نظام المكافأة على المدى الطويل في الدماغ يعتمد على الدوبامين
5 أغسطس 2013
بريت سميث ل redOrbit.com - الكون الخاص بك على الإنترنت
من القيادة في جميع أنحاء البلاد إلى التخرج من الكلية ، غالبًا ما يكون من الصعب التركيز على الأهداف طويلة الأجل عندما لا يكون هناك مكافأة فورية على مرمى البصر.
اكتشف فريق من الباحثين من جامعة واشنطن في سياتل ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مؤخرا تفاصيل جديدة حول كيفية تمكن الدماغ من الاستمرار في التركيز حتى تحقق هذه الأهداف على المدى الطويل ، وفقا لتقرير نشر في دورية نيتشر.
يعتمد بحث الفريق المشترك على دراسات سابقة ربطت الدوبامين الناقل العصبي بنظام المكافأة في المخ. بينما شملت معظم الدراسات السابقة النظر إلى الدوبامين فيما يتعلق بمكافأة فورية ، وجدت الدراسة الجديدة مستويات متزايدة من الدوبامين حيث اقتربت الفئران المختبرية من المكافأة المتوقعة بعد تأخر الإشباع.
ولقياس مستويات الدوبامين في أدمغة الجرذان ، استخدم الفريق نظامًا طوره عالم السلوك UW بول فيليبس ، والذي أطلق عليه اسم الفولتميتر الحلقي السريع (FSCV) الذي يشتمل على أقطاب كهربائية صغيرة مزروعة والتي تسجل باستمرار تركيز الدوبامين من خلال البحث عن توقيعها الكهروكيميائي.
"قمنا بتكييف طريقة FSCV حتى نتمكن من قياس الدوبامين في أربعة مواقع مختلفة في الدماغ في وقت واحد ، حيث تتحرك الحيوانات بحرية من خلال المتاهة" ، قال المؤلف المشارك مارك هاو ، وهو حاليًا عالم أعصاب ما بعد الدكتوراه في جامعة نورث وسترن. "كل مسبار يقيس تركيز الدوبامين خارج الخلية داخل حجم صغير من أنسجة المخ ، وربما يعكس نشاط الآلاف من المحطات العصبية."
بدأ العلماء بتدريب الفئران ليجدوا طريقهم من خلال متاهة بحثا عن مكافأة. أثناء تشغيل كل جرذ من خلال المتاهة ، ستصدر نغمة تحثه على الانعطاف يمينًا أو يسارًا عند التقاطع في السعي للحصول على مكافأة لبن الشوكولاتة.
وقال فريق البحث إنهم يتوقعون رؤية نبضات الدوبامين التي يطلقها دماغ الجرذان على فترات دورية خلال التجارب. ومع ذلك ، وجدوا أن مستويات الناقل العصبي ارتفعت باطراد طوال التجربة - وبلغت ذروتها في ذروتها مع اقتراب القوارض من مكافأتها. في حين تباينت سلوك الفئران خلال كل تجربة ، ارتفعت مستويات الدوبامين بشكل موثوق به على الرغم من سرعة الجري أو احتمالية المكافأة.
وقالت آن غريبيل ، التي تدير مختبر أبحاث الدماغ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، "بدلاً من ذلك ، يبدو أن إشارة الدوبامين تعكس مدى الفئران عن هدفها". "كلما اقتربت ، كلما أصبحت الإشارة أقوى."
اكتشف الفريق أيضًا أن حجم إشارة الدوبامين كان مرتبطًا بحجم المكافأة المتوقعة. عندما كانت الجرذان مشروطة بتوقع تقديم حصة أكبر من حليب الشيكولاتة ، ارتفعت مستويات الدوبامين بسرعة أكبر إلى قمة أعلى.
قام الباحثون بتجميع التجربة من خلال توسيع المتاهة إلى شكل أكثر تعقيدًا ، مما جعل الفئران تعمل بشكلٍ أكبر وتحدث منعطفات إضافية للوصول إلى الجائزة. خلال هذه التجارب الطويلة ، زادت إشارة الدوبامين بشكل تدريجي ، لكنها وصلت في النهاية إلى نفس المستوى كما في المتاهة السابقة.
وقال جرايببيل "يبدو الأمر كما لو أن الحيوان كان يضبط توقعاته ، مع العلم أنه كان عليه أن يرحل".
واقترحت أن الدراسات المستقبلية ينبغي أن تنظر في هذه الظاهرة نفسها في البشر.
"سأكون مصدومة إذا كان هناك شيء مشابه لم يحدث في أدمغتنا" - قال Graybiel.
يكشف البحث كيف يحافظ الدماغ على العيون على الجائزة
الإثنين، 08/05/2013 - 10:15 ص
معهد ماكغوفيرن لأبحاث الدماغ
"هل وصلنا؟"
وكما يعلم أي شخص سافر مع أطفال صغار ، فإن الحفاظ على التركيز على الأهداف البعيدة يمكن أن يشكل تحديًا. وتقترح دراسة جديدة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) كيف يحقق الدماغ هذه المهمة ، ويشير إلى أن الدوبامين الناقل العصبي قد يشير إلى قيمة المكافآت طويلة الأجل. قد توضّح النتائج أيضًا سبب صعوبة المرضى الذين يعانون من مرض باركنسون ـ حيث يكون ضعف إشارة الدوبامين ـ في الحفاظ على الدوافع لإنهاء المهام.
يوصف العمل في الطبيعة.
وقد ربطت الدراسات السابقة الدوبامين بالمكافآت ، وأظهرت أن عصبونات الدوبامين تعرض رشقات قصيرة من النشاط عندما تحصل الحيوانات على مكافأة غير متوقعة. ويعتقد أن هذه الإشارات الدوبامين مهمة لتعلم التعزيز ، وهي العملية التي يتعلم الحيوان من خلالها أداء الأعمال التي تؤدي إلى المكافأة.
اتخاذ وجهة نظر طويلة
في معظم الدراسات ، تم تسليم هذه المكافأة في غضون ثوانٍ قليلة. في الحياة الحقيقية ، على الرغم من أن الإشباع ليس فوريًا دائمًا: فالحيوانات يجب أن تسافر غالبًا بحثًا عن الطعام ، ويجب أن تحافظ على الدافع لهدف بعيد ، بينما تستجيب أيضًا للعديد من الإشارات الفورية. وينطبق الشيء نفسه على البشر: يجب أن يظل السائق في رحلة طريق طويلة مركّزًا على الوصول إلى وجهة نهائية بينما يتفاعل أيضًا مع حركة المرور ، والتوقف لتناول الوجبات الخفيفة ، والترفيه عن الأطفال في المقعد الخلفي.
قرر فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بقيادة البروفيسور آن غرايبيل - وهو أيضا محقق في معهد ماكغوفرن لأبحاث الدماغ التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا - أن يدرس كيف يتغير الدوبامين خلال مهمة متاهة تقارب العمل من أجل الإشباع المتأخر. قام الباحثون بتدريب الفئران على التنقل في متاهة للوصول إلى مكافأة. خلال كل تجربة ، سمع الفأر نغمة توعز بها إلى اليمين أو اليسار عند التقاطع للعثور على مكافأة لبن شوكولاتة.
وبدلاً من مجرد قياس نشاط الخلايا العصبية التي تحتوي على الدوبامين ، أراد الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قياس كمية الدوبامين التي تم إطلاقها في المخطط المخطط ، وهو بنية دماغ معروف أنها مهمة في تعلم التعزيز. تعاونوا مع بول فيليبس من الجامعة. واشنطن ، التي طورت تقنية تسمى الفولتميتري الحلقي سريع المسح (FSCV) حيث تسمح أقطاب كربونية صغيرة زُرعت بألياف الكربون بقياسات مستمرة لتركيز الدوبامين على أساس بصماتها الكهروكيميائية.
"قمنا بتكييف طريقة FSCV حتى نتمكن من قياس الدوبامين في أربعة مواقع مختلفة في الدماغ في وقت واحد ، حيث تتحرك الحيوانات بحرية عبر المتاهة" ، يشرح الكاتب الأول مارك هاو ، وهو طالب دراسات عليا سابق مع Graybiel الذي أصبح الآن ما بعد الدكتوراه في قسم علم الأعصاب في جامعة نورث وسترن. "كل مسبار يقيس تركيز الدوبامين خارج الخلية داخل حجم صغير من أنسجة المخ ، وربما يعكس نشاط الآلاف من المحطات العصبية."
زيادة تدريجية في الدوبامين
من العمل السابق ، توقع الباحثون أنهم قد يرون نبضات من الدوبامين تم إطلاقها في أوقات مختلفة من التجربة ، "لكن في الحقيقة وجدنا شيئًا أكثر إثارة للدهشة" ، يقول غريلبيل: إن مستوى الدوبامين يزداد بثبات خلال كل تجربة ، اقترب الحيوان من هدفه - كما لو كان تحسبًا لمكافأة.
تباينت سلوك الفئران من التجربة إلى التجربة - كانت بعض الجري أسرع من غيرها ، وفي بعض الأحيان تتوقف الحيوانات لفترة وجيزة - ولكن إشارة الدوبامين لم تختلف باختلاف سرعة الجري أو المدة التجريبية. كما أنها لم تعتمد على احتمال الحصول على المكافأة ، وهو الأمر الذي اقترحته الدراسات السابقة.
"بدلا من ذلك ، يبدو أن إشارة الدوبامين تعكس مدى الفئران عن هدفها" ، يوضح جرابيبيل. "كلما اقترب ، كلما زادت قوة الإشارة." كما وجد الباحثون أن حجم الإشارة مرتبط بحجم المكافأة المتوقعة: عندما تم تدريب الفئران على توقع وجود كمية أكبر من حليب الشوكولا ، ارتفعت إشارة الدوبامين. أكثر بشكل حاد إلى تركيز نهائي أعلى.
في بعض التجارب ، امتدت المتاهة على شكل حرف T إلى شكل أكثر تعقيدًا ، مما تطلب من الحيوانات المزيد من الجري وإجراء دورات إضافية قبل الوصول إلى المكافأة. خلال هذه التجارب ، ازدادت إشارة الدوبامين تدريجيا ، ووصلت في نهاية المطاف إلى نفس المستوى في المتاهة الأقصر. "يبدو الأمر كما لو أن الحيوان كان يعدل توقعاته ، مع العلم أنه كان عليه أن يرحل" ، يقول جرايبيل.
"نظام التوجيه الداخلي"
يقول تيرنس سيجنوسكي من معهد سالك ، وهو عالم عصبي حاسوبي على دراية بالنتائج ، "وهذا يعني أنه يمكن استخدام مستويات الدوبامين لمساعدة حيوان ما على الاختيار في الطريق إلى الهدف وتقدير المسافة إلى الهدف". لم تشارك في الدراسة. "يمكن أن يكون هذا" نظام التوجيه الداخلي "مفيدًا أيضًا للبشر ، الذين يتعين عليهم أيضًا اتخاذ خيارات على الطريق إلى ما قد يكون هدفًا بعيدًا".
أحد الأسئلة التي يأمل غرايبيل في دراستها في الأبحاث المستقبلية هو كيف تنشأ الإشارة داخل الدماغ. تشكل الجرذان والحيوانات الأخرى خرائط معرفية لبيئتها المكانية ، مع ما يسمى بـ "خلايا المكان" التي تنشط عندما يكون الحيوان في مكان محدد. وتقول: "بينما تعمل فئراننا في المتاهة بشكل متكرر ، نشك في أنهم يتعلمون ربط كل نقطة في المتاهة بمسافاتها من المكافأة التي مروا بها في فترات سابقة".
وفيما يتعلق بأهمية هذا البحث بالنسبة إلى البشر ، يقول غريبيل ، "سأكون مصدومًا إذا لم يحدث شيء مشابه في أدمغتنا". ومن المعروف أن مرضى الشلل الرعاش ، الذين يعانون من ضعف إشارة الدوبامين ، غالباً ما يبدو غير مبالين ، ويواجه صعوبة في الحفاظ على الدافع لإكمال مهمة طويلة. يقول غرايبيل: "ربما يكون السبب هو أنهم لا يستطيعون إنتاج إشارة الدوبامين المتدرجة البطيئة هذه".
المصدر: معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
;