Brains Langzeitbelohnungssystem beruht auf Dopamin
5. August 2013
Brett Smith für redOrbit.com - Dein Universum online
Langfristige Ziele sind oft schwer zu erreichen, wenn eine unmittelbare Belohnung nicht in Sicht ist.
Ein Team von Forschern der University of Washington in Seattle und des MIT hat kürzlich herausgefunden, wie das Gehirn konzentriert bleiben kann, bis diese langfristigen Ziele erreicht werden, so ein Bericht in der Fachzeitschrift Nature.
Die Forschung des Joint Teams baut auf früheren Studien auf, die den Neurotransmitter Dopamin mit dem Belohnungssystem des Gehirns in Verbindung gebracht haben. Während die meisten früheren Studien die Dopamin-Untersuchung hinsichtlich einer unmittelbaren Belohnung betrafen, stellte die neue Studie fest, dass die Dopamin-Gehalte zunahmen, da sich die Laborratten nach verzögerter Befriedigung einer erwarteten Belohnung näherten.
Um den Dopaminspiegel im Gehirn der Ratten zu messen, verwendete das Team ein von UW-Verhaltenswissenschaftler Paul Phillips entwickeltes System namens Fast-Scan-Cyclovoltammetrie (FSCV), bei dem kleine implantierte Elektroden verwendet werden, die die Dopaminkonzentration kontinuierlich aufzeichnen, indem sie nach ihrer elektrochemischen Signatur suchen.
"Wir haben die FSCV-Methode so angepasst, dass wir Dopamin an bis zu vier verschiedenen Stellen im Gehirn gleichzeitig messen konnten, während sich Tiere frei durch das Labyrinth bewegten", sagte Mark Howe, Co-Autor, derzeit Postdoktorand an der Northwestern University. "Jede Sonde misst die Konzentration von extrazellulärem Dopamin in einem winzigen Volumen an Hirngewebe und spiegelt wahrscheinlich die Aktivität von Tausenden von Nervenendgeräten wider."
Die Wissenschaftler trainierten zunächst Ratten, um ihren Weg durch ein Labyrinth auf der Suche nach einer Belohnung zu finden. Bei jedem Rattenlauf durch das Labyrinth ertönte ein Ton, der darauf hinweist, an einer Kreuzung rechts oder links abzubiegen, um eine Schokoladenmilchbelohnung zu erhalten.
Das Forschungsteam sagte, dass sie erwarteten, dass Dopamin-Impulse während der Studien in regelmäßigen Abständen vom Gehirn der Ratten freigesetzt würden. Sie fanden jedoch heraus, dass der Neurotransmitter während des gesamten Experiments kontinuierlich anstieg, was zu einem Höchststand führte, als sich der Nager seiner Belohnung näherte. Während das Verhalten der Ratten während der einzelnen Versuche variierte, stiegen ihre Dopaminspiegel trotz Laufgeschwindigkeit oder Belohnungswahrscheinlichkeit zuverlässig an.
"Stattdessen scheint das Dopaminsignal zu reflektieren, wie weit die Ratte von ihrem Ziel entfernt ist", sagte Ann Graybiel, die am MIT ein Gehirnforschungslabor betreibt. "Je näher es kommt, desto stärker wird das Signal."
Das Team entdeckte auch, dass die Stärke des Dopaminsignals mit der Größe der erwarteten Belohnung zusammenhängt. Wenn Ratten konditioniert wurden, um eine größere Portion Schokoladenmilch zu erwarten, stiegen ihre Dopaminspiegel schneller auf einen höheren Peak.
Die Forscher variierten das Experiment, indem sie das Labyrinth zu einer komplexeren Form ausdehnten, wodurch die Ratten weiter laufen und zusätzliche Wendungen machen, um den Preis zu erreichen. Während dieser längeren Versuche stieg das Dopaminsignal allmählich an, erreichte aber schließlich das gleiche Niveau wie im vorherigen Labyrinth.
"Es ist, als würde das Tier seine Erwartungen anpassen und wusste, dass es noch weiter gehen musste", sagte Graybiel.
Sie schlug vor, dass zukünftige Studien dieses Phänomen beim Menschen untersuchen sollten.
"Ich wäre schockiert, wenn in unserem eigenen Gehirn nichts Ähnliches passiert", sagte Graybiel.
Die Forschung zeigt, wie das Gehirn den Preis im Auge behält
Mo, 08/05/2013 - 10:15 Uhr
McGovern Institut für Hirnforschung
"Sind wir schon da?"
Jeder, der mit kleinen Kindern unterwegs war, weiß, dass es eine Herausforderung sein kann, sich auf entfernte Ziele zu konzentrieren. Eine neue Studie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) legt nahe, wie das Gehirn diese Aufgabe erfüllt, und weist darauf hin, dass der Neurotransmitter Dopamin den Wert langfristiger Belohnungen signalisieren kann. Die Ergebnisse können auch erklären, warum Parkinson-Patienten, bei denen die Dopamin-Signalgebung beeinträchtigt ist, häufig Schwierigkeiten haben, die Motivation zur Beendigung ihrer Aufgaben aufrechtzuerhalten.
Die Arbeit ist in Nature beschrieben.
Frühere Studien haben Dopamin mit Belohnungen in Verbindung gebracht und gezeigt, dass Dopamin-Neuronen kurze Aktivitätsausbrüche zeigen, wenn Tiere eine unerwartete Belohnung erhalten. Es wird angenommen, dass diese Dopaminsignale für das Verstärkungslernen wichtig sind, der Prozess, durch den ein Tier lernt, Aktionen auszuführen, die zu Belohnungen führen.
Auf lange Sicht
In den meisten Studien wurde diese Belohnung innerhalb weniger Sekunden geliefert. Im wirklichen Leben ist die Befriedigung jedoch nicht immer unmittelbar: Tiere müssen oft auf Nahrungssuche gehen und müssen die Motivation für ein entferntes Ziel aufrechterhalten, während sie auf unmittelbarere Hinweise reagieren. Gleiches gilt für den Menschen: Ein Fahrer, der auf einer langen Reise unterwegs ist, muss sich darauf konzentrieren, ein Endziel zu erreichen, während er auf den Verkehr reagiert, Snacks anhält und Kinder auf dem Rücksitz unterhält.
Das MIT-Team unter der Leitung der Institutsprofessorin Ann Graybiel, die auch am McGovern Institute for Brain Research des MIT forscht, untersuchte, zu untersuchen, wie sich Dopamin während einer Labyrinth-Aufgabe verändert, um die Arbeit für die verzögerte Befriedigung anzunähern. Die Forscher trainierten Ratten, um in einem Labyrinth eine Belohnung zu erreichen. Bei jedem Versuch hörte eine Ratte einen Ton, der sie an einer Kreuzung nach rechts oder links abbiegen ließ, um eine Schokoladenmilchprämie zu finden.
Anstatt die Aktivität von Dopamin-haltigen Neuronen zu messen, wollten die MIT-Forscher messen, wie viel Dopamin im Striatum freigesetzt wird, einer Gehirnstruktur, die bekanntermaßen für das Verstärkungslernen wichtig ist. Sie haben sich mit Paul Phillips von der Univ zusammengetan. von Washington, der eine Technologie namens "Fast-Scan Cyclic Voltammetry" (FSCV) entwickelt hat, bei der winzige, implantierte Kohlefaserelektroden kontinuierliche Messungen der Dopaminkonzentration basierend auf ihrem elektrochemischen Fingerabdruck ermöglichen.
"Wir haben die FSCV-Methode so angepasst, dass wir Dopamin an bis zu vier verschiedenen Stellen im Gehirn gleichzeitig messen konnten, während sich Tiere frei durch das Labyrinth bewegten", erklärt der erste Autor Mark Howe, ein ehemaliger Doktorand bei Graybiel, der jetzt Postdoc ist der Abteilung für Neurobiologie an der Northwestern Univ. "Jede Sonde misst die Konzentration von extrazellulärem Dopamin in einem winzigen Volumen an Hirngewebe und spiegelt wahrscheinlich die Aktivität von Tausenden von Nervenendgeräten wider."
Allmählicher Anstieg von Dopamin
Aus früheren Arbeiten erwarteten die Forscher, dass Dopaminimpulse zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Studie freigesetzt werden könnten. "Tatsächlich fanden wir jedoch etwas viel überraschenderes", sagt Graybiel: Der Dopaminspiegel stieg in jeder Studie stetig an und erreichte den Höchststand Tier näherte sich seinem Ziel - wie in Erwartung einer Belohnung.
Das Verhalten der Ratten variierte von Versuch zu Versuch - einige Läufe waren schneller als andere, und manchmal hörten die Tiere kurz auf -, aber das Dopaminsignal variierte nicht mit der Laufgeschwindigkeit oder der Versuchsdauer. Es hing auch nicht von der Wahrscheinlichkeit ab, eine Belohnung zu erhalten, was in früheren Studien vorgeschlagen worden war.
"Stattdessen scheint das Dopamin-Signal darauf hinzuweisen, wie weit die Ratte von ihrem Ziel entfernt ist", erklärt Graybiel. "Je näher es kommt, desto stärker wird das Signal." Die Forscher stellten auch fest, dass die Größe des Signals von der Größe der erwarteten Belohnung abhing: Als Ratten trainiert wurden, um einen größeren Schluck Schokoladenmilch zu erwarten, stieg das Dopamin-Signal steiler zu einer höheren Endkonzentration.
In einigen Versuchen wurde das T-förmige Labyrinth zu einer komplexeren Form erweitert, so dass die Tiere weiterlaufen mussten und zusätzliche Umdrehungen machen mussten, bevor sie eine Belohnung erreichten. Während dieser Versuche stieg das Dopaminsignal allmählich an und erreichte schließlich das gleiche Niveau wie im kürzeren Labyrinth. "Es ist, als würde das Tier seine Erwartungen anpassen und wusste, dass es noch weiter gehen musste", sagt Graybiel.
Ein "internes Leitsystem"
"Dies bedeutet, dass der Dopamin-Spiegel verwendet werden könnte, um einem Tier zu helfen, Entscheidungen auf dem Weg zum Ziel zu treffen und die Entfernung zum Ziel abzuschätzen", sagt Terrence Sejnowski vom Salk-Institut, ein rechnerischer Neurowissenschaftler, der mit den Befunden vertraut ist, aber wen war nicht an der Studie beteiligt. "Dieses" interne Leitsystem "könnte auch für Menschen nützlich sein, die auf dem Weg zu einem möglicherweise weit entfernten Ziel Entscheidungen treffen müssen."
Eine Frage, die Graybiel in zukünftigen Forschungen untersuchen möchte, ist, wie das Signal im Gehirn entsteht. Ratten und andere Tiere bilden kognitive Karten ihrer räumlichen Umgebung mit sogenannten "Ortszellen", die aktiv sind, wenn sich das Tier an einem bestimmten Ort befindet. "Wenn unsere Ratten das Labyrinth wiederholt laufen lassen", sagt sie, "haben wir den Verdacht, dass sie lernen, jeden Punkt im Labyrinth mit der Entfernung von der Belohnung in Verbindung zu bringen, die sie bei vorherigen Läufen erlebt haben."
In Bezug auf die Relevanz dieser Forschung für den Menschen sagt Graybiel: "Ich wäre schockiert, wenn etwas Ähnliches in unserem eigenen Gehirn nicht vorkommt." Es ist bekannt, dass Parkinson-Patienten, bei denen die Dopamin-Signalgebung beeinträchtigt ist, oft apathisch wirken. und haben Schwierigkeiten, die Motivation aufrechtzuerhalten, eine lange Aufgabe zu erfüllen. "Vielleicht liegt das daran, dass sie dieses langsame Dopaminsignal nicht erzeugen können", sagt Graybiel.
Quelle: Massachusetts Institute of Technology
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