使用改良球体模拟风险任务和多回波成像比较风险决策与确定性奖赏加工的神经特征

《Behavioural Brain Research》：Comparing Neural Signatures of Risky Decision-making and Guaranteed Reward Processing Using a Modified Balloon Analogue Risk Task and Multi-Echo Imaging

　　

• 为了对比风险决策与有保障的、非条件性的奖励，我们在BART范式中增加了有保障奖励条件
• 风险决策动用了皮层下和丘脑下奖励相关回路，同时兼顾奖励
• 前脑岛，而非纹状体，从有保障的、非条件性奖励中解码风险决策

**引言**

风险承担，即面对不确定结果时追求潜在收益的意愿，代表了决策的基本维度，并在日常生活和改变人生的选择中发挥着核心作用。它涉及评估和行动于可能的奖励与损失的能力，是一种适应性功能，在应对不确定环境的生物体进化中形成，以最大化生存和繁殖成功[1]。风险承担倾向的差异会贯穿整个生命周期出现，尤其是在青春期，而风险承担的异常是许多临床状况的核心特征，如物质使用、病理性赌博和回避型人格障碍[2], [3], [4]。因此，研究支持风险承担的近期机制至关重要，不仅为了推进我们对人类一生决策过程的理解，也为了设计更有效和有针对性的干预措施，以解决过度或缺乏风险承担的问题。

在过去二十年中，功能性磁共振成像（fMRI）为风险相关决策背后的认知和情感过程提供了见解。气球模拟风险任务（BART）特别成为研究心理风险最广泛使用的实验范式之一[5]，我们在此将其定义为在不确定性下做出决策的行为倾向。具体来说，BART强调风险的心理体验，其中损失和收益的机会同时存在且相对模糊。在其经典实施中，BART允许参与者通过连续充气一个虚拟气球来获得货币奖励，知道每次按压都会增加潜在奖励和气球破裂的风险，从而失去该试次的所有收益。重要的是，爆炸的确切概率事先未知，参与者必须应对模糊的概率。这种动态、不确定和累积的决策情境紧密反映了人们日常生活中如何在风险下做决策[6]。利用BART，先前的神经影像学研究已确定了一组脑区在风险决策中的作用，如前扣带皮层（ACC）、前脑岛（AI）、纹状体、背外侧前额叶皮层（dlPFC）和内侧眶额皮层（mOFC），突出了执行控制、显著性检测和奖励评估系统的贡献[7], [8]。

然而，尽管有这些优势，传统的BART范式存在一个重要局限性：它混淆了可以共同贡献于外显风险承担决策的不同心理过程，即风险容忍和一般奖励寻求过程。例如，一个人可能高度看重潜在奖励，但由于损失敏感性提高而避免风险选项，或者相反，可能容忍风险不是由于高奖励驱动力，而是由于对可能负面结果的敏感性不足。行为研究表明，获得更多奖励或避免负面结果的动机虽然相关，但确实可以对决策做出独立贡献[9], [10]。

此外，使用非人类动物的人类研究以及采用不同方法的研究报告表明，风险决策的风险和奖励成分之间存在更细粒度的区分[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]。例如，尾状核对于基于奖励幅度的决策是必需的[11]，而AI和mOFC对风险相关特征如方差或波动性更敏感[12], [17], [18]。通过将风险奖励过程混为一谈，传统的BART可能阻碍我们调查行为上趋同但机制上不同的风险承担倾向的能力。

为解决这一问题，本研究对传统BART框架进行了两项设计改进。首先，在任务设计方面，我们纳入了一种新颖的有保障奖励（GR）条件，在此条件下参与者可以充气气球以积累奖励，而没有任何爆炸风险[1]。这一GR条件保留了标准BART的增量奖励结构，但消除了损失的可能性，提供了有保障的、非条件性奖励的对比条件。与旨在参数化强化学习成分（如决策冲突）的神经经济学传统不同，我们修改的BART范式旨在探测风险决策相对于有保障的、非条件性奖励时产生的更广泛的心理过程。这一任务设计使我们能够直接比较与风险奖励决策相关的神经反应和在没有风险情况下的有保障的、非条件性奖励。其次，我们采用了多回波（ME）fMRI和去噪技术。与传统fMRI采集协议依赖单一回波序列不同，在ME-fMRI中，回波平面成像（EPI）数据在每个射频脉冲期间被采集多次，而不是传统方法，提供了对皮层和皮层下区域BOLD信号的增强敏感性[19]。纹状体和脑干子区域对于编码奖励和风险至关重要，但使用常规单回波fMRI通常难以检测到信号。此外，我们的分析策略采用了单变量和多变量方法（即多体素模式分析，MVPA），这可以敏感地检测到单变量GLM方法不易捕获的神经反应模式[20]。通过结合这些新颖的设计特征和分析策略，我们旨在揭示风险决策的独特神经特征，区别于有保障的、非条件性奖励。我们的方法可能提供一种更精确且具有心理意义的风险决策神经评估工具，并为理解风险承担的正常和心理病理变异背后的神经机制提供有用的工具。

**摘要片段**

**参与者** 四十九名健康参与者（30名自我认同为女性）从康奈尔大学招募并完成本研究。他们的年龄范围为18至22岁（M ± SD：20.53 ± 1.92），6名参与者拒绝报告年龄。行为分析包括完成BART的所有49名参与者。人口统计特征数据可用于48名参与者，报告于表1中，因数据缺失一名参与者从人口统计分析中排除。

**行为发现** 平均而言，参与者在RR试次中在第15.73次（SD = 3.96）选择兑现。平均而言，气球爆炸的试次数为10.8（SD = 3.37）。在RR试次中，参与者平均在第4.64次按压时选择兑现。平均而言，当参与者决定继续充气时，气球在第3.27次按压时爆炸。如表2所示，行为分析（N = 49）显示三种条件之间存在显著差异，但每试次汇总的反应时（RT per trial）除外。

**参与者讨论** 本研究利用多回波成像并为流行的BART范式添加有保障奖励条件，解决了人类研究中理解风险决策神经机制的关键局限性。这一设计使得能够在不确定和有保障的奖励情境之间进行更直接的比较，澄清了风险决策与有保障的、非条件性奖励处理的神经过程。风险奖励条件下的决策与增加的BOLD……

**结论** 风险与奖励情境下的决策行为源于多个可分离的心理过程，即风险决策和一般奖励寻求。然而，研究这一现象最常用的神经影像范式之一BART，一直无法分离这些过程。这可能潜在地掩盖了个体可能通过异质性机制达到相同风险承担行为的机制。尽管存在局限性，我们的研究阐明了假定的……

**伦理声明** 已获得所有参与者或其法律代表书面知情同意书，同意参与研究并发布论文。已遵守参与者的隐私权。

本研究是在研究进行地的相关法律、监管框架和指南下进行的。本研究获得康奈尔大学批准。（批准号：IRB0008564 (1902008564)）

**缩写**
- 前扣带皮层，ACC
- 前脑岛，AI
- 背侧前扣带皮层，dACC
- 背侧纹状体，DS
- 后扣带皮层，PCC
- 背外侧前额叶皮层，dlPFC
- 腹内侧前额叶皮层，vmPFC
- 腹侧被盖区，VTA
- 眶额皮层，OFC
- 伏隔核，NAcc
- 中颞回，MTG
- 中额回，MFG
- 下额回，IFG
- 兴趣区，ROI
- 无阈值簇增强，TFCE
- 通用线性模型，GLM
- 血氧水平依赖，BOLD

**伦理声明** 作者声明不存在利益冲突。

**资助** 本工作由康奈尔大学启动资金支持

**CRediT作者贡献声明**
- Gonzalez Marlen Z：撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源，方法论，调查，概念化
- Minwoo Lee：撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原稿
- Xinyi Deng：撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，形式分析，数据管理

**利益冲突声明** 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

**致谢** 我们真诚感谢Elizabeth B. Riley博士对多回波fMRI分析流程的宝贵支持，以及Mirely Garcia和Melody Xu，他们在数据收集和数据质量检查中起到了关键作用。

**作者贡献** M.Z.G.设计和执行实验，分析数据并撰写论文；X.D.开发分析工具，分析数据并撰写论文。M.L.帮助开发分析工具并撰写论文。

**补充信息** 关于数据概述、自我报告测量、预处理步骤、单变量……的细节

Xinyi Deng | Minwoo Lee | Marlen Z. Gonzalez