A Distributed Brain System for Decision Making

Abstract
Recent research on brain mechanisms in decision making is reviewed from studies using the Iowa Gambling Task and similar ones with patients suffering from brain lesions and in normal controls with functional neuroimaging. These studies show that the ventromedial prefrontal cortex and its orbital sector, especially in the right hemisphere play a crucial role in decision-making. However, lesions of the dorsolateral prefrontal cortex and other brain regions will also interfere with the task. Thus, other structures which perform an important role are the anterior cingulate cortex, which is related to anticipation and behaviour choice, the insular cortex, associated to assigning affective values to somatic signals which are a part of anticipation of the affective consequences of decisions, the amygdala, which intervenes in an alert system in response to significant stimuli, particularly those with a negative affective load, and the ventral striatum, when a reinforcing stimulus is expected. We can, therefore, talk about a distributed brain system which intervenes dynamically in decision-making processes.

Key words
brain lesion, decision making, emotion, Iowa Gambling Task, prefrontal cortex

Artículo completo
Introducción
Tomar decisiones implica la puesta en marcha de distintos procesos, como la evaluación de los estímulos presentes en la situación, la actualización de recuerdos almacenados y su mantenimiento en la memoria a corto plazo o la anticipación de consecuencias con valor afectivo positivo y negativo, de los que son responsables diferentes estructuras y sistemas cerebrales.
Los estudios de lesión cerebral en humanos por resonancia magnética funcional (RMf) indican que durante la toma de decisiones se activa un circuito cerebral distribuido del que forman parte distintas estructuras. Una de las pruebas más utilizadas en el estudio de los mecanismos cerebrales de la toma de decisiones es la Iowa Gambling Task (IGT). Como el resto de las pruebas de toma de decisiones, la IGT es compleja y requiere la participación de diferentes estructuras,^1,2 entre ellas la corteza prefrontal ventromedial (CPFVM)/corteza orbitofrontal (COF), la corteza prefrontal dorsolateral (CPFDL), la corteza cingulada anterior (CCA), la corteza insular (anterior), el lóbulo parietal superior y el núcleo accumbens/estriado ventral (caudado, putamen).
Algunas de estas estructuras están relacionadas con la integración de la información cognitiva y emocional, como es el caso de la CPFVM y la CCA. La CPFDL está implicada en la memoria de trabajo y en los mecanismos que intervienen en la atención voluntaria, procesos en los que toma parte también la corteza parietal superior. Estas estructuras posibilitan la recuperación de recuerdos y su mantenimiento en la memoria a corto plazo para su utilización posterior. Otras regiones están relacionadas con el procesamiento y anticipación de estímulos reforzantes y aversivos, como el núcleo estriado ventral y la amígdala. Por último, y en el marco de la hipótesis del marcador somático de Antonio Damasio, ciertas estructuras, como la ínsula anterior, asignarían valor afectivo a las respuestas vegetativas.³

Corteza prefrontal ventromedial/corteza orbitofrontal
Las lesiones ventromediales trastornan selectivamente la ejecución en la IGT. Los estudios de neuroimágenes muestran que la realización de la IGT va acompañada de aumentos en la actividad de la CPFVM. Northof y col.⁴ encontraron una correlación entre la activación de esta región al realizar un juicio afectivo y la provocada por la realización de la IGT, lo que les llevó a concluir que en la medida en que haya mayor actividad en la CPFVM, habrá una mejor realización de la IGT. Krain y col.,⁵ en un metanálisis, también confirman la participación de la COF en las decisiones con componentes afectivos. En una versión más simple de la IGT, Tanabe y col.⁶ encuentran mediante RMf aumentos en la actividad de la COF derecha (área de Brodman, AB 10), si bien localizados en posiciones más dorsales. Estos datos apoyan en general la hipótesis del marcador somático relativa a una participación o integración de la emoción en la toma de decisiones, en la que la CPFVM desempeña un papel crucial.^7,8
La ambigüedad, entendida como la falta de información relevante, lleva a una mayor activación de la COF y de la amígdala, así como de la corteza prefrontal dorsomedial (CPFDM).⁹ La lesión orbitofrontal, por su parte, conduce a la insensibilidad a los aspectos de riesgo e incertidumbre, lo que indica que estos pacientes no se desenvuelven bien en estas situaciones, de manera que realizan elecciones que no están influidas por el nivel de riesgo o de incertidumbre. Además, la lesión del polo frontal (AB 10) perturba la toma de decisiones en situaciones de información insuficiente.^6,10
A pesar del deterioro en la realización de la IGT que provoca la lesión en la CPFVM, distintos autores encuentran que este efecto no es específico de tal localización, sino de lesiones más difusas.¹¹ Estos datos son compatibles con los hallazgos que muestran que la ejecución de la IGT depende de la integridad de la CPFVM. Cuando los pacientes presentan lesiones de la CPFVM que se extienden a áreas adyacentes, como la CPFDL, puede suceder que otras funciones cognitivas (como la memoria de trabajo) que son necesarias para realizar la IGT estén alteradas. En tal caso, los déficit en la IGT pueden deberse a estas alteraciones y no a las lesiones ventromediales. Existe, por tanto, una disociación entre las funciones de la CPFVM y las de la CPFDL, ya que la realización de la IGT es específica de la CPFVM, pero las lesiones de la CPFDL impiden tanto la memoria de trabajo como la IGT.¹² Fujiwara y col.,¹³ en pacientes con lesiones frontales ventrales, también encuentran efectos inespecíficos en la ejecución de la IGT. En concreto, el deterioro en la realización de la tarea estaba relacionado con el volumen de materia gris perdido en las regiones frontales mediales superiores. La corteza frontal medial superior está posiblemente más relacionada con demandas cognitivas, tales como las derivadas de la memoria de trabajo, funciones atencionales generales y resolución del conflicto entre respuestas. Datos más recientes apuntan a que las lesiones frontales amplias que incluyen la COF llevan a aumentos en la cuantía de las apuestas, lo que se traduce en mayores pérdidas en la IGT.¹⁴

Interpretación y funciones
Una función atribuida, en general, a la corteza prefrontal es el procesamiento de los estímulos asociados con refuerzos y castigos y, en consecuencia, de los estímulos emocionales y de las reacciones ante ellos. La investigación animal encuentra que la activación de células específicas anticipa las elecciones en distintas regiones, principalmente en el cuerpo estriado, pero también en la corteza prefrontal, a lo largo de los sistemas dopaminérgicos ascendentes. La COF posee neuronas que codifican la expectativa de recompensa y estudios de RMf en humanos muestran activación de la CPFVM asociada a la recompensa esperada en muchas tareas diferentes.¹⁵ Una función de la COF sería conectar la información del estímulo que pueda recuperarse de la memoria con su valor de recompensa.
Diferentes autores proponen que la CPFVM, y en especial el sector orbital medial, representaría la codificación del valor relativo de recompensa o castigo de los estímulos.¹⁶ Las lesiones en la CPFVM afectan especialmente aprendizajes en los que la flexibilidad conductual es importante, como el aprendizaje de inversión (reversal learning). Las tareas complejas que requieren flexibilidad conductual, como la IGT, se ven deterioradas por las lesiones en la CPFVM. Sin embargo, tareas de aprendizaje de inversión menor complejas no se ven afectadas por las lesiones ventromediales, a no ser que dichas lesiones alcancen otras regiones como el cerebro basal.^17,18 Fellows y Farah¹⁹ propusieron que la lesión de la CPFVM podría conducir al sujeto a dejarse llevar de forma permanente por las primeras elecciones debido a las fuertes recompensas de los montones desventajosos, y el orden original de las cartas en estos montones puede inducir una preferencia por ellos que sea difícil de invertir con nuevas contingencias. El paciente carece de flexibilidad conductual y no puede adaptarse a los cambios en el valor del refuerzo. En su investigación, Fellows y Farah¹⁹ modificaron la tarea cambiando el orden de las cartas, de forma que los montones desfavorables comenzaban con pérdidas. En este caso, los pacientes con lesiones en la CPFVM rindieron igual que los controles normales, evitando los montones con grandes pérdidas, pero los pacientes con lesiones en la CPFDL continuaron realizando mal la tarea. Sin embargo, su muestra de pacientes presentaba lesiones posteriores de la CPFVM que afectaban el cerebro anterior basal.
Dado que la IGT es una tarea compleja, podría ocurrir que son las alteraciones en procesos más simples las que llevan a un mal rendimiento en pacientes con lesiones en la CPFVM o en su porción orbital. Fellows y Farah,²⁰ proponen que la CPFVM interviene en decisiones relativamente sencillas como la comparación entre el valor relativo de diferentes opciones. Como resultado de lesiones ventromediales puede observarse una dificultad general básica que se manifiesta en decisiones simples de comparación, e incluso en tareas de toma de decisiones en las que las probabilidades son conocidas y, por lo tanto, la incertidumbre es baja.
Más datos que indican el papel de la CPFVM en la regulación e incorporación de la emoción a la toma de decisiones proceden de que la lesión de la CPFVM lleva a un número elevado de juicios utilitarios, excesivamente racionales en la toma de decisiones morales, sobre todo en dilemas difíciles con fuerte carga emocional. Estos juicios requieren más tiempo de decisión en los controles normales. El razonamiento lógico, racional, predomina en estos pacientes y domina sobre las emociones.²¹ Igualmente, en el juego de Ultimátum, estos pacientes muestran reacciones emocionales desproporcionadas de enfado y rechazo cuando reciben ofertas muy bajas para repartir un dinero que deben aceptar o rechazar. Este comportamiento habla más de la dificultad de estos pacientes en modular sus reacciones en situaciones sociales.²² En experimentos de arrepentimiento (regret) la lesión en la COF lleva a que el paciente experimente emociones negativas, pero tal vez con menor intensidad, y no las utilice en elecciones sucesivas, como observan Camille y col.²³
En resumen, la CPFVM, y en particular el sector orbitofrontal, integraría la información emocional y cognitiva. Se encuentra implicada en la toma de decisiones en situaciones de ambigüedad, con información insuficiente. Anticipa la magnitud de la recompensa de las opciones y su probabilidad (valor esperado) en función de la experiencia anterior, proporciona flexibilidad al comportamiento y permite, por ejemplo, dejar de hacer algo y cambiar a otra opción más interesante o reforzante.¹⁰

Lateralización hemisférica
Distintos trabajos refuerzan el papel del hemisferio derecho en la realización de la IGT. La CPFVM y la COF del hemisferio derecho contribuyen más a la conducta social, emocional y a la toma de decisiones que las mismas regiones del hemisferio izquierdo.^6,24. Fellows y Farah¹⁹ confirman también que el daño en la CPFDL derecha provoca más trastornos en la realización de la IGT, aunque la lesión izquierda también la deteriora. Los estudios de lesiones mostraron diferencias por sexo según la lateralización de la lesión ventromedial, de manera que los hombres ejecutan peor la IGT cuando las lesiones afectan el lado derecho, mientras que las mujeres realizan peor la tarea con lesiones en la CPFVM izquierda.^24,25
También se encontraron diferencias por sexo en las regiones cerebrales activadas durante la realización de la IGT, de manera que los hombres mostraban mayor activación en el hemisferio derecho (COF, CPFDL y lóbulo parietal) así como en la COF lateral izquierda.²⁶ En las mujeres se activaban más la COF medial izquierda, la CPFDL izquierda y el lóbulo temporal izquierdo. La mayor activación de la COF lateral podría indicar una mayor sensibilidad al castigo y mayor efecto o representación de las consecuencias de las decisiones desventajosas.²⁶

Corteza prefrontal lateral/dorsolateral
Las situaciones de toma de decisiones suelen resultar en la activación de las regiones dorsales y laterales de la corteza prefrontal, especialmente cuando el esfuerzo cognitivo y la participación de la memoria de trabajo son importantes.²⁷ Por otro lado, tanto la lesión de la CPFVM como de la CPFDL llevan a una mala ejecución de la IGT.¹⁹ Estudios de neuroimágenes funcionales encontraron que una buena ejecución en la IGT correlaciona con la actividad de la CPFL derecha implicada en la atención y en la memoria de trabajo.⁴ También en controles normales, cuando se han empleado tareas de riesgo y ambigüedad, se encuentra que cuando hay preferencia por la ambigüedad (incertidumbre con probabilidades desconocidas) hay aumentos en la CPFL.²⁸ La circunvolución frontal inferior y la COF lateral están asociadas a la evaluación de la relevancia contextual de la información emocional y su incorporación al proceso de toma de decisiones en tareas de apuestas.²⁹ En esta línea, Rolls y col.¹⁶ encuentran activación de la circunvolución frontal inferior lateral (AB 44) cuando la decisión es difícil. La CPFL contribuiría a la flexibilidad de la conducta y al análisis del contexto que permite aumentar la información en la toma de decisiones. En cambio, cuando la tarea no exige un esfuerzo cognitivo importante, por ejemplo en la Cambridge Gamble Task, los pacientes con lesiones en la CPFL y en la CPFVM realizan la tarea igual que los controles normales, aunque los pacientes con lesión ventromedial tienden, como se ha visto antes, a elegir apuestas elevadas.¹⁴
Junto con estas estructuras participan en la toma de decisiones otras áreas como la ínsula anterior y la corteza parietal posterior, esta última integrante de un sistema atencional o de control cognitivo que, en asociación con otras estructuras más anteriores, puede englobarse dentro de las funciones ejecutivas. Así, Huettel y col.²⁸ encuentran activación de la corteza parietal posterior en sujetos con preferencia por el riesgo (incertidumbre con probabilidades conocidas). Krain y col.⁵ asocian la activación de distintas regiones de la corteza parietal (precúneo AB 7, lóbulo parietal inferior bilateral, AB 40, y lóbulo parietal superior derecho, AB 7) a decisiones puramente cognitivas, sin implicación emocional, en las que también participa la CPFDL. Ahora bien, tanto el lóbulo parietal inferior izquierdo como el lóbulo parietal superior participan también en elecciones con carga emocional. La conclusión es que la corteza parietal se activa tanto en decisiones con carga emocional como en aquéllas que no la tienen.

Funciones
La activación de las regiones laterales y dorsolaterales de la corteza prefrontal en tareas de toma de decisiones revela la participación de procesos atencionales y de memoria de trabajo en la IGT, lo que es esperable al tratarse de una tarea compleja.
Es sugerente pensar que cuando la tarea es más ambigua, se dispone de menos información y los componentes afectivos son más importantes, mayor será la participación de las regiones orbitales y mediales de la corteza prefrontal, mientras que cuando la demanda o carga cognitiva es mayor, más activación se produce en las regiones dorsolaterales, particularmente en el hemisferio derecho. Estas dos condiciones pueden darse conjuntamente en algunas tareas de toma de decisiones. Ahora bien, los problemas que poseen los pacientes con lesión en la CPFVM o en la CPFDL y que les llevan a realizar mal la IGT son diferentes. Fellows y Farah¹⁹ concluyen que los pacientes con lesiones en la CPFDL presentan problemas de ejecución que no se deben al aprendizaje de inversión, ya que realizan también mal la versión modificada de la IGT, que no se ve afectada por la lesión ventromedial.

Amígdala
La amígdala interviene en la asignación de valor afectivo a los estímulos, estableciendo asociaciones entre un estímulo dado y sus consecuencias emocionales. Formaría parte de un sistema cerebral de la vigilancia que se activa ante estímulos relevantes y, por lo tanto, ante los afectivos. Hsu y col.⁹ encuentran que se activa junto con la COF y la CPFDM en situaciones de ambigüedad, en las que se carece de información. Los cambios emocionales, tanto positivos como negativos, inducidos en la toma de decisiones activan, por tanto, la amígdala.³⁰ Pero sus funciones son diferentes a las de la CPFVM. Mientras que la amígdala responde principalmente a los estímulos presentes en la situación, la CPFVM desempeñaría un papel más complejo al evocar respuestas emocionales a los estímulos almacenados en la memoria sin la intervención directa de la amígdala.^31,32
La lesión amigdalina provoca una baja reactividad ante pérdidas y ganancias. Trabajos anteriores encontraron que la lesión amigdalina iba acompañada de graves problemas en la realización de la IGT, derivados posiblemente de la incapacidad de generar respuestas fisiológicas ante las consecuencias recompensantes y de castigo de las decisiones tomadas.⁷
El papel de la amígdala es menos relevante en tareas en las que se anticipan ganancias o pérdidas, o en las que el riesgo se presenta como pérdida potencial y no real, esto es sin feedback respecto de la decisión.^2,33,34

Estriado ventral/núcleo accumbens
Los estudios de RMf encuentran activación del estriado ventral cuando se esperan o anticipan recompensas,⁶ así como cuando la recompensa recibida no se corresponde con la esperada (error de predicción).³⁵ La ambigüedad disminuye la recompensa anticipada de las decisiones y disminuye también la activación del estriado.⁹ Esto mismo se encuentra en otras regiones ligadas al sistema dopaminérgico ascendente y, de manera especial, en la COF medial y en la CCA pregenual. La actividad dopaminérgica en el estriado ventral se corresponde con la magnitud de la recompensa.³³ Los sistemas dopaminérgicos del tronco cerebral y de la corteza prefrontal representan los valores esperados de las recompensas y, por tanto, el error de predicción.³⁶ Los cambios en la actividad del estriado ventral que acompañan la magnitud de la recompensa podrían obedecer, según Rolls y col.,¹⁶ al input procedente de la COF medial. D’Ardenne y col.³⁷ encuentran, con el empleo de la Guessing Task, que en los ensayos de ganancia aumenta la actividad del área tegmental ventral, estructura troncoencefálica origen de vías dopaminérgicas ascendentes.
En resumen, el sistema de la recompensa cerebral, originado en las vías dopaminérgicas procedentes del tronco cerebral que se dirigen al cuerpo estriado y a la COF medial y a la CCA precallosa y subcallosa intervienen en la anticipación de la recompensa y en su valor esperado o la evaluación de su magnitud y probabilidad.

Corteza cingulada anterior
Diferentes autores confirman la participación de la CCA en la toma de decisiones.⁶ La CCA se activa antes de la toma de decisiones e integra, de forma parecida a la COF, el valor de recompensa de las consecuencias de dicha acción.¹⁵ Se piensa que interviene en situaciones de incongruencia o conflicto entre diferentes opciones y en aquellas caracterizadas por riesgo o incertidumbre.³⁸ Registros electrofisiológicos muestran la aparición de una deflexión negativa frontal medial, con una latencia de 250 milisegundos, cuando el sujeto recibe un feedback negativo, equiparable a cuando el sujeto recibe un estímulo o señal que indica pérdida o no recompensa. Se localiza el origen de este potencial en la CCA y se atribuye a sistemas dopaminérgicos mesencefálicos y de los ganglios basales que se activan cuando los resultados son mejores o peores de los esperados.³⁹ Como se ha visto, las neuronas dopaminérgicas codifican la diferencia entre la recompensa esperada y la recibida (error de predicción).
Se ha propuesto una división funcional entre la CCA dorsal, más involucrada en la atención y en las funciones ejecutivas, y la CCA rostral o subcallosa, más implicada, por el contrario, en la regulación de respuestas emocionales. En tareas cognitivas que exigen esfuerzo mental, como la tarea de Stroop, se produce una coactivación de la CCA dorsal y la CPFDL. Ambas intervendrían en el control cognitivo y podrían modular inhibitoriamente la amígdala.^9,40,41 No obstante, según Krain y col.,⁵ las decisiones sin implicación emocional también activarían la región subcallosa de la CCA.

Corteza insular
Esta región genera señales anticipadoras de estímulos aversivos y de consecuencias negativas. Se activa también cuando la recompensa es menor de la esperada.¹⁶ Kuhnen y Knutson³⁵ encuentran activación de la ínsula anterior que precede a elecciones de riesgo y a errores producidos por la aversión al riesgo. Huettel y col.²⁸ también encuentran activación de la ínsula anterior en situaciones de ambigüedad, esto es de incertidumbre con probabilidades desconocidas. Los pacientes con lesión insular presentan problemas al ajustar sus apuestas a la probabilidad de ganar, incluso cuando ésta es conocida, durante la ejecución de la Cambrige Gamble Task.¹⁴ Además, estudios de neuroimágenes confirman el papel de la corteza insular en las tareas de riesgo.⁴²
La hipótesis de Clark y col.¹⁴ es que la corteza insular anterior estaría implicada en la señalización de las consecuencias aversivas y, por tanto, en la toma de decisiones en situaciones de riesgo, cuando el sujeto tiene que anticipar las consecuencias aversivas de las elecciones. Según la teoría del marcador somático, esta región sería clave en la anticipación de las elecciones desventajosas y procesaría los marcadores somáticos o representación cortical de los cambios somáticos y viscerales que indican malestar en la anticipación de las opciones desventajosas. Su principal función sería la asignación de valor emocional a los cambios somáticos convirtiéndolos en señales afectivas.^7,8,41 El daño en la corteza insular llevaría a que no se proporcionen señales de error o de anticipación de pérdidas, para su posterior integración y procesamiento en la CCA y en la CPFVM, por lo que no existirían marcadores somáticos. Estos pacientes, al carecer de señales somáticas optan por elecciones de riesgo, más desventajosas, y realizan mejor que los normales las tareas en las que el riesgo se recompensa.⁴³ Esto indicaría que son menos sensibles al castigo y podría resultar en una preferencia por el riesgo, como apuntan Dunn y col.⁴⁴

Conclusiones
La CPFVM y su sector orbital, especialmente en el hemisferio derecho, participan de forma crucial en la toma de decisiones, medida a través de la IGT y otras tareas relacionadas. Pero al ser ésta una tarea compleja, su realización requiere la intervención de otras regiones cerebrales, ya que las lesiones en la CPFDL también la perjudican.
Dos hipótesis no necesariamente excluyentes surgen para explicar las funciones de la CPFVM/COF y que darían cuenta de los déficit de los pacientes con lesión en estas estructuras en las tareas de toma de decisiones:
- permite la integración de las señales cognitivas y emocionales, especialmente somáticas, que van asociadas y anticipan las consecuencias de las decisiones. Las lesiones llevarían a una preferencia por apuestas elevadas y mayor riesgo.
- representa la flexibilidad conductual o capacidad para actualizar el valor cambiante de recompensa de los estímulos, efectuar comparaciones adecuadas entre ellos y actuar en consecuencia. Los pacientes con lesiones en estas regiones podrían presentar problemas de inhibición de respuestas que les impiden, por ejemplo, adaptarse a nuevas contingencias de refuerzo.⁴⁴
La investigación futura podría estar dirigida a esclarecer en qué medida la participación de las zonas más laterales y dorsales de la corteza prefrontal es necesaria para la toma de decisiones en situaciones de incertidumbre y, en consecuencia, la mayor o menor especificidad de la CPFVM y su sector orbital en este proceso. En situaciones de incertidumbre será más difícil evaluar el valor motivacional o emocional de los estímulos, lo que resulta en mayor actividad en la CPFVM y en la CPFDL. Esta última participa en la toma de decisiones, ya que la memoria de trabajo interviene activamente, pero la CPFVM es más específica respecto de tareas como la IGT. La complejidad de la IGT puede ser un obstáculo para evaluar el papel relativo de procesos más simples que participan en la toma de decisiones. Esta tarea muestra una alta sensibilidad para los déficit en la toma de decisiones, y una baja especificidad para los procesos que participan en ella.¹⁸ Los trastornos en la toma de decisiones pueden tener lugar con las funciones ejecutivas intactas, pero la alteración de las funciones ejecutivas impide la correcta toma de decisiones.¹⁸ Por lo tanto, la CPFDL parece ser necesaria pero no suficiente para realizar adecuadamente estas tareas.
Otras estructuras que desempeñan un importante papel son la CCA –relacionada con la anticipación y selección de la conducta a adoptar–, la corteza insular –asociada a la asignación de valor afectivo a las señales somáticas que forman parte de la anticipación de las consecuencias afectivas de las decisiones–, la amígdala –que interviene en un sistema de alerta ante estímulos significativos, particularmente de carga afectiva negativa– y el estriado ventral, cuando se espera un estímulo reforzante. Así pues, podemos hablar de un sistema cerebral distribuido que interviene de forma dinámica en los procesos de toma de decisiones. Por tanto, siguiendo a Bechara,⁴⁵ se puede concluir que en la toma de decisiones intervienen dos mecanismos. Por un lado, un sistema impulsivo basado en la actividad de la amígdala y el estriado ventral, que indica o anticipa placer o dolor, como resultado inmediato de las posibilidades de la opción y del contexto; interviene en respuestas rápidas, generando reacciones viscerales y motoras. Por otro, un sistema reflexivo, basado en la corteza prefrontal, que se refiere a las consecuencias futuras de las posibles opciones; se activa por el recuerdo de decisiones anteriores y por la anticipación de posibles estados emocionales, inhibe el sistema impulsivo al considerar las consecuencias futuras y la experiencia anterior.

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