Abnormal Prediction Error in Reward Processing in Food Addiction and Its Underlying Cognitive Neural Mechanisms

Abstract

近年来，我国肥胖率不断上升，其中暴饮暴食相关的食物成瘾被认为是肥胖发生的重要原因之一。食物成瘾（Food Addiction）是指对特定食物（通常是富含 高糖、高脂肪的食物）的依赖性已经发展到难以自我控制的程度，表现出一系列成瘾样的行为学变化和神经机制的变化，特别表现为在饱腹状态下仍然存在对食 物的渴望。强烈的食欲是一种奖赏预期过高的表现。早期研究仅考虑线索反应，认为食物成瘾的本质是对可口食物更渴望；但当研究考虑状态的影响后，发现从 饥饿到饱腹状态的食欲不降低，可能与奖赏维持有关。这些结果提示进一步研究 需要考虑动态奖赏加工，把进食看作一个不断获得食物和调整进食的过程。奖赏调整的过程依靠于预测误差，从饥饿到饱腹的过程是预测误差趋于负，预期逐渐 降低的过程。基于此，研究一旨在探讨食物成瘾者饱腹状态下在食物奖赏加工中负性预测误差信号（Feedback-Related Negative，FRN）较低是否与较高的奖赏预 期信号（Stimulus Preceding Negativity，SPN）有关，以及与食物成瘾严重程度的关系。奖赏加工中的预测误差与背侧前扣带回的监测错误功能有关食物成瘾者 的背侧前扣带回活动低导致不能在从饿到饱的过程中把预期降下来。基于背侧前扣带回与监测错误相关的激活在颅内表现为 theta 振荡，研究二旨在通过时频分 析，进一步验证饱腹状态下食物相关的 FRN 与 theta 之间的关系。近而，研究三通过 theta 频段的经颅时域干涉刺激（tTIS, Temporally Interference Stimulation） 调控背侧前扣带回，旨在验证食物成瘾者背侧前扣带回的作用，并改变奖赏加工 中的预测误差信号。 年来，我国肥胖率不断上升，其中暴饮暴食相关的食物成瘾被认为是肥胖发生的重要原因之一。食物成瘾（Food Addiction）是指对特定食物（通常是富含 高糖、高脂肪的食物）的依赖性已经发展到难以自我控制的程度，表现出一系列成瘾样的行为学变化和神经机制的变化，特别表现为在饱腹状态下仍然存在对食 物的渴望。强烈的食欲是一种奖赏预期过高的表现。早期研究仅考虑线索反应，认为食物成瘾的本质是对可口食物更渴望；但当研究考虑状态的影响后，发现从 饥饿到饱腹状态的食欲不降低，可能与奖赏维持有关。这些结果提示进一步研究 需要考虑动态奖赏加工，把进食看作一个不断获得食物和调整进食的过程。奖赏 调整的过程依靠于预测误差，从饥饿到饱腹的过程是预测误差趋于负，预期逐渐 降低的过程。基于此，研究一旨在探讨食物成瘾者饱腹状态下在食物奖赏加工中负性预测误差信号（Feedback-Related Negative，FRN）较低是否与较高的奖赏预 期信号（Stimulus Preceding Negativity，SPN）有关，以及与食物成瘾严重程度的关系。奖赏加工中的预测误差与背侧前扣带回的监测错误功能有关，食物成瘾者 的背侧前扣带回活动低导致不能在从饿到饱的过程中把预期降下来。基于背侧前 扣带回与监测错误相关的激活在颅内表现为 theta 振荡，研究二旨在通过时频分 析，进一步验证饱腹状态下食物相关的 FRN 与 theta 之间的关系。近而，研究三通过 theta 频段的经颅时域干涉刺激（tTIS, Temporally Interference Stimulation） 调控背侧前扣带回，旨在验证食物成瘾者背侧前扣带回的作用，并改变奖赏加工中的预测误差信号。 年来，我国肥胖率不断上升，其中暴饮暴食相关的食物成瘾被认为是肥胖发生的重要原因之一。食物成瘾（Food Addiction）是指对特定食物（通常是富含 高糖、高脂肪的食物）的依赖性已经发展到难以自我控制的程度，表现出一系列成瘾样的行为学变化和神经机制的变化，特别表现为在饱腹状态下仍然存在对食 物的渴望。强烈的食欲是一种奖赏预期过高的表现。早期研究仅考虑线索反应，认为食物成瘾的本质是对可口食物更渴望；但当研究考虑状态的影响后，发现从 饥饿到饱腹状态的食欲不降低，可能与奖赏维持有关。这些结果提示进一步研究 需要考虑动态奖赏加工，把进食看作一个不断获得食物和调整进食的过程。奖赏 调整的过程依靠于预测误差，从饥饿到饱腹的过程是预测误差趋于负，预期逐渐 降低的过程。基于此，研究一旨在探讨食物成瘾者饱腹状态下在食物奖赏加工中负性预测误差信号（Feedback-Related Negative，FRN）较低是否与较高的奖赏预 期信号（Stimulus Preceding Negativity，SPN）有关，以及与食物成瘾严重程度的关系。奖赏加工中的预测误差与背侧前扣带回的监测错误功能有关，食物成瘾者的背侧前扣带回活动低导致不能在从饿到饱的过程中把预期降下来。基于背侧前 扣带回与监测错误相关的激活在颅内表现为 theta 振荡，研究二旨在通过时频分 析，进一步验证饱腹状态下食物相关的 FRN 与 theta 之间的关系。近而，研究三 通过 theta 频段的经颅时域干涉刺激（tTIS, Temporally Interference Stimulation） 调控背侧前扣带回，旨在验证食物成瘾者背侧前扣带回的作用，并改变奖赏加工中的预测误差信号。 研究二结果发现，在食物奖赏反馈后正确预测（预测有实际有）和错误预测 （预测有实际无）均诱发了 theta 振荡，且负性预测错误（两个条件相减）的地 形分布在额叶中线（FCz、Fz）处，该频段振荡出现的窗口期和地形分布均与 FRN 重合。食物成瘾组在饱腹状态下 FMtheta 与对照组相比存在降低趋势，但统计未 达到显著。结果表明，食物成瘾组在饱腹状态下异常低的 FMtheta 可能和无法正 常进行监测、评估有关。该部分结果为使用 theta 频段的 tTIS 调控背侧前扣带回 提供证据。 研究三结果发现，两组仅在食物奖赏上存在差异。食物成瘾者在接受 tTIS 真 刺激后对食物奖赏的 FRN 幅度增加，而伪刺激组无显著变化。两组在 SPN 和 LPP 上均无显著改变。该结果提示，FRN 的短暂改变还不足以引起 SPN 和 LPP 的共变，或需要 FRN 稳固改变并且 FRN 的改变足够大时——即 dACC 功能转变 后——才能带来 SPN 和 LPP 的变化。后续研究需进一步探讨多次调控带来长期神经机制及神经信号表征改变的可能性。 总的来说，本研究系统性探讨了食物成瘾者的不同奖赏加工阶段异常的脑电神经信号表征，发现饱腹状态下对食物奖赏负性预测误差信号（FRN）异常是导 致对食物奖赏异常高预期（SPN）和对错误反馈较高情绪反应（LPP）的重要因 素，且 FRN 的大小与食物成瘾严重程度相关。进一步结果发现饱腹状态下食物 相关的 FRN 与额中线 theta 在时频域上重合，且能通过调控背侧前扣带回 theta 增强对食物奖赏的 FRN，表明负性预测误差信号的降低可能与背侧前扣带回 theta 振荡相关的监测错误功能有关，同时为进一步的临床干预研究提供新思路。总体而言,本研究旨在构建“食物成瘾者特异性的神经信号表征→调控相关脑区改变特异性信号”的技术路线，对理解食物成瘾的神经机制及其临床应用都具有重要科学意义