Орбитофронтальная кора ( ОФК ) — это префронтальная область коры в лобных долях мозга , которая участвует в когнитивном процессе принятия решений . У нечеловекообразных приматов она состоит из ассоциативных областей коры — полей Бродмана 11 , 12 и 13 ; у людей она состоит из полей Бродмана 10 , 11 и 47. [1]
OFC функционально связана с вентромедиальной префронтальной корой . [2] Таким образом, эта область отличается из-за различных нейронных связей и различных функций, которые она выполняет. [3] Она определяется как часть префронтальной коры, которая получает проекции от медиального дорсального ядра таламуса , и, как полагают, представляет эмоции , вкус, запах и вознаграждение при принятии решений. [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Она получила свое название из-за своего положения непосредственно над глазницами , в которых расположены глаза . Значительная индивидуальная изменчивость была обнаружена в OFC людей. [12] Связанная область обнаружена у грызунов . [13]
OFC делится на несколько широких областей, различающихся цитоархитектурой, включая область Бродмана 47/12 , область Бродмана 11 , область Бродмана 14 , область Бродмана 13 и область Бродмана 10. [ 14] Четыре извилины разделены комплексом борозд, который чаще всего напоминает узор «H» или «K». Простираясь вдоль ростро-каудальной оси, две борозды, латеральная и глазничная, обычно соединены поперечной глазничной бороздой, которая простирается вдоль медиально-латеральной оси. Наиболее медиально медиальная глазничная извилина отделена от прямой извилины обонятельной бороздой. [15] Спереди и прямая извилина, и медиальная часть медиальной глазничной извилины состоят из области 11(m), а сзади — из области 14. Задняя глазничная извилина состоит в основном из области 13 и ограничена медиально и латерально передними конечностями медиальной и латеральной глазничных борозд. Область 11 составляет большую часть OFC, включая как латеральные части медиальной глазничной извилины, так и переднюю глазничную извилину. Латеральная глазничная извилина состоит в основном из области 47/12. [14] Большая часть OFC является гранулярной , хотя каудальные части области 13 и области 14 являются агранулярными. [16] Эти каудальные области, которые иногда включают части островковой коры , реагируют в первую очередь на необработанные сенсорные сигналы. [17]
Связность OFC несколько варьируется вдоль рострально-каудальной оси. Каудальная OFC более тесно связана с сенсорными областями, в частности, получая прямой вход от пириформной коры . Каудальная OFC также наиболее тесно связана с миндалевидным телом . [18] Рострально OFC получает меньше прямых сенсорных проекций и менее связана с миндалевидным телом, но она взаимосвязана с латеральной префронтальной корой и парагиппокампом . [17] Связность OFC также была концептуализирована как состоящая из двух сетей: орбитальной сети, состоящей из большинства центральных частей OFC, включая большинство областей 47/12, 13 и 11; медиальной сети, состоящей из медиальной и каудолатеральной областей OFC, а также областей 24 , 25 и 32 медиальной префронтальной коры. [19] Медиальную и орбитальную сети иногда называют «висцеромоторной сетью» и «сенсорной сетью» соответственно. [20]
OFC получает проекции от нескольких сенсорных модальностей. Первичная обонятельная кора , вкусовая кора , вторичная соматосенсорная кора , верхняя и нижняя височные извилины (передача зрительной информации) — все они проецируются в OFC. [16] [21] [22] Доказательства слуховых входов слабы, хотя некоторые нейроны реагируют на слуховые стимулы, что указывает на возможность существования непрямой проекции. [19] OFC также получает входные сигналы от медиального дорсального ядра , островковой коры , энторинальной коры , периринальной коры , гипоталамуса и миндалевидного тела . [21] [23]
Орбитофронтальная кора реципрокно связана с периринальной и энторинальной корой, [23] миндалевидным телом, гипоталамусом и частями медиальной височной доли. В дополнение к этим выходам OFC также проецируется в полосатое тело , включая прилежащее ядро , хвостатое ядро и вентральную скорлупу , а также в области среднего мозга, включая периакведуктальное серое вещество и вентральную область покрышки . [21] [24] Входы OFC в синапс миндалевидного тела на нескольких мишенях, включая два надежных пути к базолатеральной миндалевидной железе и вставочным клеткам миндалевидного тела , а также более слабую прямую проекцию к центральному ядру миндалевидного тела . [18]
OFC приписывают множество функций, включая посредничество в реагировании на контекстно-специфические ситуации, [25] кодирование непредвиденных обстоятельств гибким образом, кодирование значения, кодирование предполагаемого значения, торможение реакций , обучение изменениям в непредвиденных обстоятельствах, эмоциональную оценку, [26] изменение поведения посредством соматических маркеров, управление социальным поведением и представление пространств состояний. [27] [28] Хотя большинство этих теорий объясняют определенные аспекты электрофизиологических наблюдений и изменения поведения, связанные с повреждениями, они часто не могут объяснить или противоречат другим результатам.
Одно из предложений, объясняющее разнообразие функций OFC, заключается в том, что OFC кодирует пространства состояний или дискретную конфигурацию внутренних и внешних характеристик, связанных с ситуацией и ее непредвиденными обстоятельствами. [29] Например, предложение о том, что OFC кодирует экономическую ценность, может быть отражением кодирования OFC значения состояния задачи. [25] Представление состояний задачи также может объяснить предложение о том, что OFC действует как гибкая карта непредвиденных обстоятельств, поскольку переключение в состоянии задачи позволит кодировать новые непредвиденные обстоятельства в одном состоянии, с сохранением старых непредвиденных обстоятельств в отдельном состоянии, позволяя переключать непредвиденные обстоятельства, когда старое состояние задачи снова становится актуальным. [28] Представление состояний задачи подтверждается электрофизиологическими доказательствами, демонстрирующими, что OFC реагирует на разнообразный набор характеристик задачи и способна быстро переназначаться во время сдвигов непредвиденных обстоятельств. [28] Представление состояний задачи может влиять на поведение посредством множества потенциальных механизмов. Например, OFC необходим для нейронов вентральной области покрышки (VTA) для создания ошибки предсказания дофаминергического вознаграждения, а OFC может кодировать ожидания для вычисления RPE в VTA. [25]
Определенные функции были приписаны субрегионам OFC. Было предложено, что латеральная OFC отражает потенциальную ценность выбора, позволяя фиктивным (контрфактическим) ошибкам прогнозирования потенциально опосредовать выбор переключения во время реверсии, угасания и обесценивания. [30] Оптогенетическая активация lOFC усиливает направленное на цель поведение по сравнению с привычным, возможно, отражая повышенную чувствительность к потенциальному выбору и, следовательно, повышенное переключение. С другой стороны, было предложено, что mOFC отражает относительную субъективную ценность. [26] У грызунов подобная функция была приписана mOFC, кодируя ценность действия градуированным образом, в то время как lOFC было предложено кодировать определенные сенсорные характеристики результатов. [31] Также было предложено, что lOFC кодирует ассоциации стимул-результат, которые затем сравниваются по значению в mOFC. [32] Метаанализ исследований нейровизуализации у людей показывает, что существует медиально-латеральный градиент валентности, при этом медиальная OFC чаще всего реагирует на вознаграждение, а латеральная OFC чаще всего реагирует на наказание. Также был обнаружен градиент абстрактности сзади-спереди, при этом задняя OFC реагирует на более простое вознаграждение, а передняя OFC больше реагирует на абстрактное вознаграждение. [33] Аналогичные результаты были получены в метаанализе исследований первичного и вторичного вознаграждения. [34]
OFC и базолатеральная миндалевидная железа (BLA) тесно взаимосвязаны, и их связь необходима для задач девальвации. Повреждение BLA или OFC до, но только OFC после девальвации, ухудшает производительность. [35] В то время как BLA реагирует только на сигналы, предсказывающие заметные результаты градуированным образом в соответствии с ценностью, OFC реагирует как на ценность, так и на конкретные сенсорные атрибуты ассоциаций сигнал-результат. В то время как нейроны OFC, которые на ранних этапах обучения реагируют на получение результата, обычно переносят свой ответ на начало сигналов, предсказывающих результат, повреждение BLA ухудшает эту форму обучения. [36]
Задняя орбитофронтальная кора (pOFC) связана с миндалевидным телом посредством множества путей, которые способны как повышать, так и понижать активность автономной нервной системы. [37] Предварительные данные свидетельствуют о том, что нейромодулятор дофамин играет роль в опосредовании баланса между ингибирующими и возбуждающими путями, при этом высокое состояние дофамина управляет автономной активностью. [38]
Было высказано предположение, что медиальная OFC участвует в создании ассоциаций стимул-вознаграждение и в подкреплении поведения, в то время как латеральная OFC участвует в ассоциациях стимул-результат и оценке и, возможно, изменении поведения. [39] Активность в латеральной OFC обнаруживается, например, когда субъекты кодируют новые ожидания относительно наказания и социального возмездия. [40] [41]
Было обнаружено, что средне-передняя OFC последовательно отслеживает субъективное удовольствие в нейровизуализационных исследованиях. Гедоническая горячая точка была обнаружена в передней OFC, которая способна усиливать реакцию симпатии на сахарозу. OFC также способна смещать аффективные реакции, вызванные антагонизмом α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (AMPA) в прилежащем ядре в сторону аппетитных реакций. [42]
OFC способна модулировать агрессивное поведение посредством проекций на интернейроны в миндалевидном теле, которые ингибируют глутаминэргические проекции на вентромедиальный гипоталамус . [43]
Нейроны в OFC реагируют как на первичные подкрепители, так и на сигналы, которые предсказывают награды в нескольких сенсорных доменах. Доказательства ответов на визуальные, вкусовые, соматосенсорные и обонятельные стимулы надежны, но доказательства слуховых реакций слабее. В подмножестве нейронов OFC нейронные реакции на награды или сигналы наград модулируются индивидуальными предпочтениями и внутренними мотивационными состояниями, такими как голод. Часть нейронов, которые реагируют на сенсорные сигналы, предсказывающие награду, избирательны для награды и демонстрируют реверсивное поведение, когда отношения результата сигнала меняются местами. Нейроны в OFC также демонстрируют реакции на отсутствие ожидаемого вознаграждения и наказание. Другая популяция нейронов демонстрирует реакции на новые стимулы и может «запоминать» знакомые стимулы до одного дня. [44]
Во время задач с вознаграждением по сигналу или инструментальным вознаграждением по сигналу нейроны в OFC демонстрируют три общих паттерна активации: активация в ответ на сигналы; активация перед получением вознаграждения; активация в ответ на получение вознаграждения. В отличие от медиальной префронтальной коры и полосатого тела , нейроны OFC не демонстрируют активацию, опосредованную движением. Их реакции, предсказывающие вознаграждение, однако, формируются вниманием: при переключении внимания между двумя альтернативами одна и та же популяция OFC будет представлять положительное значение текущего объекта, но отрицательное значение необслуживаемого объекта. [45] Кодирование величины вознаграждения также является гибким и учитывает относительные значения текущих вознаграждений. [46]
OFC человека является одной из наименее изученных областей человеческого мозга. Было высказано предположение, что OFC участвует в сенсорной интеграции, в представлении аффективной ценности подкреплений, а также в принятии решений и ожидании. [1] В частности, OFC, по-видимому, важна для сигнализации ожидаемых вознаграждений/наказаний за действие с учетом конкретных деталей ситуации. [47] При этом мозг способен сравнивать ожидаемое вознаграждение/наказание с фактическим предоставлением вознаграждения/наказания, таким образом, делая OFC критически важной для адаптивного обучения. Это подтверждается исследованиями на людях, нечеловеческих приматах и грызунах.
Орбитофронтальная кора участвует в пограничном расстройстве личности , [48] шизофрении , большом депрессивном расстройстве , биполярном расстройстве , обсессивно-компульсивном расстройстве , наркомании , посттравматическом стрессовом расстройстве , аутизме , [49] и паническом расстройстве . Хотя нейровизуализационные исследования предоставили доказательства дисфункции при самых разных психиатрических расстройствах, загадочная природа роли OFC в поведении усложняет понимание ее роли в патофизиологии психиатрических расстройств. [50] Функция OFC неизвестна, но ее анатомические связи с вентральным полосатым телом, миндалевидным телом, гипоталамусом, гиппокампом и околоводопроводным серым веществом подтверждают ее роль в посредничестве в поведении, связанном с вознаграждением и страхом. [51]
Метаанализы нейровизуализационных исследований при ОКР сообщают о гиперактивности в областях, которые обычно считаются частью орбитофронтального сегмента кортико -базальных ганглиев-таламо-кортикальной петли, таких как хвостатое ядро , таламус и орбитофронтальная кора. Было высказано предположение, что ОКР отражает положительную обратную связь из-за взаимного возбуждения OFC и подкорковых структур. [52] В то время как OFC обычно сверхактивна во время задач, провоцирующих симптомы, когнитивные задачи обычно вызывают гипоактивность OFC; [53] это может отражать различие между эмоциональными и неэмоциональными задачами, латеральной и медиальной OFC, [54] или просто непоследовательными методологиями. [55]
Животные модели и клеточно-специфические манипуляции в отношении поведения, направленного на поиск наркотиков, подразумевают дисфункцию OFC при наркомании. [56] Расстройства, связанные с употреблением психоактивных веществ, связаны с различными дефицитами, связанными с гибким целенаправленным поведением и принятием решений. Эти дефициты пересекаются с симптомами, связанными с поражениями OFC, а также связаны с уменьшением орбитофронтального серого вещества , гипометаболизмом в состоянии покоя и притупленной активностью OFC во время задач, связанных с принятием решений или целенаправленным поведением. В отличие от состояния покоя и активности, связанной с принятием решений, сигналы, связанные с наркотиками, вызывают устойчивую активность OFC, которая коррелирует с тягой. [57] Исследования на грызунах также показывают, что проекции lOFC в BLA необходимы для вызванного сигналом восстановления самостоятельного приема. Все эти результаты согласуются с ролью, которую OFC играет в кодировании результатов, связанных с определенными стимулами. [58] [59] [60] Прогрессирование в сторону компульсивного злоупотребления веществами может отражать переход от принятия решений на основе моделей, где внутренняя модель будущих результатов направляет решения, к обучению на основе моделей, где решения основываются на истории подкрепления. Обучение на основе моделей задействует ОФК и является гибким и целенаправленным, в то время как обучение на основе моделей более жесткое; поскольку переход к поведению, более свободному от моделей, из-за дисфункции ОФК, подобной той, которая вызвана злоупотреблением наркотиками, может лежать в основе привычек поиска наркотиков. [61]
Расстройство поведения связано как со структурными отклонениями, так и с функциональными отклонениями во время выполнения аффективных задач. [62] Отклонения в структуре, активности и функциональной связности OFC наблюдались в связи с агрессией. [63]
Исследования нейровизуализации обнаружили аномалии в OFC при MDD и биполярном расстройстве. В соответствии с медиальным/вознаграждением и латеральным/наказанием градиента, обнаруженного в исследованиях нейровизуализации, некоторые исследования нейровизуализации наблюдали повышенную латеральную активность OFC при депрессии, а также сниженную взаимосвязанность медиальной OFC и повышенную взаимосвязанность латеральной OFC. [64] Гипоактивность латеральной OFC часто наблюдалась при биполярном расстройстве, в частности во время маниакальных эпизодов. [64]
Использование функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для визуализации OFC человека является сложной задачей, поскольку эта область мозга находится в непосредственной близости от заполненных воздухом синусов . Это означает, что при обработке сигнала могут возникать артефактные ошибки , вызывающие, например, геометрические искажения, которые являются обычным явлением при использовании эхо-планарной визуализации (EPI) при более высоких значениях магнитного поля. Поэтому рекомендуется проявлять особую осторожность для получения хорошего сигнала от орбитофронтальной коры, и был разработан ряд стратегий, таких как автоматическое шиммирование при высоких значениях статического магнитного поля. [65]
У грызунов OFC полностью агранулярна или дисгранулярна. [16] OFC делится на вентролатеральную (VLO), латеральную (LO), медиальную (MO) и дорсолатеральную (DLO) области. [19] Используя высокоспецифичные методы манипулирования схемами, такие как оптогенетика , OFC была вовлечена в поведение, подобное ОКР, [66] и в способность использовать скрытые переменные в задачах принятия решений. [67]
Разрушение OFC из-за приобретенной черепно-мозговой травмы обычно приводит к модели расторможенного поведения. Примерами являются чрезмерная ругань, гиперсексуальность, плохое социальное взаимодействие, игромания, употребление наркотиков (включая алкоголь и табак) и плохая способность к эмпатии. Считается, что расторможенное поведение у пациентов с некоторыми формами лобно-височной деменции вызвано дегенерацией OFC. [68]
Когда связи OFC нарушены, может возникнуть ряд когнитивных, поведенческих и эмоциональных последствий. Исследования подтверждают, что основные расстройства, связанные с нерегулируемыми связями/схемами OFC, сосредоточены вокруг принятия решений, регуляции эмоций, импульсивного контроля и ожидания вознаграждения. [69] [70] [71] [72] Недавнее мультимодальное исследование нейровизуализации человека показывает, что нарушенная структурная и функциональная связь OFC с подкорковыми лимбическими структурами (например, миндалевидным телом или гиппокампом) и другими фронтальными областями (например, дорсальной префронтальной корой или передней поясной извилистой корой) коррелирует с аномальной обработкой аффекта OFC (например, страха) у клинически тревожных взрослых. [73]
Одним из явных расширений проблем с принятием решений является наркотическая зависимость/ зависимость от веществ , которая может быть результатом нарушения стриато-таламо-орбитофронтальной цепи. [72] [70] [74] Синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) также связан с дисфункцией нейронной цепи вознаграждения, контролирующей мотивацию, вознаграждение и импульсивность, включая системы OFC. [71] Другие расстройства исполнительного функционирования и контроля импульсов могут быть затронуты дисрегуляцией цепи OFC, например, обсессивно-компульсивное расстройство и трихотилломания [75] [76] [77]
Некоторые деменции также связаны с нарушениями связности OFC. Поведенческий вариант лобно-височной деменции [78] связан с паттернами атрофии нейронов проекционных волокон белого и серого вещества, вовлеченных в связность OFC. [79] Наконец, некоторые исследования показывают, что на более поздние стадии болезни Альцгеймера влияет измененная связность систем OFC. [77]
Орбитофронтальная эпилепсия встречается редко, но встречается. Проявление эпилепсии OFC довольно разнообразно, хотя общие характеристики включают симптомы, связанные со сном, автоматизмы и гипермоторные симптомы. В одном обзоре сообщалось, что ауры, как правило, не были распространенными или неспецифическими, в то время как в другом сообщалось, что эпилепсия OFC ассоциировалась с аурами, включающими соматосенсорные явления и страх. [80] [81] [82]
Тест на визуальное различение состоит из двух компонентов. В первом компоненте, «обратном обучении», участникам показывают одну из двух картинок, A и B. Они узнают, что будут вознаграждены, если нажмут кнопку, когда отображается картинка A, но наказаны, если нажмут кнопку, когда отображается картинка B. Как только это правило установлено, правило меняется. Другими словами, теперь правильно нажимать кнопку для картинки B, а не для картинки A. Большинство здоровых участников улавливают эту смену правила почти сразу, но пациенты с повреждением OFC продолжают реагировать на исходную схему подкрепления, хотя теперь их наказывают за то, что они продолжают ее выполнять. Роллс и др. [83] отметили, что эта схема поведения особенно необычна, учитывая, что пациенты сообщили, что поняли правило.
Второй компонент теста — «вымирание». Участники снова учатся нажимать кнопку для картинки A, но не для картинки B. Однако на этот раз вместо того, чтобы поменять правила местами, правило меняется полностью. 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 устоять перед соблазном нажать кнопку, несмотря на наказание за это.
Имитация принятия решений в реальной жизни , азартная игра Айовы широко используется в исследованиях познания и эмоций. [84] Участникам показывают четыре виртуальные колоды карт на экране компьютера. Им говорят, что каждый раз, когда они выбирают карту, они могут выиграть игровые деньги. Им говорят, что цель игры — выиграть как можно больше денег. Однако время от времени, когда они выбирают карту, они теряют деньги. Задача должна быть непрозрачной, то есть участники не должны сознательно вырабатывать правило, и они должны выбирать карты на основе своей « инстинктивной реакции ». Две из колод — «плохие колоды», что означает, что в течение достаточно длительного времени они понесут чистый убыток; другие две колоды — «хорошие колоды» и со временем принесут чистый выигрыш.
Большинство здоровых участников выбирают карты из каждой колоды и после 40 или 50 выборов довольно хорошо придерживаются хороших колод. Однако пациенты с дисфункцией OFC продолжают упорствовать с плохими колодами, иногда даже зная, что в целом теряют деньги. Параллельное измерение гальванической реакции кожи показывает, что здоровые участники демонстрируют «стрессовую» реакцию на наведение на плохие колоды уже после 10 попыток, задолго до осознанного ощущения, что колоды плохие. Напротив, у пациентов с дисфункцией OFC никогда не развивается эта физиологическая реакция на надвигающееся наказание. Бечара и его коллеги объясняют это с точки зрения гипотезы соматических маркеров . Задача на азартные игры в Айове в настоящее время используется рядом исследовательских групп с использованием фМРТ для изучения того, какие области мозга активируются задачей у здоровых добровольцев, а также у клинических групп с такими состояниями, как шизофрения и обсессивно-компульсивное расстройство .
Тест на faux pas представляет собой серию зарисовок, описывающих социальное событие, во время которого кто-то сказал что-то, что не следовало говорить, или неловкое происшествие. Задача участника — определить, что было сказано неловко, почему это было неловко, как люди отреагировали бы на faux pas и на фактический контрольный вопрос. Хотя изначально тест был разработан для использования людьми с расстройствами аутистического спектра , [ 85] тест также чувствителен к пациентам с дисфункцией ОФК, которые не могут судить, когда произошло что-то социально неловкое, несмотря на то, что, по-видимому, прекрасно понимают историю.
Задняя орбитофронтальная кора нацелена на двойные системы в миндалевидном теле, которые оказывают противоположные эффекты на центральные автономные структуры. Оба пути берут начало в задней орбитофронтальной коре, но один нацелен в основном на ингибирующие вставочные массы, активация которых может в конечном итоге растормозить центральные автономные структуры во время эмоционального возбуждения.
иннервация тормозных систем в миндалевидном теле, обнаруженная здесь, наряду с дифференциальным воздействием, которое дофамин оказывает на них, позволяет выдвинуть гипотезу о том, как могут быть достигнуты различные автономные состояния. Сильное влияние pOFC на IM, активирующее нейроны DARPP-32+ и CB+, может помочь модулировать автономную функцию путем снижения регуляции CeM и тем самым способствовать социальному взаимодействию у приматов... С другой стороны, в состоянии паники, когда выживание воспринимается как находящееся под угрозой, уровень дофамина заметно повышается. Таким образом, нейроны DARPP-32+ в IM могут быть в первую очередь ингибированы, делая путь pOFC неэффективным.
У лиц с расстройствами, связанными с употреблением наркотиков, наблюдается несколько аномалий обработки во время принятия рискованных решений, которые включают измененную оценку вариантов (VMPFC) и результатов (OFC и полосатое тело), плохую оценку неопределенности (ACC и островковая кора), сниженный исполнительный контроль (DLPFC) и ослабленное влияние эмоциональной значимости (миндалевидное тело) и сниженную чувствительность к соматическим маркерам (соматосенсорная кора). Эти различия в нейронной обработке во время принятия рискованных решений среди лиц с расстройствами, связанными со сном, связаны с более низкими показателями поведения при выполнении рискованных задач и более обширной историей употребления психоактивных веществ.
Медиальная область OFC показала большую активацию сигналами о наркотиках по сравнению с контрольными сигналами и была последовательно активирована в подгруппе, не ищущей лечения. Существуют существенные доказательства того, что эта область играет роль в аппетитном поведении и принятии решений (86,87), в частности, в отношении ожиданий вознаграждения (88), предсказанных условными стимулами (89–94), которые могут контролировать выбор инструментального действия