发育成像遗传学：将多巴胺功能与青少年行为联系起来（2014）

脑认知。 作者手稿; 可在PMC 2015 Aug 1中找到。

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脑认知。 2014 Aug; 89：27-38。

在线发布2013 Oct 17。 DOI：  10.1016 / j.bandc.2013.09.011

PMCID：PMC4226044

NIHMSID：NIHMS535184

 

Aarthi Padmanabhan1 和 Beatriz Luna1

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抽象

青春期是一个发育期，其特征是许多神经生物学变化，显着影响行为和大脑功能。 青春期特别令人感兴趣，因为令人震惊的统计数据表明，与儿童时期相比，死亡率在此期间增加了两到三倍，这主要是由于冲动和寻求感觉增加导致的冒险行为达到高峰。 此外，这些行为中存在大量无法解释的变异性，这些变异部分地由生物因素介导。 分子遗传学和功能性神经影像学的最新进展为非侵入性地研究遗传因素对人类大脑功能的影响提供了独特而令人兴奋的机会。 虽然基因不对特定行为进行编码，但它们确实确定了蛋白质的结构和功能，这些蛋白质对于构成行为的神经元过程至关重要。 因此，研究基因型与脑功能相对于发育的测量之间的相互作用，可以阐明生物学介导的复杂行为个体差异出现的关键时间点。 在这里，我们审查动物和人类文献，检查与多巴胺神经传递有关的青少年发育的神经生物学基础。 多巴胺是至关重要的，因为（1）在认知和情感行为中的作用，（2）在主要精神病理学的发病机制中的作用，以及（3）多巴胺信号通路在青春期的长期发展。 然后，我们将重点关注目前研究多巴胺相关基因在脑功能中的作用。 我们建议使用成像遗传学来检查遗传介导的多巴胺变异对青春期脑功能的影响，同时牢记这种方法的局限性。

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介绍

在人类的生命周期中，青春期大致与青春期的开始一致，当时关键的神经内分泌过程触发并与一系列复杂的生物变化共同发生，包括显着的身体，性，神经化学，神经功能，生理，心血管和呼吸成熟。 （Falkner和Tanner 1986; 罗密欧2003）。 这些生物变化与环境相互作用，形成一个脆弱和充满活力的身体，心理和社会发展时期（Spear，2000）。 在物种和文化中，青春期有一些特征性的行为，包括感觉/新奇寻求的高峰，以及减少危害的程度，导致危险行为的增加（Laviola，Macri等。 2003）。 感觉/新奇寻求的规范性增加可以是适应性的，允许青少年在家庭之外寻求独立。 换句话说，可能需要一些风险来促进社会向成人角色的过渡。 然而，某些具有高主观可取性的行为也会使个人受到有害后果的影响（Spear，2000）。 因此，我们将冒险行为定义为参与具有潜在回报结果的行为（也称为激励驱动行为），但潜在的高负面后果。 在青春期达到高峰的危险行为（例如药物和酒精试验，鲁莽驾驶和无保护性行为）的后果可能是戏剧性的，因为死亡率和发病率从童年时期开始显着增加（达尔2004）。 除了规范发展的风险之外，青春期往往是各种精神疾病出现的时期，如情绪障碍，药物滥用障碍，饮食失调和精神病（松树2002; 钱伯斯，泰勒等人。 2003; Sisk和Zehr 2005; Paus，Keshavan等。 2008），其风险因素尚未完全表征。 鉴于这一证据，值得注意的是，青少年能够做出成熟的决策（Paus 2005），抽象思维，经常参与理性行为（Steinberg，Cauffman等。 2009）。 因此，在青春期观察到的许多典型的冒险行为往往是在高度情绪化和/或寻求奖励的状态下（Casey，Getz等。 2008; Blakemore和Robbins 2012），突出了一个独特和普遍的生物脆弱性和神经可塑性，并没有完全表征。

尽管有证据表明青春期的冒险行为总体上有所增加，但假设每个人在感觉和新奇寻求方面处于自己的高峰期，青少年行为的变异性仍然存在很大的原因尚无法解释。 也就是说，虽然一些青少年是高风险承担者，而另一些则不是，而某些个人从事冒险行为的背景各不相同。 近年来，遗传学领域已经与认知神经科学相结合，以检验行为变异性的神经生物学基础。 这种方法被称为“成像遗传学”，其基础是大脑功能和结构可以作为基因和行为之间的中间表型，这是因为大脑功能与基因型的相对接近性（Hariri和Weinberger 2003).

这篇综述着重于神经递质多巴胺的影响以及多巴胺基因的变异对青春期激励驱动行为的影响。 我们首先回顾有关关键大脑系统（即前额窦回路）的成熟及其在青少年行为中的作用的文献。 接下来将讨论多巴胺在调节动机行为中的作用以及通过青春期延长多巴胺功能的发展。 最后，我们专注于对成像遗传学研究的回顾，该研究使用关键的多巴胺信号转导基因中的常见功能多态性，为青少年脑发育的未来研究提出了建议。

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青春期的激励驱动行为和前纹状体回路

有证据表明，青少年倾向于以不同于成人的方式处理激励（对于评论，请参阅： Geier和Luna（2009; 恩斯特，丹尼尔等人。 2011）），导致次优且通常有风险的决策。 青少年激励处理的框架取决于青少年偏向潜在回报的观点（Steinberg 2004）并显示不成熟的认知控制（Yurgelun-Todd 2007），作为两者背后的大脑系统的持续成熟（Casey，Getz等。 2008; 恩斯特和福吉2009).

人类纹状体被认为是激励处理和产生行为的核心节点，特别是通过重叠但功能分离的途径与前额叶皮层（PFC）整合来合成不断变化的环境线索和适当更新行为的能力（Alexander，DeLong等。 1986; Postuma和Dagher 2006; Di Martino，Scheres等。 2008）是不同行为的基础（Tekin和Cummings 2002）。 主要的额纹 - 纹状体电路通过从额叶区域到特定纹状体区域（例如背外侧PFC到背侧尾状，外侧OFC到腹内侧尾状，内侧OFC到伏核）的兴奋性投射起作用，并通过丘脑返回。 这些闭环电路产生两个主要途径; 直接和间接的。 消除丘脑的直接通路涉及从纹状体到中脑到苍白球内部到丘脑的GABA能突起。 间接途径包括从纹状体到苍白球外部至丘脑底核的GABA能突起，最终激发苍白球内的抑制性神经元，其抑制丘脑。 因此，通过直接途径激活有利行为，并且间接途径抑制不太理想和竞争的行为。 因此，前纹状体回路功能的不成熟和干扰可能导致直接和间接途径之间的竞争，导致次优行为。

为此，青少年发育的神经生物学模型表明，由纹状体驱动的过度活跃的青少年激励系统，由PFC驱动的仍然成熟的认知系统，可能在最佳行为调节中产生功能失衡（即抑制潜在的回报） ，但不恰当的行为）从而增强了青春期的冒险行为（（Nelson，Leibenluft等。 2005; 恩斯特，派恩等人。 2006; Casey，Getz等。 2008），对于这些模型的总结看 Sturman和Moghaddam，（2011））。 事实上，激励处理的功能性神经影像学研究表明青春期相对于成年期的纹状体和PFC激活不同（Bjork，Knutson等。 2004; 恩斯特，尼尔森等。 2005; Galvan，Hare等。 2006; 比约克，史密斯等人。 2010; van Leijenhorst，Moor等人。 2010; Padmanabhan 2011），大多数研究报告纹状体激活增加，同时前额叶招募减少。 此外，功能连接研究表明，大脑区域（包括皮质下与皮质连接）之间的整合和协调在青春期变得更加精细和有效，从而减少了与任务无关的连接，加强了支持目标导向行为的连接，并消除了冗余连接（Durston，Davidson等。 2006; Liston，Watts等。 2006; Fair，Cohen等。 2009; Stevens，Pearlson等人。 2009; Hwang，Velanova等。 2010）。 动物和死后的人类文献表明，血清素，多巴胺，腺苷能和内源性大麻素的受体过度表达（Lidow和Rakic 1992），中间神经元密度的峰值（安德森，克拉西等人。 1995; 刘易斯1997; 埃里克森和刘易斯2002），以及GABA水平的增加（赫德纳，艾弗森等人。 1984）。 这些变化改变了神经元信号传导中的兴奋性抑制平衡，从而改善了对成年期的受控处理。 最后，皮质到皮质下轴突的髓鞘增加，轴突口径的变化，突触和受体的修剪，细胞皱缩和神经胶质细胞的变化（Yakovlev和Lecours 1967; Rakic，Bourgeois等。 1986; Benes，Turtle等。 1994; 安徒生2003）改善发展中的大脑，加强和巩固高度使用的联系，同时通过独特的经验削弱或消除多余或弱用的联系（（Huttenlocher 1990; Jernigan，Trauner等人。 1991; Pfefferbaum，Mathalon等。 1994; Giedd，Blumenthal等。 1999），供审查见:(Paus 2005））。 总之，目前的文献强调，在多个组织水平的额叶和纹状体区域的功能和整合的不成熟有助于形成明显的青春期大脑（以及随后的行为）表型。

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多巴胺

保护情感，认知和运动过程的前纹状体回路受到神经递质多巴胺（DA）的显着调节（评论见（Schultz 2002; 明智的2004; 冷却2008），通过兴奋性DA受体的作用促进直接途径（D.1- 通过抑制性DA受体的作用抑制间接途径（D.2-喜欢）。 中脑中的DA神经元投射到NAcc中的中型多刺神经元以及PFC中的锥体神经元，从而调节这些神经元的放电率并在纹状体和PFC之间建立强烈的相互关系（Grace，Floresco等。 2007）。 DA水平通过相互作用的两个可解离的DA放电过程调节，（1）由DA神经元和从皮质到纹状体区域的谷氨酸能传入物的基线激发调节的恒定背景张力，和（2）突发激发高幅度相位释放（Grace，Floresco等。 2007）。 已发现这两种DA信号传导机制导致不同的行为（Floresco，West等。 2003并且由再摄取和降解酶调节。 快速相位事件响应于奖励相关事件而发生，这可以作为错误检测的重要教学信号并调节响应环境的行为变化（Schultz 1998）。 DA的强直水平的缓慢变化可能是生物体响应与奖赏相关的环境线索的预备机制（Schultz 1998）。 这些系统也相互作用，因为强直性DA活性以抑制方式调节阶段性信号传导，并且已显示阶段性DA可增强强直性活性（Niv，Daw等人。 2007).

由于几个原因，DA系统在青春期经历了重大变化，这与青少年行为有关。 首先，DA信号支持强化学习，因为它调整突触的强度，从而影响可塑性。 其次，纹状体和前额叶功能的DA调节会影响青春期改变的情感和动机行为。 最后，DA信号传导的异常与青春期经常出现的神经精神疾病的病理生理学有关（例如精神分裂症，药物滥用）。 跨越DA功能发展的文献和对青少年行为的影响已在其他地方进行了深入的审查，（Spear 2000; 钱伯斯，泰勒等人。 2003; 奥唐奈2010; Wahlstrom，Collins等。 2010; Wahlstrom，White等。 2010; Luciana，Wahlstrom等。 2012）并总结如下。 关于青春期DA系统的大部分证据来自非人类灵长类动物和啮齿动物模型，而且研究结果并不简单。 考虑到这一点，下面简要总结相关文献，以突出可能对青少年行为产生影响的总体趋势。

在大鼠模型中记录了中脑DA神经元活动的峰值（McCutcheon，White等。 2009），表明DA水平整体上升。 其他研究表明青春期后期的强直性DA浓度达到峰值，随后成年期下降（（巴达尼奇，阿德勒等人。 2006; Philpot，Wecker等。 2009）。 非人类灵长类动物研究表明，青春期DA的最高浓度是在PFC中，然后在成年期下降（Goldman-Rakic和Brown 1982）。 在人类死后研究中，纹状体中的DA水平增加直至青春期，然后减少或保持不变（Haycock，Becker等。 2003）。 在一项研究中，与成年期相比，青春期NAcc的细胞外DA水平较低（Cao，Lotfipour等。 2007）。 青春期PFC峰值的多巴胺能神经支配（罗森伯格和刘易斯1995; Benes，Taylor等。 2000）皮质层III增加最多，这是一个与认知加工高度相关的区域（Lewis和Gonzalez-Burgos 2000）。 这些变化既发生在个体轴突的长度上，也发生在突出轴突的总数上（罗森伯格和刘易斯1994; Lambe，Krimer等。 2000）。 在皮质层III中DA神经元和锥体神经元之间的突触密度也增加（Lambe，Krimer等。 2000）以及从PFC到NAcc的谷氨酸能连接的峰值，特别是在D中1- 表达神经元（Brenhouse，Sonntag等。 2008）。 关于受体密度，非人类灵长类研究表明D的密度1 和D2 PFC中的受体以不同的速率增加，D1 受体密度显示比D更早的峰2，在青春期后期/成年早期达到高峰（Tseng和O'Donnell 2007）。 一项事后人类研究发现，D1 受体密度在14-18周围达到峰值（Weickert，Webster等。 2007），此后下降。 含有D的细胞中的峰1 PFC中的受体也已被记录（安徒生，汤普森等人。 2000; Weickert，Webster等。 2007）。 在纹状体中，D均达到峰值1 和D2 受体发生在儿童时期并在青春期开始下降，这在动物和人类工作中都很明显（Seeman，Bzowej等。 1987; Lidow和Rakic 1992; 蒙塔古，劳勒等人。 1999; 安徒生，汤普森等人。 2002）。 然而，其他证据表明，在青春期，DA受体密度在背侧，而不是腹侧纹状体（水平保持不变）下降（Teicher，Andersen等。 1995）。 DA转运体的研究在中脑中不一致，表明没有一致的发育变化（Moll，Mehnert等。 2000），青春期增加（Galineau，Kodas等。 2004），童年晚期的高峰期（Coulter，Happe等。 1996）。 其他研究表明，在纹状体中，DA转运蛋白水平增加到儿童晚期并在青春期保持稳定（Coulter，Happe等。 1996; Tarazi，Tomasini等。 1998; Galineau，Kodas等。 2004).

增加这种复杂性，DA功能的成熟变化尚未直接映射到青春期的行为，这表明需要全面检查DA系统各方面的相互作用（例如受体，清除，神经支配）及其对行为的直接影响，这是有必要的。 （Spear 2011; Luciana，Wahlstrom等。 2012）。 例如，青春期强直性DA的升高可能会影响阶段性反应的调节，以响应显着或有价值的信息（供审查参见（Luciana，Wahlstrom等。 2012）），但这还没有经过实验检验。 有人认为，与儿童期或成年期相比，DA系统处于青春期的“功能上限”（钱伯斯，泰勒等人。 2003），由于中脑DA细胞发射峰值，总体强直水平，神经支配以及受体密度增加。 成人文献表明，通过施用DA或DA激动剂来增加DA信号传导增加寻求新寻求和探索行为，而用拮抗剂减少DA信号传导则停止这种行为（Pijnenburg，Honig等。 1976; Fouriezos，Hansson等。 1978; Le Moal和Simon 1991）。 这些早期发现指向青少年DA功能的假设模型，其中总体上增强的DA信号传导导致更高的动机或接近样行为 - 由于直接途径的激活增加和间接途径的抑制。 将青春期改变的DA与行为联系起来的其他证据表明青少年啮齿动物对影响DA释放的药物（例如酒精，尼古丁，安非他明和可卡因）表现出增强的增强作用（Adriani，Chiarotti等。 1998; Laviola，Adriani等。 1999; Adriani和Laviola 2000; 巴达尼奇，阿德勒等人。 2006; Shram，Funk等。 2006; Frantz，O'Dell等。 2007年; Mathews和McCormick 2007; Brenhouse和Andersen 2008; Varlinskaya和Spear 2010）。 青少年也表现出对滥用物质的厌恶反应减弱（即较轻的戒断反应，减少精神运动效应）（Spear 2002; Doremus，Brunell等。 2003; 莱文，雷兹瓦尼等人。 2003）和DA受体拮抗剂的敏感性增加（Spear，Shalaby等。 1980; Spear和Brake 1983; Teicher，Barber等。 1993）。 在成人和动物模型中的研究表明，PFC和纹状体中的中间水平的DA信号传导对于最佳表现是必需的，遵循DA信号传导和行为的Yerkes-Dodson倒U形剂量响应曲线（Robbins和Arnsten 2009; Cools and D'Esposito 2011）。 遵循此模型，青春期DA水平升高可能超过最佳功能所需的阈值（Wahlstrom，Collins等。 2010; Wahlstrom，White等。 2010）。 青春期的DA信号传导也可能影响皮质系统成熟率与皮质成熟率的差异，并受到纹状体信号传导和PFC驱动调节不成熟的青春期大脑功能失衡的影响（钱伯斯，泰勒等人。 2003; 恩斯特，派恩等人。 2006).

尽管DA信号传导和青春期一般成熟过程总体达到峰值，但DA信号传导以及受DA影响的行为都存在相当大的个体差异，可能是由于遗传和环境因素的综合作用（Depue和Collins 1999; Frank和Hutchison 2009）。 了解这些个体差异的性质可能具有显着的预测能力。 例如，具有较高水平的强直性DA水平，较高的DA受体密度和较低的DA清除率和降解率的青少年可能比DA信号减少的青少年更多地参与DA调节的行为（例如感觉/新奇寻求）。可用性（供评论见（Luciana，Wahlstrom等。 2012））。 这些假设模式基于先前的成人研究，这些研究突出了DA系统基线状态的重要性 - 该系统因人而异。 例如，在具有高基线DA水平的个体中增加DA水平会损害认知表现（可能将它们推过倒U曲线的峰值），而在基线水平较低的个体中注意到改善（使它们更接近于基线水平的顶点）曲线）（Mattay，Goldberg等。 2003; Apud，Mattay等。 2007; Cools，Frank等。 2009）。 虽然这个模型过于简单，但我们将此作为一个框架来研究驱动DA功能变异的遗传因素，以及这些因素如何与规范变化相互作用而不是发展。 根据该模型，由于DA系统的成熟，青春期的基线个体间差异可能与成年期的差异相关。

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发育成像遗传学

在方法学上，表征人类发育中神经化学系统的性质是具有挑战性的，因为药理学和其他侵入性程序（即PET）通常不能用于研究发展中人群。 为了开发关于DA对脑功能的影响的生物学合理且可测试的假设，最近的努力集中在鉴定人类基因组中直接影响蛋白质功能以及随后细胞和系统水平脑功能的变体。 研究人员使用功能和结构神经影像测量作为中间表型，以更好地了解遗传变异对人类行为的影响（Hariri和Weinberger 2003）。 这种方法的基础是遗传对行为的影响是由大脑中细胞和系统功能水平的变化所介导的。 事实上，关于遗传多态性对脑功能或“成像遗传学”影响的研究已经对遗传驱动的变异性对大脑生理学的影响提供了相当深刻的认识（例如（Hariri和Weinberger 2003; 布朗和哈里里2006; Drabant，Hariri等。 2006; 哈里里和刘易斯2006））。 但是请看:(Flint和Munafo 2007; Walters和Owen 2007; 肯德勒和尼尔2010）对于这种方法的限制和考虑。 成像遗传学研究的基本原理是，凭借其精辟的方法学工具及其获得详细结构和功能信息的能力，脑成像特别有希望将基因的影响与行为联系起来。 鉴于DA系统的发展可能比其他人更多地影响某些个体，并且遗传效应可能不是静态的，并且在整个生命周期中发生变化，研究DA系统的遗传驱动变异性对大脑发育的影响具有很大的潜力来阐明个体行为差异的生物学基础以及发展精神病理学的风险。

编码各种DA相关蛋白的基因变异先前与前纹状体大脑功能和结构的个体差异有关（例如（Bertolino，Blasi等。 2006; Drabant，Hariri等。 2006; Yacubian，Sommer等。 2007; Dreher，Kohn等人。 2009; Aarts，Roelofs等。 2010，以及与青春期研究相关的行为表型的变异性，包括冲动性，新奇性寻求，攻击性特征，执行功能，激励处理，药物滥用，以及神经精神疾病如精神分裂症，ADHD和帕金森病的病因（（Karayiorgou，Altemus等。 1997; Eley，Lichtenstein等。 2003; 以诺，舒克特等人。 2003; Lee，Lahey等。 2007），供审查看（Nemoda，Szekely等。 2011））。 在以下部分中，我们回顾了影响DA信号传导的基因中常见功能多态性的神经影像学研究。 我们将讨论单核苷酸多态性（SNP）和可变核苷酸串联重复（VNTR）多态性的研究。 我们专注于使用功能和结构磁共振成像（MRI和fMRI）进行成像遗传学研究。 作为与DA相关基因的行为关联的证据已在其他地方深入审查（例如（Nemoda，Szekely等。 2011; Cormier，Muellner等。 2013），我们专注于成像遗传学研究。 虽然这篇综述侧重于规范性发展，但我们总结了发育成像遗传学研究在涉及DA（如精神分裂症和ADHD）的典型发育和发育障碍中的主要发现。 表1.

表缩略图

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DA受体基因（DRD1，DRD2和DRD4）

D的分布1- （d1 和D5）和D.2 (D2，D3，D4大脑中的类似受体导致兴奋性抑制性神经元信号传导的复杂平衡，其对前纹状体功能和连接性产生强烈影响，其中受体的最大密度存在于纹状体中。 两个D.1 和D2类似受体是G蛋白偶联的，并且起相反的作用，分别增加和抑制环腺苷一磷酸，从而激发或抑制神经元的活性。 d1 和D2 因此，受体具有互补作用。 d1 受体刺激允许在线维护信息和稳定功能状态，以及D.2 受体结合参与灵活更新信息并允许功能状态之间的转换（Seamans，Durstewitz等。 2001; Durstewitz和Seamans 2002; Seamans和Yang 2004）。 d1 受体在直接途径中更丰富，激发GABA能神经元响应优选行为，和D.2 在间接途径中，其抑制GABA能神经元并降低间接途径的抑制作用。 D都增加了1 和D2 因此，在青春期可见的受体可能对大脑产生整体兴奋作用，这可能导致DA依赖的行为增加（例如奖励和新奇寻求）。

在PFC中，D1 受体作用于谷氨酸能锥体细胞，增加任务相关的射击（Farde，Halldin等。 1987; Goldman-Rakic 1990; Lidow，Goldman-Rakic等。 1991）。 同时，D1 局部GABA能（抑制）中间神经元的受体激活有助于抑制不相关的谷氨酸能输入（Durstewitz，Seamans等。 2000）。 有限的研究已经研究了D的多态性1- 受体基因（DRD1）与大脑结构/功能有关。 一项使用成人的研究显示，在精神分裂症患者的工作记忆任务中，前额叶 - 顶叶功能连接发生了改变。 DRD1 Dde I单核苷酸多态性由50 UTR中的A至G取代组成（Tura，Turner等。 2008）。 AG杂合子，D增加1 受体，相对于AA纯合子，其表现出更多的DLPFC募集，他们使用更广泛分布的大脑区域。 这些发现与其他工作一致，表明增加前额叶DA音调可提高认知能力和更有效的前额叶信号（例如（Egan，Goldberg等。 2001; Mattay，Goldberg等。 2003））。

在D2 受体，相对于PFC在纹状体中表达更多，通过抑制兴奋性和抑制抑制途径对前纹状体连接产生强烈影响（Cepeda和Levine 1998; Goto和Grace 2005）。 d2 受体有两种不同的同种型，即短同种型（D2-S）主要作为突触前自身受体，抑制DA释放，而长同种型（D2-L）主要用于抑制突触后细胞（Centonze，Grande等。 2003）。 D减少了2 自身受体功能增加DA释放和D减少的个体2-S表现出增加的新奇寻求和奖励反应（Zald，Cowan等。 2008; Pecina，Mickey等。 2012）。 编码D的基因中的功能多态性2 受体（DRD2）影响蛋白质的mRNA转录，并最终确定其功能，包括-141 C Ins / Del，Ser311Cys，Taq1A ANKK1，Taq1B，C957T，rs12364283，rs2283265和rs1076560（张，Bertolino等。 2007）。 影响D的多态性2 结合包括DRD2 / ANNK1 TaqIA，限制性片段长度多态性，其导致相邻ANNK1基因中的Glu至Lys氨基酸取代，以及位于DRD141基因的启动子区域中的-2C Ins / Del SNP。 TaqI A1等位基因和Del等位基因与纹状体D2结合减少有关（Arinami，Gao等人。 1997; 高贵的2000），尽管一项研究表明TaqIA多态性的分子杂种优势，D减少2 相对于纯合子，杂合子的密度（Pohjalainen，Nagren等。 1999）。 因此，Del和A1等位基因与成年期腹侧纹状体的奖赏反应性增加有关（科恩，杨等人。 2005; 福布斯，布朗等。 2009）。 A1等位基因也与任务转换期间前额纹电路的前额叶激活和连接减少有关（Stelzel，Basten等。 2010).

与成人研究相反，少数仅使用青少年参与者的研究发现，A1等位基因与腹侧奖励反应性降低有关（Stice和Dagher 2010）和背部（Stice，Spoor等。 2008）纹状体。 在青春期，当D的密度较高时2 受体，大脑激活与D的关系2 受体可用性可能与使用针对D的药理学干预的先前发现相似2 受体（Kirsch，Reuter等。 2006; van der Schaaf，van Schouwenburg等。 2012），通过基因型相互作用提出一个尚未经过实验检验的年龄。

在D4 受体是D.2类似于并且在突触后纹状体神经元和突触前皮质纹状体谷氨酸能传入神经元上表达。 有限的证据表明D4 受体与D相似2 受体（儿童晚期达到高峰，随后下降到成年期）（Tarazi，Tomasini等。 1998）。 基因（DRD4） 编码D的代码4 受体具有几种功能多态性，其中经常研究外显子48中最常见于3重复或7重复变体中的4碱基对VNTR。 7重复等位基因与降低的突触后抑制DA有关，由于降低的cAMP降低效力，导致纹状体神经元的去抑制（Asghari，Sanyal等。 1995; Seeger，Schloss等。 2001），相对于4重复等位基因，与腹侧纹状体的奖赏相关反应性增加有关（Schoots和Van Tol 2003; 福布斯，布朗等。 2009; Stice，Yokum等。 2012）。 一个SNP DRD4 基因（rs6277，-521 SNP）导致T等位基因相对于C等位基因的RNA转录减少40％（Okuyama，Ishiguro等。 1999），虽然另一项研究发现没有差异（Kereszturi，Kiraly等。 2006）。 迄今为止，一项影像学研究报道，C等位基因纯合子个体在奖励幅度处理过程中表现出内侧PFC /前扣带回活动增加（Camara，Kramer等。 2010）。 只有DRD4 VNTR已经在发育中的人群中进行了研究，将7重复等位基因与儿童PFC中的皮质厚度相关联（Shaw，Gornick等。 2007），增加纹状体激活作为儿童和青少年的激励措施，作为青少年焦虑的调节者（佩雷斯 - 埃德加，哈迪等人。 2013）作为青少年体重增加的调节剂，减少对食物奖励的激活（Stice，Yokum等。 2010）。 因此，这种多态性对青春期脑功能的影响可能与成人发现相似。

总的来说，这些研究表明DA受体基因的功能变异分别影响儿童，青少年和成人的前纹状体大脑功能。 然而，到目前为止，还没有研究检验过这些多态性在整个开发过程中的影响。 目前的研究表明D1 和D2 儿童晚期的受体密度达到峰值，表明青春期受体密度高于成年期。 倒U型后，增加D1 和D2 受体可用性可能导致直接和间接途径之间的竞争加剧，这在基线受体可用性较高的青少年中可能更加恶化，导致通常更加混乱的处理系统。

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DA失活基因（COMT，DAT1）

功能多态性 COMT 基因

儿茶酚胺甲基转移酶（COMT）是儿茶酚胺分解代谢的一种酶，对调节DA转运蛋白缺乏的PFC中的DA转换至关重要（洪淑良等 1998; Matsumoto，Weickert等。 2003）。 在COMT基因内（COMT） 是单核苷酸多态性（SNP）导致蛋氨酸（一半）缬氨酸（VAL）密码子158的替代（Tunbridge 2010）。 该 COMT val 等位基因与高酶活性相关，因此与突触多巴胺水平低有关 COMT遇到了 等位基因导致酶活性减少约三分之一，从而导致高突触多巴胺（Chen，Lipska等。 2004）。 杂合子显示中间水平 COMT 活动。 尽管主要在PFC中表达，但是 COMT val158met 多态性也与下游对中脑DA活性的影响有关（Meyer-Lindenberg，Kohn等。 2005).

COMT val158met SNP在认知任务期间的前纹状体激活背景下得到了广泛的研究（Egan，Goldberg等。 2001; Bilder，Volavka等。 2002; Malhotra，Kestler等。 2002; Goldberg，Egan等。 2003; Mattay，Goldberg等。 2003; Diamond，Briand等。 2004）包括工作记忆，响应抑制，设置转移和奖励处理。 证据表明个人有 一半 等位基因表现出更有效的皮质功能（例如（Egan，Goldberg等。 2001; Mattay，Goldberg等。 2003; Meyer-Lindenberg，Kohn等。 2005））以及与纹状体激活相关的奖励相关的增加（Yacubian，Sommer等。 2007; Dreher，Kohn等人。 2009）相对于个人而言 VAL 等位基因。 此外，增加DA水平与 COMT val158met SNP与推定的倒U型模型一致 一半 在认知控制和任务中表现出皮质效率降低的个体 VAL 个人表现出改善（Mattay，Goldberg等。 2003; Apud，Mattay等。 2007）。 根据这一证据，有人认为，相对于成年人，DA水平升高的青少年可能会遵循类似的模式作为 COMT 基因型作为成人的药理学研究。 这是青少年携带的 一半 等位基因可能超过最佳阈值，这可能导致皮质功能效率降低，相对于 VAL (Wahlstrom，Collins等。 2010; Wahlstrom，White等。 2010）。 因此，基于基因型（例如，基因型），作为跨发育的相对DA的函数，可以差异地表达个体间差异 VAL 当DA水平高于成年期时，等位基因可以在发育早期赋予认知功能相对优势。 然而，有限的研究已经检验了影响 COMT val158met 青少年大脑中的多态性，这些初步研究是混合的，需要复制。 在6和20之间的个体的视觉 - 空间工作记忆任务期间，Dumontheil等。 （2011），证明了额叶和顶叶区域的活化在个体纯合子的发育过程中增加 VAL 等位基因，但不是 一半 载体，表明个体认知功能的延迟发展 VAL 等位基因。 瓦尔/VAL 纯合子也表现出后顶叶皮层发育较慢的皮质变薄，可能反映了皮质处理中较慢的修剪和相对低效率。 COMT 在结构和功能连接的研究中也发现了青春期的影响，青少年患有青少年 VAL 等位基因显示增加白质完整性和减少静息脑灌注相对于 一半 (托马森，沃等人。 2009; Thomason，Dougherty等人。 2010），虽然这些研究没有发育，没有成人比较组。 最后，一项寿命研究（范围从6-84年）显示腹侧PFC中灰质体积减少 会见/会见 个人相对于 VAL / VAL 但基因型相互作用没有年龄（威廉姆斯，加特等人。 2008).

功能多态性 DAT1 基因

DA转运蛋白（DAT）主要在纹状体中表达，负责DA再摄取，释放后从细胞外空间清除DA（Jaber，Bloch等。 1998）。 编码DAT的基因中的VNTR多态性（DAT1 or SLC6A3）在其3'非翻译区中产生13碱基对序列的40和3重复之间的等位基因（Vandenbergh，Persico等。 1992）因为编码区变体非常罕见。 对于9-重复等位基因，最常见的重复等位基因（10-重复和9-重复）的DAT结合位点密度显着小于10-重复等位基因，将9-重复等位基因与降低的DAT表达和更大的纹状体突触连接起来。 DA（Fuke，Suo等。 2001; Mill，Asherson等。 2002; VanNess，Owens等。 2005），虽然一些研究表明相反（Mill，Asherson等。 2002; van de Giessen，de Win等人。 2009）。 降低DAT表达可降低突触DA清除率，从而增加DA水平（Cagniard，Balsam等。 2006; Cagniard，Beeler等。 2006）。 FMRI研究最一致地将9R等位基因与纹状体中增加的奖赏反应性联系起来（Yacubian，Sommer等。 2007; Dreher，Kohn等人。 2009; 福布斯，布朗等。 2009）。 尽管DAT主要在纹状体中表达，但证据表明9重复等位基因与工作记忆更新和任务转换期间腹侧纹状体和背内侧PFC激活增加有关（Aarts，Roelofs等。 2010; Garcia-Garcia，Barcelo等。 2010），抑制控制过程中PFC活化增加，这被解释为支持改进的抑制控制（Congdon，Lesch等。 2008; 康登，康斯特布尔等人。 2009）。 发展研究使用 DAT1 多态性表明，通常发育具有9重复等位基因的青少年在抑制性控制期间表现出前额叶和纹状体区域的活化减少（Braet，Johnson等人。 2011）和奖励预测（Paloyelis，Mehta等。 2012）。 这些结果表明，当1重复等位基因与激活增加相关时，DAT9基因型可能在青春期中差异地影响系统 - 与9重复等位基因导致纹状体和皮质反应性降低 - 比在成年期。 有可能在青春期，当存在过量的DA水平时，携带9重复等位基因的个体具有过多的突触DA可用性，其可能对脑功能具有与成年期相反的影响。

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基因 - 基因相互作用

成像遗传学研究主要集中在候选基因的单功能多态性。 DA系统的复杂性，系统各方面的不同成熟率，系统各组成部分的相互作用以及DA系统与其他大脑过程的相互作用，表明基因效应可能不是独立的或二分法。 研究人员最近开始研究多种基因之间的相互作用或累积效应。 有证据表明DA系统的各个方面在青春期得到提升或改变，并且单个基因效应在青少年大脑中可能表现不同，青少年大脑中的基因相互作用也可能与成人大脑不同。 假设每种多态性具有相同的效应大小，先前的研究已证明对大脑激活的影响是基因之间相互作用的函数（Bertolino，Blasi等。 2006; Yacubian，Sommer等。 2007; Bertolino，Di等人。 2008; Dreher，Kohn等人。 2009）。 例如，先前的研究已经显示了加性效应 COMT val158met SNP和 DAT1 3'VNTR在PFC和纹状体的奖励处理的奖励预期和结果阶段，报告与DA可用性增加的基因型相关的激活增加（Yacubian，Sommer等。 2007; Dreher，Kohn等人。 2009）。 然而，由于样本量有限，这些研究仅检验了两种多态性。 最近，研究人员利用“多位点综合评分”研究了奖励处理过程中几种DA基因对脑功能的影响（Plomin，Haworth等。 2009），根据DA信号的相对水平为每个参与者分配单个附加分数。 这种方法背后的想法是，通过累积概况分数组合多个功能相关基因可以解释比可能独立地具有非显着影响的单个基因座更多的变异性。 这项结合COMT，DAT1和DA受体基因型的研究显示，腹侧纹状体反应性增加是成年期DA信号增加的函数（Nikolova，Ferrell等人。 2011）和青春期的尾状核和壳核（Stice，Yokum等。 2012）在收到货币奖励期间。 为了更好地理解基因型的累积效应，复制这些发现以及探索基因相互作用是必要的。

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成像遗传学研究的考虑和未来方向

复杂行为特征的遗传基础可能是许多基因/多态性的等位基因变异及其相互作用和环境的结果。 大多数成像遗传学研究都集中在脑功能与单个或少数基因或多态性之间的关联。 此外，由于神经影像学研究需要相对均匀分布的群体，因此成像遗传学研究主要集中在均匀分布在群体中的高频等位基因，因此具有有利或中性的作用。 这种方法的缺点是这些变异只能解释复杂疾病或性状中的一小部分变异。 因此，成像遗传学的主要目的不是找到因果遗传联系，而是为了更好地理解复杂行为的神经基础。

由于单个遗传多态性对多维和异质行为和性状的影响非常小，因此研究常见变异对脑功能的影响需要所获得的测量的最大灵敏度和可靠性。 成像遗传学研究应该利用明确定义和客观测量的感兴趣的表型（即所使用的fMRI任务必须可靠且稳健地参与限制的大脑系统并证明参与者之间的差异）。 功能磁共振成像（fMRI）是一种最常用，最可靠的测量大脑功能的方法，它具有良好的空间和时间分辨率，但鉴于它是大脑活动的间接测量方法，反映了代谢消耗的范式相关变化（Logothetis，Pauls等。 2001），基因效应的解释是有限的。 因此，结合多模式方法，在不同的空间和时间分辨率下测量大脑功能和结构，并创建适当的环境因素测量，将有助于进一步了解对大脑功能的遗传效应（Bigos和Hariri 2007; 费舍尔，穆诺兹等人。 2008; Nemoda，Szekely等。 2011）。 遗传学研究也将受益于转化工作，使用相似的行为/神经功能表型研究候选基因在人类和转基因动物模型中的影响（Casey，Soliman等。 2010）。 尽管将人类行为转化为动物的局限性，使用转基因小鼠模型研究关键DA基因，包括 COMT 和 DA 受体基因已经表现出与人类相似的认知和行为影响（综述见（Casey，Soliman等。 2010））。 因此，基因对大脑的影响也可能在物种间显示出重要的相似性。 此外，发育动物模型具有寿命缩短和对环境更严格控制的优点。

提高成像研究可靠性的另一种方法是使用能够检测中小型效应的样本量。 初步报告表明，脑功能与基因型的相对接近可能允许在比典型行为研究更少的参与者中观察到基因效应。 例如，Munafo等。 （2008） 进行了一项荟萃分析，研究报告了血清素转运蛋白基因VNTR多态性之间的关联（5-HTTLPR）和杏仁核激活，并建议成像遗传学研究需要约70参与者的总样本，以达到.8的α功率.05功率。 假设等位基因的分布相对均匀，这将导致每组大约30-35参与者。 同样，其他人建议每组中超过25受试者的样本量对于一般的fMRI研究是必要的，以便具有足够的可靠性（Thirion，Pinel等。 2007）。 对于DA基因多态性的研究，有必要进行Meta分析以确定先前成像遗传学研究的效果大小和未来成像遗传学研究的理想样本量（Munafo，Bowes等。 2005; Barnett，Scoriels等。 2008）。 然而，同样重要的是要记住，荟萃分析往往是有偏见的，因为通常没有公布具有无效结果的研究。 可能必须增加样本量以复制先前的发现并生成不同多态性的效应大小的准确评估。

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摘要/结论

无法持续控制行为并同时增加感觉寻求在青春期持续存在，导致冒险行为增加。 虽然这些行为可能是由非生物因素介导的，但我们必须描述推动发展的生物机制，以便更好地了解其后果。 有证据表明大脑系统的持续发展，包括PFC和整个儿童期和青春期的纹状体。 这些系统支持动机驱动的行为，并可能导致精神病理学出现的脆弱性。 PFC和纹状体通过其独特的互连性支持激励驱动的行为，其由DA的功能调节。 在青少年时期，DA可用性和信号传递得到加强，并且可以以适应性方式促进新奇性寻求，以获得支持成年人生存的技能。 然而，青春期纹状体和PFC中DA水平的夸大可能导致对奖励的敏感性增加，以及对冲动驱动行为的执行监管不力，从而增加了冒险行为的脆弱性。 尽管DA的成熟变化具有一般模式，但青少年行为存在很大差异，这会产生关于这种变异背后的生物学机制的问题，这一系列研究尚待探索。 基因表达是变异性的主要来源之一，通过细胞和系统级神经过程发挥作用，产生表现为行为功能和功能障碍的复杂现象。 迄今为止，大多数成像遗传学研究都集中在成年期或离散年龄组内基因型之间的差异，尽管越来越多的证据表明大脑系统在整个生命周期中不断重组，并且基因效应可能在不同阶段表现出不同。 确定这些变化轨迹的性质对于大脑研究而言将比测量年龄组内的静态差异更具信息性。 有限的发育成像遗传学研究（即（Dumontheil，Roggeman等。 2011）已经表明，随着大脑系统的重组，基因对大脑功能的影响方向可能会改变。 未来的成像遗传学工作应该研究跨越发展（和寿命）的基因效应，理想情况是纵向的。 这对于理解青春期风险增加的神经生物学，认识到精神病理学出现的脆弱性，开发针对年龄的治疗方法以及确定导致成年期行为结果的个体途径具有重要意义。

亮点

  • 在青春期，潜在动机行为的前纹状体系统尚不成熟
  • 多巴胺系统在青春期经历显着的重组
  • 成像遗传学可用于研究脑功能变异的生物学基础
  • 成像遗传学可能对研究多巴胺在青春期的影响很有价值

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脚注

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