Interactions Between Medical Prefrontal Cortex, Orbitofrontal Cortex and Motor Cortex in Value-based Decision Making

Abstract

We investigated how different sub-regions of rodent prefrontal cortex contribute to value-based decision making, by comparing neural signals related to animal’s choice, its outcome, and action value in orbitofrontal cortex (OFC) and medial prefrontal cortex (mPFC) of rats performing a dynamic two-armed bandit (TAB) task. And we also examined neuronal activity in the lateral (AGl) and medial (AGm) agranular cortex, corresponding to the primary and secondary motor cortex, respectively, in rats performing a dynamic dual assignment with hold (DAWH) task. Neural signals for upcoming action selection arose in the mPFC, including the anterior cingulate cortex, only immediately before the behavioral manifestation of animal’s choice, suggesting that rodent prefrontal cortex is not involved in advanced action planning. On the other hand, neural signals for an upcoming choice arose ~500 ㎳ before behavioral manifestation of the animal’s choice in the AGm, which is by far the earliest choice-related neuronal activity found in the rat brain under free-choice conditions. Both OFC and mPFC conveyed signals related to the animal’s past choices and their outcomes over multiple trials, but neural signals for chosen value and reward prediction error were more prevalent in the OFC. Meanwhile, the AGm conveyed all the signals necessary to update the value of chosen action after the choice outcome was revealed. In contrast, upcoming choice signals arose later and chosen value signals were weaker in the AGl. Consequently, our results suggest that rodent OFC and mPFC serve distinct roles in value-based decision making, and that the OFC plays a prominent role in updating the values of outcomes expected from chosen actions and a secondary motor cortex is uniquely involved in both updating and reading out value signals for flexible action selection in rats.

우리는 동적 two-armed bandit (TAB) task 를 수행하는 쥐의 안와전두피질(OFC) 그리고 내측 전두피질(mPFC) 내에서 동물의 선택, 이에 대한 결과, 그리고 행동의 가치와 연관된 신경신호를 비교 함으로서 쥐의 전두엽이 각 영역에 따라서 어떠한 방식으로 ‘가치’를 근간으로 한 의사결정에 기여하는지를 조사 하였다. 그리고 우리는 또한 쥐가 동적인 dual assignment with hold (DAWH) task 를 수행하면서, 각각 주 운동피질과 부운동피질에 해당하는, 외측 무과립(AGl) 그리고 내측 무과립(AGm) 피질에서의 신경활성도를 측정했다. 다가오는 행동 선택에 대한 신경신호는 전 대상피질을 포함하는 내측 전두피질에서 동물의 행동 징후가 나타내기 바로 직전에 증가하는 경향을 보이며, 이는 쥐의 전두엽이 고차 행동 계획을 수행하는데 관여되어 있지 않는다는 사실을 제안한다. 한편, 내측 무과립 피질의 경우 다가오는 행동 선택에 대한 신경신호는 동물의 선택의 행동 징후가 나타내기 전인 ~500㎳ 에 증가하는 경향을 보이며, 이는 지금까지 자유로운 선택이 가능한 환경내에서 쥐의 뇌에서 발견된 가장 빠른 증가 경향을 보이는 선택과 관련된 신경신호이다. 안와전두피질 그리고 내측 전두피질 두 영역 모두 수 시행에 걸쳐 동물의 과거 선택과 그것에 의한 결과와 연관된 신호를 전달한다지만, 선택된 ‘가치’와 reward prediction error 에 대한 신경신호는 안와전두피질에서 더욱 더 우세하다. 반면에, 내측 무과립 피질은 선택된 결과가 나타난 이후에 선택된 행동의 ‘가치’를 갱신하는데 필수적인 신경신호를 전달한다. 대조적으로, 다가오는 선택에 대한 신호는 행동 선택 이후에 증가하고 선택된 ‘가치’에 대한 신호는 외측 무과립 피질에서 약하게 나타났다. 결과적으로, 우리의 결과는 쥐의 안와전두피질 그리고 내측 전두피질는 ‘가치’를 근간으로 한 의사결정에 뚜렷한 역할을 수행한다는 사실과 안와전두피질는 선택된 행동으로부터 기대되어지는 결과의 ‘가치’를 갱신하는데 중요한 역할을 수행한다는 사실을 제안하며 또한 이차 운동피질은 유연한 행동 선택에 대한 ‘가치’신호를 갱신하고 판독하는데 유일무이하게 관련되어 있다는 사실을 제안한다.