Het lokken van het onbekende (2006)

Belangrijkste tekst

Meriwether Lewis en William Clark werkten er jaren aan, Edmund Hillary en Tenzing Norgay klommen Mt. Voor Everest daarvoor, vloog Neil Armstrong ervoor in de ruimte en Robert Falcon Scott stierf ervoor - een kans om iets te ontdekken dat nog nooit eerder was gezien. Een lange traditie van menselijke verkenning getuigt van de motiverende kracht van nieuwheid. Evolutionaire biologen hebben betoogd dat alle foeragerende soorten om te kunnen bloeien, het onbekende moeten verkennen om te floreren (Pankepp, 1998). Hoe een dergelijke drive zich in de hersenen manifesteert, is echter onduidelijk gebleven. In deze uitgave van Neuron, Voor de eerste keer, Bunzeck en Düzel (2006) laten zien dat regio's van de middenhersenen die vermoedelijk dopamine-neuronen herbergen bij voorkeur reageren op nieuwe in plaats van zeldzame, opwindende of gedragsrelevante stimuli (Bunzeck en Düzel, 2006).

Van de buitenkant, de ventrale tegmental gebied (VTA) en zwarte kern (SN) zijn gemakkelijk te missen. Ligt diep in een bocht van de hersenstam, deze kernen herbergen de lichamen van de meeste dopamine-neuronen die het striatum en de prefrontale cortex innerveren. Tract traceren studies tonen aan dat terwijl de VTA projecteert naar meer ventrale regio's van het striatum en prefrontale cortex, de SN projecteert naar meer dorsale en laterale regio's van het striatum en prefrontale cortex. Hoewel klein, kunnen deze kernen een grote invloed uitoefenen. Van binnenuit is het leven zonder deze neuronen van de middenhersenen inderdaad verre van gemakkelijk. Zo leiden zowel organische laesies (door de ziekte van Parkinson) als synthetische laesies (door onjuist vervaardigde medicijnen) van de SN / VTA tot mentale en fysieke immobiliteit.

Terwijl laesiestudies suggereren dat dorsale paden geïnnerveerd door de SN een rol spelen in beweging, ventrale paden geïnnerveerd door de VTA een minder begrepen rol spelen in motivatie (Haber en Fudge, 1997). Sommige prominente theorieën veronderstellen dat activiteit in dit ventrale pad 'salience' verleent aan stimuli (Berridge en Robinson, 1993). Theoretici hebben salience echter anders gedefinieerd en verwarren empirische pogingen om de functie van deze kernen te isoleren. Sommige definities van opvallendheid roepen bijvoorbeeld nieuwigheid op, andere roepen gedragsrelevantie op en weer andere roepen opwinding op.

Hier definiëren Bunzeck en Düzel operationeel 'salience' op vier verschillende manieren. Tijdens de verwerving van gebeurtenisgerelateerde fMRI, toonden de onderzoekers proefpersonenfoto's van gezichten of buitenscènes die verschillende kenmerken van opvallendheid belichaamden en maten vervolgens de SN / VTA-reactie op deze verschillende stimuli. Een eerste groep foto's was nieuw, of nog nooit eerder gezien. Een tweede groep foto's was gedragsrelevant en vereiste een druk op de knop. Een derde groep foto's was negatief en dus vermoedelijk opwindend (dwz een negatieve uitdrukking in het geval van gezichten, of een auto-ongeluk in het geval van scènes). Een vierde groep foto's was verschillend maar verscheen meer dan eens ("neutrale oddballs" genoemd). Bij het niet bekijken van een van deze foto's, zagen proefpersonen een herhaald neutraal beeld voor de resterende tweederde van de proeven. Foto's verschenen ongeveer om de 3 seconden.

De onderzoekers ontdekten dat van alle afbeeldingen nieuwe afbeeldingen de SN / VTA, evenals delen van de, het krachtigst activeerden hippocampus en striatum, wat suggereert dat SN / VTA-activering op nieuwheid reageerde in plaats van andere soorten opvallendheid. Andere soorten foto's rekruteerden andere regio's. Enigszins verrassend, gezien de vermeende rol van dopamine-projecties in beweging, activeerden beelden die een motorische respons vereisten niet krachtig de SN / VTA-regio's, in plaats daarvan een motorcircuit werven met de rode kern, thalamus en motorische cortex. Negatieve foto's hebben ook de SN / VTA niet krachtig geactiveerd, maar in plaats daarvan robuustere activering van andere middenhersenengebieden (dwz de locus coeruleus) en de amygdala. Ten slotte, in vergelijking met de herhaalde foto, activeerde de neutrale oddball de hippocampus, evenals andere regio's zoals het voorste cingulaat.

De onderzoekers onderzochten ook of nieuwheid het geheugen verbetert. Hippocampale activering is geassocieerd met coderingsgeheugens in fMRI-onderzoeken (Brewer et al., 1998, Wagner et al., 1998), en nieuwe afbeeldingen hebben deze regio en de SN / VTA geactiveerd. Dit leidt tot de conclusie dat proefpersonen een beter geheugen moeten tonen voor nieuwe foto's. In feite deden ze dat niet. In plaats daarvan, zoals in ander onderzoek (Ranganath en Rainer, 2003), herinnerden proefpersonen bekende foto's beter dan nieuwe. In een afzonderlijk experiment vonden de onderzoekers echter een interessant contextueel effect waarbij bekende foto's afgewisseld met nieuwe foto's een tijdelijke geheugenboost kregen, 20 minuten detecteerbaar maar niet 1 dag later. Deze bevinding kan worden vergeleken met die van andere recente studies die aantonen dat beloningscues de SN / VTA en hippocampus coactiveren, wat het langetermijngeheugen verbetert, niet alleen voor de signalen (Wittmann et al., 2005), maar ook voor foto's die erop volgen (Adcock et al., 2006).

Samen vormen deze bevindingen mogelijk een opwindend nieuw onderzoek dat probeert motivatie en geheugen te koppelen. Een recente theorie postuleert dat twee circuits een lus vormen, waardoor nieuwheid geheugen kan bevorderen (Lisman en Grace, 2005). In het eerste dalende circuit activeert nieuwigheid de hippocampus, die op de SN / VTA synapseert via subcorticale paden die door de ventrale striatum. Een tweede stijgend circuit voltooit de lus, waarin de geactiveerde SN / VTA geeft dopamine af in de hippocampus, het bevorderen van het onthouden van de nieuwe stimulus. De huidige bevindingen bieden gedeeltelijke ondersteuning voor de lus-theorie. Ze zijn consistent met de werving van het eerste circuit, waarin hippocampus, striatum en SN / VTA worden geactiveerd door nieuwheid. Ze zijn echter niet consistent met de werving van het tweede circuit, omdat nieuwe stimuli niet beter werden onthouden. Er was echter een tijdelijke boost in het geheugen voor bekende stimuli in de context van nieuwe stimuli. Aangezien andere fMRI-onderzoeken suggereren dat beloningscues dit tweede circuit activeren, wat overeenkomt met verbeterde codering van daaropvolgende stimuli, kan het zijn dat nieuwe stimuli zelf niet beter worden onthouden, maar de hersenen in een ontvankelijke staat brengen om te onthouden wat nog moet komen (welke kan een aanhoudende nieuwe stimulans zijn of iets anders) (Dagan, 2002, Knutson en Adcock, 2005). Een dergelijk mechanisme kan zeer nuttig zijn voor een voorspellend, foeragerend dier (Kakade en Dayan, 2002).

De bevindingen roepen ook vragen op over de beloningswaarde van nieuwe foto's. Hebben bijvoorbeeld proefpersonen de voorkeur gegeven aan nieuwe foto's boven minder nieuwe, negatieve emotionele of gedragsafhankelijke foto's? De studie bevatte geen positieve emotionele foto's, wat een interessante toekomstige vergelijking met nieuwe foto's zou kunnen bieden. Men zou kunnen voorspellen dat zowel nieuwe als positieve foto's de SN / VTA afzonderlijk zouden kunnen activeren. Als alternatief, als de nieuwigheidseffecten worden gemedieerd door de beloningswaarde van nieuwheid, zou men kunnen voorspellen dat positieve beelden, ingebed in hetzelfde experiment, SN / VTA-activering van nieuwe stimuli kunnen "stelen".

In het licht van voortdurende technologische vooruitgang blijven er uitdagingen bestaan ​​bij het visualiseren van SN / VTA-activiteit met fMRI. De SN / VTA zijn klein en hoewel fMRI-onderzoekers overtuigend activering in deze regio's hebben gemeld (Adcock et al., 2006, Knutson et al., 2005, Wittmann et al., 2005), kleinere voxelgroottes en ruimtelijk gladmakende korrels zijn absoluut in orde. Bovendien ligt de SN / VTA grenzend aan een weefselinterface en direct boven de pulserende slagaders van de cirkel van Willis, die zichtbaar vooral deze ventrale gebieden van de hersenen bewegen (Dagli et al., 1999). Speciale middelen voor het omgaan met de pulsaties zijn in ontwikkeling en kunnen ruis in deze gebieden verminderen, inclusief cardiale gated sampling tijdens beeldverwerving (Guimaraes et al., 1998) of filtering na acquisitie met het hartritme (Glover et al., 2000). Ten slotte, zoals opgemerkt door vele anderen (Logothetis en Wandell, 2004), toename van fMRI bloed zuurstofniveau afhankelijk (BOLD) signaal vormt een interpretatief dilemma in of ze inkomende signalen, uitgaande signalen of een combinatie van beide weerspiegelen. Recente elektrofysiologische studies beginnen te suggereren dat verhoogde BOLD-activering voornamelijk postsynaptische veranderingen als gevolg van neurale input indexeert, wat natuurlijk de vraag oproept welke andere regio's de VTA informeren over de komst van een nieuwe stimulus.

Verkenning is niet beperkt tot fysieke grenzen en vreemde landen. Galileo Galilei en Isaac Newton konden zich waarschijnlijk identificeren met de opwinding van het voor het eerst turen in voorheen onbekende werelden. Door een verband te leggen tussen nieuwheid, beloning en herinnering, hebben Bunzeck en Düzel ons een goede start gegeven voor het begrijpen van de motivatie die zowel ontdekkingsreizigers als wetenschappers drijft.