006; 26: 1407 – 1417. [PubMed]
Шульц В. Прогнозний нагородний сигнал дофамінових нейронів. Й. Нейрофізіол. 1998; 80: 1 – 27. [PubMed]
Шульц В. Отримання формального дофаміну і винагороди. Нейрон. 2002: 36: 241 – 263. [PubMed]
Schultz W., Apicella P., Scarnati E., Ljungberg T. Нейронна активність у вентральній смузі мавп, пов'язана з очікуванням винагороди. Й. Невроскі. 1992; 12: 4595 – 4610. [PubMed]
Шульц В., Даян П., Монтегю PR Нейронний субстрат передбачення та винагороди. Наука. 1997; 275: 1593 – 1599. [PubMed]
Шулер М.Г., ведмідь М.Ф. Час нагородження в первинній зоровій корі. Наука. 2006; 311: 1606 – 1609. [PubMed]
Шпінелла М. Еволюційна невідповідність, схеми нейронної винагороди та патологічні азартні ігри. Int. Й. Невроскі. 2003; 113: 503 – 512. [PubMed]
Stansfield KH, Kirstein CL Вплив новизни на поведінку у підліткового та дорослого щурів. Дев. Психобіол. 2006; 48: 10 – 15. [PubMed]
Talairach J., Tournoux P. Thieme; Нью-Йорк: 1988. Копланарний стереотаксичний атлас людського мозку.
Tobler PN, CD Fiorillo, Schultz W. Адаптивне кодування корисної вартості нейронами дофаміну. Наука. 2005; 307: 1642 – 1645. [PubMed]
Тюлінг Е. Пам'ять і свідомість. Можна. Психол. 1985; 26: 1 – 12.
Варга-Хадем Ф., Гадіан Д.Г., Уоткінс К.Е., Коннеллі А., Ван Паесшен В., Мішкін М. Диференціальні ефекти ранньої патології гіпокампа на епізодичну та семантичну пам'ять. Наука. 1997; 277: 376 – 380. [PubMed]
Wittmann BC, Schott BH, Guderian S., Frey JU, Heinze HJ, Duzel E. Активація FMRI дофамінергічного середнього мозку, пов'язана з нагородами, пов'язана з посиленим формуванням довготривалої пам’яті, залежною від гіпокампу. Нейрон. 2005; 45: 459 – 467. [PubMed]
Yonelinas AP, Dobbins I., Szymanski MD, Dhaliwal HS, King L. Моделі детектування сигналів, поріг та подвійні процеси пам'яті розпізнавання: ROCs та свідоме згадування. Свідоме. Пізнавальний. 1996; 5: 418 – 441. [PubMed]
Yonelinas AP, Kroll NE, Quamme JR, Lazzara MM, Sauve MJ, Widaman KF, Knight RT Вплив великого пошкодження скроневої частки або легкої гіпоксії на спогад та знайомство. Нат. Невросці. 2002; 5: 1236 – 1241. [PubMed]