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

Tese de Doutoramento em Psicologia Básica
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.
This work was conducted at Psychology Research Centre (UID/PSI/01662/2013), University of MInho, and
supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology and the Portuguese Ministry of Education and Science through national funds and co-financed by FEDER through COMPETE2020 under the PT2020 Partnership Agreement (POCI-01-0145-FEDER-007653). Sónia Silva Sousa was supported by the SFRH/BD/88628/2012, Doctoral Fellowship of the Portuguese Foundation for Science and Technology, co-financed by POPH/FSE through QREN.