Um die Neuromodulatoren Dopamin und Serotonin gleichzeitig und kontinuierlich zu messen, haben die Studienautoren eine Mikroelektrode entwickelt, die 10 Messungen pro Sekunde vornehmen kann.
VIRGINIA TECH
Dopamin und Serotonin, die lange Zeit mit Belohnung und Vergnügen in Verbindung gebracht wurden, können auch an der allgemeinen Kognition beteiligt sein, indem sie die Art und Weise beeinflussen, wie Menschen die Welt wahrnehmen und nach diesen Wahrnehmungen handeln, so eine neue Studie.
Zum ersten Mal haben Forscher die beiden Neuromodulatoren im menschlichen Gehirn kontinuierlich und gleichzeitig gemessen. Die Ergebnisse, die am 12. Oktober in der Fachzeitschrift Neuron veröffentlicht wurden, bieten neue Möglichkeiten, Hypothesen zu testen, die bisher hauptsächlich an Tiermodellen untersucht wurden.
„Diese Studie misst nicht nur Dopamin und Serotonin; sie baut auf dem tiefen Fundament auf, das die neuronalen Mechanismen für Wahrnehmungsentscheidungen bei Tieren und Menschen untersucht“, und verbindet die Ergebnisse dieser Studien miteinander, erklärt Tim Hanks, ein Neurowissenschaftler an der University of California, Davis, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber The Scientist. „Es gibt eine wachsende Erkenntnis, dass sie eine feinere und nuanciertere Rolle spielen, als man früher geglaubt hat, und diese Studie verdeutlicht dies für die menschliche Entscheidungsfindung.“
Beide Neuromodulatoren wurden intensiv an Tieren untersucht, aber Tiere müssen trainiert werden, um Entscheidungsaufgaben auszuführen – ein Training, das oft mit einer Belohnung einhergeht. Infolgedessen kann es schwierig sein, die Entscheidungsfindung von der Verstärkung, die sie dafür erhalten, zu trennen. „Tiere sind ein begrenztes Modell für die reichhaltigen Gedanken und Verhaltensweisen, die wir beim Menschen sehen“, sagt Dan Bang, ein Neurowissenschaftler am University College London und der Hauptautor der neuen Studie.
Siehe „Wie Dopamin das Arbeitsgedächtnis steuert“
Um die Dopamin- und Serotonin-Signalübertragung beim Menschen zu untersuchen, rekrutierte das Team fünf Freiwillige, die sich einer Gehirnoperation zur Behandlung von Parkinson oder essentiellem Zittern unterziehen sollten und sich bereit erklärten, ihre Neurochemikalien während des Eingriffs überwachen zu lassen. Chirurgen halten die Patienten während der Operation wach und messen zur Sicherheit die Hirnaktivität mit Sonden. Das Forschungsteam unter der Leitung von Read Montague, einem Neurowissenschaftler an der Virginia Tech, konnte bei vier der Probanden eine eigene Mikroelektrode in den Nucleus caudatus und bei einem fünften in das Putamen einführen. Beide Strukturen sind Regionen des Striatums und sind an Bewegung, Lernen und Belohnung beteiligt.
Dies rückt die Bedeutung von Dopamin und Serotonin definitiv in ein neues Licht.
-Ken Kishida, Wake Forest School of Medicine
Während der Operation absolvierte jeder Teilnehmer eine modifizierte Version einer gängigen visuellen Aufgabe, dem sogenannten Random-Dot-Motion-Paradigma. In jeder Runde der Aufgabe wurde einer Person eine Wolke von flackernden Punkten gezeigt, die sich über einen Bildschirm bewegten. Einige Punkte bewegten sich gemeinsam in dieselbe Richtung, während der Rest sich zufällig bewegte; die Anteile, die jede Art von Bewegung durchliefen, bestimmten die Schwierigkeit der Aufgabe. Im Standardtest verschwinden die Punkte, und die Versuchsperson muss angeben, ob sie sich im Durchschnitt nach links oder rechts bewegt haben. Im geänderten Protokoll wurde den Teilnehmern stattdessen ein zufälliger Winkel gezeigt, nachdem die Punkte verschwunden waren, und sie mussten entscheiden, ob sich die Punkte nach links oder rechts von diesem Winkel bewegt hatten.
Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler die Schwierigkeit und Unsicherheit der Wahrnehmung einer Person variieren, indem sie sowohl die Anzahl der sich synchron bewegenden Punkte als auch die Annäherung ihrer Bewegungsbahn an den zufällig gewählten Referenzwinkel veränderten. Nachdem sie ihre Wahl getroffen hatten, bewerteten die Teilnehmer, wie sicher sie sich ihrer Entscheidung waren.
Mit einer Mikroelektrode wurden kontinuierlich sowohl der Dopamin- als auch der Serotoninspiegel im Nucleus caudatus oder im Putamen gemessen, wobei jede Sekunde 10 Messungen vorgenommen wurden. Noch nie zuvor konnten Wissenschaftler diese Neurotransmitter in solch einer biologisch relevanten Geschwindigkeit beim Menschen überwachen. Weniger invasive Methoden wie PET-Scanning oder fMRI nehmen typischerweise nur eine Messung pro Minute vor.
Im Nucleus caudatus war der Serotoninspiegel bei drei der vier Teilnehmer mit der Unsicherheit der Wahrnehmung verbunden. Wenn die Aufgabe schwieriger und das Ergebnis unsicherer war, wie durch die Aufgabenvariablen und die von den Teilnehmern selbst angegebene Unsicherheit über ihre Entscheidungen geschätzt wurde, stieg der Serotoninspiegel kurz nach dem Erscheinen der Punkte auf dem Bildschirm an. Wenn die Aufgabe leichter war, sank der Serotoninspiegel. In einigen früheren Studien an Mensch und Tier hatte Dopamin die entgegengesetzte Beziehung zu Serotonin und damit zu Unsicherheit, aber in der neuen Studie verfolgten die Schwankungen des Dopaminspiegels im Nucleus caudatus nicht konsistent mit der Wahrnehmungsunsicherheit.
Im Putamen fand das Team jedoch starke Belege für gegensätzliche Rollen von Dopamin und Serotonin in Bezug auf Handlungen, wie die Zeit zeigte, die die Teilnehmer brauchten, um ihre Entscheidung über die Richtung der Punkte zu treffen. Sowohl ein Anstieg von Dopamin als auch ein entsprechender Abfall von Serotonin waren mit der Entscheidung der Versuchspersonen verbunden, zu handeln, und sowohl die Veränderung der Neuromodulatoren-Spiegel als auch die Entscheidung selbst geschahen schneller, wenn die Aufgabe einfacher und weniger unsicher war.
Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Dopamin und Serotonin über ihre Rolle als Belohnungs-Chemikalien hinaus einen Beitrag zur Kognition im Allgemeinen leisten und damit zusammenhängen, „wie wir die Welt wahrnehmen und wie wir dann Entscheidungen treffen“, sagt Ken Kishida, ein Neurowissenschaftler an der Wake Forest School of Medicine und Mitautor der Studie. „Dies rückt die Bedeutung von Dopamin und Serotonin definitiv in ein neues Licht.“
Auch wenn dies ein neuer Befund beim Menschen ist, deckt er sich mit dem, was einige Forscher bereits bei Tieren gefunden haben, sagt Armin Lak, ein Neurowissenschaftler an der University of Oxford, der nicht an der Studie beteiligt war. In seiner eigenen Arbeit hat Lak Verbindungen zwischen Dopamin und Wahrnehmung bei Nagetieren gefunden. „
Siehe „Dopamine Neuron Implants Ease Parkinson’s Symptoms in Monkeys“
Die größte Einschränkung der neuen Studie, fügt Lak hinzu, ist die kleine Stichprobengröße. Einige der Ergebnisse des Teams, wie z.B. die Daten zum Putamen, stammen von nur einer einzigen Person. Kishida weist auch darauf hin, dass der Dopaminspiegel bei den einzelnen Personen stärker variierte als der Serotoninspiegel, was daran liegen könnte, dass einige der Patienten an Parkinson erkrankt waren, einer Krankheit, die durch eine gestörte Dopamin-Signalübertragung verursacht wird.
Für die Zukunft plant das Team, seine Mikroelektrode so zu verfeinern, dass sie weitere Neurochemikalien wie Noradrenalin erkennt. Nachdem sie gezeigt haben, dass sich die Reaktionen der Neuromodulatoren je nach Hirnregion unterscheiden können, möchten sie auch den Kortex, die Amygdala und den Hippocampus einbeziehen.
Ein besseres Verständnis darüber, wie Dopamin und Serotonin interagieren und welche Rolle sie in verschiedenen Teilen des Gehirns spielen, wird auch wichtige Auswirkungen auf die Behandlung neuropsychiatrischer Erkrankungen wie Parkinson und Depression haben, sagt Hanks. Viele Behandlungen zielen auf diese beiden Modulatoren ab, aber sie tun dies im gesamten Gehirn und über längere Zeiträume, so dass mehr Wissen zu gezielteren und effektiveren Therapien führen könnte.
„Weil diese Neuromodulatoren komplexe Rollen haben, die von der Hirnregion abhängen, werden einige es als Herausforderung sehen, weil es bedeutet, dass wir nicht einfach ein Medikament verwenden können, das diffus wirkt“, sagt Hanks gegenüber The Scientist. „Aber gleichzeitig würde ich argumentieren, dass dies eine enorme Chance darstellt, noch effektiver zu werden.“
D. Bang et al. „Sub-second dopamine and serotonin signaling in human striatum during perceptual decision-making“, Neuron, 108:1-12, 2020.
Klarstellung (16. Oktober): Der Titel dieses Artikels wurde aktualisiert, um die Ergebnisse der Studie besser wiederzugeben, und es wurde eine Korrektur vorgenommen, um klarzustellen, dass der Serotoninspiegel im Nucleus caudatus anstieg, wenn die Teilnehmer unsicherer waren.