ABOVE: Aby uchwycić jednoczesne i ciągłe pomiary neuromodulatorów dopaminy i serotoniny, autorzy badania zaprojektowali mikroelektrodę zdolną do wykonywania 10 pomiarów na sekundę.
VIRGINIA TECH
Długo kojarzone z nagrodą i przyjemnością, dopamina i serotonina mogą być również zaangażowane w ogólne poznanie, kształtując sposób, w jaki ludzie postrzegają świat i działają na tych percepcji, nowe badanie stwierdza.
Po raz pierwszy, naukowcy mają stale i jednocześnie monitorowane dwa neuromodulatory w ludzkim mózgu. Wyniki, opublikowane 12 października w Neuron, oferują nowe możliwości testowania hipotez badanych wcześniej głównie w modelach zwierzęcych.
„To badanie to nie tylko pomiary dopaminy i serotoniny; to budowanie na głębokiej fundacji patrząc na mechanizmy neuronalne dla decyzji percepcyjnych u zwierząt i ludzi” i łączenie ustaleń tych badań razem, Tim Hanks, neurobiolog z University of California, Davis, który nie był zaangażowany w badania, mówi The Scientist. „Rośnie świadomość, że neuromodulatory odgrywają bardziej wyrafinowaną i zniuansowaną rolę niż to, w co kiedyś wierzono, a to badanie naprawdę pokazuje, że sprawa jest jasna w procesie podejmowania decyzji u ludzi.”
Oba neuromodulatory były intensywnie badane na zwierzętach, ale zwierzęta wymagają treningu, aby wykonywać zadania decyzyjne – treningu, który często wiąże się z nagrodą. W rezultacie, może być trudno oddzielić podejmowanie decyzji od wzmocnienia, które otrzymują w zamian. „Zwierzęta są ograniczonym modelem bogatych myśli i zachowań, które obserwujemy u ludzi” – mówi Dan Bang, neurobiolog z University College London i główny autor nowego badania.
Zobacz „Jak dopamina dostraja pamięć roboczą”
Aby zbadać sygnalizację dopaminy i serotoniny u ludzi, zespół zwerbował pięciu ochotników, którzy mieli przejść operację mózgu w celu leczenia Parkinsona lub drżenia zasadniczego i zgodzili się na monitorowanie ich neurochemii podczas zabiegu. Chirurdzy utrzymują pacjentów w stanie uśpienia podczas operacji i używają sond do pomiaru aktywności mózgu w celu zapewnienia bezpieczeństwa. Zespół badawczy, kierowany przez Reada Montague, neurobiologa z Virginia Tech, był w stanie wprowadzić własną mikroelektrodę do jądra ogoniastego czterech ochotników i do putamenu piątego. Obie struktury są regionami striatum i są zaangażowane w ruch, uczenie się i nagrodę.
To zdecydowanie stawia znaczenie dopaminy i serotoniny w nowym świetle.
-Ken Kishida, Wake Forest School of Medicine
Podczas operacji, każdy z uczestników ukończył zmodyfikowaną wersję wspólnego zadania wizualnego zwanego paradygmatem losowego ruchu kropek. W każdej rundzie tego zadania, osobie pokazywano chmurę migoczących kropek poruszających się po ekranie. Niektóre kropki poruszały się razem w tym samym kierunku, podczas gdy pozostałe poruszały się losowo; proporcje pomiędzy poszczególnymi rodzajami ruchu określały trudność zadania. W standardowym teście kropki znikają, a badany musi wskazać, czy średnio poruszały się one w lewo czy w prawo. W zmienionym protokole, uczestnikom pokazywano losowy kąt po zniknięciu kropek i musieli oni zdecydować, czy kropki poruszały się w lewo czy w prawo od tego kąta.
W ten sposób naukowcy byli w stanie zróżnicować trudność i niepewność percepcji danej osoby poprzez zmianę zarówno liczby kropek poruszających się synchronicznie, jak i tego, jak blisko ich ścieżka ruchu zbliżała się do losowo wybranego kąta odniesienia. Po dokonaniu wyboru uczestnicy oceniali, jak bardzo są pewni swojej decyzji.
Mikroelektroda w sposób ciągły mierzyła poziom dopaminy i serotoniny w jądrze ogoniastym lub putamen, dokonując 10 pomiarów w każdej sekundzie. Naukowcy nigdy wcześniej nie byli w stanie monitorować tych neuroprzekaźników w tak biologicznie istotnych prędkościach u ludzi. Mniej inwazyjne metody, takie jak skanowanie PET lub fMRI, zazwyczaj wykonują tylko jeden pomiar na minutę.
W obrębie jądra ogoniastego, poziomy serotoniny były powiązane z niepewnością wokół postrzegania u trzech z czterech uczestników. Kiedy zadanie było trudniejsze, a wynik bardziej niepewny, jak oszacowano przez zmienne zadania i uczestników „self-reported niepewność co do ich decyzji, poziom serotoniny wzrosła wkrótce po kropki pojawiły się na ekranie. Kiedy zadanie było łatwiejsze, poziom serotoniny spadał. W niektórych poprzednich badaniach na ludziach i zwierzętach, dopamina miała odwrotny związek z serotoniną, a zatem z niepewnością, ale w nowym badaniu, zmiany w jądrze ogoniastym poziomów dopaminy nie śledzić konsekwentnie z percepcyjnej niepewności.
W putamen, jednak zespół znalazł silne dowody na poparcie przeciwstawnych ról dla dopaminy i serotoniny w odniesieniu do działania, jak wykazano w czasie zajęło uczestnikom, aby dokonać wyboru o kierunku kropek. Zarówno wzrost dopaminy i odpowiadający mu spadek serotoniny były związane z wyborem podmiotu do działania, a zarówno zmiana w poziomach neuromodulatorów i sama decyzja nastąpiła szybciej, gdy zadanie było łatwiejsze i mniej niepewne.
Podsumowując, wyniki te sugerują, że poza ich rolą jako chemikaliów nagrody, dopamina i serotonina mogą przyczyniać się do poznania bardziej ogólnie, łącząc „jak postrzegamy świat i jak następnie przechodzimy do podejmowania decyzji”, mówi Ken Kishida, neurobiolog w Wake Forest School of Medicine i współautor badania. „To zdecydowanie stawia znaczenie dopaminy i serotoniny w nowym świetle.”
Nawet jeśli jest to nowe odkrycie u ludzi, pokrywa się ono z tym, co niektórzy badacze zaczęli znajdować u zwierząt, mówi Armin Lak, neurobiolog z Uniwersytetu w Oxfordzie, który nie brał udziału w badaniu. W swojej własnej pracy Lak znalazł powiązania między dopaminą a percepcją u gryzoni. „To naprawdę miłe, dla tych z nas, którzy pracują w neuronauce, zobaczyć to spektrum badań od zwierząt do ludzi.”
Zobacz „Implanty neuronów dopaminowych łagodzą objawy Parkinsona u małp”
Największym ograniczeniem nowego badania, dodaje Lak, jest mała wielkość próby. Niektóre z wyników zespołu, takie jak dane dotyczące putamenu, pochodzą tylko od jednej osoby. Kishida zwraca również uwagę, że podczas gdy poziomy dopaminy różniły się bardziej między ludźmi niż poziomy serotoniny, może to być spowodowane tym, że niektórzy z pacjentów mieli Parkinsona, chorobę spowodowaną przez dysregulację sygnalizacji dopaminy.
Ruszając naprzód, zespół planuje udoskonalić swoją mikroelektrodę, aby rozpoznać dodatkowe neurochemikalia, takie jak noradrenalina. Po wykazaniu, że odpowiedzi neuromodulatorów mogą się różnić w zależności od regionu mózgu, zespół chciałby rozszerzyć badania na korę, migdałki i hipokamp.
Bliższe zrozumienie wzajemnego oddziaływania dopaminy i serotoniny oraz ich roli w różnych częściach mózgu będzie miało również istotne implikacje dla leczenia zaburzeń neuropsychiatrycznych, takich jak choroba Parkinsona i depresja, mówi Hanks. Wiele terapii celuje w te dwa modulatory, ale robią to w całym mózgu i w dłuższych skalach czasowych, więc więcej wiedzy może prowadzić do bardziej ukierunkowanych i skutecznych terapii.
„Ponieważ te neuromodulatory mają złożone role, które zależą od regionu mózgu, niektórzy będą postrzegać to jako wyzwanie, ponieważ oznacza to, że nie możemy po prostu użyć leku, który wpływa na rozproszone”, Hanks mówi The Scientist. „Ale jednocześnie twierdzę, że jest to ogromna szansa, aby uczynić je jeszcze bardziej skutecznymi.”
D. Bang et al., „Sub-second dopamine and serotonin signaling in human striatum during perceptual decision-making,” Neuron, 108:1-12, 2020.
Klaryfikacja (16 października): Tytuł tego artykułu został zaktualizowany, aby lepiej odzwierciedlał wyniki badania, a także wprowadzono poprawkę, aby wyjaśnić, że poziom serotoniny wzrósł w jądrze ogoniastym, gdy uczestnicy byli bardziej niepewni.
.