Prefrontal cortex: defining the neuroanatomical substrates of inhibitory control in binge drinking

Abstract

Adolescence is a period characterized by improvements in complex cognitive functions such as inhibitory control and self-regulation, in parallel with a set of undergoing developmental processes (e.g., gray matter thinning and white matter growth) in the prefrontal regions that underlies the maturation of such cognitive abilities. The immature self-control has been associated to the adolescent vulnerability to risky environmental factors (e.g., drugs or alcohol misuse) and despite the high prevalence of heavy alcohol consumption among youth, research on the neural signatures of this particular behavior, is lacking. The pattern of heavy alcohol consumption in a brief period of time followed by intervals of abstinence is known as Binge Drinking (BD). This highly risky behavior has gathered several followers in the last decades among young teenagers and college students. Structural, functional and electrophysiological studies have shown alterations in the binge drinkers brains in widespread areas including the frontal cortex, in addition to several cognitive deficits, including the inhibitory control, although not very explanatory about the underlying processes that might prompt the BD behavior. As such, the present report aim to search for neurodevelopmental markers contextualized in the addiction models that could signal alcohol misuse among young consumers. Likewise, the first study describes the healthy development of the prefrontal white matter, since this is a major event that strongly contributes to improving cognitive skills, mainly in adolescence. Data gathered in this study reveals a protracted course of prefrontal white matter maturation (e.g., increased myelination, axonal density, and fibers’ organization) until the third decade of life. Significant white matter alterations were observed between adolescence and early adulthood, suggesting a continuous reorganization of the prefrontal cortex in response to environmental demands, and associated with advanced cognitive abilities. Taking into account the vulnerability of the adolescent brain, the aim of our second study was to search for abnormalities in the prefrontal network associated to self-regulation and inhibitory control in binge drinkers. The findings revealed gray matter abnormalities in the binge drinkers’ prefrontal regions, compared to their alcohol-abstinent peers, associated to diminish self-control. Considering these results, in the third study white matter analysis were conducted in the same prefrontal regions in order to complete the anatomic assessment associated with inhibitory control. The results revealed white matter alterations in the binge drinkers’ prefrontal cortex, in comparison with alcohol-abstinent controls, which were associated to the intensity and frequency of BD. Overall, these findings revealed abnormalities in the prefrontal gray and white matter in the binge drinkers, compared to alcohol-abstinent controls, associated to abnormal self-regulatory processes. The neurodevelopmental specificities found in binge drinkers might be premorbid, existing even before their first contact with alcohol, eventually prompting to alcohol initiation. Further investigation should deeper explore these findings.

A adolescência é um período caracterizado pelo aperfeiçoamento de funções cognitivas complexas, nomeadamente o controlo inibitório e a capacidade de autorregulação, em paralelo com um conjunto de processos desenvolvimentais (por exemplo, diminuição da substância cinzenta e aumento da substância branca) em regiões do córtex pré-frontal, subjacentes à maturação destes processos cognitivos. Um autocontrolo subdesenvolvido tem sido associado à vulnerabilidade dos adolescentes face a factores ambientais adversos (por exemplo, drogas ou abuso de álcool) e, apesar da alta prevalência do consumo intensivo de álcool entre os jovens, falta investigação sobre as assinaturas neurais associadas a este comportamento. O padrão de consumo intensivo de álcool durante um breve período de tempo, seguido de intervalos de abstinência, é conhecido com Binge Drinking (BD). Este comportamento de risco reuniu vários seguidores nas últimas décadas entre os jovens adolescentes e os estudantes universitários. Estudos estruturais, funcionais e eletrofisiológicos têm revelado alterações em diversas áreas do cérebro dos jovens consumidores, incluindo o córtex pré-frontal, para além de vários défices cognitivos, que incluem o controlo inibitório, embora os resultados encontrados até ao momento não sejam suficientemente esclarecedores sobre os processos subjacentes ao BD, e que possam conduzir a este comportamento. Neste sentido, no presente trabalho pretende-se investigar marcadores neurodesenvolvimentais, ancorados nos modelos de abuso e dependência de substâncias, que poderiam contribuir para sinalizar o uso indevido do álcool entre os jovens consumidores. Assim, o primeiro estudo descreve o desenvolvimento normativo da substância branca do córtex pré frontal, uma vez que este é um evento de grande relevância no aperfeiçoamento das capacidades cognitivas, principalmente durante a adolescência. Os resultados revelaram um trajeto prolongado de maturação da substância branca pré-frontal (por exemplo, aumento da mielinização, densidade axonal e organização das fibras) até à terceira década de vida. Alterações significativas da substância branca foram observadas entre a adolescência e início da idade adulta, sugerindo uma reorganização contínua do córtex pré-frontal em resposta a estímulos ambientais e associada a capacidades cognitivas complexas. Tendo em consideração a vulnerabilidade do cérebro adolescente, o objetivo do nosso segundo estudo foi procurar anomalias na rede pré-frontal associada à autorregulação e ao controlo inibitório nos jovens binge drinkers. Os resultados revelaram alterações da substância cinzenta nas regiões préfrontais dos binge drinkers, em comparação com seus pares não consumidores, associadas a uma diminuição do autocontrolo. Considerando estes resultados, no terceiro estudo, foi conduzida uma análise da substância branca nas mesmas regiões pré-frontais, com a finalidade de completar a avaliação anatómica associada ao controlo inibitório. Os resultados revelaram alterações da substância branca no córtex pré-frontal dos binge drinkers, em comparação com os controlos, associadas à intensidade e frequência do BD. No geral, estes resultados revelaram alterações da substância cinzenta e branca pré-frontal nos binge drinkers, em comparação com os controlos não consumidores, associadas a processos de autorregulação deficitários. As especificidades neurodesenvolvimentais encontradas nos binge drinkers podem eventualmente ser pré-mórbidas, existindo mesmo antes do primeiro contato com o álcool, sendo percussivas na iniciação ao consumo de álcool. Futura investigação deverá explorar mais aprofundadamente estas hipóteses.