ABOVE: Om gelijktijdige en continue metingen van de neuromodulatoren dopamine en serotonine te kunnen verrichten, ontwierpen de auteurs van de studie een micro-elektrode die 10 metingen per seconde kan verrichten.
VIRGINIA TECH
Lang geassocieerd met beloning en plezier, kunnen dopamine en serotonine ook betrokken zijn bij algemene cognitie, vormend hoe mensen de wereld waarnemen en handelen op basis van die waarnemingen, zo blijkt uit een nieuwe studie.
Voor het eerst hebben onderzoekers de twee neuromodulatoren in de menselijke hersenen continu en gelijktijdig gevolgd. De resultaten, die op 12 oktober in Neuron zijn gepubliceerd, bieden nieuwe mogelijkheden om hypotheses te testen die voorheen vooral in diermodellen werden bestudeerd.
“Deze studie meet niet alleen dopamine en serotonine; het bouwt voort op de diepe basis die kijkt naar neurale mechanismen voor perceptuele beslissingen bij dieren en mensen” en koppelt de bevindingen van deze studies aan elkaar, vertelt Tim Hanks, een neurowetenschapper aan de University of California, Davis, die niet bij de studie betrokken was, aan The Scientist. “Er is een groeiende erkenning dat de rol van neuromodulatoren verfijnder en genuanceerder is dan wat ooit werd gedacht, en deze studie maakt dat echt duidelijk in de menselijke besluitvorming.”
Beide neuromodulatoren zijn zwaar bestudeerd bij dieren, maar dieren vereisen training om besluitvormingstaken uit te voeren – training die vaak gepaard gaat met een beloning. Als gevolg daarvan kan het moeilijk zijn om de besluitvorming te scheiden van de beloning die ze in ruil daarvoor krijgen. “Dieren zijn een beperkt model van de rijke gedachten en gedragingen die we bij mensen zien,” zegt Dan Bang, neurowetenschapper aan het University College London en de hoofdauteur van de nieuwe studie.
Zie “Hoe Dopamine het werkgeheugen aanpast”
Om de dopamine- en serotoninesignalering bij mensen te bestuderen, rekruteerde het team vijf vrijwilligers die een hersenoperatie zouden ondergaan om Parkinson of essentiële tremoren te behandelen en die ermee instemden dat hun neurochemische stoffen tijdens de procedure zouden worden gecontroleerd. Chirurgen houden de patiënten tijdens de operatie wakker en gebruiken sondes om de hersenactiviteit voor de veiligheid te meten. Het onderzoeksteam, onder leiding van Read Montague, een neurowetenschapper aan Virginia Tech, was in staat zijn eigen micro-elektrode in te brengen in de nucleus caudatus van vier van de vrijwilligers en het putamen van de vijfde. Beide structuren zijn regio’s van het striatum en zijn betrokken bij beweging, leren en beloning.
Dit stelt het belang van dopamine en serotonine beslist in een nieuw daglicht.
-Ken Kishida, Wake Forest School of Medicine
Tijdens de operatie voerde iedere deelnemer een aangepaste versie uit van een veel voorkomende visuele taak, het zogenaamde random dot motion paradigma. In elke ronde van de taak kreeg een persoon een wolk van flikkerende stippen te zien die over een scherm bewogen. Sommige stippen bewogen samen in dezelfde richting, terwijl de rest willekeurig bewoog; de proporties die elk type beweging onderging, bepaalden de moeilijkheidsgraad van de taak. In de standaardtest verdwijnen de stippen, en moet de proefpersoon aangeven of ze gemiddeld naar links of naar rechts bewogen zijn. In het gewijzigde protocol kregen de deelnemers in plaats daarvan een willekeurige hoek te zien nadat de stippen waren verdwenen, en moesten zij beslissen of de stippen naar links of naar rechts van die hoek waren bewogen.
Op deze manier konden de wetenschappers de moeilijkheidsgraad en de onzekerheid van iemands waarneming variëren door zowel het aantal stippen dat synchroon bewoog te veranderen als hoe dicht hun bewegingspad bij de willekeurig gekozen referentiehoek kwam. Nadat ze hun keuze hadden gemaakt, gaven de deelnemers aan hoe zeker ze van hun beslissing waren.
Een micro-elektrode mat continu het dopamine- en serotoninegehalte in de nucleus caudatus of het putamen, waarbij elke seconde 10 metingen werden verricht. Wetenschappers zijn er nog niet eerder in geslaagd deze neurotransmitters bij mensen met een dergelijke biologisch relevante snelheid te meten. Met minder invasieve methoden, zoals PET-scanning of fMRI, wordt doorgaans slechts één meting per minuut verricht.
In de nucleus caudatus werden de serotonineniveaus bij drie van de vier deelnemers in verband gebracht met onzekerheid rond waarnemingen. Wanneer de taak moeilijker was en de uitkomst onzekerder, zoals geschat door de taakvariabelen en de door de deelnemers zelf gerapporteerde onzekerheid over hun beslissingen, piekten de serotoninespiegels kort nadat de stippen op het scherm verschenen. Wanneer de taak gemakkelijker was, daalde de serotonine. In sommige eerdere studies bij mensen en dieren had dopamine een tegengesteld verband met serotonine, en dus met onzekerheid, maar in de nieuwe studie bleken variaties in de dopamine-spiegels van de nucleus caudatus niet consistent samen te hangen met perceptuele onzekerheid.
In het putamen vond het team echter wel sterke aanwijzingen voor een tegengestelde rol van dopamine en serotonine in relatie tot actie, zoals blijkt uit de tijd die deelnemers nodig hadden om hun keuze te maken over de richting van de stippen. Zowel een toename in dopamine als een overeenkomstige afname in serotonine werden geassocieerd met de keuze van de proefpersoon om te handelen, en zowel de verandering in neuromodulator niveaus als de beslissing zelf gebeurde sneller wanneer de taak gemakkelijker en minder onzeker was.
Al met al suggereren deze bevindingen dat dopamine en serotonine, naast hun rol als beloningschemicaliën, meer in het algemeen kunnen bijdragen aan cognitie, door een verband te leggen tussen “hoe we de wereld waarnemen en hoe we vervolgens beslissingen nemen,” zegt Ken Kishida, neurowetenschapper aan de Wake Forest School of Medicine en medeauteur van de studie. “Dit werpt een nieuw licht op het belang van dopamine en serotonine.”
Ook al is dit een nieuwe bevinding bij mensen, het sluit aan bij wat sommige onderzoekers bij dieren zijn gaan vinden, zegt Armin Lak, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Oxford die niet bij de studie betrokken was. Lak heeft in zijn eigen werk verbanden gevonden tussen dopamine en perceptie bij knaagdieren. “
Zie “Dopamine-neuron implantaten verlichten Parkinson-symptomen bij apen”
De grootste beperking van de nieuwe studie, voegt Lak toe, is de kleine steekproefgrootte. Sommige van de resultaten van het team, zoals hun gegevens over het putamen, zijn afkomstig van slechts een enkele persoon. Kishida wijst er ook op dat, hoewel de dopamine-spiegels tussen mensen meer verschilden dan de serotonine-spiegels, dat kan komen doordat sommige van de patiënten Parkinson hadden, een ziekte die wordt veroorzaakt door ontregelde dopamine-signalering.
Het team is van plan zijn micro-elektrode te verfijnen om andere neurochemische stoffen te herkennen, zoals noradrenaline. Nu is aangetoond dat de reacties van neuromodulatoren per hersengebied kunnen verschillen, zou het team ook graag de cortex, amygdala en hippocampus erbij betrekken.
Een beter begrip van de wisselwerking tussen dopamine en serotonine en hun rol in verschillende delen van de hersenen zal ook belangrijke implicaties hebben voor de behandeling van neuropsychiatrische aandoeningen zoals Parkinson en depressie, aldus Hanks. Veel behandelingen richten zich op deze twee modulatoren, maar ze doen dat in de hele hersenen en op langere tijdschalen, dus meer kennis zou kunnen leiden tot meer gerichte en effectieve therapieën.
“Omdat deze neuromodulatoren complexe rollen hebben die afhankelijk zijn van de hersenregio, zullen sommigen dit als een uitdaging zien, omdat het betekent dat we niet zomaar een medicijn kunnen gebruiken dat diffuus inwerkt,” vertelt Hanks aan The Scientist. “Maar tegelijkertijd zou ik willen stellen dat dit een enorme kans biedt om nog effectiever te worden.”
D. Bang e.a., “Sub-second dopamine and serotonin signaling in human striatum during perceptual decision-making,” Neuron, 108:1-12, 2020.
Verduidelijking (16 oktober): De titel van dit artikel is bijgewerkt om de bevindingen van de studie beter weer te geven, en er is een correctie aangebracht om te verduidelijken dat serotonine niveaus toenamen in de nucleus caudatus wanneer deelnemers onzekerder waren.