Para captar mediciones simultáneas y continuas de los neuromoduladores dopamina y serotonina, los autores del estudio diseñaron un microelectrodo capaz de realizar 10 mediciones por segundo.
VIRGINIA TECH
La dopamina y la serotonina, asociadas durante mucho tiempo a la recompensa y el placer, también pueden estar implicadas en la cognición general, dando forma a la forma en que las personas perciben el mundo y actúan en función de esas percepciones, según un nuevo estudio.
Por primera vez, los investigadores han monitorizado de forma continua y simultánea los dos neuromoduladores en el cerebro humano. Los resultados, publicados el 12 de octubre en Neuron, ofrecen nuevas oportunidades para poner a prueba hipótesis estudiadas anteriormente sobre todo en modelos animales.
«Este estudio no se limita a medir la dopamina y la serotonina, sino que se basa en los profundos cimientos que observan los mecanismos neuronales de las decisiones perceptivas en animales y humanos» y vincula los hallazgos de estos estudios entre sí, explica a The Scientist Tim Hanks, neurocientífico de la Universidad de California en Davis, que no participó en el estudio. «Cada vez se reconoce más que tienen funciones más refinadas y matizadas de lo que antes se creía, y este estudio realmente aclara ese caso en la toma de decisiones en humanos».»
Ambos neuromoduladores han sido muy estudiados en animales, pero los animales requieren entrenamiento para llevar a cabo tareas de toma de decisiones -entrenamiento que a menudo viene acompañado de una recompensa-. Como resultado, puede ser difícil separar la toma de decisiones del refuerzo que reciben a cambio. «Los animales son un modelo limitado de la riqueza de pensamientos y comportamientos que vemos en los humanos», dice Dan Bang, neurocientífico del University College de Londres y autor principal del nuevo estudio.
Ver «Cómo la dopamina afina la memoria de trabajo»
Para estudiar la señalización de la dopamina y la serotonina en los seres humanos, el equipo reclutó a cinco voluntarios que iban a someterse a una cirugía cerebral para tratar el Parkinson o los temblores esenciales y aceptaron que se monitorizaran sus neuroquímicos durante el procedimiento. Los cirujanos mantienen a los pacientes despiertos durante la operación y utilizan sondas para medir la actividad cerebral por seguridad. El equipo de investigación, dirigido por Read Montague, neurocientífico de la Universidad Tecnológica de Virginia, pudo insertar su propio microelectrodo en el núcleo caudado de cuatro de los voluntarios y en el putamen del quinto. Ambas estructuras son regiones del cuerpo estriado y están implicadas en el movimiento, el aprendizaje y la recompensa.
Esto pone definitivamente la importancia de la dopamina y la serotonina bajo una nueva luz.
Ken Kishida, Wake Forest School of Medicine
Mientras se sometían a la cirugía, cada participante completó una versión modificada de una tarea visual común llamada paradigma de movimiento de puntos aleatorios. En cada ronda de la tarea, se mostraba a una persona una nube de puntos parpadeantes que se movían por una pantalla. Algunos puntos se movían juntos en la misma dirección, mientras que el resto se movía de forma aleatoria; las proporciones de cada tipo de movimiento determinaban la dificultad de la tarea. En la prueba estándar, los puntos desaparecen y el sujeto debe indicar si, de media, se han movido hacia la izquierda o hacia la derecha. En el protocolo modificado, en cambio, se mostraba a los participantes un ángulo aleatorio tras la desaparición de los puntos y debían decidir si los puntos se habían estado moviendo hacia la izquierda o hacia la derecha de ese ángulo.
De este modo, los científicos pudieron variar la dificultad y la incertidumbre de la percepción de una persona cambiando tanto el número de puntos que se movían de forma sincronizada como lo cerca que estaba su trayectoria de movimiento del ángulo de referencia seleccionado al azar. Después de hacer su elección, los participantes calificaron lo seguros que estaban de su decisión.
Un microelectrodo midió continuamente los niveles de dopamina y serotonina en el núcleo caudado o en el putamen, tomando 10 mediciones cada segundo. Los científicos nunca antes habían sido capaces de monitorizar estos neurotransmisores a velocidades tan biológicamente relevantes en humanos. Los métodos menos invasivos, como la PET o la fMRI, suelen tomar sólo una medida por minuto.
Dentro del núcleo caudado, los niveles de serotonina se relacionaron con la incertidumbre en torno a las percepciones en tres de los cuatro participantes. Cuando la tarea era más difícil y el resultado más incierto, según las variables de la tarea y la incertidumbre autodeclarada por los participantes sobre sus decisiones, los niveles de serotonina se dispararon poco después de que aparecieran los puntos en la pantalla. Cuando la tarea era más fácil, la serotonina disminuía. En algunos estudios anteriores en humanos y animales, la dopamina ha tenido la relación opuesta con la serotonina, y por lo tanto con la incertidumbre, pero en el nuevo estudio, las variaciones en los niveles de dopamina del núcleo caudado no siguieron de forma consistente con la incertidumbre perceptiva.
En el putamen, sin embargo, el equipo sí encontró pruebas sólidas en apoyo de las funciones opuestas de la dopamina y la serotonina en relación con la acción, como lo demuestra el tiempo que tardaron los participantes en hacer su elección sobre la dirección de los puntos. Tanto un aumento de la dopamina como la correspondiente disminución de la serotonina se asociaron con la elección de actuar del sujeto, y tanto el cambio en los niveles de neuromoduladores como la propia decisión se produjeron más rápidamente cuando la tarea era más fácil y menos incierta.
Tomados en conjunto, estos hallazgos sugieren que, más allá de su papel como sustancias químicas de recompensa, la dopamina y la serotonina pueden contribuir a la cognición de forma más general, vinculando «cómo percibimos el mundo y cómo luego tomamos decisiones», dice Ken Kishida, neurocientífico de la Facultad de Medicina de Wake Forest y coautor del estudio. «Esto pone definitivamente la importancia de la dopamina y la serotonina bajo una nueva luz».
Aunque se trata de un nuevo hallazgo en humanos, encaja con lo que algunos investigadores han empezado a encontrar en animales, dice Armin Lak, neurocientífico de la Universidad de Oxford que no participó en el estudio. En su propio trabajo, Lak ha encontrado vínculos entre la dopamina y la percepción en roedores. «Es realmente agradable, para los que trabajamos en neurociencia, ver este espectro de estudios desde los animales hasta los voluntarios humanos»
Ver «Los implantes de neuronas de dopamina alivian los síntomas del Parkinson en monos»
La mayor limitación del nuevo estudio, añade Lak, es el pequeño tamaño de la muestra. Algunos de los resultados del equipo, como sus datos sobre el putamen, provienen de una sola persona. Kishida también señala que mientras los niveles de dopamina variaban más entre las personas que los niveles de serotonina, eso puede deberse a que algunos de los pacientes tenían Parkinson, una enfermedad causada por la desregulación de la señalización de la dopamina.
Mediante el avance, el equipo planea perfeccionar su microelectrodo para reconocer otros neuroquímicos, como la norepinefrina. Tras demostrar que las respuestas de los neuromoduladores pueden diferir según la región del cerebro, también les gustaría ampliarlas para incluir la corteza, la amígdala y el hipocampo.
Una mejor comprensión de cómo interactúan la dopamina y la serotonina y de sus funciones en diferentes partes del cerebro tendrá también importantes implicaciones para el tratamiento de trastornos neuropsiquiátricos como el Parkinson y la depresión, dice Hanks. Muchos tratamientos se dirigen a estos dos moduladores, pero lo hacen en todo el cerebro y a lo largo de escalas de tiempo más largas, por lo que un mayor conocimiento podría conducir a terapias más específicas y eficaces.
«Dado que estos neuromoduladores tienen funciones complejas que dependen de la región del cerebro, algunos lo verán como un reto, porque significa que no podemos limitarnos a utilizar un medicamento que afecte de forma difusa», dice Hanks a The Scientist. «Pero, al mismo tiempo, yo diría que esto representa una tremenda oportunidad para que sea aún más eficaz»
D. Bang et al., «Sub-second dopamine and serotonin signaling in human striatum during perceptual decision-making», Neuron, 108:1-12, 2020.
Aclaración (16 de octubre): El título de este artículo se ha actualizado para reflejar mejor los hallazgos del estudio, y se ha realizado una corrección para aclarar que los niveles de serotonina aumentaban en el núcleo caudado cuando los participantes tenían más incertidumbre.