奖励处理中的不成熟及其对青春期抑制控制的影响(2010)

cereb皮质。 2010 Jul; 20(7):1613-29。 doi:10.1093 / cercor / bhp225。 Epub 2009 Oct 29。

盖尔CF., Terwilliger R., 特斯洛维奇T., Velanova K., 月神B.

作者信息

  • 神经认知发展实验室,精神病学和心理学系,认知神经基础中心,匹兹堡大学,匹兹堡,宾夕法尼亚州15213,美国。 [电子邮件保护]

抽象

目前尚未充分了解未成熟奖励处理的性质以及奖励对青春期认知控制基本要素的影响。 在这里,在功能性磁共振成像期间,健康的青少年和成年人进行了改进的反间谍任务,其中操纵了试验性奖励意外事件。 使用新的快速,事件相关设计使得能够评估奖励处理和响应抑制的时间上不同阶段的脑功能的发育差异。 与中性试验相比,奖励试验在不同年龄段产生更快的正确抑制反应,并且在青少年中抑制性错误更少。 在奖励试验期间,在线索评估期间,青少年腹侧纹状体中的血氧水平依赖性信号减弱,然后在响应准备期间过度活跃,表明在青少年期间奖励评估中的限制和与成人相比预期奖励的反应性增强。 重要的是,在奖励 - 试验反应准备期间,在青少年中也观察到沿着前中央沟的额叶皮层中的活动增加,表明支持正确抑制反应的动眼控制区域的奖励调节。 总的来说,这项工作描述了青春期大脑系统中支持奖励处理的特定不成熟特征,并描述了奖励对抑制控制的影响。 总而言之,我们的发现提出了可能是青少年易受不良决策和冒险行为影响的机制。

关键词: 青春期,反社会,功能磁共振成像,反应抑制,奖励

介绍

与风险或鲁莽行为相关的负面结果是青春期期间观察到的发病率和死亡率急剧上升(~200%)的主要原因(Arnett 1992; Spear 2000; 达尔2004)。 风险承担可以被定义为在主观期望或兴奋度较高但却使个人暴露于潜在伤害或损失(例如,极速驾驶和从事无保护性行为)的行为中经常冲动地参与(欧文1990)。 青少年参与冒险行为的倾向为决策能力的不确定性提供了令人信服的行为证据。 然而,我们对冒险的神经基础的理解仍然有限。 虽然预计多个功能性电路有助于行为风险,但2可能的主要系统是奖励处理和抑制控制(Steinberg 2004)。 对奖励的不成熟检测和评估加上内生冲动控制的局限性可能导致糟糕的决策,从而可能为参与冒险行为创造条件。 为了告知冒险行为的神经基础,在本文中,我们比较了奖励处理及其对青少年抑制控制的影响与成人相比.

大量文献描述了支持成熟成年人奖励处理的神经回路(Schultz 2000; Breiter等。 2001; O'Doherty等。 2001; Roesch和Olson 2004; Hikosaka等。 2006)。 特别是,眶额皮质(OFC),背侧和腹侧纹状体(VS)以及内侧前额叶皮层(PFC)已被确定为关键组成部分(Schultz 2000; McClure等。 2004)。 重要的是,单个单元和事件相关的功能磁共振成像(fMRI)研究的时间分辨率已经表明,奖励处理不是单片功能,而是动态的相互关联的计算。 发现之前发生的不同信号(“预期”信号)和奖励传递后(“完成”信号)已经确定(Schultz 2000; Hare等人。 2008)。 预期信号与初步检测和确定奖励预测线索的效价以及评估未来奖励的预期价值有关(Knutson等人。 2001; O'Doherty等。 2002)。 完善信号包括与收到的奖励幅度相关的信号(德尔加多等人。 2000, 2003; 滚动2000; O'Doherty等。 2001)以及收到的奖励是否与预测相​​匹配(“预测误差”信号)(Schultz 2000; 舒尔茨等人。 2000).

相比之下,我们对青春期奖励处理发展的理解仍然非常有限。 解剖学研究表明,初级奖励区域在青春期表现出持续的不成熟,包括基底神经节和OFC的灰质持续变薄 (Giedd等人。 1996; Sowell等人。 1999; Gogtay等。 2004; Toga等人。 2006), 部分可能是由于通过突触修剪失去了弱或未使用的突触 (Gogtay等。 2004). 在青春期,越来越多的未明确的突触可能导致相对于成人的奖励线索和价值表示的识别受到限制。 与突触修剪同时,髓鞘形成在整个发育过程中线性增加 (Yakovlev和Lecours 1967). 髓鞘形成通过提高远端神经元传递的速度和保真度来增强信息处理的效率,有助于广泛分布的脑电路的功能整合,这对于复杂的高阶行为的出现至关重要。 (Goldman-Rakic等人。 1992; Luna和Sweeney 2004)。 青少年大脑的相对髓鞘形成可能导致有效地将奖励信号与动机行为所需的传出运动系统整合的能力有限(Roesch和Olson 2003, 2004).

随着微观结构的持续成熟,来自人类和动物模型的汇总数据表明,纹状体和皮质系统中的多巴胺(DA)神经传递在青春期持续成熟 (Spear 2000; 安徒生2003; Crews等。 2007). 例如,与成年期相比,青春期D1-和D2-受体水平和大鼠纹状体的结合更大 (Seeman等人。 1987). DA转运蛋白的密度,其功能是从突触中除去DA,在纹状体的青春期达到峰值 (孟等人。 1999). 此外,在青春期,对PFC的DA输入增加 (Kalsbeek等。 1988; 罗森伯格和刘易斯1994, 1995; Spear 2000), 并且有证据表明青春期早期从中脑边缘到中脑皮层DA系统的相对转变 (Spear 2000). 在奖励处理方面,纹状体和PFC中青少年DA水平的增加加上更大的DA转运蛋白可能有助于提高对奖励的敏感度但在时间上有限,正如注意力缺陷多动障碍模型所提出的那样 (Castellanos和Tannock 2002).

根据结构数据,初始发育fMRI研究表明青春期奖励相关脑系统的功能不成熟(Bjork等。 2004, 2007; 梅等人。 2004; 恩斯特等人。 2005; Galvan等。 2006; Guyer等人。 2006; van Leijenhorst等人。 2006, 2009; Eshel等。 2007)。 虽然青少年已经被证明可以招募类似于成年人的奖励回路(梅等人。 2004),未成熟反应的方向性尚未在初级地区得到充分表征。 在VS的预期处理期间以及在OFC和近中PFC中的概率决策期间,已经发现了青少年“不足”活动的证据。 (Bjork等。 2004, 2007; Eshel等。 2007), 但在奖励收据(完成)处理过程中,VS中的“过度”活动 (恩斯特等人。 2005; Galvan等。 2006). 因此,奖励处理的不同时间阶段(预期与完成)可能具有不同的发展轨迹,这是理论模型的重要考虑因素,其广泛地将青少年奖励系统描述为过度活跃 (钱伯斯等人。 2003; 恩斯特等人。 2006)或低活性(Spear 2000),相对于成年人。

与奖励处理的持续成熟同时,抑制控制的改进也持续到青春期(Paus等人。 1990; 莱文等人。 1991; Ridderinkhof等。 1999; Ridderinkhof和van der Molen 1997; 威廉姆斯等人。 1999; Bunge等人。 2002; Luna等。 2004; 利斯顿等人。 2006)。 自愿反应抑制是指停止优先反应以支持目标适当行动的认知能力,并且是决策的基本组成部分(柯蒂斯和埃斯波西托2003; Luna等。 2004; Ridderinkhof,van den Wildenberg,et al。 2004; 柯蒂斯和埃斯波西托2008)。 我们实验室和其他人使用antisaccade(AS)任务进行的行为工作(Hallett 1978),受试者必须抑制对突然出现的外围目标进行扫视的强烈冲动,而不是向镜子位置看,表明成年人的反应抑制水平在青春期中后期开始稳定(菲舍尔等人。 1997; Munoz等人。 1998; Klein和Foerster 2001; Luna等。 2004)。 然而,支持AS任务性能的神经回路显示出通过青春期的持续不成熟,包括减少额叶眼区激活(FEF)和相对于成人更多地依赖侧面前额叶系统(Luna等。 2001, 2004; Velanova等。 2008)。 这些数据支持了许多其他研究,表明支持抑制性控制的电路的发展是旷日持久的(凯西等人。 1997; Rubia等人。 2000; Luna等。 2001; 阿德勒曼等人。 2002; Bunge等人。 2002; Tamm等人。 2002; Durston等。 2006; Marsh等人。 2006; Rubia等人。 2006, 2007; Velanova等。 2008).

通过表征奖励处理的成熟度以及奖励对抑制控制的影响,可以更全面地了解青少年决策和冒险行为中明显的局限性。 迄今为止,只有少数行为研究使用修改的AS任务和逐个试验的金钱奖励意外事件调查了这些系统的相互作用(杜卡和Lupp 1997; Blaukopf和DiGirolamo 2006; Jazbec等人。 2006; 哈丁等人。 2007)。 一方面,增加奖励意外事件已被证明可以减少青少年和成年人产生的抑制性错误的数量,这表明奖励相关区域和动眼控制相关区域之间的基本途径至少在青春期建立。 另一方面,奖励会不同地影响整个开发过程中的其他扫视指标(例如,速度和延迟)(Jazbec等人。 2006; 哈丁等人。 2007)。 然而,在文献中尚未表征支持奖励AS任务的性能的神经回路的发展差异。

我们的目的是描述奖励处理的发展差异以及奖励对健康青少年和成年人的反应抑制的影响。 我们注意到,检查这些2模型系统之间的相互作用应该被认为是表征更复杂的冒险现象的第一步。 重要的是,我们使用一套新的方法,包括货币激励介导的AS范式,在快速,事件相关的fMRI设计中提出,具有部分“捕获”试验(Ollinger,Shulman和Corbetta 2001)这使我们能够分离并分别表征与先前在文献中确定的奖励处理组件相关的血氧水平依赖(BOLD)活动是不同的(Schultz 2000)。 这些组件包括奖励提示识别(Schultz 2000),期待回应奖励(Bjork等人2004),以及回应/反馈(恩斯特等人。 2006),每个都可能有不同的发展轨迹。 这种方法特别独特,因为我们检查了预期处理的初始线索评估和后来的响应准备/预期的2组件。 此外,我们的目的是同时描述奖励突发事件对已知对AS任务表现至关重要的分布式动眼神经控制区域(例如假定的皮质眼球)的影响(Munoz和Everling 2004).

与之前的行为报告一致,我们预测,与中性AS试验相比,成人和青少年在奖励方面产生的抑制误差更少(Jazbec等人。 2006; 哈丁等人。 2007)。 在奖励与中立试验期间,我们假设两个年龄组在支持奖励 - 提示检测(例如,VS)和值表示(例如,VS和OFC)的大脑区域中将显示出增加的活动。 此外,我们假设在奖励试验中正确的AS表现将受到动眼控制电路中活动增加的支持,特别是在上前中央沟(SPS;假定的FEF人类同源物)附近的区域,已知其支持正确的AS表现。 在AS试验的准备期间,FEF固定神经元的活性增强已被证明对抑制错误反应的能力至关重要(康诺利等人。 2002; 柯蒂斯和埃斯波西托2003; Munoz和Everling 2004)。 鉴于AS性能不佳以及青春期奖励处理不成熟的证据,我们假设青少年会对动眼神经区域和行为表现的奖励调制产生更明显的影响。 最后,根据之前的研究结果,我们还假设青少年在奖励预期期间会表现出活动减退(Bjork等。 2004, 2007; Eshel等。 2007)和完成加工过程中的多动症(恩斯特等人。 2005; Galvan等。 2006).

材料和方法

参与者成员

最初招募了38名健康受试者(22青少年和16成人)用于该研究。 由于扫描仪中的头部运动过度,4青少年的成像数据被排除在分析之外。 剩余的34科目(18青少年[年龄13-17岁, M = 15.3 {±1.5},8女性]和16年轻成人[年龄18-30岁, M = 21.7 {±2.9},10女性])符合以下入选标准:所有人都具有至少20 / 40(矫正或未矫正)的远视力以及未发现神经系统疾病,脑损伤或重大精神疾病的病史。通过面试确定的主题或一级亲属。 根据以前的工作选择每组的年龄范围,表明AS任务的差异行为表现水平(Luna等。 2004; Scherf等人。 2006)。 参与者和/或其法定监护人在参与本研究之前提供了知情同意书或同意书。 本研究的实验程序符合世界医学协会的道德准则(赫尔辛基1964宣言)和匹兹堡大学的机构审查委员会。 受试者因参与研究而获得报酬。

奖励AS任务

在每次AS试验中,受试者最初都会获得1的2激励指示线索(1.5 s)(图。 1)。 一圈绿色美元钞票标志($),每个对着大约1°的视角,围绕着一个中央白色固定十字架,表明如果受试者正确地进行了即将进行的试验,受试者将赢得金钱。 一个等效大小的蓝色磅符号(#)的等亮环表示该试验没有任何资金。 没有告诉受试者每次试验可以赚多少钱,以防止他们保持他们的表现和工作记忆系统的运行记录。 然而,在任务之前,受试者被告知他们可以在他们的表现上赢得额外的$ 25,并且不会产生任何债务(即,受试者不能欠钱)。 接下来,激励环消失,中央固定交叉从白色变为红色(1.5 s),向受试者指示他们应该开始准备抑制反应。 最后,在不可预测的水平位置(±75°,3°和6°视角)出现外围刺激(黄点)(9 m)。 指示受试者在出现刺激时不看刺激,而是在此期间将他们的眼睛指向镜子位置(1475 ms)。

图1。 

描述货币激励AS任务。 一圈绿色美元钞票标志表明,如果受试者正确执行即将进行的审判(奖励条件),受试者可以赢钱。 一圈蓝色的英镑标志表明没有钱 ...

为了唯一地估计每个试验期间引起的血流动力学反应,我们的实验设计包括随机插入的大约30%部分捕获试验,以及抖动的间期间隔(Ollinger,Corbetta和Shulman 2001; Ollinger,Shulman和Corbetta 2001)。 包含这些元素确保有足够数量的独立线性方程来分别估计与解卷积期间的提示,响应准备和扫视响应时期相关的BOLD响应。 这是一种定量验证的方法来估计试验中的组件(Ollinger,Corbetta和Shulman 2001; Ollinger,Shulman和Corbetta 2001; Goghari和MacDonald 2008),以前曾在文献中报道过(舒尔曼等人。 1999; Corbetta等人。 2000; Wheeler等。 2005; 布朗等人。 2006)。 30%捕获试验率使受试者对部分试验的预期最小化,同时保持足够频率的“整体”试验以允许正确估计BOLD响应。 在每次运行中呈现两个捕获试验变体,并且包括在1响应准备期(红色固定)(即,没有显示运动反应的外周提示)或2之后的试验终止的激励提示图像(圈子“$”或“#”)(即未显示红色固定和外围提示)。 值得注意的是,受试者不知道哪些试验将是部分捕获试验,哪些试验是整个试验,直到部分试验终止,因为最初的部分试验成分(提示,预备固定)与整个试验完全一致。 在成像之前,受试者被告知一些试验将是不完整的,并且他们应该继续进行下一次试验,如所示。 在1.5,3或4.5(均匀分布)的间隔之间抖动了间期固定期,并且由简单地固定黑色背景上的中央白色十字架的受试者组成。 在每次运行中,14完全奖励试验,6部分奖励捕获试验(每种变体的3),14完全中性试验和6部分中性捕获试验(每种变体的3)以随机顺序呈现。 每次运行的持续时间为5 min 9。 每个实验阶段提供四次运行,总共进行56完全奖励试验和56完全中性试验。

眼动跟踪

在扫描之前,在1周内首先在我们的行为实验室中测试受试者以确认他们理解并且能够如所描述的那样执行任务。 在MR扫描环境中,使用远程光学眼睛跟踪系统(Model 504LRO; Applied Science Laboratories,Bedford,MA)获得眼睛运动,其通过安装在头部线圈上的镜子获得的瞳孔 - 角膜反射来记录眼睛位置。分辨率为0.5°视角。 同时视频监控也用于确保任务合规性。 在实验阶段开始时和必要时的运行之间,执行9点校准程序。 使用E-Prime(Psychology Software Tools,Inc.,Pittsburgh,PA)呈现刺激物,投射到位于磁体后面的平面屏幕上。 受试者使用安装在标准射频头部线圈上的镜子观察屏幕。 使用ILAB软件离线评估眼睛数据(Gitelman 2002)以及在戴尔Dimension 8300 PC上运行的MATLAB(MathWorks,Inc。)编写的内部评分套件。 感兴趣的变量包括正确和不正确的AS等待时间和正确的AS响应率(1减去抑制性失败次数/可评估试验总数)的奖励和中性试验。 AS任务中的正确响应是在扫视响应时期内第一次眼球运动,其速度大于或等于30°/ s(Gitelman 2002)朝着外围球杆的镜面位置延伸,并延伸超过2.5°/视角中央固定区。 鉴于受试者从未被提示到特定位置且未被评分,因此在部分抓捕试验中的眼动很少见。 当扫视响应时代的第一个扫视指向突然出现的外围刺激并超过2.5°/视角中心固定区域时,就会发生AS错误(也称为近视错误)。 没有产生眼球运动的试验(<1%的试验)被排除在进一步分析之外。

fMRI采集和预处理

使用位于宾夕法尼亚州匹兹堡匹兹堡大学脑成像研究中心的3.0-T Siemens Allegra扫描仪收集成像数据。 执行对BOLD对比(T2 *)敏感的梯度回波回波平面成像序列(Kwong等。 1992; Ogawa等。 1992)。 采集参数是时间重复,TR = 1.5 s; time echo = 25 ms; 翻转角= 70°; 单发; 充分 k-空间; 具有视场的64×64采集矩阵= 20×20 cm。 收集29个无间隙的4-mm厚轴向切片,与前连合和后连合(AC-PC线)对齐,产生3.125×3.125×4 mm体素,其覆盖整个皮质和大部分小脑。 使用具有3切片(192-mm切片厚度)的1D体积磁化制备的快速采集梯度回波(MP-RAGE)脉冲序列来获取矢状平面中的结构图像。

首先使用FMRIB软件库对功能图像进行预处理(史密斯等人。 2004)。 执行切片定时校正以调整交错切片采集。 计算旋转和平移头部运动估计,并通过将时间序列中的每个体积与采集中间获得的体积对齐来校正图像。 对于每个受试者,平移和旋转运动在图像上取平均值并用于计算总均方根运动量度。 移动超过1 mm(平移)或1°(旋转)的受试者被排除在随后的分析之外。 根据这些标准排除了四名青少年。

使用FSL中提供的FLIRT实用程序将结构图像(MP-RAGE)注册到功能图像并转换为相同的尺寸(詹金森和史密斯2001)。 使用FSL中的脑提取工具进行脑提取(史密斯2002)。 使用5-mm全宽半最大核对功能图像进行空间平滑,并进行高通时间滤波(sigma = 37.5 s)以消除低频扫描仪漂移。 最后,将每次运行的信号强度缩放至平均值100,并连续多次运行。

功能神经影像分析(考克斯1996)用于个体受试者解卷积以及组统计分析。 反卷积方法遵循Ward(2002)中描述的步骤。 简而言之,我们的模型包括感兴趣的6正交回归量(奖励提示,中性提示,奖励准备,中性准备,奖励扫视反应,中性扫视反应;“仅正确的AS试验”)。 我们还包括用于奖励和中性错误试验的回归量(包括整个试验),基线,线性和非线性趋势的回归量,以及作为“讨厌”回归量的6运动参数。 通过5正弦基函数的加权线性和确定每个感兴趣的回归量(奖励和中性线索,准备和扫视;“仅正确的AS试验”)的唯一估计脉冲响应函数(IRF,即血液动力学响应函数)。乘以确定最小二乘估计β重量的数据。 在控制由于其他回归量导致的BOLD信号的变化之后,估计的IRF反映了对一种类型的刺激(例如,奖励提示)的估计的BOLD响应。 我们指定了从刺激开始(时间= 0)到18-s后刺激开始(13 TR)的估计响应的持续时间,对于每个单独的试验时期,估计的BOLD响应返回基线的足够持续时间。 除了使用零作为起点之外,我们没有对其特定形状做出任何假设。 计算了几个拟合优度统计数据,包括每个回归量的部分F统计量 t - 比较每个5估计的β重量与零的比较。 在反卷积之后,统计图像被转换为​​Talairach空间(Talairach和Tournoux 1988).

集团层面分析

感兴趣的解剖区域(ROI)

我们的分析侧重于在几个先验解剖ROI的边界内确定的功能定义的群集(柯蒂斯和康诺利2008)之前被确定为在奖励处理或动眼控制的各个方面服务。 本研究中推定的与奖励相关的解剖学ROI包括VS(包括伏隔核),OFC和腹侧内侧PFC(VMPFC)。 我们定义了本研究中使用的解剖学奖励相关ROI的边界如下:VS(Breiter等。 1997; Breiter和Rosen 1999; Bjork等。 2004; Voorn等人。 2004)被认为是从侧脑室腹侧横向延伸到内囊的一条线背侧,外侧和前侧边界是尾状体和壳核的腹侧 - 内侧连接处,后边界被认为是前连合。 OFC包括眼眶回和直肌回,包括BA 10,11和47(Kringelbach和Rolls 2004)。 横向上,OFC受到下额沟的限制,并且在上侧延髓沟的内侧表面上。 VMPFC指的是大脑内侧表面的前上方沟的背侧皮质,前部和腹部(胼sub体区域)到胼call体的膝盖,主要包括后部/内侧BA 10和32(Knutson等人。 2003; 布莱尔等人。 2006)。 VMPFC包括头端前扣带皮层。

推定的动眼神经控制ROI包括沿上,下前中央沟(分别为sPCS和iPCS)和旁中央沟(paraCS)的区域,以及扣带皮层(BA 24,32),包括背扣和尾侧前扣带,顶内沟(IPS) ),壳核和背外侧PFC(DLPFC,包括BA 9,46)(Sweeney等人。 1996; Grosbras等。 1999; Liddle等人。 2001; Luna等。 2001; 康诺利等人。 2002; Munoz和Everling 2004; Ridderinkhof,Ullsperger,et al。 2004; Pierrot-Deseilligny等。 2005; 布朗等人。 2006; Hikosaka等。 2006; 柯蒂斯和康诺利2008)。 人类前中央沟通常由2部分组成,上部和下部前中央沟,由前中央和中间额回位之间的横向连接分开(Ono等人。 1990)。 paraCS被定义为沿着大脑背侧内侧表面的中央小叶前面的沟(Ono等人。 1990)。 IPS被定义为分隔上下顶叶(IPL)的沟。

最后,虽然文献中已经确定跨越不同的血管区域,但从儿童期到成年期血流动力学反应(HDR)功能没有差异(康等人。 2003; 温格等人。 2004; 布朗等人。 2005),我们将视觉皮层(BA 17,18)作为一个额外的控制区域,以进一步证明青少年产生的时间课程相当于成年人。

时间课程分析

从每个受试者的反卷积分析获得的IRF估计值输入到以时间(0到12 TR),激励类型(奖励,中性)和年龄组(青少年,成人)为固定因子的方差综合分析(ANOVA)中,科目作为随机因素。 用于我们的任务设计的反卷积方法(确定了试验的不同阶段)会生成估算的IRF。 在控制了由于其他回归因素引起的BOLD信号变化之后,IRF反映了对某种刺激(例如,奖励提示)的估计BOLD响应。 平均IRF(以下也称为平均估计时间过程)图显示了从刺激发作(时间= 0)到刺激后18 s发作的平均(跨受试者)估计的BOLD反应。 18秒的持续时间是我们在反卷积模型中指定的参数,对于典型的血液动力学响应(由短期持续刺激引起的恢复基线)而言,它是合适的持续时间。

对每个试验时期运行单独的ANOVA,产生“提示”,“响应准备”和“扫视响应”组图像(时间图像的主要影响)。 “时间的主要影响”图像显示了相对于基线在受试者和条件下崩溃时跨时间显着调节的区域(0-12 TR),因此描绘了在我们的研究中招募的基本电路。 统计图(图。 3)覆盖在来自代表性受试者的解剖图像上。 对于3D皮质表面图像(图 446),我们使用Caret软件(版本5.51)将来自显示年龄和/或激励相关效应的区域的焦点投射到人类PALS图谱的表面上(范埃森等人。 2001; 范埃森2002).

图3。 

“时间的主要影响”组激活图用于激励线索(美元符号或英镑符号的环),响应准备(红色固定)和扫视响应(外围闪光),在激励类型和年龄组中崩溃。 图像阈值 ...
图4。 

提示时代课程,显示跨时间的年龄和/或激励互动。 时间过程是从以峰体素坐标为中心的球面罩(9-mm直径)中提取的(参见材料和方法)。 仅用于可视化目的,填充黑色 ...
图5。 

响应准备(奖励预期)时间课程,显示跨时间的年龄和/或激励互动。 时间过程是从以峰体素坐标为中心的球面罩(9-mm直径)中提取的(参见材料和方法)。 用于可视化 ...
图6。 

Saccade响应纪元时间课程显示跨时间的年龄和/或激励互动。 时间过程是从以峰体素坐标为中心的球面罩(9-mm直径)中提取的(参见材料和方法)。 仅用于可视化目的, ...

在每个“时间主效应”图像中,接下来使用文献中已经建立的方法识别功能定义的ROI(下面也称为“簇”)(Wheeler等。 2005; Velanova等。 2008)。 首先,超过阈值的峰值体素 P 确认<0.001(未校正)并按F统计量的大小排序。 接下来,将9毫米直径的球形掩模定为每个最大值的中心。 然后,我们使用蒙特卡洛模拟(http://afni.nimh.nih.gov/afni/doc/manual/AlphaSim),表明需要至少17连续体素的簇大小以及单个体素 P 0.001的值,以达到校正的图像级重要性 P <0.05。 通过将所有落在9毫米球体内,以未校正图像中的最大值为中心的体素包括在内,然后排除未能通过校正进行多次比较的体素,来定义功能ROI。 然后,我们将这些在功能上定义的聚类用作遮罩,并从构成体素中提取出针对每个受试者以及在两种激励条件下的估计时程。 通过这种方式,我们确保跨主题考虑相同的区域。 将各科目的时间课程平均,然后使用重复测量方差分析进行分析; 年龄段(成人,青少年)是受试者之间的因素; 时间(0-12 TR)和激励条件(奖励,中立)均在主题因素之内。 除非另有说明,否则报告的是经过球度校正的(温室-盖塞尔)有效水平。 下面,我们报告在“时间的主要影响”综合地图中确定的所有地区,并提供地区时间路线图,这些地区展示了按时间划分的重要年龄,按时间划分的激励因素和/或按时间划分的激励年龄范围。估计的响应(13个时间点)。

我们注意到,在所检查的几个区域中,平均估计的时程反应表现出双相反应或暂时的晚期峰值(在试验组分发作后发生超过6 s)。 目前还不清楚时间上的后期峰值是否具有功能意义(例如,反映特定区域的招募中的个体受试者变异性或区域中的信号延迟)或者仅仅是我们的反卷积分析不假设具有固定的HDR形状的结果。 。 因此,我们还进行了次级的,更保守的重复测量ANOVA,其仅考虑TRs 3-6处的估计响应。 选择这些时间点,因为它们包括刺激发作后的3-7.5 s,其将捕获定型血液动力学响应中的初始峰值,其将在刺激呈现后在4和6之间发生。 还使用这种方法分析了在每个试验时期的时间图的综合效应中确定的所有ROI的时间过程。 对于这些分析中的每一个,仅分析了“正确的”AS试验。 最后,我们注意到,在一个共同的立体定位空间中比较发育年龄组的BOLD时间课程的可行性已得到很好的证实(康等人。 2003; 温格等人。 2004; 布朗等人。 2005).

作为从单独的试验时期对我们的去卷积时间课程的有效性检查,我们试图验证各个试验组件的总和将导致典型的HDR形状,并且总和响应与考虑将试验时获得的时间过程紧密匹配。整个。 为此,我们首先总结了每个个体试验时期(提示+反应准备+扫视反应)在大脑每个体素中的估计时间进程,将响应准备时间进程转换为1.5,以说明该成分的开始在3的试验和扫视响应时代课程中。 接下来,通过运行单独的反卷积分析生成每个体素中的整个试验的IRF(即,提示,准备和响应),其中我们仅编码每个试验的开始并且估计响应直到21 s之后的响应。试验开始。 然后对每个时间过程(提示,响应准备[时移],扫视响应[时移],总计响应和整个试验响应)进行平均,在每个体素中标识“时间的主效应”球面罩和绘制(补充图 16)。 然后复制该程序用于响应准备和扫视反应球面罩。 这种有效性检查表明,组成时间过程的总和产生了典型的血液动力学反应,为我们的反卷积程序提供了准确的额外支持。 补充数字1-6显示了我们的时间过程验证分析的示例图。 在总和(粗黑线)和全试验(红线)时间过程和规范HDR轮廓之间发现了高度的相似性。

成果

行为

针对不同年龄组和激励条件的正确抑制反应率的重复测量方差分析显示激励类型的显着主要影响(F(1,32)= 18.9424, P <0.001)和年龄组主要影响的趋势(F(1,32)= 3.491, P = 0.071)但没有激励型互动的年龄组。 正如预期的那样,所有受试者始终遵循前列错误,并对适当的位置做出纠正性回应,类似于之前的报告(Velanova等。 2008),表明任务指令已被理解,但未能抑制反射性扫视。

鉴于我们的假设认为,与中性试验相比,成人和青少年在奖励方面产生的抑制误差较少,计划比较每个年龄组内奖励类型对表现(正确反应率和潜伏期)的影响(青少年奖励与中性;奖励vs使用Bonferroni调整的每个测试的0.025的α水平(0.05 / 2)进行。 与中性试验相比,青少年在奖励方面产生了更多正确的ASs(t(17)= 4.500, P <0.001)(请参阅 图。 2A)。 与中性试验相比,成人的表现显示出奖励反应得到改善的趋势(t(15)= 1.939, P 0.072)。

图2。 

行为结果。 (A)对于中性(未填充条)和奖励(散列条)试验,青少年(左栏)和成人(右栏)的正确反应率。 (B)正确AS的延迟。 (C)抑制错误的延迟。 单个星号(*)表示 ...

启动正确AS的延迟表明了激励的主要影响(F(1,32)= 22.695, P <0.001),但没有年龄组或年龄组通过激励相互作用的主要影响。 计划进行的比较显示,与中性试验(青少年, t(17)= 3.215, P = 0.005和成年人, t(15)= 3.498, P 0.003)。

错误跳视的潜伏期(称为“前列错误”,当受试者最初看向外周刺激时)并未通过激励互动显示出显着的年龄组。 计划比较显示,与中性试验相比,青少年(而非成人)在奖励方面产生了明显更快的反应(t(17)= 2.400, P 0.022)。 图2B,C 分别绘制正确和不正确AS的延迟。 提供了正确反应率和正确试验潜伏期的平均值和标准差 表1.

表1 

奖励和中立AS试验的行为结果

最后,考虑到测试的青少年的年龄范围相对较宽,对“老年人”和“年轻”青少年进行了单独的组内比较,以检查年龄较大的青少年与成年人之间的年龄差异不足以证明差异的可能性。 也就是说,如果年龄较大的青少年表现出与年轻受试者显着不同的情况,那么来自年长青少年的数据可能会推动年龄的不显着影响。 我们使用中位数分割将18青少年受试者分成较旧的(N = 9; 6 17岁儿童和3 16岁儿童)和年轻人群体(N = 9; 3 13-岁,1 14-岁,4 15-岁,1 16-岁[最年轻的4 16-岁儿童测试])。 独立样本 t - 对两种试验类型的“年轻”和“旧”青少年正确反应率和潜伏期数据进行测试。 没有显着差异(全部 P的> 0.05)。

功能磁共振成像

在成人和青少年的每个试验期间都有大脑区域的分布式网络,包括预期的动眼控制区域(例如皮质眼视野和基底神经节)和奖励相关区域(例如,OFC和VS)(图。 3)。 在几个基因座中,我们在整个估计响应(13时间点)或TRs 3-6(参见材料和方法)中确定了显着的年龄和/或激励与时间的相互作用。 由试验时期分开的这些结果将在下面更详细地讨论。

控制区域:主要视觉皮层

在每个试验时期,位于视觉皮层(BA 17,18)中的功能定义的聚类证实,与成人相比,青少年产生类似的HDR。 所检查的焦点表明AS参与任务的强有力参与,但没有时间的年龄或激励类型的相互作用(补充图7).

Epoch 1:激励线索

奖励相关区域

在激励线索的呈现过程中,右VS(Talairach坐标:14,2,-7)显示出显着的年龄与时间的相互作用(F(12,384)= 3.082, P = 0.023)在考虑整个估计时间过程(13时间点)时。 成年人在奖励期间表现出更多的积极活动,而青少年表现出负面反应。 在该地区,青少年奖励和中立时间课程显示出早期的负面偏差,而成年人对奖励的反应最小,随后两种试验类型的反应更为强烈(图。 4)。 当仅考虑时间过程的初始方面(TRs 3-6)时,该区域仍显示趋势(F(3,96)= 2.368, P = 0.076)。 然而,左VS(-10,2,-4)显示出显着的年龄相互作用(F(3,96)= 3.204, P 在这个较短的时间跨度内,我是= 0.027。 在此范围内,与右侧VS相似,青少年在奖励和中性试验的时间过程中显示出早期的负面反应,而成年人则没有显示出从基线开始的偏转。

动眼神经和抑制控制区

在激励线索的呈现期间,所检查的动眼控制ROI中没有一个显示出时间上的显着年龄,时间上的激励或通过13估计时间点上的时间相互作用的激励。 然而,在TRs 3-6中,我们通过右侧sPCS(26,-13,53)观察到时间互动的激励(F(3,96)= 2.695, P = 0.05),右下额回(44,11,32)(F(3,96)= 4.474, P = 0.006),以及左前躯(-28,-64,41)(F(3,96)= 2.959, P = 0.036)。 在左侧IPL(-28,-52,38)(BA 7,背侧和超边缘回内侧),观察到通过时间相互作用激励的年龄(F(3,96)= 3.397, P = 0.021)(表2)。 在每个地区,青少年奖励试验反应与成人奖励和中立时间课程类似(图。 4)。 然而,在中性试验期间,青少年在这些区域表现出减弱的反应。

表2 

在提示期间观察到的区域(仅正确的试验)显示出显着的相互作用效应

表3 提供在先验解剖区域中观察到的所有功能簇的峰值体素的位置,证明在激励线索时期期间跨时间的显着调制。

表3 

在提示期间观察到的在解剖学ROI中表现出主要时间效应的区域(仅正确的试验)。

Epoch 2:响应准备/预期

奖励相关区域

在激励线索时期之后,在响应准备/预期期间,右VS(11,8和-7)中的单个群集显示出显着的年龄与时间的相互作用(F(12,384)= 2.586, P 0.05估计时间点内的= 13)。 对该地区的时间课程进行检查后发现,与中立性试验相比,奖励期间青少年的反应有所增强(图。 5)。 成年人很少参与这一地区,在中性试验期间只有微弱的阳性反应,而在该地区的奖励试验期间后来出现负向变化。 在TRs 3-6的更受限制的时间范围内,该区域仍然显示出显着的年龄与时间的相互作用(F(3,96)= 6.618, P <0.001)。

动眼神经和抑制控制区

在左侧sPCS(-25,-13,56)中,观察到通过时间相互作用激励的显着年龄(F(12,384)= 2.889, P = 0.032)整个估计试验。 在这一地区,青少年在两种激励类型中相对于成年人的早期高峰期,以及奖励试验期间的时间延长反应(图。 5)。 仅考虑TRs 3-6,该地区通过时间互动激励的年龄减少到趋势(F(3,96)= 2.282, P 0.084)。

在其他地方,跨越TRs 3-6,我们观察到右侧内侧额回(MFG)/上额回(17,-10,53)的年龄与时间的相互作用(F(3,96)= 2.915, P = 0.038)。 在左侧sPCS的2其他群集中也观察到通过时间相互作用激励的显着年龄(-25,-19,47)(F(3,96)= 2.920, P = 0.038)和(-31,-10,44)(F(3,96)= 2.909, P = 0.038)。 在这些地区的每一个地区,奖励和中立试验期间的青少年反应相对于成年人而言都有所提高(图。 5)。 更为低级的是,在左侧iPCS(-28,-1,35)中观察到通过时间交互激励的显着年龄(F(3,96)= 3.281, P = 0.024)。 在该地区,青少年奖励反应类似于成人奖励和中立反应,每次课程达到约7.5秒。 青少年中性时间过早达到较小幅度峰值(3 s)并在此时间跨度内下降至基线(图,5)。 通过时间互动激励的重要年龄(F(3,96)= 3.836, P 跨越TRs 0.012-3的左侧MFG /前扣带回(6,7,29)(表4)。 相对于中立性试验和成人奖励和中性反应,青少年对奖励表现出更高的反应。

表4 

在响应准备期间观察到的区域(仅正确试验)显示出显着的相互作用效应

在后顶叶皮质中,右前叶(BA 7)(8,-58,53)中的簇显示出显着的年龄相互作用(F(12,384)= 3.093, P 0.024估计时间点内的= 13)。 正如该地区的时间课程所证明的那样(图。 5),与成人相比,青少年对两种激励试验类型都有更大的诱发活动。 通过TRs 3-6,该地区仍然存在按时间相互作用的重要激励条件(F(3,96)= 4.143, P 0.008)。

表5 提供在先验解剖区域中观察到的所有功能簇的峰值体素的位置,证明在响应准备时期期间跨时间的显着调制。

表5 

在响应准备期间观察到的区域在解剖学ROI中表现出主要时间效应(仅正确的试验)

Epoch 3:Saccade Response

奖励相关区域

在扫视反应时期,左侧OFC(-25,44,-4)显示出一个时间相互作用(F(3,96)= 4.44, P = 0.006)(图。 6, 剩下)。 该区域在中性试验期间主要表现为青少年活动增加。 在扫视反应时期,VS中未观察到显着的激活。

动眼神经和抑制控制区

右前扣带,BA 24,(2,23,26)通过时间相互作用表现出激励(F(3,96)= 3.99, P = 0.010)(表6)。 与上述OFC群组一样,该地区的时间课程在中立性试验期间主要表现为青少年活动增加。 左前扣带回的区域,BA 24,32,( - 1,11和35)通过时间相互作用激励显示出显着的年龄(F(12,384)= 2.860, P 整个估计响应中的= 0.037)。 左前扣带的时间过程(图。 6,左下方)显示在奖励试验期间成人的初始峰值和在中性试验期间青少年的类似反应。 在奖励试验期间,青少年表现出更大的负面反应。 跨越TRs 3-6,一个重要的年龄组按时间互动(F(3,96)= 4.474, P = 0.006)留在该地区。

在扫视反应时期,两个年龄组的先验动眼控制区其他地方都观察到广泛的活动,包括sPCS,后顶叶皮层和壳核(表7)没有表现出年龄或激励的显着相互作用(图。 6, 对)。

表7 

在扫视反应期间观察到的区域在解剖学ROI中表现出主要时间效应(仅正确的试验)
表6 

在扫视反应期间观察到的区域(仅正确的试验)显示出显着的相互作用效应

讨论

我们使用快速,事件相关的fMRI来检查奖励系统激活的发育差异,以及奖励意外事件对动眼抑制控制的影响,因为健康的青少年和成年人进行了货币激励介导的AS任务。 虽然相对于中性试验,两个年龄组的行为表现都有所改善,但在奖励处理的不同时期或阶段,BOLD反应的模式存在一些差异。 最值得注意的是,与成人相比,青少年在激励线索期间在VS中表现出减弱的反应,随后在奖励试验的反应准备(奖励预期)期间VS和sPCS中的反应增强。 在响应准备期间这种增加的活动可能有助于青少年正确响应率的显着改善,这将在下面更详细地讨论。

AS行为奖励应急效应的发展差异

与中性病症相比,具有奖励意外事件的试验与正确抑制(青少年)和更快响应(青少年和成人)的能力提高有关。 这些结果与先前的行为工作一致,显示在奖励AS任务期间成人和青少年的错误率与奖励应急率降低(杜卡和Lupp 1997; Jazbec等人。 2005, 2006; 哈丁等人。 2007并且建议支持抑制控制的奖励调节的电路的基本组件在青春期在线。 我们的研究结果还表明,青少年可能对抑制控制的奖励调节特别敏感,因为青少年而非成人显示出正确反应率的显着改善。 然而,鉴于没有观察到通过激励型相互作用的重要年龄组,青少年表现对奖励更敏感,我们无法单独根据眼睛数据确信。 情况可能是成年人在中立性试验中已经完成了高水平的任务,并且奖励试验可能没有那么大的改进空间(即天花板效应)。 未来的工作可以通过增加奖励AS任务的难度来进一步探索对奖励敏感度的差异(例如,通过缩短准备期的持续时间)。 此外,尽管青少年在中性试验中表现较差可能归因于抑制控制的相对不成熟,但青少年也未发现中性试验与成人一样“有益”。 换句话说,无论激励类型如何,成年人可能更有动力表现良好,而青少年可能只关注奖励受到威胁的试验。 未来的工作比较青少年和成人的行为对中性线索的试验以及奖励和损失/惩罚线索的参数变化幅度需要提供更多的洞察这个问题。

与中性试验相比,青少年和成人在奖励方面产生更快的正确AS(较低的潜伏期),反映了潜在的金钱奖励对内生驱动的扫视的动机效应(Roesch和Olson 2004; Hikosaka等。 2006)。 此处报告的潜伏期数据与先前的非人灵长类动物研究一致,表明奖励(与未报废的)位置的扫视具有减少的潜伏期,这是眼球运动反应前基底神经节中对侧神经元活动水平升高的结果(Hikosaka等。 2006)。 此外,在青少年的奖励与中性试验中,AS错误的延迟也更快,但在成人组中没有差异。 观察到青少年在奖励与中性错误试验期间有更快的延迟进一步暗示青少年可能对奖励突发事件更敏感; 这种对奖励的高反应性可能有助于提高青春期的冲动性。

总之,行为结果表明,奖励激励改善了整体抑制控制(即正确的反应率)并减少了青少年和成人的扫视反应时间。

奖励对青少年与成人脑反应的应变影响

尽管青少年在整个任务中招募了与成人大致相似的神经网络,包括VS,sPCS,IPL和中额叶回,但在任务的不同时期,激活存在明显的发育差异。 观察到年龄组差异的两种主要模式:1)区域,其中青少年表现出与成人不同的奖励试验招募,表明奖励处理和2区域的不成熟,其中青少年在激励中表现出更多的招募,支持先前的抑制性控制中的不成熟的发现。 以下各节将更详细地讨论这些差异:

值得注意的是,在整个试验期间,我们观察到sPCS中与前额沟连接处附近的双侧激活簇,该区域反复被认为是猴FEF的人类同源物(Luna等。 2001; 柯蒂斯和康诺利2008)。 来自非人灵长类动物的单个单位记录证明FEF神经元在AS试验的响应准备期间是活跃的并且在产生扫视时增加(布鲁斯和戈德堡1985; Hanes和Schall 1996; Munoz和Everling 2004)。 鉴于在本研究中发现的sPCS附近的激活簇在准备期间确实是活跃的并且在扫视反应期间再次活跃(参见 补充数字并且在我们实验室以前的研究中,报告的星团在空间上靠近使用类似动眼神经范例(AS,视觉引导和记忆引导的扫视任务)确定的星团(Luna等。 1998, 2001; Geier等。 2007, 2009) 和别的 (Paus 1996; Sweeney等人。 1996; 布朗等人。 2004; 柯蒂斯和康诺利2008),我们谨慎地得出结论,报告的与上额沟(BA 6)交界处附近的sPCS活化簇可能是猴FEF的人类同源物。

同样,沿着paraCS(BA 6)背部附近的背内侧壁的激活已经可靠地与眼球运动相关联(Grosbras等。 1999)经常被称为补充眼球(SEF)(Luna等。 2001; 布朗等人。 2004)。 皮质直接延伸到从前连合处延伸的垂直线,与推定的SEF相邻,通常被称为预先补充运动区(Luna等。 2001; 柯蒂斯和埃斯波西托2003)。 在其余部分中,我们通过其推定的功能名称来指代这些区域,作为便于比较我们的结果,现存的神经影像学文献和丰富的非人灵长类动物动眼和奖励文献的手段。

奖励 - 线索评估的发展差异

在提出激励线索(美元钞票或英镑符号)时,最初评估激励线索的效价时(即当受试者确定即将进行的试验是否为奖励“获得”或中立时“否”)获得“试验”,成人和青少年在VS中表现出不同的反应。 在预期的奖励处理过程中,VS一直与功能成像研究有关,包括初始奖励检测,预测和预期(Knutson和Cooper 2005)。 青少年表现出最初的负面反应,奖励和中立试验几乎相同(图。 4)表示没有差异处理提示的化合价。 相比之下,成年人在奖励线索期间显示右侧VS的活动,显示出与中性线索的某些区别,表明正在评估奖励线索。 此外,在成人的奖励和中性试验的估计响应结束附近观察到后来的峰值,但在青少年中没有观察到。

在成人和青少年VS中观察到的BOLD信号变化可能与DA信号传导的动态相关(Knutson和Gibbs 2007)。 非人灵长类动物研究表明,DA神经元起源于中脑并突出地投射到背侧和腹侧纹状体和PFC,对奖励和奖励预测刺激进行阶段性反应(Schultz 1998并且,因此,在本研究中对激励线索的呈现可能是积极的。 此外,一些DA神经元已被证明具有阶段性激活,随后是针对新型或强烈刺激的抑郁症(舒尔茨等人。 1993; Schultz 2002)。 因此,在青少年中观察到的减弱的反应谱可以反映出激励线索最初对于青少年来说更具动机性或显着性。 在成人中,虽然导致后期发生的峰值的潜在神经元机制尚不清楚且必须谨慎解释,但一个可能的促成因素可能是DA神经元的缓慢,强直发作,这可能发生在扩展的时间尺度上(Schultz 2002; Knutson和Gibbs 2007)。 这种机制可能有助于在长时间内维持激励处理,但在青春期可能尚未成熟。 可以想象,成人和青少年的这些不同反应模式可能与年龄不同的DA受体亚型的密度和分布模式的变化有关(Seeman等人。 1987; 孟等人。 1999; Spear 2000).

在成人奖励和青少年奖励中,针对激励线索招募了动眼神经和控制区域(图。 4)。 然而,在中性试验期间,这些地区的青少年反应明显减弱,尽管他们做出了正确的抑制反应(回想一下,只有正确的试验包括在时程分析中)。 鉴于青少年在中立性试验期间产生了更多错误,并且在正确的中性试验期间起始时间较慢,这些结果表明,如果没有激励青少年,则表明已经支持AS表现的区域的招募减少(Everling等。 1997; 康诺利等人。 2002; 柯蒂斯和埃斯波西托2003)。 在前额区域的奖励试验期间活动增加,包括假定的FEF,已知支持动眼反应计划(柯蒂斯和埃斯波西托2003),表明这些额叶区域可能在青少年中介导快速,正确的抑制反应。 此外,成人对奖励线索的反应,特别是左侧IPL和右侧iPCS,相对于成人中性反应和青少年活动暂时延长。 这些区域中的每一个先前都涉及动眼神经和/或注意力控制的各个方面(Gitelman等。 1999; Cabeza和Nyberg 2000; Luna等。 2001; 布朗等人。 2004),特别是在应对准备中(康诺利等人。 2002; 柯蒂斯和康诺利2008)。 奖励线索期间这些区域的参与度增加可能反映出两个年龄组的潜在收益更为突出,不出所料,这可能有助于他们更快的反应延迟和更高的正确回应率。 青少年相对于成年人的注意力和表现可能会产生更大的相对影响,因为青少年在中性试验期间在这些地区表现出较弱的早期反应,但在奖励试验期间参与增加。 青少年仍然不像成年人那样执行AS任务(菲舍尔等人。 1997; Munoz等人。 1998; Klein和Foerster 2001)表明他们更难以自愿抑制反应。 由于认知控制存在较大困难,青少年可能依靠前额执行系统以类似的方式支持改善表现,而成年人在认知负荷增加时表现出对前额系统的依赖性增加(凯勒等人。 2001).

奖励预期/反应准备的发展差异

在响应准备/奖励预期时期(红色固定交叉)期间,当受试者可能预期响应奖励或无收益(中性)时,我们发现青少年,但不是成年人,在奖励试验期间在VS中表现出强劲的活动(图。 5 左上方)。 该结果表明,与成人相比,在预期青少年奖励期间过度活跃。 我们的结果显示在响应准备期间相对过度活跃的VS功能但在激励线索的初始呈现期间较早的不足(负向)功能可能与奖励文献中关于青少年奖励系统的超低功能性的持续问题有关。 (Spear 2000; 钱伯斯等人。 2003; 恩斯特等人。 2006)。 例如, Bjork等。 (2004) 发现青少年在受试者期待回应奖励的时期相对于成年人未激活VS,支持低功能假设。 相反, 恩斯特等人。 (2005)Galvan等。 (2006) (例如,当奖励幅度很高时),表明青少年“过度”激活该区域以响应获得奖励,支持超级功能。 我们的数据表明,青少年VS可以显示“两者”:响应激励线索的活动的初始下降,可以被解释为相对不活跃,随后是对奖励预期的明显过度反应。 这里报告的结果告诉我们文献中看似矛盾的结果,并指出在预期奖励处理的时间上不同阶段可能存在不同的发展轨迹。

虽然在青春期VS中观察到的活动模式的潜在机制不能直接从该研究中确定,但是DA信号增强是潜在的促成因素。 来自啮齿动物和灵长类动物模型的汇总证据表明青春期DA水平整体上升(Seeman等人。 1987; Kalsbeek等。 1988; 罗森伯格和刘易斯1994, 1995; 孟等人。 1999; 评论见 Spear 2000),与DA受体亚型的不同星座相结合(Seeman等人。 1987; 孟等人。 1999; Spear 2000)和纹状体中突触的可能总体丰度(Sowell等人。 1999),可能有助于2提高奖励反应的不同形式,响应激励线索的负面活动(反映奖励显着性突出)和反应准备期间的积极反应(反映出对获得奖励的高度期望)(Cooper)和Knutson 2008)。

在中立和奖励试验的预备期间,青少年也表现出与成人相比,假定FEF的招募增加。 这表明,无论奖励激励如何,青少年最初招募的FEF比成人更能准备好进行正确的抑制反应。 重要的是,在假定的FEF以及MFG /前扣带回的试验期间,青少年也表现出暂时延长的反应(图。 5)。 非人灵长类动物研究表明,FEF“固定”神经元中活动水平的预备性积累有助于成功抑制AS任务中对外周靶标的扫视,可能通过调节产生运动神经元的运动神经元(Schall等人。 2002; Munoz和Everling 2004)。 已经证明前扣带回的神经元携带多个信号,包括与预期和输送强化有关的信号(Schall等人。 2002)。 我们假设我们在推定的FEF中观察到的激活增加可能反映了固定相关神经元活动的增加,然后通过增强反应准备来促进青少年表现(正确反应率)的改善。 此外,在奖励试验期间,VS和前扣带回的预期信号增强可能有助于增强假定FEF中的信号,这反过来可以对尾状核和上丘的扫视相关神经元产生更大的自上而下的影响(丁和Hikosaka 2006; Hikosaka等。 2006)。 未来的单一单元研究将需要研究这些提议的机制。

在任何情况下,此处提供的数据进一步表明,奖励 - 线索识别和预期的神经机制广泛分布(例如,扣带,FEF和基底神经节)(O'Doherty等。 2004)并且在青春期不成熟。 人们普遍认为,在青春期,奖励和认知控制相关的大脑区域之间存在规范性的不平衡,这可能会暴露风险的脆弱性(Steinberg 2004; 恩斯特等人。 2006; Galvan等。 2006; 凯西等人。 2008)。 可能是成熟的奖励驱动的行为控制,以及一致的,成人般的自适应决策的出现,依赖于包括PFC在内的多个大脑区域的功能整合(Luna等。 2004).

回应/奖励“反馈”的发展差异

在扫视响应期间,招募的大多数地区没有通过时间互动显示出重要的群体或激励(表7; 图。 6, 对)。 然而,青少年在中性试验期间强烈招募左侧OFC区域,而成人并未明显参与(图。 6, 左上方)。 OFC涉及奖励处理的许多方面(Kringelbach和Rolls 2004),包括奖励反馈期间奖励效价和幅度的编码表示(德尔加多等人。 2000, 2003)。 特别是侧向OFC与惩罚/消极结果有关(O'Doherty等。 2001)。 虽然受试者没有根据他们的表现给出明确的反馈意见,但他们确实证明了在犯错误时内在反馈的证据。 也就是说,受试者可靠地遵循不正确的AS,并在适当的位置进行矫正扫视,表明他们知道他们犯了错误(Velanova等。 2008)。 青少年也主要在双侧背前扣带的中性试验中表现出差异反应(图。 6,中间和左下)。 前背扣带回的一个建议作用是监测行为结果(Ridderinkhof,Ullsperger,et al。 2004)。 对于青少年来说,正确进行的中立性试验的实际结果,即金钱既不赚钱也不丢失,比奖励试验结果更加模糊,可能是消极的,并且通过激活OFC和背侧前扣带来发出信号。 未来的工作重点是在奖励或有行为期间通过明确的错误反馈引起的激活可能有助于澄清在该任务中的扫视反应期间OFC和背前扣带的作用。

结论

目前的研究结果表明,奖励意外事件有助于改善青少年和成年人的反应抑制,正确反应的发生率增加和正确AS的潜伏期减少。 我们提供了初步的fMRI证据,证明在响应准备时期的青少年VS和推定的FEF的奖励试验期间活动增加可能支持观察到的AS行为增强。 此外,我们还在一个实验中证明,青少年在奖励线索评估期间可能在VS中显示负面反应,然后在反应准备期间与成人相比过度激活VS,这表明青少年奖励系统的关键节点中存在持续的不成熟被解释为既反映了低收入和过度活跃的奖励制度。 综合考虑,这些结果对当前青少年冒险的理论模型具有重要意义。 例如,最近提出的三元模型(恩斯特等人。 2006)假设在青春期期间,在过度活跃的奖励驱动系统(例如,VS介导的)和有限的伤害 - 避免(例如,扁桃体介导的)和监管/执行控制(例如,PFC介导的)电路之间发生规范性失衡。 在这个模型中,青少年被假设参与冒险,因为奖励超敏反应和控制其对行为影响的有限过程相结合。 我们的研究结果表明,奖励可以“增强”抑制控制系统,特别是在青春期,因此似乎与三元模型不一致。 然而,可能在青春期,导致立即奖励的行为会以牺牲长期回报为代价而得到加强。 在该对照实验的背景下,抑制扫视导致目标获取(即,金钱奖励),因此VS和推定的FEF中增强的活动是适应性的。 在非实验室环境中,当在2替代方案之间做出决定时(例如,快速驾驶以减轻驾驶速度与驾驶速度较慢以避免事故),奖励系统功能中的不成熟可能会使抑制控制/决策偏向于导致近端奖励的行为(例如,快速驾驶)并暴露出负面结果的脆弱性(斯坦伯格等人。 2009).

总之,我们的结果证明了在奖励AS任务的不同试验组件期间奖励和抑制控制电路的关键节​​点中大脑激活的发育差异。 我们的研究结果表明,目标导向行为和决策,奖励和认知控制系统的关键决定因素尚未达到青春期的成熟功能水平,可能导致该年龄组的风险承担的出现。

补充材料

补充材料 可以在以下位置找到: http://www.cercor.oxfordjournals.org/.

资金

美国国立卫生研究院(RO1 MH067924,RO1 MH080243 to BL)。

补充材料

[补充资料] 

致谢

利益冲突:没有宣布。

參考資料

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