本文介绍了一组用于测量人类食物相关动机和食物相关目标价值的方法。
本文介绍了一组用于测量人类食物相关动机和食物相关目标价值的方法。
研究人类奖赏加工的一个关键挑战是超越主观的自我报告测量,以更客观的方式量化奖赏的不同方面,例如享乐体验、动机和目标价值。这对于理解暴食和肥胖及其潜在治疗方法尤为重要。本文介绍了一套利用握力作为动机指标的与食物相关的动机测量方法。这些方法可用于检测在代谢(饱腹感)和药物干预条件下食物相关动机的变化,并可用于评估针对暴食和肥胖的干预措施。然而,要理解复杂食物环境中的食物相关决策过程,关键在于能够确定指导人们决策和行为选择的奖赏目标价值。这些价值是隐含的,但可以通过诸如支付意愿等客观指标进行推断,本文也描述了一种实现该目的的方法。这两类方法均提供了可在个体内部和个体之间进行比较的动机与目标价值的定量测量指标。
人类对食物奖赏加工的研究,由于人们对肥胖流行问题的日益关注而获得了显著推动。由于大多数肥胖个体走向肥胖的途径是摄入的能量超过了代谢需求1,因此理解过度进食的驱动因素和机制显得尤为重要。主流模型将这种过度进食视为一种非稳态性或“享乐性”进食,i.e. 进食行为并非由稳态需求驱动,而是由所摄入食物的奖赏特性所驱动2。然而,这是一个复杂的现象,稳态系统与享乐/奖赏系统之间存在重叠并相互作用。此外,还有多种因素会影响非稳态性进食,而这些因素并不直接涉及食物的享乐特性,例如食物的份量或可选择食物的种类3。尽管如此,对食物奖赏的不同方面进行表征和测量仍然至关重要。
Berridge 及其同事描述了奖赏的三个组成部分:喜好(liking)、渴求(wanting)和学习(learning)。这三个组成部分相互关联,但在其潜在的神经机制上可相互分离。喜好指奖赏带来的享乐性影响,而渴求则是对奖赏的动机驱动力。学习则包括与奖赏相关的联结及其预测能力。这些成分还可进一步区分为两个子成分:核心(隐式)成分和意识(显式)成分。喜好包含“喜好”本身,即核心的客观享乐反应,以及愉悦的主观意识体验。同样,渴求包含“渴求”,即奖赏及其相关线索的激励显著性,以及通常意义上所理解的对激励物的主观欲望体验。喜好和渴求的主观意识体验是由高级认知机制从核心反应中进一步发展而来的。最后,学习也包含隐式成分,如经典条件反射(Pavlovian)和操作式条件反射(instrumental)的联结与关联学习,以及显式的表征和认知预测4。
奖赏的这三个要素相互关联,但在实验上和神经基础方面均可分离。尽管这一框架有助于我们理解生物体如何对单一奖赏作出反应,但当个体面临多个潜在奖赏时,又会如何反应呢?根据神经经济学中一个被广泛接受的模型,行为选择的核心阶段涉及计算所有可选选项的主观价值。该计算过程被认为包含对每个选项不同属性的评估与加权,从而得出一个可比较的单一价值,通常称为目标价值5,最终选择具有最高目标价值的选项。
关于奖赏神经基础的大量研究工作源于动物神经科学领域的精巧实验。在人类中研究享乐体验、目标价值和动机所面临的一个挑战,是如何可靠且客观地测量这些不同成分。必须超越对奖赏价值的主观测量方法,例如视觉模拟评分法记录的喜好度或目标价值的自我评价。鉴于准确内省价值本身的困难,以及对价值是否被如实报告的怀疑,开发可验证的稳健定量工具至关重要。
尽管在啮齿类动物中观察到的客观享乐反应在人类婴儿中同样存在6,但在成年人类中却难以评估。因此,喜好或享乐成分在成年人类中的客观测量仍具有挑战性。然而,对“渴求”或动机的评估可以更加客观和精确,本文介绍了一组基于握力作为动机测量指标的方法。个体为获得奖励所付出的努力程度受其预期奖励大小的调节。对奖励的动机可操作化为所付出的努力。Pessiglione 及其同事巧妙地证明了握力可作为金钱奖励动机的测量指标,参与者对价值更高的金钱奖励施加更大的握力7。在食物奖励的情况下,食物对个体的价值取决于多种因素,其中内部状态(饥饿或饱足)是关键因素之一8。随着饱足状态的出现,眶额皮层(OFC)——一个编码刺激当前价值的脑区——在接收到相同食物时的神经活动会下降9,10。OFC 投射至腹侧纹状体,后者调节动机反应7。因此,一个良好的动机测量指标应能敏感地反映饱足状态下奖励价值的变化。
为了确定目标价值,直接的主观评估并不理想。一种更为间接的方法是采用贝克尔-德古特-马沙克拍卖法(Becker-DeGroot-Marschak auction)的改进版本11,该方法的优势在于能够激励参与者真实地揭示其目标价值。通过一套简单的规则,这种拍卖程序促使人们披露其愿意为所供物品支付的最高金额,该金额即被视为其支付意愿(WTP),并作为目标价值的衡量指标。
本方案中所述的所有操作程序均在获得剑桥地区研究伦理委员会伦理批准后开发并测试。
1. 握力作为食物相关动机的衡量指标

图1. 握力任务的硬件设置。
![figure-protocol-3 静力平衡方程,\[l_B=k g_{calib}+L_{min}, l_F=-k g_{calib}+L_{max}\],公式图片](/files/ftp_upload/51281/51281eq2.jpg)


2. 作为奖励价值衡量指标的支付意愿
注意:该任务可使用任何合适的刺激呈现软件进行编程,仅需一台标准的台式或笔记本电脑。此处描述的版本使用 Presentation 软件(版本 14.5,Neurobehavioral Systems)编写。
以下是上述各种方法在不同应用中的代表性结果:
握力作为动机的衡量指标
评估相对奖励价值:努力图片选择任务
在一项概念验证研究中,使用了特定任务来评估一种新型μ-阿片受体拮抗剂药物GSK1521498,该药物旨在治疗暴食症和肥胖症14。在这项研究中15,肥胖且伴有暴食行为的受试者被随机分配接受为期4周的安慰剂或每日2 mg或5 mg剂量的GSK1521498治疗。研究目的是确定该药物是否仅特异性地影响食物奖赏,而不影响其他类型的奖赏。图2和图3分别展示了安慰剂组和每日5 mg剂量组在食物奖赏和非食物奖赏任务中的数据。本研究的关键问题是该药物是否对食物奖赏具有特异性作用,而该测量指标使我们能够对此进行考察。图2显示了该药物对高热量食物动机的特异性影响,而从图3可以看出,该药物对非食物奖赏性图像没有产生影响。

图 2. 费力图片选择任务:对食物图片所付出的努力与喜好度评分。 上方面板显示了两组在基线时的握力输出及相应的喜好度评分,以及治疗结束时安慰剂组与GSK1521498组的分别结果。可以看出,尽管受试者对高脂(HF)与低脂(LF)食物图片的主观喜好度更高,但在药物治疗后,对这两类图片所施加的握力差异已不再具有显著性。下方面板展示了在基线时及第28天,对高脂食物图片的握力输出与喜好度评分之间的相关性。在基线及安慰剂组治疗结束时,这两项指标之间存在相关性,但在药物组中该相关性消失(*p < 0.05;**p < 0.01;***p < 0.001)。本图引自Cambridge et al.14。 请点击此处查看该图的高清版本。

图3. 费力图片选择任务:对非食物图片所付出的努力与喜好评分。 左侧图显示了安慰剂(PBO)组和GSK1521498(498 5 mg)组为观看具有奖赏性的非食物图片所施加的握力。右侧图显示了对相同图片的喜好评分。可以看出,药物对追求奖赏性非食物图片的动机或主观喜好均无显著影响。该图引自Cambridge et al.14)。
检测潜意识动机
该特定应用源自之前的一项研究,参与者在研究中完成了两个区组的食物奖赏用力任务16。在两个区组之间,所有参与者均对两种测试食物中的一种进行了特异性感官饱足(感官特异性饱足),并在一次进食中摄入了其每日热量摄入量的30%。在每次试验中,参与者可通过握力传感器施加的力的大小,赢取与当前奖赏相关的积分。试验包括意识性试验,其中奖赏呈现200毫秒,以及亚阈值试验,其中奖赏仅呈现33毫秒。共有两种食物奖赏(披萨和蛋糕)和一种非食物奖赏(作为对照项目)。亚阈值呈现采用“三明治”掩蔽法实现,即使用前向掩蔽和后向掩蔽。在数据分析中,感兴趣的因变量为握力,提取为所有试验中力-时间曲线下面积(AUC)。为了在所有参与者之间进行比较,对每位参与者,将其每种试验类型的AUC除以6种试验类型(饱足、未饱足、非食物;进食与禁食状态下的均值)中的最大平均AUC进行标准化,从而得到每位参与者的0-1之间的标准化分数。为了控制疲劳、餐后迟钝以及进食与禁食会话中的非特异性效应,将每次会话中非食物项目的AUC作为基线,从饱足和未饱足条件的测量值中减去。(更多细节参见Ziauddeen et al.16)。可以看出,在意识性和亚阈值条件下,对已饱足食物的动机均有所下降(见图4)。

图 4. 特异性饱足调节动机性努力。(A)进食后饥饿感与饱腹感评分的变化。(B, C)受试者对刚摄入的食物付出的努力减少,但对另一种食物仍会用力挤压,且不受意识感知的影响。Y轴为受试者内部标准化的曲线下面积,并校正了基线变化。本图引自 Ziauddeen et al.15。请点击此处查看此图的高清版本。
在扫描仪中检测与食物相关的动机
参与者在扫描仪中进行了一次激励用力任务,通过握紧捏压球来赢取积分,这些积分可用于兑换高热量和低热量食物,作为任务结束后午餐的奖励。图5展示了近期一项药理学fMRI研究中10名受试者的示例数据,结果显示该任务能够捕捉个体对高奖赏性与低奖赏性食物之间差异化的动机反应。

图 5. 不同奖励类别下施加的力。 受试者在扫描仪中通过挤压握力球来赢得积分,以获取三类不同物品(HF:高热量食物,LF:低热量食物,NF:中性非食物)。
以支付意愿作为奖励价值的衡量指标
图6展示了饱腹感对食物奖励支付意愿影响的概念验证研究结果。为便于进行被试内比较,将每位被试的出价除以其最高出价进行标准化处理。可以看出,参与者在第一轮中对食物项目的支付意愿更高。在摄入600千卡的测试食物达到饱腹状态后,第二轮的出价降低,表明饱腹显著降低了支付意愿。 savory食物(咸味食物)的饱腹效应似乎比sweet食物(甜味食物)更强,但差异未达到统计学显著性。

图6. 饱腹感对支付意愿(WTP)的影响。 本研究共纳入10名健康志愿者。可以看出,在摄入研究餐后,标准化平均出价有所下降。由于采用了感官特异性饱腹感操控方法,第二次拍卖的结果分别展示了来自饱腹和非饱腹类别的食物。尽管对饱腹类别食物的影响似乎更大,但该差异无统计学意义。
本文介绍了一组用于测量食物奖赏动机和奖赏价值的方法。将握力测量应用于人类食物相关动机的研究具有特别的创新性。文中展示了大部分所述应用的代表性结果,证明了这些方法的价值及其对代谢和药物干预的敏感性,因此这些方法在未来的食物相关动机研究以及抗肥胖药物试验中具有进一步应用的潜力。这些更为客观的测量方法易于在不同环境中进行转移和比较。此外,通过考察冲动性等个体特质对这些测量指标的影响,有助于进一步理解个体差异对测量结果的作用。
必须强调一些重要要点。在使用握力任务时,初始校准和最大自主收缩力(MVC)的采集至关重要。理想情况下,应从每次试验开始时即记录握力反应,而不应仅限于指定的反应时间窗口,以便能够检测过早反应。Biopac MP150 模块存在一定变异性,因此每个模块都应进行测试,以确定最适合该设备的设置参数。当使用非标准化图像时,必须由独立评估者对这些图像进行评分,以确定其被感知的奖赏程度。所有这些测量方法的一个重要局限性在于,它们无法捕捉个体对所用食物奖赏的喜好程度,因此在任务结束后,必须使用视觉模拟量表或其他适当工具收集主观喜好评分。这些评分随后可与动机性测量指标进行比较,或用于建模其他变量对主要因变量的影响。然而需要注意的是,在实际摄入食物奖赏的研究中,任务后收集的喜好评分很可能受到食物摄入的影响。这凸显了不仅需要具有代表性的图像,还需要具有代表性的食物的重要性。 例如 一块外观和口感与大多数巧克力布朗尼相似的巧克力布朗尼;并由独立评审员进行评分。
最后必须指出的是,所有这些测量方法均使用食物图片作为食物奖赏的表征,而非实际的食物奖赏。尽管这存在一定的局限性,但对食物的预期行为以及与食物相关的决策往往是由食物的表征所引导的,而非即时的摄食性奖赏。然而,对于本文所描述的方法而言,当它们与成功竞拍获得食物等实际结果相关联时,必须提供真实的结果。
作者声明不存在竞争性财务利益。HZ、NS、VCC、ISF 和 PCF 曾参与与葛兰素史克的学术合作,该合作使用了本文所述的部分技术。
HZ 由惠康信托基金(Wellcome Trust)和葛兰素史克资助的转化医学与治疗学(Translational Medicines and Therapeutics, TMAT)项目以及伯纳德·沃尔夫健康神经科学基金(Bernard Wolfe Health Neuroscience Fund)支持。NM 由惠康信托博士项目(Wellcome Trust PhD program)资助。ISF 和 PCF 由惠康信托高级研究员项目(Wellcome Trust Senior Fellowship program) 以及伯纳德·沃尔夫健康神经科学基金支持。NS 由伯纳德·沃尔夫健康神经科学基金支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Biopac MP150 数据采集系统 | Biopac Systems Inc | ||
| TSD121C 手持式等长测力计 | Biopac Systems Inc | TSD121C | 握力传感器 |
| DA100C 通用传感器放大器 | Biopac Systems Inc | DA100C | MP150 与 TSD121C 之间的接口 |
| SS56L 握力挤压橡胶球 | Biopac Systems Inc | SS56L | MRI 安全的橡胶挤压球 |
| TSD160C 差分压力传感器 | Biopac Systems Inc | TSD160C | MP150 与 TSD160C 之间的接口 |
| PowerLab 8/30 或 8/35 | ADinstruments Ltd | PL358 | 仅用于皮肤电反应(GSR)测量 |
| FE116 GSR 放大器 | ADInstruments Ltd | FE116 | 仅用于 GSR 测量 |
| MLT116F GSR 电极 | ADInstruments Ltd | MLT116F | 随 GSR 放大器提供 |
| 配备以太网端口且与 MP150 兼容的计算机 | 用于刺激呈现和任务运行。需通过以太网端口连接 Biopac MP150 | ||
| 配备并行端口的计算机 | 用于 GSR 记录。需通过并行端口与 PowerLab 8/30 连接 | ||
| Biopac 硬件的 API 模块 | Biopac Systems Inc | ||
| Cogent 和 Cogent 图形工具箱,版本 1.29 | 公开可用 | 从伦敦大学学院神经生物学实验室下载 | |
| Labchart 6 或更高版本 | ADInstruments Ltd | 用于刺激显示 | |
| 用于并行端口通信的 inpout.dll 模块 | 公开可用 | 仅用于皮肤电反应测量 | |
| MATLAB R2009a | Mathworks Inc | 主任务的编程 |