Орбитофронтальная кора головного мозга

Введение

Область префронтальной коры головного мозга.

Орбитофронтальная кора (ОФК) – это область префронтальной коры в лобных долях головного мозга, участвующая в когнитивном процессе принятия решений. У нечеловеческих приматов она состоит из ассоциативных областей коры мозга, областей Бродмана 11, 12 и 13; у человека – из областей Бродмана 10, 11 и 47. ОФК функционально связана с вентромедиальной префронтальной корой. Таким образом, эта область отличается благодаря своим уникальным нейронным связям и выполняемым функциям. Она определяется как часть префронтальной коры, получающая проекции от медиального дорсального ядра таламуса и, как считается, представляющая эмоции, вкус, запах и вознаграждение в процессе принятия решений. Свое название она получила из-за своего расположения непосредственно над глазницами. У человека в ОФК обнаружена значительная индивидуальная вариабельность. Аналогичная область найдена у грызунов.

Структура

ОФК разделен на несколько обширных областей, различающихся по цитоархитектонике, включая область Бродмана 47/12, область Бродмана 11, область Бродмана 14, область Бродмана 13 и область Бродмана 10. Четыре извилины разделены комплексом борозд, который чаще всего имеет вид буквы "H" или "K". В рострокаудальном направлении две бороздки – латеральная и орбитальная – обычно соединены поперечной орбитальной бороздкой, которая простирается в медиолатеральном направлении. Наиболее медиально медиальная орбитальная извилина отделена от прямой извилины обонятельной бороздкой. В передней части прямая извилина и медиальная часть медиальной орбитальной извилины состоят из области 11(m), а в задней – из области 14. Задняя орбитальная извилина состоит в основном из области 13 и ограничена медиально и латерально передними ветвями медиальной и латеральной орбитальных борозд. Область 11 занимает большую часть ОФК, включая как латеральные части медиальной орбитальной извилины, так и переднюю орбитальную извилину. Латеральная орбитальная извилина состоит в основном из области 47/12. Эти каудальные области, которые иногда включают части островковой коры, преимущественно реагируют на необработанные сенсорные стимулы.

Связи

Соединения ОФК несколько варьируются вдоль рострально-каудальной оси. Каудальный ОФК более плотно связан с сенсорными областями, в частности, получая прямой вход из пириформной коры. Каудальный ОФК также наиболее плотно связан с миндалевидным телом. Рострально ОФК получает меньше прямых сенсорных проекций и менее связан с миндалевидным телом, но он связан с латеральной префронтальной корой и парагиппокампом. Медиальные и орбитальные сети иногда называют "висцеромоторной сетью" и "сенсорной сетью" соответственно.

Заявители

OFC получает проекции из различных сенсорных модальностей. Первичная обонятельная кора, вкусовая кора, вторичная соматосенсорная кора, верхняя и нижняя височные извилины (передающие зрительную информацию) – все они проецируются в OFC. Доказательства наличия слуховых входов немногочисленны, хотя некоторые нейроны реагируют на звуковые стимулы, что может указывать на существование косвенной проекции.

Эфференты

Орбитофронтальная кора взаимно связана с периринной и энторинальной корами. Входы OFC в миндалину синаптически связаны с множеством структур, включая два мощных пути к базалатеральной миндалине и интеркалированным клеткам миндалины, а также более слабый прямой путь к центральному ядру миндалины. Она отвечает за гибкое кодирование зависимостей, кодирование ценности, кодирование предполагаемой ценности, подавление реакций, обучение изменениям в зависимостях, эмоциональную оценку, изменение поведения посредством соматических маркеров, управление социальным поведением и представление пространств состояний. Хотя большинство этих теорий объясняют определенные аспекты электрофизиологических наблюдений и изменений в поведении, связанных с поражениями, они часто не могут объяснить или противоречат другим результатам. Одно из предложений, объясняющее разнообразие функций OFC, заключается в том, что OFC кодирует пространства состояний, то есть дискретную конфигурацию внутренних и внешних характеристик, связанных с ситуацией и ее зависимостями. Например, предположение о том, что OFC кодирует экономическую ценность, может быть отражением кодирования ценности состояния задачи в OFC. Оптогенетическая активация lOFC усиливает целенаправленное поведение по сравнению с привычным, возможно, отражая повышенную чувствительность к потенциальным вариантам выбора и, следовательно, повышенную переключаемость. mOFC, с другой стороны, предположительно отражает относительную субъективную ценность. Также было предложено, что lOFC кодирует ассоциации стимул-результат, которые затем сравниваются по ценности в mOFC. Метаанализ исследований нейровизуализации у людей показывает наличие медиолатерального градиента валентности, при котором медиальный OFC чаще всего реагирует на вознаграждение, а латеральный OFC – на наказание. Также был обнаружен градиент абстрактности от задней к передней части: задний OFC реагирует на более простые вознаграждения, а передний OFC – на более абстрактные. Аналогичные результаты были получены в метаанализе исследований первичных и вторичных вознаграждений. OFC и базалатеральная миндалина (BLA) тесно взаимосвязаны, и эта связь необходима для задач девальвации. Повреждение BLA или OFC до девальвации, но только OFC после девальвации, ухудшает производительность. В то время как BLA реагирует только на сигналы, предсказывающие значимые результаты в соответствии с их ценностью, OFC реагирует как на ценность, так и на специфические сенсорные атрибуты ассоциаций сигнал-результат. Нейроны OFC, которые на ранних этапах обучения реагируют на получение результата, обычно переносят свой ответ на появление сигналов, предсказывающих этот результат, однако повреждение BLA нарушает эту форму обучения. Задняя орбитофронтальная кора (pOFC) связана с миндалиной через несколько путей, способных как усиливать, так и подавлять активность автономной нервной системы. Предварительные данные свидетельствуют о том, что нейромодулятор дофамин играет роль в поддержании баланса между ингибирующими и возбуждающими путями, при этом высокое дофаминовое состояние стимулирует автономную активность. Предполагается, что медиальный OFC участвует в формировании ассоциаций стимул-вознаграждение и подкреплении поведения, в то время как латеральный OFC участвует в ассоциациях стимул-результат и оценке, а возможно, и в изменении поведения. Активность в латеральном OFC наблюдается, например, когда испытуемые формируют новые ожидания относительно наказания и социального порицания. Средне-передний OFC последовательно отслеживает субъективное удовольствие в исследованиях нейровизуализации. В передней части OFC обнаружена гедоническая «горячая точка», способная усиливать реакцию на сахарозу. OFC также способен смещать аффективные реакции, вызванные антагонизмом α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (AMPA) в прилежащем ядре, в сторону аппетитных реакций. OFC способен модулировать агрессивное поведение посредством проекций на интернейроны в миндалине, которые ингибируют глутаматергические проекции в вентромедиальный гипоталамус.

The orbitofrontal cortex is reciprocally connected with the perirhinal and entorhinal cortices, OFC inputs to the amygdala synapse on multiple targets, including two robust pathways to the basolateral amygdala and intercalated cells of the amygdala, as well as a weaker direct projection to the central nucleus of the amygdala. encoding contingencies in a flexible manner, encoding value, encoding inferred value, inhibiting responses, learning changes in contingency, emotional appraisal, altering behavior through somatic markers, driving social behavior, and representing state spaces. While most of these theories explain certain aspects of electrophysiological observations and lesion related changes in behavior, they often fail to explain, or are contradicted by other findings. One proposal that explains the variety of OFC functions is that the OFC encodes state spaces, or the discrete configuration of internal and external characteristics associated with a situation and its contingencies For example, the proposal that the OFC encodes economic value may be a reflection of the OFC encoding task state value. Optogenetic activation of the lOFC enhances goal directed over habitual behavior, possibly reflecting increased sensitivity to potential choices and therefore increased switching. The mOFC, on the other hand, has been proposed to reflect relative subjective value. The lOFC has also been proposed to encode stimulus outcome associations, which are then compared by value in the mOFC. Meta analysis of neuroimaging studies in humans reveals that a medial lateral valence gradient exists, with the medial OFC responding most often to reward, and the lateral OFC responding most often to punishment. A posterior anterior abstractness gradient was also found, with the posterior OFC responding to more simple reward, and the anterior OFC responding more to abstract rewards. Similar results were reported in a meta analysis of studies on primary versus secondary rewards. The OFC and basolateral amygdala (BLA) are highly interconnected, and their connectivity is necessary for devaluation tasks. Damage to either the BLA or the OFC before, but only the OFC after devaluation impairs performance. While the BLA only responds to cues predicting salient outcomes in a graded fashion in accordance with value, the OFC responds to both value and the specific sensory attributes of cue outcome associations. While OFC neurons that, early in learning, respond to outcome receipt normally transfer their response to the onset of cues that predict the outcome, damage to the BLA impairs this form of learning. The posterior orbitofrontal cortex (pOFC) is connected to the amygdala via multiple paths, that are capable of both upregulating and downregulating autonomic nervous system activity. Tentative evidence suggests that the neuromodulator dopamine plays a role in mediating the balance between the inhibitory and excitatory pathways, with a high dopamine state driving autonomic activity. It has been suggested that the medial OFC is involved in making stimulus reward associations and with the reinforcement of behavior, while the lateral OFC is involved in stimulus outcome associations and the evaluation and possibly reversal of behavior. Activity in the lateral OFC is found, for example, when subjects encode new expectations about punishment and social reprisal. The mid anterior OFC has been found to consistently track subjective pleasure in neuroimaging studies. A hedonic hotspot has been discovered in the anterior OFC, which is capable of enhancing liking response to sucrose. The OFC is also capable of biasing the affective responses induced by α amino 3 hydroxy 5 methyl 4 isoxazolepropionic acid (AMPA) antagonism in the nucleus accumbens towards appetitive responses. The OFC is capable of modulating aggressive behavior via projections to interneurons in the amygdala that inhibit glutaminergic projections to the ventromedial hypothalamus.

Электрофизиология

Нейроны в ОФК реагируют как на первичные подкрепления, так и на сигналы, предсказывающие вознаграждение в различных сенсорных модальностях. Данные о реакции на зрительные, вкусовые, соматосенсорные и обонятельные стимулы достаточно убедительны, однако данные о слуховых реакциях менее выражены. У части нейронов ОФК нейронные реакции на вознаграждение или сигналы о вознаграждении модулируются индивидуальными предпочтениями и внутренними мотивационными состояниями, такими как голод. Определенная доля нейронов, реагирующих на сенсорные сигналы, предсказывающие вознаграждение, селективна к вознаграждению и демонстрирует изменение поведения при изменении связи между сигналом и результатом. Нейроны в ОФК также реагируют на отсутствие ожидаемого вознаграждения и на наказание. Другая популяция нейронов реагирует на новые стимулы и способна "запоминать" знакомые стимулы в течение суток. В ходе выполнения задач с сигнальным вознаграждением или инструментальным вознаграждением нейроны в ОФК проявляют три основных паттерна активности: активация в ответ на сигналы, активация перед получением вознаграждения и активация в ответ на получение вознаграждения. В отличие от медиальной префронтальной коры и стриатума, нейроны ОФК не демонстрируют активности, связанной с движением. Тем не менее, их реакции, предсказывающие вознаграждение, формируются вниманием: при переключении внимания между двумя альтернативами одна и та же популяция нейронов ОФК положительно кодирует ценность текущего стимула, а отрицательно – ценность игнорируемого стимула. Кодирование величины вознаграждения также является гибким и учитывает относительную ценность доступных вознаграждений.

Люди

Человеческий OFC – одна из наименее изученных областей человеческого мозга. Предполагается, что OFC участвует в сенсорной интеграции, в представлении эмоциональной значимости подкреплений, а также в принятии решений и формировании ожиданий. В процессе этого мозг способен сопоставлять ожидаемое вознаграждение или наказание с фактическим получением вознаграждения или наказания, что делает OFC критически важным для адаптивного обучения. Это подтверждается исследованиями на людях, приматах и грызунах.

Психиатрические расстройства

Орбитофронтальная кора вовлечена в пограничное расстройство личности, шизофрению, большое депрессивное расстройство, биполярное расстройство, обсессивно-компульсивное расстройство, зависимость, посттравматическое стрессовое расстройство, аутизм и паническое расстройство. Несмотря на то, что нейровизуализационные исследования предоставили доказательства дисфункции при широком спектре психических расстройств, загадочная природа роли орбитофронтальной коры в поведении затрудняет понимание ее участия в патофизиологии психических заболеваний. Функции орбитофронтальной коры до конца не изучены, однако ее анатомические связи с вентральной стриатумой, миндалевидным телом, гипоталамусом, гиппокампом и серой зоной вокруг водопровода поддерживают ее роль в опосредовании поведения, связанного с вознаграждением и страхом.

Обсессивно-компульсивное расстройство

Мета-анализы нейровизуализационных исследований при ОКР указывают на гиперактивность в областях, обычно рассматриваемых как часть орбитофронтального сегмента кортико-базально-ганглионарно-таламо-кортикальной петли, таких как хвостатое ядро, таламус и орбитофронтальная кора. Предполагается, что ОКР отражает петлю положительной обратной связи, возникающую из-за взаимного возбуждения ОФК и подкорковых структур. В то время как ОФК обычно проявляет повышенную активность при выполнении задач, провоцирующих симптомы, когнитивные задачи обычно вызывают гипоактивность ОФК; это может отражать различие между эмоциональными и неэмоциональными задачами, латеральной и медиальной ОФК, или же просто несогласованность методологий.

Зависимость

Животные модели и клеточные манипуляции, направленные на изучение поведения, связанного с поиском наркотических веществ, указывают на дисфункцию орбитофронтальной коры (ОФК) при аддикции. Расстройства, связанные с употреблением психоактивных веществ, сопряжены с различными дефицитами, влияющими на гибкое, целенаправленное поведение и процесс принятия решений. Эти дефициты пересекаются с симптомами, наблюдаемыми при поражениях ОФК, и также связаны со снижением объема серого вещества орбитофронтальной коры, гипометаболизмом в состоянии покоя и снижением активности ОФК при выполнении задач, требующих принятия решений или целенаправленного поведения. В отличие от активности в состоянии покоя и активности, связанной с принятием решений, стимулы, ассоциирующиеся с наркотиками, вызывают выраженную активность ОФК, которая коррелирует с тягой к ним. Исследования на грызунах также демонстрируют, что проекции лордолатеральной ОФК (lOFC) в базалатеральный миндалевидный комплекс (BLA) необходимы для восстановления самовведения, индуцированного стимулом. Все эти данные подтверждают роль ОФК в кодировании результатов, связанных с определенными стимулами. Прогрессирование к компульсивному злоупотреблению психоактивными веществами может отражать переход от принятия решений, основанного на моделях, где внутренняя модель будущих исходов направляет выбор, к обучению без моделей, где решения базируются на истории подкрепления. Обучение, основанное на моделях, включает ОФК и является гибким и целенаправленным, в то время как обучение без моделей более ригидно; переход к более свободному поведению из-за дисфункции ОФК, подобной той, что вызвана злоупотребляемыми веществами, может лежать в основе формирования привычек, связанных с поиском наркотиков.

Расстройства поведения

Расстройство поведения связано как со структурными аномалиями, так и с функциональными аномалиями при выполнении аффективных задач. Аномалии в структуре, активности и функциональной связности орбитофронтальной коры (OFC) наблюдались в связи с агрессией.

Эмоциональные расстройства

Нейроизобразительные исследования выявили аномалии в орбитофронтальной коре (ОФК) при большом депрессивном расстройстве и биполярном расстройстве. В соответствии с медиально-вознаграждающим и латерально-наказывающим градиентом, обнаруженным в нейроизобразительных исследованиях, некоторые из них отметили повышенную активность латеральной ОФК при депрессии, а также снижение взаимосвязанности медиальной ОФК и усиление взаимосвязанности латеральной ОФК. Гипоактивность латеральной ОФК часто наблюдается при биполярном расстройстве, особенно во время маниакальных эпизодов.

Грызуны

У грызунов префронтальная кора (ОФК) полностью лишена гранулярности или имеет выраженную дисгранулярность, а также играет роль в способности использовать латентные переменные при выполнении задач, связанных с принятием решений.

Ущерб

Уничтожение орбитофронтальной коры (ОФК) в результате приобретенной травмы мозга обычно приводит к паттерну дезингибированного поведения. Примерами могут служить чрезмерное использование ненормативной лексики, гиперсексуальность, нарушения в социальном взаимодействии, компульсивный азарт, употребление наркотических веществ (включая алкоголь и табак) и сниженная способность к эмпатии. Считается, что дезингибированное поведение у пациентов с некоторыми формами лобно-височной деменции вызвано дегенерацией ОФК.

Разрушение

Когда связи ОФК нарушаются, могут возникнуть различные когнитивные, поведенческие и эмоциональные последствия. Исследования подтверждают, что основные расстройства, связанные с дезрегуляцией связности/цепей ОФК, сосредоточены вокруг процессов принятия решений, регуляции эмоций, импульсивного контроля и ожидания вознаграждения. Недавнее мультимодальное нейровизуализационное исследование показало, что нарушение структурной и функциональной связности ОФК с подкорковыми лимбическими структурами (например, миндалевидным телом или гиппокампом) и другими областями лобной доли (например, дорсолатеральной префронтальной корой или передней поясной корой) коррелирует с аномальной обработкой аффекта ОФК (например, страха) у клинически тревожных взрослых. Очевидным следствием проблем с принятием решений является наркотическая зависимость/зависимость от психоактивных веществ, которая может возникать из-за нарушения связности стриато-таламо-орбитофронтальной цепи. Синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) также связан с дисфункцией нейронных цепей вознаграждения, контролирующих мотивацию, вознаграждение и импульсивность, включая системы ОФК. Некоторые формы деменции также связаны с нарушениями связности ОФК. Поведенческий вариант лобно-височной деменции связан с нейронной атрофией волокон проекции белого и серого вещества, участвующих в связности ОФК. Наконец, некоторые исследования предполагают, что на поздних стадиях болезни Альцгеймера может наблюдаться изменение связности систем ОФК.

Тест на визуальную дискриминацию

Тест визуальной дискриминации состоит из двух компонентов. В первом компоненте, "обратное обучение", участникам предъявляют одну из двух картинок, А и В. Они учатся получать вознаграждение за нажатие кнопки при появлении картинки А и подвергаются наказанию за нажатие кнопки при появлении картинки Б. Как только это правило усвоено, оно меняется на противоположное. То есть, теперь правильно нажимать кнопку при картинке B, а не при картинке A. Большинство здоровых участников быстро улавливают эту смену правила, однако пациенты с повреждением ОФК продолжают реагировать в соответствии с изначальной схемой подкрепления, несмотря на то, что теперь за это наказываются. Роллс и др. отметили, что эта модель поведения особенно необычна, учитывая, что пациенты утверждали, что понимают правило. Второй компонент теста – "угасание". Снова участники учатся нажимать кнопку при картинке А, но не при картинке Б. Однако на этот раз, вместо смены правила, правило полностью отменяется. Теперь участник будет наказан за нажатие кнопки в ответ на любую из картинок. Правильный ответ – вообще не нажимать кнопку, но людям с дисфункцией ОФК трудно удержаться от искушения нажать кнопку, несмотря на получаемое за это наказание.

Игорная задача Айовы

Симуляция реального процесса принятия решений, задача с азартными играми в Айове широко используется в исследованиях когнитивных и эмоциональных процессов. Участникам демонстрируются четыре виртуальные колоды карт на экране компьютера. Им сообщают, что каждый раз, выбирая карту, они могут выиграть некоторую сумму денег. Им говорят, что цель игры – выиграть как можно больше денег. Однако, время от времени, выбирая карту, они будут терять деньги. Задача задумана как непрозрачная, то есть участники не должны сознательно выводить правило, а должны выбирать карты, полагаясь на свою "интуицию". Две колоды являются "невыгодными", что означает, что со временем они принесут чистый убыток; другие две колоды – "выгодные" и со временем принесут чистый доход. Большинство здоровых участников пробуют карты из каждой колоды, и примерно после 40-50 выборов достаточно хорошо начинают отдавать предпочтение выгодным колодам. Однако пациенты с дисфункцией ОФК продолжают выбирать невыгодные колоды, иногда даже зная, что в целом теряют деньги. Одновременная регистрация гальванической реакции кожи показывает, что здоровые участники проявляют "реакцию стресса" при наведении курсора на невыгодные колоды уже после 10 попыток, задолго до того, как осознают, что эти колоды невыгодны. В отличие от этого, у пациентов с дисфункцией ОФК никогда не развивается такая физиологическая реакция на ожидаемое наказание. Бечара и его коллеги объясняют это с точки зрения гипотезы соматических маркеров. В настоящее время ряд исследовательских групп использует задачу с азартными играми в Айове в сочетании с фМРТ для изучения того, какие области мозга активируются при выполнении этой задачи у здоровых добровольцев, а также у клинических групп с такими состояниями, как шизофрения и обсессивно-компульсивное расстройство. Тест на социальную оплошность (faux pas) представляет собой серию виньеток, описывающих социальную ситуацию, в которой кто-то сказал что-то неуместное или произошел неловкий случай. Задача участника – определить, что именно было сказано неуместного, почему это было неуместно, как люди могли бы отреагировать на эту оплошность, а также ответить на контрольный вопрос, основанный на фактах. Хотя изначально тест был разработан для людей с расстройствами аутистического спектра, он также чувствителен к пациентам с дисфункцией ОФК, которые не могут определить, когда произошла социально неловкая ситуация, несмотря на то, что, кажется, прекрасно понимают суть истории.

A simulation of real life decision making, the Iowa gambling task is widely used in cognition and emotion research. Participants are presented with four virtual decks of cards on a computer screen. They are told that each time they choose a card they stand to win some game money. They are told that the aim of the game is to win as much money as possible. Every so often, however, when they choose a card they will lose some money. The task is meant to be opaque, that is, participants are not meant to consciously work out the rule, and they are supposed to choose cards based on their "gut reaction." Two of the decks are "bad decks", which means that, over a long enough time, they will make a net loss; the other two decks are "good decks" and will make a net gain over time. Most healthy participants sample cards from each deck, and after about 40 or 50 selections are fairly good at sticking to the good decks. Patients with OFC dysfunction, however, continue to perseverate with the bad decks, sometimes even though they know that they are losing money overall. Concurrent measurement of galvanic skin response shows that healthy participants show a "stress" reaction to hovering over the bad decks after only 10 trials, long before conscious sensation that the decks are bad. By contrast, patients with OFC dysfunction never develop this physiological reaction to impending punishment. Bechara and his colleagues explain this in terms of the somatic marker hypothesis. The Iowa gambling task is currently being used by a number of research groups using fMRI to investigate which brain regions are activated by the task in healthy volunteers as well as clinical groups with conditions such as schizophrenia and obsessive compulsive disorder. The faux pas test is a series of vignettes recounting a social occasion during which someone said something that should not have been said, or an awkward occurrence. The participant's task is to identify what was said that was awkward, why it was awkward, how people would have felt in reaction to the faux pas and to a factual control question. Although first designed for use in people on the autism spectrum, the test is also sensitive to patients with OFC dysfunction, who cannot judge when something socially awkward has happened despite appearing to understand the story perfectly well.