Hersenen op lange termijn beloningssysteem is afhankelijk van dopamine
5 Augustus 2013
Brett Smith voor redOrbit.com - Your Universe Online
Van het rijden door het land tot het afstuderen aan de universiteit, lange-termijndoelen zijn vaak moeilijk om op te letten wanneer een onmiddellijke beloning niet in zicht is.
Een team van onderzoekers van de Universiteit van Washington in Seattle en MIT heeft recent nieuwe details ontdekt over hoe de hersenen gefocust kunnen blijven totdat deze langetermijndoelen worden bereikt, volgens een rapport in het tijdschrift Nature.
Het onderzoek van het gezamenlijke team is gebaseerd op eerdere onderzoeken die de neurotransmitter dopamine hebben gekoppeld aan het beloningssysteem van de hersenen. Hoewel de meeste eerdere studies het kijken naar dopamine met betrekking tot een onmiddellijke beloning betroffen, ontdekte de nieuwe studie toenemende hoeveelheden dopamine toen laboratoriumratten een verwachte beloning benaderden na een vertraagde bevrediging.
Om dopamineniveaus in de hersenen van ratten te meten, gebruikte het team een systeem ontwikkeld door UW gedragswetenschapper Paul Phillips, genaamd fast-scan cyclische voltammetrie (FSCV) waarbij kleine geïmplanteerde elektroden betrokken zijn die continu de dopamineconcentratie registreren door te kijken naar de elektrochemische handtekening.
"We hebben de FSCV-methode zo aangepast dat we dopamine konden meten op maximaal vier verschillende locaties in de hersenen, terwijl dieren zich vrij door het doolhof bewogen", aldus co-auteur Mark Howe, momenteel een post-doctorale neurobioloog aan de Northwestern University. "Elke probe meet de concentratie extracellulair dopamine in een klein volume hersenweefsel en weerspiegelt waarschijnlijk de activiteit van duizenden zenuwuiteinden."
De wetenschappers begonnen met het trainen van ratten om hun weg te vinden door een doolhof op zoek naar een beloning. Tijdens het rennen van elke rat door het doolhof klinkt er een toon die aangeeft dat hij naar rechts of links moet gaan op een kruispunt om een beloning met chocolademelk na te streven.
Het onderzoeksteam zei dat ze verwachtten dat pulserende dopamine door de hersenen van de ratten op periodieke intervallen tijdens de proeven zou vrijkomen. Ze ontdekten echter dat de niveaus van de neurotransmitter tijdens het hele experiment gestaag bleven stijgen - met als hoogtepunt een piekniveau toen het knaagdier zijn beloning naderde. Terwijl het gedrag van de ratten tijdens elke test varieerde, steeg hun dopamine-niveau betrouwbaar ondanks de rijsnelheid of kans op beloning.
"In plaats daarvan lijkt het dopaminesignaal weer te geven hoe ver de rat verwijderd is van zijn doel," zei Ann Graybiel, die een hersenonderzoekslaboratorium runt bij MIT. "Hoe dichterbij het wordt, hoe sterker het signaal wordt."
Het team ontdekte ook dat de grootte van het dopaminesignaal was gekoppeld aan de grootte van de verwachte beloning. Wanneer ratten werden geconditioneerd om een grotere portie chocolademelk te verwachten, namen hun dopaminegehalten sneller toe naar een hogere piek.
Onderzoekers varieerden van het experiment door het doolhof uit te breiden tot een meer complexe vorm waardoor de ratten verder renden en extra beurten maakten om de prijs te bereiken. Tijdens deze langere proeven nam het dopaminesignaal geleidelijker toe, maar bereikte uiteindelijk hetzelfde niveau als in het vorige doolhof.
"Het is alsof het dier zijn verwachtingen aanpaste, wetende dat het verder moest gaan," zei Graybiel.
Ze suggereerde dat toekomstige studies ditzelfde fenomeen bij mensen zouden moeten onderzoeken.
"Ik zou geschrokken zijn als iets soortgelijks niet zou gebeuren in onze eigen hersenen," zei Graybiel.
Onderzoek onthult hoe de hersenen de prijs in de gaten houden
Ma. 08/05/2013 - 10:15 uur
McGovern Institute for Brain Research
"Zijn we er al?"
Zoals iedereen die heeft gereisd met jonge kinderen weet, kan het een uitdaging zijn om de aandacht te houden op verre doelen. Een nieuwe studie van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) suggereert hoe de hersenen deze taak bereiken en geeft aan dat de neurotransmitter dopamine de waarde van langetermijnbeloningen kan signaleren. De bevindingen kunnen ook verklaren waarom patiënten met de ziekte van Parkinson - waarbij dopamine-signalering wordt aangetast - vaak moeite hebben om de motivatie te behouden om taken te voltooien.
Het werk wordt beschreven in Nature.
Eerdere studies hebben dopamine gekoppeld aan beloningen en hebben aangetoond dat dopamine-neuronen korte uitbarstingen van activiteit vertonen wanneer dieren een onverwachte beloning ontvangen. Van deze dopaminesignalen wordt aangenomen dat ze belangrijk zijn voor het leren van versterking, het proces waarbij een dier leert om acties uit te voeren die tot beloning leiden.
Het lange perspectief nemen
In de meeste studies werd die beloning binnen enkele seconden afgeleverd. In het echte leven is bevrediging echter niet altijd onmiddellijk: dieren moeten vaak op zoek naar voedsel reizen en moeten hun motivatie behouden voor een doel op afstand terwijl ze ook reageren op meer directe signalen. Hetzelfde geldt voor de mens: een bestuurder tijdens een lange roadtrip moet gefocust blijven op het bereiken van een eindbestemming, terwijl hij ook reageert op verkeer, stopt voor snacks en kinderen op de achterbank entertaint.
Het MIT-team, geleid door Institute Professor Ann Graybiel - die ook een onderzoeker is aan het McGovern Institute for Brain Research van MIT - besloot om te bestuderen hoe dopamine verandert tijdens een dooletaak die werk benadert voor vertraagde bevrediging. De onderzoekers trainden ratten om door een doolhof te navigeren om een beloning te krijgen. Tijdens elke proef hoort een rat een toon die aangeeft dat hij rechts of links moet draaien bij een kruising om een beloning met chocolademelk te vinden.
In plaats van alleen de activiteit van dopamine-bevattende neuronen te meten, wilden de MIT-onderzoekers meten hoeveel dopamine werd vrijgegeven in het striatum, een hersenstructuur waarvan bekend is dat ze belangrijk is bij het leren van versterkingen. Ze gingen samenwerken met Paul Phillips van de Univ. van Washington, die een technologie heeft ontwikkeld met de naam fast-scan cyclische voltammetrie (FSCV), waarbij kleine, geïmplanteerde koolstofvezelelektroden continue metingen van de dopamineconcentratie mogelijk maken op basis van de elektrochemische vingerafdruk.
"We hebben de FSCV-methode zo aangepast dat we dopamine tegelijkertijd op vier verschillende plaatsen in de hersenen konden meten, omdat dieren vrijelijk door het doolhof konden bewegen", vertelt eerste auteur Mark Howe, een voormalig afgestudeerde student bij Graybiel die nu een postdoc is in het Departement van Neurobiologie op Northwestern Univ. "Elke probe meet de concentratie extracellulair dopamine in een klein volume hersenweefsel en weerspiegelt waarschijnlijk de activiteit van duizenden zenuwuiteinden."
Geleidelijke toename van dopamine
Uit eerder werk verwachtten de onderzoekers dat ze pulsen dopamine op verschillende tijdstippen in het onderzoek zouden zien vrijkomen, "maar in feite vonden we iets veel verrassends," zegt Graybiel: het niveau van dopamine steeg gestaag tijdens elke test, met een piek als de dier benaderde zijn doel - alsof hij in afwachting was van een beloning.
Het gedrag van de rat varieerde van proef tot proef - sommige runs waren sneller dan andere, en soms stopten de dieren even - maar het dopaminesignaal varieerde niet met loopsnelheid of proefduur. Het was ook niet afhankelijk van de kans op het krijgen van een beloning, iets dat in eerdere studies was gesuggereerd.
"In plaats daarvan lijkt het dopaminesignaal weer te geven hoe ver de rat verwijderd is van zijn doel," legt Graybiel uit. "Hoe dichter het wordt, hoe sterker het signaal wordt." De onderzoekers vonden ook dat de grootte van het signaal gerelateerd was aan de grootte van de verwachte beloning: wanneer ratten werden getraind om te anticiperen op een grotere slok chocolademelk, steeg het dopaminesignaal meer steil tot een hogere eindconcentratie.
In sommige onderzoeken werd het T-vormige doolhof uitgebreid naar een meer complexe vorm, waardoor dieren verder moesten rennen en extra bochten moesten maken voordat ze een beloning bereikten. Tijdens deze proeven steeg het dopaminesignaal geleidelijker en bereikte uiteindelijk hetzelfde niveau als in het kortere doolhof. "Het is alsof het dier zijn verwachtingen aanpast, wetende dat het verder moest gaan", zegt Graybiel.
Een 'intern geleidingssysteem'
"Dit betekent dat dopamine-niveaus kunnen worden gebruikt om een dier te helpen bij het maken van keuzes op weg naar het doel en om de afstand tot het doel te schatten", zegt Terrence Sejnowski van het Salk Institute, een computationele neurowetenschapper die bekend is met de bevindingen, maar die was niet betrokken bij het onderzoek. "Dit 'interne begeleidingssysteem' zou ook nuttig kunnen zijn voor mensen, die ook keuzes moeten maken op weg naar een mogelijk verre doelstelling. '
Een vraag die Graybiel in toekomstig onderzoek hoopt te onderzoeken, is hoe het signaal in de hersenen opkomt. Ratten en andere dieren vormen cognitieve kaarten van hun ruimtelijke omgeving, met zogenaamde "plaatscellen" die actief zijn wanneer het dier zich op een specifieke locatie bevindt. "Terwijl onze ratten herhaaldelijk door het doolhof rennen," zegt ze, "vermoeden we dat ze elk punt in het doolhof leren associëren met de afstand tot de beloning die ze bij eerdere runs hebben ervaren."
Wat de relevantie van dit onderzoek voor de mens betreft, zegt Graybiel: "Ik zou geschokt zijn als iets soortgelijks niet zou gebeuren in ons eigen brein." Het is bekend dat Parkinsonpatiënten, bij wie dopamine-signalering wordt aangetast, vaak apathisch lijken te zijn, en moeite hebben met het ondersteunen van de motivatie om een lange taak te voltooien. "Misschien komt dat omdat ze dit langzaam oplopende dopamine-signaal niet kunnen produceren", zegt Graybiel.
Bron: Massachusetts Institute of Technology
;