9. März 2017
Eine Maus findet ihren Weg über eine Karte in Form der chemischen Struktur eines Dopaminmoleküls, was die Forschungsergebnisse widerspiegelt, dass Dopamin Verhaltensentscheidungen steuert. Bildnachweis: Salk Institute
Angenommen, Sie greifen an einem Buffet nach der Obstschale, aber in der letzten Sekunde schalten Sie den Gang um und nehmen stattdessen einen Cupcake. Emotional gesehen ist Ihre Entscheidung ein komplexer Eintopf aus Schuldgefühlen und köstlicher Vorfreude. Aber physisch ist es eine einfache Verschiebung: Anstatt sich nach links zu bewegen, ging Ihre Hand nach rechts. Solche sekundenschnellen Veränderungen interessieren Neurowissenschaftler, weil sie eine wichtige Rolle bei Krankheiten spielen, die Probleme bei der Auswahl einer Aktion mit sich bringen, wie Parkinson und Drogenabhängigkeit.
In der März 9, 2017 Online-Publikation der Zeitschrift NeuronWissenschaftler am Salk Institute berichten, dass die Konzentration einer Gehirnchemikalie genannt wird Dopamin regelt Entscheidungen über Handlungen so genau, dass die Messung des Niveaus unmittelbar vor einer Entscheidung es Forschern ermöglicht, das Ergebnis genau vorherzusagen. Darüber hinaus stellten die Wissenschaftler fest, dass eine Änderung des Dopaminspiegels ausreicht, um die bevorstehende Auswahl zu ändern. Die Arbeit kann neue Wege für die Behandlung von Störungen eröffnen, sowohl in Fällen, in denen eine Person keine zu initiierende Bewegung auswählen kann, wie beispielsweise die Parkinson-Krankheit, als auch in Fällen, in denen jemand sich wiederholende Handlungen wie Zwangsstörungen (OCD) oder nicht stoppen kann Drogenabhängigkeit.
„Da wir nicht mehr als eine Sache gleichzeitig tun können, trifft das Gehirn ständig Entscheidungen darüber, was als nächstes zu tun ist“, sagt Xin Jin, Assistenzprofessor im Labor für molekulare Neurobiologie von Salk und leitender Autor der Zeitung. "In den meisten Fällen kontrolliert unser Gehirn diese Entscheidungen auf einer höheren Ebene als direkt mit bestimmten Muskeln zu sprechen, und das möchte mein Labor meistens besser verstehen."
Wenn wir uns für eine freiwillige Aktion wie das Binden unserer Schnürsenkel entscheiden, sendet der äußere Teil unseres Gehirns (der Kortex) ein Signal an eine tiefere Struktur namens Striatum, die Dopamin erhält, um die Abfolge der Ereignisse zu koordinieren: Bücken, Ergreifen der Schnürsenkel, die Knoten binden. Neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson schädigen die Dopamin freisetzenden Neuronen und beeinträchtigen die Fähigkeit einer Person, eine Reihe von Befehlen auszuführen. Wenn Sie beispielsweise Parkinson-Patienten bitten, eine V-Form zu zeichnen, zeichnen sie möglicherweise die Linie, die gut nach unten geht, oder die Linie, die gut nach oben geht. Sie haben jedoch große Schwierigkeiten, von einer Richtung in die andere zu wechseln, und verbringen viel länger beim Übergang. Bevor Forscher gezielte Therapien für solche Krankheiten entwickeln können, müssen sie genau verstehen, welche Funktion Dopamin im normalen Gehirn auf einer grundlegenden neurologischen Ebene hat.
Jins Team entwarf eine Studie, in der Mäuse zwischen dem Drücken eines von zwei Hebeln wählten, um eine zuckerhaltige Behandlung zu erhalten. Die Hebel befanden sich auf der rechten und linken Seite einer speziell angefertigten Kammer, in deren Mitte sich der Leckerli-Spender befand. Die Hebel zogen sich zu Beginn jedes Versuchs aus der Kammer zurück und tauchten entweder nach zwei Sekunden oder nach acht Sekunden wieder auf. Die Mäuse lernten schnell, dass das Drücken des linken Hebels ein Vergnügen war, wenn die Hebel nach der kürzeren Zeit wieder auftauchten. Wenn sie nach längerer Zeit wieder auftauchten, führte das Drücken des rechten Hebels zu einer Belohnung. Somit stellten die beiden Seiten eine vereinfachte Zwei-Wahl-Situation für die Mäuse dar - sie bewegten sich anfänglich auf die linke Seite der Kammer, aber wenn die Hebel nicht innerhalb einer bestimmten Zeitspanne wieder auftauchten, bewegten sich die Mäuse basierend auf der rechten Seite auf eine interne Entscheidung.
„Dieses spezielle Design ermöglicht es uns, eine einzigartige Frage zu stellen, was im Gehirn während dieses mentalen und physischen Wechsels von einer Wahl zur anderen passiert“, sagt Hao Li, ein Salk-Forschungsmitarbeiter und Co-Erstautor des Papiers.
Während die Mäuse die Versuche durchführten, verwendeten die Forscher eine Technik namens Fast-Scan-Cyclovoltammetrie, um die Dopaminkonzentration im Gehirn der Tiere über eingebettete Elektroden zu messen, die viel feiner als ein menschliches Haar sind. Die Technik ermöglicht eine Messung im sehr feinen Zeitmaßstab (in dieser Studie erfolgte die Probenahme 10 Mal pro Sekunde) und kann daher auf schnelle Änderungen in der Gehirnchemie hinweisen. Die Voltammetrieergebnisse zeigten, dass Schwankungen des Dopaminspiegels im Gehirn eng mit der Entscheidung des Tieres verbunden waren. Die Wissenschaftler waren tatsächlich in der Lage, die bevorstehende Wahl des Hebels des Tieres allein anhand der Dopaminkonzentration genau vorherzusagen.
Interessanterweise zeigten andere Mäuse, die durch Drücken eines der Hebel eine Behandlung erhielten (wodurch das Element der Wahl entfernt wurde), einen Dopaminanstieg, als die Versuche begannen, aber im Gegensatz dazu blieben ihre Spiegel die ganze Zeit über der Grundlinie (schwankten nicht unter der Grundlinie). Hinweis auf die sich entwickelnde Rolle von Dopamin, wenn eine Wahl getroffen wird.
„Wir freuen uns sehr über diese Ergebnisse, da sie darauf hinweisen, dass Dopamin über seine bekannte Rolle beim Lernen hinaus auch an laufenden Entscheidungen beteiligt sein könnte“, fügt der Co-Erstautor des Papiers, Christopher Howard, ein Salk-Forschungsmitarbeiter, hinzu.
Um zu überprüfen, ob der Dopaminspiegel die Wahländerung verursachte, anstatt nur damit verbunden zu sein, verwendete das Team Gentechnik und molekulare Werkzeuge - einschließlich der Aktivierung oder Hemmung von Neuronen mit Licht in einer Technik namens Optogenetik -, um den Dopaminspiegel im Gehirn der Tiere in der Realität zu manipulieren Zeit. Sie fanden heraus, dass sie Mäuse durch Erhöhen oder Verringern des Dopaminspiegels bidirektional von einer Hebelwahl zur anderen wechseln konnten.
Laut Jin deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass sich dynamisch ändernde Dopaminspiegel mit der laufenden Auswahl von Maßnahmen verbunden sind. „Wir glauben, dass Menschen eine bessere Kontrolle über ihr Verhalten haben könnten, wenn wir die entsprechende Dopamin-Dynamik wiederherstellen könnten - bei Parkinson, Zwangsstörungen und Drogenabhängigkeit. Dies ist ein wichtiger Schritt, um zu verstehen, wie dies erreicht werden kann. “
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