Abbassamento: Per catturare misure simultanee e continue dei neuromodulatori dopamina e serotonina, gli autori dello studio hanno progettato un microelettrodo capace di prendere 10 misure al secondo.
VIRGINIA TECH
Per lungo tempo associate alla ricompensa e al piacere, la dopamina e la serotonina possono anche essere coinvolte nella cognizione generale, modellando il modo in cui le persone percepiscono il mondo e agiscono su queste percezioni, un nuovo studio trova.
Per la prima volta, i ricercatori hanno monitorato continuamente e contemporaneamente i due neuromodulatori nel cervello umano. I risultati, pubblicati il 12 ottobre su Neuron, offrono nuove opportunità per testare ipotesi precedentemente studiate soprattutto in modelli animali.
“Questo studio non si limita a misurare la dopamina e la serotonina, ma si basa sulle profonde fondamenta che guardano ai meccanismi neurali per le decisioni percettive negli animali e negli esseri umani” e collega i risultati di questi studi insieme, dice a The Scientist Tim Hanks, un neuroscienziato dell’Università della California, Davis, che non era coinvolto nello studio. “C’è un crescente riconoscimento che hanno ruoli più raffinati e sfumati di quello che una volta si credeva, e questo studio rende davvero chiaro questo caso nel processo decisionale umano.”
Entrambi i neuromodulatori sono stati pesantemente studiati negli animali, ma gli animali richiedono un addestramento per svolgere compiti decisionali – addestramento che spesso viene con una ricompensa. Di conseguenza, può essere difficile separare il processo decisionale dal rinforzo che ricevono in cambio. “Gli animali sono un modello limitato dei ricchi pensieri e comportamenti che vediamo negli esseri umani”, dice Dan Bang, neuroscienziato dell’University College di Londra e autore principale del nuovo studio.
Vedi “Come la dopamina sintonizza la memoria di lavoro”
Per studiare la segnalazione della dopamina e della serotonina negli esseri umani, il team ha reclutato cinque volontari che dovevano sottoporsi a un intervento chirurgico al cervello per trattare il Parkinson o i tremori essenziali e hanno accettato di far monitorare le loro sostanze neurochimiche durante la procedura. I chirurghi tengono i pazienti svegli durante l’operazione e usano sonde per misurare l’attività cerebrale per sicurezza. Il team di ricerca, guidato da Read Montague, un neuroscienziato del Virginia Tech, è stato in grado di inserire il proprio microelettrodo nel nucleo caudato di quattro dei volontari e nel putamen del quinto. Entrambe le strutture sono regioni dello striato e sono coinvolte nel movimento, nell’apprendimento e nella ricompensa.
Questo sta sicuramente mettendo sotto una nuova luce l’importanza della dopamina e della serotonina.
-Ken Kishida, Wake Forest School of Medicine
Quando sono stati sottoposti all’intervento chirurgico, ogni partecipante ha completato una versione modificata di un compito visivo comune chiamato paradigma del movimento casuale dei punti. In ogni turno del compito, a una persona è stata mostrata una nuvola di punti tremolanti che si muovevano su uno schermo. Alcuni punti si muovevano insieme nella stessa direzione, mentre il resto si muoveva in modo casuale; le proporzioni che subiscono ogni tipo di movimento determinavano la difficoltà del compito. Nel test standard, i punti scompaiono e il soggetto deve indicare se, in media, si sono spostati verso sinistra o verso destra. Nel protocollo modificato, ai partecipanti è stato invece mostrato un angolo casuale dopo che i punti erano scomparsi e dovevano decidere se i punti si erano spostati a sinistra o a destra di quell’angolo.
In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di variare la difficoltà e l’incertezza della percezione di una persona cambiando sia il numero di punti che si muovono in sincronia, sia quanto il loro percorso di movimento si avvicinava all’angolo di riferimento selezionato a caso. Dopo aver fatto la loro scelta, i partecipanti hanno valutato quanto erano sicuri della loro decisione.
Un microelettrodo misurava continuamente i livelli di dopamina e serotonina nel nucleo caudato o nel putamen, prendendo 10 misure ogni secondo. Gli scienziati non sono mai stati in grado di monitorare questi neurotrasmettitori a velocità così biologicamente rilevanti negli esseri umani. Metodi meno invasivi come la scansione PET o la fMRI richiedono in genere solo una misurazione al minuto.
Nel nucleo caudato, i livelli di serotonina erano legati all’incertezza delle percezioni in tre dei quattro partecipanti. Quando il compito era più difficile e il risultato più incerto, come stimato dalle variabili del compito e l’incertezza auto-riferita dei partecipanti sulle loro decisioni, i livelli di serotonina hanno avuto un picco poco dopo i punti apparsi sullo schermo. Quando il compito era più facile, la serotonina è scesa. In alcuni precedenti studi sull’uomo e sugli animali, la dopamina ha avuto una relazione opposta con la serotonina, e quindi con l’incertezza, ma nel nuovo studio, le variazioni dei livelli di dopamina del nucleo caudato non hanno seguito in modo coerente l’incertezza percettiva.
Nel putamen, tuttavia, il team ha trovato forti prove a sostegno di ruoli opposti per la dopamina e la serotonina in relazione all’azione, come evidenziato dal tempo necessario ai partecipanti per fare la loro scelta sulla direzione dei punti. Sia un aumento della dopamina che una corrispondente diminuzione della serotonina erano associati alla scelta del soggetto di agire, e sia il cambiamento nei livelli di neuromodulatori che la decisione stessa avvenivano più rapidamente quando il compito era più facile e meno incerto.
Insieme, questi risultati suggeriscono che al di là del loro ruolo come sostanze chimiche di ricompensa, la dopamina e la serotonina possono contribuire alla cognizione più in generale, collegando “come percepiamo il mondo e come poi andiamo a prendere decisioni”, dice Ken Kishida, un neuroscienziato della Wake Forest School of Medicine e un coautore dello studio. “
Anche se questa è una nuova scoperta negli esseri umani, si collega a ciò che alcuni ricercatori hanno iniziato a trovare negli animali, dice Armin Lak, un neuroscienziato dell’Università di Oxford che non è stato coinvolto nello studio. Nel suo lavoro, Lak ha trovato collegamenti tra la dopamina e la percezione nei roditori. “
Vedi “Gli impianti di neuroni di dopamina alleviano i sintomi del Parkinson nelle scimmie”
Il più grande limite del nuovo studio, aggiunge Lak, è la piccola dimensione del campione. Alcuni dei risultati del team, come i loro dati sul putamen, derivano da una sola persona. Kishida sottolinea anche che mentre i livelli di dopamina variavano di più tra le persone rispetto ai livelli di serotonina, questo può essere dovuto al fatto che alcuni dei pazienti avevano il Parkinson, una malattia causata da una segnalazione disregolata della dopamina.
Andando avanti, il team prevede di perfezionare il suo microelettrodo per riconoscere ulteriori sostanze neurochimiche, come la norepinefrina. Avendo dimostrato che le risposte dei neuromodulatori possono differire per regione del cervello, vorrebbero anche espandersi per includere la corteccia, l’amigdala e l’ippocampo.
Una migliore comprensione di come la dopamina e la serotonina interagiscono e dei loro ruoli in diverse parti del cervello avrà anche importanti implicazioni per il trattamento di disturbi neuropsichiatrici come il Parkinson e la depressione, dice Hanks. Molti trattamenti mirano a questi due modulatori, ma lo fanno in tutto il cervello e su scale temporali più lunghe, quindi una maggiore conoscenza potrebbe portare a terapie più mirate ed efficaci.
“Poiché questi neuromodulatori hanno ruoli complessi che dipendono dalla regione del cervello, alcuni lo vedranno come una sfida, perché significa che non possiamo semplicemente usare un farmaco che colpisce diffusamente”, dice Hanks a The Scientist. “Ma allo stesso tempo, direi che questo rappresenta un’enorme opportunità per rendere ancora più efficace.”
D. Bang et al., “Sub-secondo dopamina e serotonina segnalazione in striato umano durante il processo decisionale percettivo,” Neuron, 108:1-12, 2020.
Chiarimento (16 ottobre): Il titolo di questo articolo è stato aggiornato per riflettere meglio i risultati dello studio, ed è stata fatta una correzione per chiarire che i livelli di serotonina aumentavano nel nucleo caudato quando i partecipanti erano più incerti.