| Einführung |
Die Adoleszenz ist eine entscheidende Zeit für das Experimentieren mit Alkoholkonsum, da sich in dieser Phase die Gehirnentwicklung fortsetzt. Dieser Zeitraum gilt als wesentlicher Zeitpunkt für die Identifizierung von Schaltkreisen im Gehirn, die später im Leben zu Problemen beitragen, ein Phänomen, das als Präsucht bekannt ist .
Unabhängig vom künftigen Alkoholkonsum im Erwachsenenalter stellt der Alkoholkonsum bei Jugendlichen selbst ein gesundheitsschädliches Verhalten dar und stellt eine der Hauptursachen für Behinderung und Sterblichkeit dar. Ziel der Autoren war es, durch die Identifizierung von Gehirnmechanismen, die mit frühem Risiko verbunden sind, die Entwicklung neuer Präventions- und Interventionsansätze zu erleichtern, um problematischen Alkoholkonsum einzudämmen.
Zeitgenössische Theorien zum Alkoholrisiko betonen die Doppelfunktion von Top-Down-Hemmsystemen, die präfrontale kortikale Strukturen und Bottom-Up-subkortikale Belohnungssysteme umfassen. Allerdings beinhaltet die typische Reifung des Gehirns eher eine komplexe funktionelle Reorganisation von Netzwerken als eine einfache lineare Reifung einzelner Regionen.
Geschlechtsunterschiede in der neurologischen Entwicklung wurden ausführlich beschrieben. Frauen weisen im Vergleich zu Männern beschleunigte Entwicklungsverläufe auf. Auch Geschlechtsunterschiede beim Alkoholkonsum im Jugendalter werden häufig berichtet. Daher zielte diese Studie darauf ab, die neuronalen Netzwerke zu identifizieren, die eine Anfälligkeit für Alkoholkonsum bei Jugendlichen hervorrufen, unter besonderer Berücksichtigung von Geschlechtsunterschieden.
In einer großen Stichprobe von Jugendlichen wurden Neuroimaging-Daten verwendet, die während der Ausführung verschiedener kognitiver Aufgaben erfasst wurden: einer Belohnungsverarbeitungsaufgabe und einer hemmenden Kontrollaufgabe. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Netzwerke, die während belohnungsbezogener Prozesse identifiziert werden, für die Vorhersage des Alkoholkonsumverhaltens bei jüngeren Jugendlichen (ca. 14 Jahre) im Vergleich zu älteren Jugendlichen (ca. 19 Jahre) relevanter sein würden und dass Netzwerke, die während belohnungsbezogener Prozesse identifiziert werden, für die Hemmung relevanter sein würden relevant, um das Alkoholkonsumverhalten älterer Jugendlicher im Vergleich zu jüngeren Jugendlichen vorherzusagen.
| Methoden |
Das IMAGEN-Konsortium sammelte Alkohol- und Neuroimaging-Daten an acht Standorten. Die Basisdaten wurden im Alter von 14 Jahren erfasst, die Follow-up-Daten im Alter von 19 Jahren. Die Analyse konzentrierte sich auf die Vorhersage des Risikos des Alkoholkonsums im Alter von 19 Jahren. Basisdaten wurden verwendet, um Netzwerke zu identifizieren, die mit dem zukünftigen Risiko des Alkoholkonsums verbunden sind, und Follow-up-Daten wurden verwendet, um Netzwerke zu identifizieren, die mit dem aktuellen Risiko des Alkoholkonsums verbunden sind.
Neuroimaging-Daten wurden mit einer validierten Methode verarbeitet, um funktionale Konnektivitätsmatrizen einzelner Teilnehmer (im Folgenden als Konnektome bezeichnet) zu erstellen. Konnektome bieten eine multivariate Zusammenfassung des einzigartigen Musters der funktionellen Organisation des Gehirns eines Individuums. Während Konnektome zwischen Individuen relativ unterschiedlich sind (dh sie sind in der Lage, Individuen eindeutig zu identifizieren, ein Prozess, der als neuronaler Fingerabdruck bekannt ist ), variieren sie auch als Funktion der Leistung kognitiver Aufgaben oder des individuellen Gehirnzustands. Die Analysen konzentrierten sich auf Konnektome, die aus Neuroimaging-Daten abgeleitet wurden, die während Belohnungs- und Hemmaufgaben erfasst wurden.
Für die Studie wurde eine unabhängige Stichprobe von Universitätsstudenten im Alter von 17 bis 23 Jahren herangezogen . Der Alkoholkonsum wurde mithilfe des AUDIT bewertet, einem validierten Selbstbericht zur Messung des Alkoholrisikos mit Gesamtwerten zwischen 0 und 40. Die Daten wurden mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) während einer Belohnungsaufgabe und während einer hemmenden Kontrollaufgabe gesammelt.
Das konnektombasierte Vorhersagemodell (CPM) umfasst die folgenden Schritte: (1) Merkmalsauswahl, bei der Regression verwendet wird, um Konnektommerkmale zu identifizieren, die mit einer interessierenden Verhaltensvariablen (hier der Schweregrad des Alkoholkonsums) in einem Trainingsdatensatz verbunden sind; (2) Merkmalsreduzierung, bei der die identifizierten Verbindungen summiert werden, um einen zusammenfassenden Wert für jede Person im Trainingsdatensatz zu erstellen; (3) Modellbildung, bei der zusammenfassende Ergebnisse (unabhängige Variablen) linear mit der Verhaltensvariablen (abhängigen Variablen) verknüpft sind; (4) Modellanwendung, bei der die resultierenden linearen Modelle auf neuartige Konnektome in einem Testdatensatz angewendet werden, um Vorhersagen zu generieren; und (5) Bewertung des Modells, bei der seine Vorhersagekapazität auf der Grundlage der Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Modells und den tatsächlichen Risikowerten für Alkoholkonsum bewertet wird.
Es wurden geschlechtsunabhängige (beide Geschlechter kombiniert) und geschlechtsspezifische (weiblich und männlich getrennt) Modelle durchgeführt.
| Ergebnisse |
> Gehirnverhaltensmodelle mit Kreuzvalidierung
Von den 1359 Personen in der Studie mit einem Durchschnittsalter von 14,4 Jahren waren 729 (54 %) weiblich. Analysen von Basisdaten (Alter 14 Jahre) ergaben eine geschlechtsspezifische Divergenz in der Vorhersagegenauigkeit von MPCs zur Beurteilung des Schweregrads des zukünftigen Alkoholkonsums. Insbesondere geschlechtsunabhängige Modelle und Modelle nur für Frauen waren erfolgreich bei der Vorhersage des Schweregrads des zukünftigen Alkoholkonsums im Alter von 19 Jahren, Modelle nur für Männer jedoch nicht.
Das gleiche Ergebnismuster zeigte sich in Post-hoc-Analysen, die den Schweregrad des anfänglichen und verbleibenden Alkoholkonsums kontrollierten. Weibliche Models übertrafen die männlichen Models deutlich.
Analysen von Follow-up-Daten (Alter 19 Jahre) ergaben eine geschlechtsspezifische Divergenz in der Vorhersagegenauigkeit von MPCs zur Beurteilung des Schweregrads des aktuellen Alkoholkonsums. Insbesondere waren sowohl geschlechtsunabhängige Modelle als auch Modelle nur für Frauen bei der Vorhersage des aktuellen Schweregrads bei beiden Aufgabentypen erfolgreich.
Im Gegensatz dazu gelang es den Modellen bei Männern, den aktuellen Schweregrad mithilfe von Konnektivitätsdaten vorherzusagen, die während der Ausführung der Hemmungsaufgaben erfasst wurden, nicht jedoch anhand von Daten, die während der Ausführung der Belohnungsaufgabe erfasst wurden, was auf die Spezifität der Aufgabe hindeutet. in Risikomodellen des Alkoholkonsums bei männlichen Personen.
Das gleiche Ergebnismuster zeigte sich in Post-hoc-Analysen, bei denen der Schweregrad des anfänglichen und verbleibenden Alkoholkonsums kontrolliert wurde. Das aus den Belohnungsdaten generierte weibliche Modell übertraf das aus denselben Daten generierte männliche Modell deutlich. Es gab keine signifikanten Unterschiede in der Leistung des Vorhersagemodells zwischen weiblichen und männlichen Modellen, die aus Hemmdaten generiert wurden.
> Anatomie von Alkoholkonsum-Risikonetzwerken
Positive prädiktive Verbindungen sind solche, bei denen eine größere Konnektivität das Risiko eines Alkoholkonsums positiv vorhersagte. Negativ prädiktive Verbindungen sind solche, bei denen eine verminderte Konnektivität das Risiko eines Alkoholkonsums positiv vorhersagte. Per Definition können sich positive und negative Verbindungen nicht direkt überlappen (da eine einzelne Verbindung nicht sowohl ein positiver als auch ein negativer Prädiktor sein kann). Unabhängig davon können positive und negative prädiktive Verbindungen Verbindungen innerhalb und zwischen ähnlichen großen kanonischen neuronalen Netzen umfassen.
Neuronale Netze, die mit dem zukünftigen Alkoholkonsum verbunden sind und Daten aus Belohnungs- oder Hemmkontrollaufgaben verwenden, waren bei Jugendlichen ähnlich, was auf die Relevanz beider Prozesse für die Verleihung einer Anfälligkeit für das Risiko des Alkoholkonsums hinweist. Für beide Aufgaben umfassen positive Verbindungen ein hohes Maß an frontalen, motorisch-sensorischen und medialen Kleinhirnverbindungen innerhalb des Netzwerks sowie erhebliche Verbindungen mit Kleinhirn- und subkortikalen Netzwerken.
Virtuelle Post-hoc-Läsionen deuteten darauf hin, dass Netzwerke mit den höchsten Belastungen für individuelle Merkmale, d. .
Die rein weiblichen positiven Netzwerke, die aus beiden Aufgaben generiert wurden, wurden von sensomotorischen, zerebellären, subkortikalen und Salienz-Netzwerkverbindungen dominiert, während die negativen Netzwerke weitgehend durch sensorisch-motorische, Salienz- und subkortikale Verbindungen gekennzeichnet waren.
Bei heranwachsenden Mädchen deuteten post-hoc- virtuelle Läsionen darauf hin, dass Netzwerke mit den höchsten Belastungen für individuelle Merkmale, d. Bei Männern deuteten virtuelle Läsionen darauf hin, dass die Netzwerke, die mit der größten Varianz beim aktuellen Alkoholkonsum verbunden waren, sensorisch-motorische, zerebelläre und subkortikale Netzwerke umfassten.
Bei erfolgreichen Modellen ergaben sich die Netzwerkzusammenfassungswerte der einzelnen Teilnehmer aus der Summe der Konnektivitätsstärken innerhalb positiver und negativer Netzwerke. Bei heranwachsenden Mädchen nahm die Konnektivität innerhalb von Netzwerken, die den künftigen Alkoholkonsum vorhersagen, im Alter von 14 bis 19 Jahren signifikant zu. Sowohl bei weiblichen als auch männlichen Jugendlichen nahm die Konnektivität innerhalb hemmender Kontrollnetzwerke, die den aktuellen Konsum vorhersagen, im Alter von 14 bis 19 Jahren ebenfalls signifikant zu, während sich die Konnektivität innerhalb dieser Netzwerke veränderte Belohnungsnetzwerke erreichten keine Bedeutung.
Trotz erheblicher Unterschiede in der Vorhersagegenauigkeit waren die Netzwerke, die mit dem Alkoholkonsumverhalten in Zusammenhang gebracht wurden, bei männlichen und weiblichen Jugendlichen relativ konsistent.
> Spezifität und Verallgemeinerung
Um die Spezifität der mit Alkoholkonsum identifizierten anatomischen Zusammenhänge zu bestimmen, wurden MPCs wiederholt, um Variationen in Impulsivität und Neurotizismus zu kontrollieren. Bei allen Modellen waren die Vorhersagegenauigkeiten robust gegenüber diesen Faktoren, was darauf hindeutet, dass die identifizierten Zusammenhänge spezifisch für den Alkoholkonsum waren und dass die Modellgenauigkeit nicht durch einen allgemeineren latenten Persönlichkeitsmerkmalsfaktor bestimmt wurde.
Die Raten des Substanzkonsums waren im Alter von 14 Jahren niedrig, im Alter von 19 Jahren jedoch am höchsten. Post-hoc-Analysen zeigten signifikante Zusammenhänge zwischen Substanzkonsum und Konnektivität innerhalb des männlichen Hemmungsmodells, sodass die Konnektivität bei Männern mit alkoholfreiem Substanzkonsum größer war. Folgeanalysen zeigten, dass die Zusammenhänge zwischen Alkoholkonsum und Verbundenheit innerhalb jeder Gruppe separat signifikant blieben.
| Diskussion |
Diese Studie nutzte Daten des IMAGEN-Konsortiums, um neuronale Netze zu identifizieren, die mit dem Alkoholkonsumrisiko verbunden sind, und zwar mithilfe eines fortschrittlichen Connectome-basierten Ansatzes. Es wurden gemeinsame und unterschiedliche neurobiologische Substrate des frühen Alkoholkonsumrisikos bei männlichen und weiblichen Jugendlichen sowie sexuelle Unterschiede in der Modellgenauigkeit identifiziert.
Bei heranwachsenden Mädchen konnten mithilfe von Neuroimaging-Daten aus beiden Aufgabentypen erstellte Modelle zuverlässige neuronale Signaturen des aktuellen und zukünftigen Alkoholkonsumrisikos identifizieren. Im Gegensatz dazu war bei männlichen Jugendlichen nur das Modell, das anhand von Daten zu hemmenden Kontrollaufgaben erstellt wurde, bei der Vorhersage des aktuellen Alkoholkonsumrisikos erfolgreich, und es wurde keine verlässliche Signatur für das zukünftige Risiko identifiziert. Das identifizierte Risikonetzwerk für Alkoholkonsum kann als robuster Neuromarker betrachtet werden, der bei künftigen Präventionsbemühungen gezielt eingesetzt werden kann.
Bei heranwachsenden Mädchen umfassten die identifizierten Verbindungen Unterkomponenten mehrerer gut etablierter Ruhenetzwerke, wie etwa das mediale Frontal-, Frontoparietal-, Salienz-, sensorisch-motorische und Kleinhirnnetzwerk. Die Konnektivität innerhalb dieser Netzwerke nahm im Allgemeinen im Alter von 14 bis 19 Jahren zu, was mit einem Anstieg des Alkoholkonsums einherging.
Darüber hinaus variierten trotz ähnlicher Merkmale die relativen Vorhersagegewichte der Netzwerk-Unterkomponenten, die mit dem zukünftigen (Alter 14) gegenüber dem aktuellen (Alter 19) Alkoholkonsumrisiko verbunden sind, im Laufe der Zeit, sodass die medialen Frontalnetzwerke und die Salienznetzwerke hauptsächlich mit dem Risiko von Alkoholkonsum verbunden waren zukünftiger Alkoholkonsum, während die zerebellären und sensomotorischen Netzwerke vor allem mit dem Risiko des aktuellen Alkoholkonsums assoziiert waren.
Diese Ergebnisse stimmen mit aktuellen Daten überein, die Veränderungen in den Wachstumsverläufen des Kleinhirns bei Jugendlichen mit starkem Alkoholkonsum belegen, sowie mit viel breiterer Literatur, die das Kleinhirn und das motorische System mit der Pathophysiologie des Substanzkonsums in Verbindung bringt. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass die gezielte Ausrichtung auf Regionen des präfrontalen Kortex für Präventionsbemühungen bei jüngeren Jugendlichen besonders relevant sein könnte und dass die gezielte Ausrichtung auf Regionen des Kleinhirns und der sensorischen Motorik für Interventionsbemühungen bei älteren Jugendlichen relevanter sein könnte. die bereits mit dem Trinken begonnen haben.
Hemmende Kontroll- (im Vergleich zu Belohnungs-)Gehirnzustände waren für die Vorhersage des Alkoholkonsums bei älteren Jugendlichen relevanter; Dieser Effekt war jedoch spezifisch für Männer. Diese Daten deuten darauf hin, dass Interventionen, die sich auf hemmende Kontrollprozesse konzentrieren, bei der Bekämpfung des aktuellen Risikos des Alkoholkonsums bei jugendlichen Jungen besonders wirksam sein können, dass jedoch wahrscheinlich sowohl hemmende als auch belohnungsbezogene Prozesse für jugendliche Jungen relevant sind. Aktuelles Alkoholkonsumverhalten bei Frauen.
| Abschluss |
Diese Daten ermöglichen eine konnektomweite Bewertung neuronaler Netzwerke, die dem Alkoholkonsumrisiko dienen, und identifizieren eine dimensionale neuronale Signatur des Alkoholkonsumrisikos bei Jugendlichen. Die externe Validierung bestätigte diese Ergebnisse.
