Hjernens langsiktige belønningssystem er avhengig av dopamin
August 5, 2013
Brett Smith for redOrbit.com - Ditt univers online
Fra å kjøre over hele landet til å studere fra college, er det ofte vanskelig å fokusere på langsiktige mål når en umiddelbar belønning ikke er innen syne.
Et team av forskere fra University of Washington i Seattle og MIT har nylig oppdaget nye detaljer om hvordan hjernen er i stand til å holde fokus før disse langsiktige målene er oppnådd, ifølge en rapport i tidsskriftet Nature.
Fellagets forskning bygger på tidligere studier som har koblet nevrotransmitteren dopamin til hjernens belønningssystem. Mens de fleste tidligere studier har involvert å se på dopamin med hensyn til en umiddelbar belønning, fant den nye studien økende nivåer av dopamin når laboratorierotter nærmet seg en forventet belønning etter forsinket tilfredsstillelse.
For å måle nivåer av dopamin i rottenes hjerner, benyttet teamet et system utviklet av UW atferdsforsker Paul Phillips kalt fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) som involverer små, implanterte elektroder som kontinuerlig registrerer dopaminkonsentrasjon ved å se etter sin elektrokjemiske signatur.
"Vi tilpasset FSCV-metoden slik at vi kunne måle dopamin på opptil fire forskjellige steder i hjernen samtidig, da dyr beveget seg fritt gjennom labyrinten," sa medforfatter Mark Howe, for tiden en postdoktorell nevrobiolog ved Northwestern University. "Hver sonde måler konsentrasjonen av ekstracellulær dopamin i et lite volum av hjernevev, og gjenspeiler sannsynligvis aktiviteten til tusenvis av nerveterminaler."
Forskerne startet med å trene rotter for å finne veien gjennom en labyrint på jakt etter en belønning. Under hver rotte kjørt gjennom labyrinten, ville en tone høres som instruerte den til å svinge til høyre eller venstre i et veikryss for å søke en belønning for sjokolademelk.
Forskerteamet sa at de forventet å se pulser av dopamin som ble frigjort av rottenes hjerne med jevne mellomrom under forsøkene. Imidlertid fant de ut at nivåene av nevrotransmitteren jevnlig steg gjennom hele eksperimentet - og kulminerte i et toppnivå da gnageren nærmet seg belønningen. Mens rottenes oppførsel under hver studie varierte, økte deres dopaminnivå pålitelig til tross for løpehastighet eller sannsynlighet for belønning.
"I stedet ser det ut til at dopaminsignalet reflekterer hvor langt rottingen er fra målet," sa Ann Graybiel, som driver et hjerneforskningslaboratorium ved MIT. "Jo nærmere det kommer, jo sterkere blir signalet."
Teamet oppdaget også at størrelsen på dopaminsignalet var assosiert med størrelsen på den forventede belønningen. Når rotter ble betinget av å forvente en større porsjon sjokolademelk, steg dopaminnivået raskere til en høyere topp.
Forskere varierte eksperimentet ved å utvide labyrinten til en mer sammensatt form som fikk rottene til å løpe lenger og gjøre ytterligere svinger for å nå prisen. Under disse lengre forsøkene økte dopaminsignalet mer gradvis, men nådde til slutt samme nivå som i forrige labyrint.
"Det er som om dyret justerte forventningene, vel vitende om at det måtte videre", sa Graybiel.
Hun foreslo at fremtidige studier skulle se på dette samme fenomenet hos mennesker.
"Jeg ville bli sjokkert hvis ikke noe lignende skjedde i våre egne hjerner," sa Graybiel.
Forskning avslører hvordan hjernen holder øynene opp for prisen
Man, 08 - 05:2013
McGovern Institute for Brain Research
"Er vi der ennå?"
Som alle som har reist med små barn vet, kan det være en utfordring å holde fokus på fjerne mål. En ny studie fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) antyder hvordan hjernen oppnår denne oppgaven, og indikerer at nevrotransmitteren dopamin kan signalisere verdien av langsiktige belønninger. Funnene kan også forklare hvorfor pasienter med Parkinsons sykdom - der signaliseringen av dopamin er svekket - ofte har problemer med å opprettholde motivasjonen for å fullføre oppgaver.
Verket er beskrevet i Nature.
Tidligere studier har koblet dopamin til belønning, og har vist at dopamin-nevroner viser korte aktivitetsutbrudd når dyr får en uventet belønning. Disse dopaminsignalene antas å være viktige for forsterkningslæring, prosessen der et dyr lærer å utføre handlinger som fører til belønning.
Tar den lange utsikten
I de fleste studier har belønningen blitt levert i løpet av få sekunder. I det virkelige liv er riktignok ikke alltid tilfredsstillelse: Dyr må ofte reise på jakt etter mat, og må opprettholde motivasjonen for et fjernt mål, samtidig som de reagerer på mer umiddelbare ledetråder. Det samme er tilfelle for mennesker: En bilist på en lang biltur må forbli fokusert på å nå et endelig reisemål, samtidig som han reagerer på trafikk, stopper for snacks og underholder barn i baksetet.
MIT-teamet, ledet av instituttprofessor Ann Graybiel - som også er en etterforsker ved MITs McGovern Institute for Brain Research - bestemte seg for å studere hvordan dopamin endrer seg under en labyrintoppgave tilnærmet arbeid for forsinket tilfredsstillelse. Forskerne trente rotter for å navigere i en labyrint for å oppnå en belønning. Under hver prøve ville en rotte høre en tone som instruerte den til å vri enten høyre eller venstre i et veikryss for å finne en sjokolademelkbelønning.
I stedet for bare å måle aktiviteten til dopaminholdige nevroner, ønsket MIT-forskerne å måle hvor mye dopamin som ble frigitt i striatum, en hjernestruktur som er kjent for å være viktig i forsterkningslæring. De slo seg sammen med Paul Phillips fra Univ. fra Washington, som har utviklet en teknologi som kalles hurtig-skanning syklisk voltammetri (FSCV) der små, implanterte karbonfiberelektroder tillater kontinuerlige målinger av dopaminkonsentrasjon basert på dets elektrokjemiske fingeravtrykk.
"Vi tilpasset FSCV-metoden slik at vi kunne måle dopamin på opptil fire forskjellige steder i hjernen samtidig, mens dyr beveget seg fritt gjennom labyrinten," forklarer førsteforfatter Mark Howe, en tidligere doktorgradsstudent med Graybiel som nå er postdoc i avd. for nevrobiologi ved Northwestern Univ. "Hver sonde måler konsentrasjonen av ekstracellulær dopamin i et lite volum av hjernevev, og gjenspeiler sannsynligvis aktiviteten til tusenvis av nerveterminaler."
Gradvis økning i dopamin
Fra tidligere arbeid forventet forskerne at de kunne se pulser av dopamin frigitt til forskjellige tider i forsøket, "men vi fant faktisk noe mye mer overraskende," sier Graybiel: Nivået av dopamin økte jevnlig gjennom hver studie, og toppet seg som dyr nærmet seg målet - som i påvente av en belønning.
Rottenes oppførsel varierte fra prøve til prøve - noen kjøringer var raskere enn andre, og noen ganger stoppet dyrene kort - men dopaminsignalet varierte ikke med løpehastighet eller prøveperiode. Det var heller ikke avhengig av sannsynligheten for å få belønning, noe som ble antydet av tidligere studier.
"I stedet ser dopaminsignalet ut til å gjenspeile hvor langt borte rotta er fra målet," forklarer Graybiel. "Jo nærmere det kommer, jo sterkere blir signalet." Forskerne fant også ut at størrelsen på signalet var relatert til størrelsen på den forventede belønningen: Når rotter ble trent til å forutse en større masse sjokolademelk, steg dopaminsignalet mer bratt til en høyere sluttkonsentrasjon.
I noen forsøk ble den T-formede labyrinten utvidet til en mer kompleks form, noe som krever at dyr løp lenger og å gjøre ekstra svinger før de fikk en belønning. I løpet av disse forsøkene dampaminsignalet steg opp mer gradvis og til slutt nådde samme nivå som i den kortere labyrinten. "Det er som om dyret justerte forventningene, vel vitende om at det måtte videre", sier Graybiel.
Et 'internt veiledningssystem'
"Dette betyr at dopaminnivåer kan brukes til å hjelpe et dyr å ta valg på vei mot målet og til å estimere avstanden til målet," sier Terrence Sejnowski fra Salk Institute, en beregningsneurovitenskapsmann som er kjent med funnene, men som var ikke involvert i studien. "Dette 'interne veiledningssystemet' kan også være nyttig for mennesker, som også må ta valg underveis til det som kan være et fjernt mål."
Et spørsmål som Graybiel håper å undersøke i fremtidig forskning er hvordan signalet oppstår i hjernen. Rotter og andre dyr danner kognitive kart over sitt romlige miljø, med såkalte “stedceller” som er aktive når dyret er på et spesifikt sted. "Mens våre rotter kjører labyrinten gjentatte ganger," sier hun, "vi mistenker at de lærer å knytte hvert punkt i labyrinten med dets avstand fra belønningen de opplevde på tidligere løp."
Når det gjelder relevansen av denne forskningen for mennesker, sier Graybiel: "Jeg vil bli sjokkert hvis ikke noe lignende hadde skjedd i våre egne hjerner." Det er kjent at Parkinsons pasienter, der dopaminsignaliseringen er svekket, ofte ser ut til å være apatiske, og har vanskeligheter med å opprettholde motivasjonen for å fullføre en lang oppgave. "Det er kanskje fordi de ikke kan produsere dette tregt dopaminsignalet," sier Graybiel.
Kilde: Massachusetts Institute of Technology