Anterior cingulate cortex

กายวิภาค

anterior cingulate cortex สามารถแบ่งตามกายวิภาคออกเป็นส่วนล่าง (dorsal ตัวย่อ dACC) ที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับประชาน และส่วนบน (ventral) ที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับอารมณ์ความรู้สึก dACC เชื่อมต่อกับคอร์เทกซ์กลีบหน้าผากส่วนหน้า (prefrontal cortex) คอร์เทกซ์กลีบข้าง (parietal cortex) ระบบสั่งการ (motor system) และ frontal eye fields จึงเป็นศูนย์กลางของการประมวลสิ่งเร้าทั้งแบบจากบนไปล่าง (top-down) ทั้งแบบจากล่างไปบน (bottom-up) และส่งงานต่อไปยังเขตสมองอื่น ๆ เปรียบเทียบกับส่วนบน (ventral) ของ ACC ซึ่งเชื่อมกับอะมิกดะลา, nucleus accumbens, ไฮโปทาลามัส, และ anterior insular cortex และมีหน้าที่ประเมินความเด่นทางอารมณ์ (emotional salience) และแรงจูงใจ ACC ดูเหมือนจะมีหน้าที่เป็นพิเศษในงานที่ต้องใช้ความพยายาม เช่น การเรียนรู้ระยะต้น และการแก้ปัญหา
ในระดับเซลล์ ACC มีนิวรอนพิเศษคือเซลล์รูปกระสวย (spindle cell) มากอย่างไม่เหมือนใคร เป็นเซลล์ที่มีวิวัฒนาการไม่นานนัก ซึ่งพบแต่ในมนุษย์, ลิงใหญ่อื่น ๆ, สัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมทางทะเล (cetacean) และช้าง เป็นเซลล์ที่มีบทบาทในหน้าที่พิเศษของเขตสมองนี้ เกี่ยวกับการแก้ปัญหาที่ยาก และในโรคประสาทที่เกี่ยวกับ ACC

งานกระตุ้น

งานทั่ว ๆ ไปที่กระตุ้นให้ ACC ทำงาน เป็นงานที่ก่อให้เกิดความขัดแย้งบางอย่างในผู้ร่วมการทดลอง ที่อาจมีผลเป็นการทำงานผิดพลาด เช่นงานที่เรียกว่า Eriksen flanker task ซึ่งมีลูกศรชี้ไปทางซ้ายหรือทางขวา ติด ๆ กับลูกศรตัวกวนสองหัว ซึ่งอาจจะเข้ากัน (<<<<<) หรือไม่เข้ากัน (<<<>>) หรืองานอีกงานหนึ่งที่เรียกว่า Stroop task ซึ่งผู้ร่วมการทดลองต้องบอกสีของคำที่มีสีเข้ากัน (แดง พิมพ์เป็นสีแดง) หรือไม่เข้ากัน (แดง พิมพ์เป็นสีน้ำเงิน). ซึ่งมีความขัดแย้งเพราะว่า ทักษะการอ่านหนังสือของเรา จะกวนความพยายามบอกสีที่ถูกต้องของตัวหนังสือ ยังมีรูปแบบอื่น ๆ ของงานนี้เช่น Counting-Stroop ที่ต้องนับสิ่งเร้าที่เป็นกลาง ๆ (เช่น นับสุนัขสี่ตัว) หรือสิ่งเร้ากวน (เช่นนับเลข 3 สี่ครั้ง)

หน้าที่

งานศึกษาหลายงานแสดง ACC ว่ามีหน้าที่ต่าง ๆ เช่น การตรวจจับความผิดพลาด (error detection), การคาดหมายงาน (task anticipation), การใส่ใจ แรงจูงใจ (motivation) และการควบคุมปฏิกิริยาทางอารมณ์

การตรวจจับความผิดพลาดและความขัดแย้ง

ทฤษฎีแบบพื้นฐานที่สุดเกี่ยวกับ ACC แสดงว่า ACC มีบทบาทในการตรวจจับความผิดพลาด (error detection) โดยใช้หลักฐานที่มาจากงานศึกษาที่ใช้ Stroop task แต่ว่า ACC ก็ยังทำงานด้วยเมื่อตอบสนองอย่างถูกต้อง ซึ่งมีหลักฐานจากงานตรวจอักษร ที่ผู้ร่วมการทดลองต้องตอบสนองต่ออักษร X หลังจากเห็นอักษร A และต้องไม่สนใจวิธีการแสดงลำดับอักษรอื่น ๆ แล้วพบว่า ถ้ามีลำดับอักษรที่ไม่ใช่เป้าหมายอื่น ๆ มากกว่า ACC ก็จะมีระดับการทำงานที่สูงกว่า
ทฤษฎีที่คล้ายกันอีกอย่างหนึ่งแสดงว่า หน้าที่หลักของ ACC ก็คือตรวจตราความขัดแย้งกัน ในงานศึกษาที่ใช้ Eriksen flanker task การทดลองที่มีสิ่งเร้าที่ไม่เข้ากันจะมีความขัดแย้งสูงสุด และ ACC จะทำงานมากที่สุด คือ เมื่อตรวจจับความขัดแย้งได้ ACC จะให้ข้อมูลกับเขตอื่น ๆ ในสมอง เพื่อรับมือกับข้อมูลจากระบบที่ขัดแย้งกัน

หลักฐานจากงาน EEG

หลักฐานว่า ACC มีหน้าที่ตรวจจับความผิดพลาดมาจากงานศึกษาที่ตรวจสอบ error-related negativity (ERN) ซึ่งเป็นคลื่นสมองเฉพาะพิเศษที่เกิดใน ACC เมื่อมีการทำงานผิดพลาด มีการแยกแยะระหว่างคลื่น ERN ที่ตามการตอบสนองที่ผิดพลาด คือ response ERN และที่เกิดตามหลังจากที่มีตัวบอกผู้ร่วมการทดลองว่า ได้ทำงานผิดพลาด คือ feedback ERN
แต่ยังไม่มีใครที่สามารถแสดงได้อย่างชัดเจนว่า คลื่น ERN มาจาก ACC, แม้ว่า คนไข้ที่มีคอร์เทกซ์กลีบหน้าผากส่วนหน้าด้านข้าง (lateral PFC) เสียหาย จะมีคลื่น ERN ที่ลดระดับลง
ทฤษฎี Reinforcement learning ERN theory เสนอว่า เมื่อการตอบสนองจริง ๆ และการตอบสนองที่ควรจะเป็นไม่เหมือนกัน จะทำให้เกิดคลื่น ERN นอกจากนั้นแล้ว ทฤษฎีนี้พยากรณ์ว่า เมื่อ ACC ได้รับข้อมูลที่ขัดแย้งกันจากเขตประมวลผลต่าง ๆ ในสมอง มันจะกำหนดและจัดแจง เขตสมองที่จะมีอำนาจเหนือระบบสั่งการ (motor system) ที่ควบคุมพฤติกรรมตอบสนอง เชื่อกันว่า ระบบประสาทที่ใช้สารโดพามีน มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพการทำงานของระบบนี้ โดยให้ข้อมูลเกี่ยวกับการคาดหวังว่าเหตุการณ์หนึ่ง ๆ จะมีผลอย่างไร ERN จึงเป็นเหมือนกับตัวบ่งชี้ว่า เหตุการณ์กำลังเป็นไปอย่างไม่ได้คาดหวัง งานศึกษา feedback ERN แสดงหลักฐานว่า สัญญาณจะมีแอมพลิจูดที่สูงกว่า เมื่อสิ่งที่เกิดขึ้นผิดกับความคาดหวังมาก กล่าวอีกนัยก็คือ ถ้าเหตุการณ์หนึ่งไม่น่าจะเกิดขึ้น แล้วผู้ร่วมการทดลองตรวจจับข้อผิดพลาดนั้นไม่ได้ เมื่อตัวบ่งชี้แสดงว่ามีการทำงานผิดพลาด feedback ERN ก็จะมีแอมพลิจูดที่สูงกว่า งานศึกษาอื่นได้ตรวจสอบการทำงานของ ERN โดยปรับเปลี่ยนค่าความเสียหายของความผิดพลาด แล้วเช็คการตอบสนองที่เกิดขึ้น
ในงานทดลองเหล่านี้ มีการบอกผู้ทดลองว่า ได้หรือเสียเงินหลังจากตอบสนอง แอมพลิจูดของ ERN ต่อทั้งการได้และการเสียที่มีค่าเล็กน้อยจะเหมือนกัน และไม่มีการตอบสนองของ ERN ต่อการเสีย เปรียบเทียบกับมีการตอบสนองของ ERN ถ้าเป็นการไม่ชนะ ทั้ง ๆ ที่จริง ๆ แล้วเป็นผลเหมือนกัน สิ่งที่ค้นพบในงานศึกษารูปแบบนี้บอกเป็นนัยว่า การตรวจตราทั้งการชนะและการแพ้ของระบบประสาท มีฐานอยู่ที่การได้การเสียที่คาดหวัง ถ้าเราได้ผลที่ต่างจากที่หวัง ERN จะสูงกว่าเปรียบเทียบกับถ้าได้ผลที่คาดหวัง งานศึกษา ERN ยังได้กำหนดหน้าที่เฉพาะเจาะจงบางอย่างของ ACC อีกด้วย ส่วนด้านหน้า (rostral) ของ ACC ดูเหมือนจะทำงานหลังทำการผิดพลาด ซึ่งชี้ว่ามีหน้าที่ตอบสนองต่อข้อผิดพลาด ในขณะที่ด้านล่าง (dorsal) ของ ACC จะทำงานทั้งหลังทำการผิดพลาด และหลังจากมีตัวชี้บอกว่าทำการผิดพลาด ซึ่งบอกเป็นนัยว่า มีหน้าที่การประเมินผลในระดับที่สูงกว่า (ดูหลักฐานจากงาน fMRI ที่) เป็นการประเมินทางอารมณ์ ที่บ่งชี้ถึงความทุกข์ที่เกิดขึ้นเพราะความผิดพลาดบางอย่าง คือโดยสรุปจากหลักฐานที่ได้จากงานศึกษา ERN ดูเหมือนว่า ACC จะได้ข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งเร้า เลือกการตอบสนองที่สมควร ตรวจตราการตอบสนอง และเปลี่ยนพฤติกรรมถ้ามีผลที่ผิดไปจากความคาดหวัง

หลักฐานค้าน

ผลงานที่ศึกษาการทำงานเกี่ยวกับกระบวนการจับตรวจความผิดพลาดและความขัดแย้งในคนไข้ที่มี ACC เสียหาย สร้างความสงสัยเกี่ยวกับความจำเป็นของเขตนี้ต่อหน้าที่เหล่านี้ คือ ทฤษฎีบางอย่างไม่สามารถอธิบายหลักฐานที่ได้มาจากงาน EEG บางงาน ที่แสดงการทำงานหลังจากผู้ร่วมการทดลองตอบสนองและได้รับการชี้แนะ เพราะว่าทฤษฎีกล่าวถึง ACC ว่าเพียงแต่ตรวจสอบความขัดแย้งเท่านั้น ไม่ได้บอกถึงหน้าที่การประเมิน
จนกระทั่งถึงกับมีการกล่าวว่า "ผลทางประชานที่เกิดจากรอยโรคที่ anterior cingulate cortex ยังค่อนข้างคลุมเครือ เพราะมีกรณีคนไข้ที่มีหน้าที่ทางจิตประสาท และ executive functions ที่ไม่เสียหาย แม้ว่าจะมีรอยโรคขนาดใหญ่ที่ anterior dorsal cingulate cortex" ดูมุมมองที่แตกต่างกันเกี่ยวกับเขตสมองนี้ในงานปริทัศน์ของ Rushworth (2007)

ทฤษฎีการเรียนรู้อาศัยรางวัล

ส่วนทฤษฎีในปี ค.ศ. 2002 แสดงหน้าที่ของ ACC ที่กว้างขวางยิ่งกว่าว่า ทำการตรวจจับและตรวจตราความผิดพลาด ประเมินระดับความผิด แล้วเสนอวิธีการแก้ไขที่จะทำในระบบสั่งการ (motor system) หลักฐานที่แสดงในงานศึกษาโดยใช้ EEG ก่อน ๆ แสดงว่า ACC มีระบบย่อยที่ทำงานประเมิน ซึ่งมีหลักฐานยืนยันจากงานศึกษาที่ใช้ fMRI ทั้งส่วนล่าง (dorsal ตัวย่อย dACC) และส่วนหน้า (rostral ตัวย่อ rACC) ของ ACC ได้รับอิทธิพลจากการได้การเสียที่เป็นไปกับความผิดพลาด เช่นที่พบในงานศึกษาหนึ่ง ที่ผู้ร่วมการทดลองมีการได้การเสียทางการเงิน จากการตอบถูกตอบผิด
การทำงานในระดับสูงสุดของ dACC พบในการทดลองที่มีการเสีย แต่ว่าสิ่งเร้าไม่ได้ทำให้เกิดการตอบอย่างผิดพลาด และดังนั้น ทฤษฎีตรวจจับและตรวจตราความผิดพลาด ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไม ACC จึงทำงาน คือ dACC ดูเหมือนจะมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในการตัดสินใจและการเรียนรู้ที่อาศัยรางวัล (reward-based) โดยเปรียบเทียบกัน rACC เชื่อว่ามีบทบาทในการตอบสนองทางอารมณ์ต่อความผิดพลาด การทดลองที่ขยายสิ่งที่ทำแล้วมาก่อน ตรวจสอบผลของการได้การเสียต่อการทำงานของ ACC เมื่อมีการตอบสนองผิดพลาด โดยทดสอบผู้ร่วมการทดลองด้วยรูปแบบหนึ่งของ Eriksen flanker task โดยใช้อักษรแทนที่ลูกศร อักษรเป้าหมายจะล้อมรอบด้วยอักษรที่เข้ากันหรือไม่เข้ากัน เมื่อผู้ร่วมการทดลองตอบบททดสอบแล้ว ก็จะใช้รูปหัวนิ้วแม่มือ (ชี้ขึ้น ลง หรือกลาง ๆ) บอกว่า ได้หรือเสียเงินเพราะการตอบสนองนั้น ปรากฏว่า rACC ทำงานในระดับที่สูงกว่าถ้าผู้ร่วมการทดทดลองเสียเงินในการทดสอบ และผู้ร่วมการทดลองจะรายงานว่า ขัดใจเมื่อทำการผิดพลาด เพราะว่า ACC มีบทบาทที่ซับซ้อนกับการตรวจจับความผิดพลาด และการตอบสนองทางอารมณ์ ดังนั้น ก็อาจจะเกี่ยวข้องกับความมั่นใจในตนเองด้วย รวม ๆ กันแล้ว งานทดลองเหล่านี้ชี้ว่า ทั้งเขตด้านล่าง (dorsal) และเขตด้านหน้า (rostral) มีส่วนเกี่ยวข้องในการประเมินขอบเขตของความผิดพลาด แล้วปรับปรุงการตอบสนองครั้งต่อ ๆ ไปให้ดีขึ้น งานศึกษาที่ให้หลักฐานแนวคิดนี้ ตรวจสอบหน้าที่ของทั้งเขตด้านล่างและเขตด้านหน้าของ ACC โดยใช้ saccade
ผู้ร่วมการทดลองจะเห็นตัวชี้ ที่แสดงว่าต้องขยับตาแบบ saccade หรือ anti-saccade ในการขยับตาแบบ anti-saccade ผู้ร่วมการทดลองต้องไม่สนใจตัวชี้ที่เป็นตัวกวน เพราะว่า เป้าหมายที่ต้องการจะอยู่ตรงข้ามด้านที่ชี้ ผลการทดลองแสดงการทำงานที่แตกต่างกันของ rACC และ dACC คือ rACC ทำงานในกรณีที่ anti-saccade ที่ทำอย่างถูกต้อง เปรียบเทียบกับ dACC ซึ่งจะทำงานทั้งในกรณีที่ขยับตาทั้งอย่างถูกต้อง ทั้งที่ไม่ถูกต้อง
เมื่อ dACC ทำงาน ก็จะมีการทำงานผิดพลาดน้อยลง ซึ่งให้หลักฐานว่า ACC มีบทบาทในการทำงานที่ต้องใช้ความพยายาม (effortful) สิ่งที่พบอย่างที่สองก็คือว่า ในการทดลองที่ผู้ร่วมการทดลองตอบผิดพลาด (error trial) ACC ทำงานช้ากว่าเทียบกับการทดลองที่ตอบถูกต้อง ซึ่งบอกอย่างชัดเจนว่า ACC มีบทบาทในการประเมินผล

บทบาทในการรับรู้เหนือสำนึก

เขต ACC ในสมองสัมพันธ์กับหน้าที่มากมายที่มีสหสัมพันธ์กับประสบการณ์การรับรู้ ยกตัวอย่างเช่น ACC ทำงานในระดับที่สูงกว่าในหญิงที่ไวต่ออารมณ์ความรู้สึกของคนอื่นมากกว่า เมื่อให้ดูคลิปภาพยนตร์ที่เปี่ยมไปด้วยความรู้สึก ความไว/ความตระหนักต่ออารมณ์ความรู้สึก สัมพันธ์กับสมรรถภาพที่ดีกว่าของการรู้จำตัวบ่งชี้ทางอารมณ์ ซึ่งสะท้อนให้เห็นโดยการทำงานของ ACC แนวคิดว่า ความตระหนักรู้ (awareness) สัมพันธ์กับ ACC พอมีหลักฐานบ้าง คือว่า เมื่อผู้ร่วมการทดลองตอบสนองที่ไม่ตรงกับความจริง จะมีสัญญาณ ERN ที่ใหญ่กว่า
มีงานศึกษาหนึ่งที่พบ ERN แม้ว่าผู้ร่วมการทดลองจะไม่รู้ว่าได้ทำงานผิดพลาด ดังนั้น ถึงแม้ว่า ความตระหนักรู้ไม่จำเป็นที่จะให้เกิด ERN แต่มันอาจจะมีผลต่อแอมพลิจูดของ feedback ERN โดยเกี่ยวกับเรื่องทฤษฎีการเรียนรู้อาศัยรางวัล ความตระหนักรู้อาจจะควบคุมสัญญาณที่เกิดจากเหตุการณ์ที่ผิดคาดหมาย คือ ความตระหนักรู้ในระดับสูง อาจจะมีผลเป็นสัญญาณที่ต่ำกว่า และความตระหนักรู้ในระดับต่ำอาจจะมีผลตรงกันข้าม ดังนั้น จึงจะต้องมีงานวิจัยเพิ่มขึ้นเพื่อที่จะเข้าใจผลของความตระหนักรู้ต่อการทำงานของ ACC ที่สมบูรณ์
ในหนังสือ The Astonishing Hypothesis (สมมุติฐานที่น่าแปลกใจ) ฟรานซิส คริก ชี้ anterior cingulate โดยเฉพาะที่ anterior cingulate sulcus ว่า อาจเป็นศูนย์ของเจตจำนงเสรีในมนุษย์ โดยอ้างหลักฐานที่สร้างภาพสมองของคนไข้ที่มีรอยโรคในบริเวณสมองนี้ ซึ่งดูเหมือนจะขัดขวางเจตจำนงของตน เช่นคนไข้ที่มีกลุ่มอาการมือแปลกปลอม (alien hand syndrome)

บทบาทในความเจ็บปวด

ACC สัมพันธ์กับความรู้สึกเจ็บปวดทางกาย ดังที่เห็นในงานศึกษาที่ใช้ fMRI ซึ่งแสดงระดับการทำงานที่สูงขึ้น โดยปกติที่ด้านหลังของบริเวณบรอดมันน์ 24 อันเป็นส่วนของ ACC สัมพันธ์กับระดับความเจ็บปวด และเมื่องการทำงานเกี่ยวกับความเจ็บปวดเช่นนี้ เกิดขึ้นพร้อม ๆ กับการทำงานที่ต้องใช้ความใส่ใจสูง (คืองาน verbal fluency) งานก็จะเพิ่มระดับสัญญาณของ ACC ในเขตด้านหน้า (anterior) และ/หรือด้านบน (superior) ของเขตที่เกี่ยวข้องกับความเจ็บปวด

พยาธิวิทยา

การศึกษาผลความเสียหายต่อ ACC ช่วยให้เข้าใจหน้าที่ของ ACC ในสมองปกติ พฤติกรรมที่สัมพันธ์กับรอยโรคใน ACC รวมทั้ง ความไม่สามารถตรวจจับควา,ผิดพลาด, ความยากลำบากอย่างรุนแรงในการแก้ความขัดแย้งในงาน Stroop task, ความอ่อนไหวทางอารมณ์, การขาดความใส่ใจ, และสภาวะไม่พูดและเสียการเคลื่อนไหว (akinetic mutism) มีหลักฐานว่าคนไข้โรคจิตเภทอาจมีความเสียหายใน ACC คืองานทดลองแสดงว่า คนไข้มีปัญหาในการแก้ความขัดแย้งกันทางปริภูมิในงานคล้าย ๆ กับ Stroop task และมี ERN ที่ผิดปกติ ผู้ร่วมการทดลองที่มีสมาธิสั้น มีการทำงานใน dACC ที่ต่ำกว่าเมื่อต้องทำงาน Stroop task รวม ๆ กันแล้ว สิ่งที่ค้นพบเหล่านี้กับผลที่ได้กับงานที่ใช้ MRI และ EEG ยืนยันว่า ACC มีหน้าที่การงานหลายอย่าง
นอกจากนั้นแล้ว ยังมีหลักฐานด้วยว่า ACC อาจมีบทบาทในโรคย้ำคิดย้ำทำ (obsessive-compulsive disorder, ตัวย่อ OCD) เพราะว่า คนไข้มีระดับการทำงานของสารสื่อประสาทกลูตาเมตที่ต่ำกว่าธรรมชาติ เทียบกับเขตสมองอื่น ๆ ที่เชื่อว่า มีระดับการทำงานของกลูตาเมตเกินกว่าปกติในคนไข้ งานวิเคราะห์อภิมานในปี ค.ศ. 2009 ที่ใช้วิธีวิเคราะห์ทางสถิติแบบ Signed differential mapping ของงานศึกษาที่ใช้เทคนิค voxel-based morphometry ซึ่งเปรียบเทียบคนไข้ OCD กับคนปกติ พบว่า คนไข้มีปริมาณเนื้อเทามากขึ้นใน lenticular nucleus ในสมองทั้งสองซีก ขยายไปจนถึง caudate nuclei และมีปริมาณเนื้อเทาที่ลดลงใน medial frontal cortex/anterior cingulate cortex ทางด้านล่าง (dorsal) ในสมองทั้งสองซีก เปรียบเทียบกับคนไข้ที่มีโรควิตกกังวลอื่น ๆ ซึ่งมักจะมีปริมาณเนื้อเทาใน lenticular nucleus ที่ลดลง (แทนที่จะเพิ่มขึ้น) แต่ก็จะมีปริมาณเนื้อเทาใน medial frontal cortex/anterior cingulate cortex ทางด้านล่าง (dorsal) ที่ลดลงด้วย
มีการเสนอว่า ACC สัมพันธ์กับโรควิตกกังวลทางสังคม (Social Anxiety) ร่วมกับอะมิกดะลา แต่ว่า งานวิจัยในแนวนี้ยังอยู่ในระยะต้น ๆ
ส่วนเขตสมองที่ติดกันคือ subcallosal cingulate gyrus สมมุติกันว่า มีบทบาทสำคัญในโรคซึมเศร้า ดังนั้น จึงเป็นเป้าหมายของการรักษาโดยวิธี deep brain stimulation
งานศึกษาโดยการสร้างภาพ MRI ในผู้ใหญ่พบว่า ผู้ที่ได้รับสารตะกั่วในวัยเด็ก จะมีขนาดสมองที่เล็กลงเมื่อเป็นผู้ใหญ่ ซึ่งพบชัดเจนที่สุดในเขต ACC และเชื่อว่า มีผลเป็นความบกพร่องทางประชานและทางพฤติกรรม
ความเสียหายในช่วงพัฒนาการของ anterior cingulate cortex พร้อมกับความเสียหายใน dorsal medial-frontal cortex อาจเป็นมูลฐานทางประสาทสำหรับความบกพร่องทางสังคมและประชานของคนไข้โรคออทิซึม เช่น การกำหนดทิศทางของสังคม (social orientation) และการใส่ใจร่วมกันโดยใช้ตาและมือ (joint attention)