Długoterminowy system nagrody Brain opiera się na dopaminy
5 sierpnia 2013 r.
Brett Smith dla redOrbit.com - Your Universe Online
Od jazdy po kraju do ukończenia studiów, długoterminowe cele są często trudne do skupienia, gdy natychmiastowa nagroda nie jest widoczna.
Zespół naukowców z University of Washington w Seattle i MIT niedawno odkryli nowe szczegóły dotyczące tego, w jaki sposób mózg jest w stanie utrzymać koncentrację, dopóki te długoterminowe cele nie zostaną osiągnięte, według raportu w czasopiśmie Nature.
Badania wspólnego zespołu opierają się na wcześniejszych badaniach, które powiązały neuroprzekaźnik dopaminowy z mózgowym systemem nagradzania. Podczas gdy większość wcześniejszych badań obejmowała patrzenie na dopaminę w odniesieniu do natychmiastowej nagrody, nowe badanie wykazało, że zwiększone poziomy dopaminy, gdy szczury laboratoryjne osiągnęły oczekiwaną nagrodę po opóźnionej gratyfikacji.
Aby zmierzyć poziomy dopaminy w mózgach szczurów, zespół wykorzystał system opracowany przez naukowca behawioralnego UW Paula Phillipsa, zwany szybką skaningową woltamperometrią (FSCV), który obejmuje małe, wszczepione elektrody, które stale rejestrują stężenie dopaminy, szukając jej podpisu elektrochemicznego.
„Dostosowaliśmy metodę FSCV, abyśmy mogli mierzyć dopaminę w maksymalnie czterech różnych miejscach w mózgu jednocześnie, ponieważ zwierzęta poruszały się swobodnie po labiryncie” - powiedział współautor Mark Howe, obecnie neurobiolog po doktoracie na Northwestern University. „Każda sonda mierzy stężenie pozakomórkowej dopaminy w niewielkiej objętości tkanki mózgowej i prawdopodobnie odzwierciedla aktywność tysięcy zakończeń nerwowych”.
Naukowcy zaczęli od szkolenia szczurów, aby znaleźć drogę przez labirynt w poszukiwaniu nagrody. Podczas każdego szczura biegającego przez labirynt zabrzmiałby dźwięk instruujący go, aby skręcił w prawo lub w lewo na skrzyżowaniu w poszukiwaniu nagrody za mleko czekoladowe.
Zespół badawczy powiedział, że spodziewają się, że impulsy dopaminy zostaną uwolnione przez mózg szczurów w okresowych odstępach czasu podczas prób. Jednak odkryli, że poziomy neuroprzekaźnika stale wzrastały w trakcie eksperymentu - osiągając szczytowy poziom, gdy gryzoń zbliżał się do nagrody. Podczas gdy zachowanie szczurów podczas każdej próby zmieniało się, ich poziom dopaminy niezawodnie wzrastał pomimo prędkości biegowej lub prawdopodobieństwa nagrody.
„Zamiast tego sygnał dopaminy zdaje się odzwierciedlać, jak daleko szczur jest od celu”, powiedziała Ann Graybiel, która prowadzi laboratorium badań mózgu w MIT. „Im bliżej, tym silniejszy staje się sygnał”.
Zespół odkrył również, że wielkość sygnału dopaminy była związana z wielkością oczekiwanej nagrody. Gdy szczury były kondycjonowane, by oczekiwać większej dawki mleka czekoladowego, ich poziom dopaminy wzrastał szybciej do wyższego piku.
Naukowcy zmienili eksperyment, rozciągając labirynt do bardziej złożonego kształtu, co sprawiło, że szczury biegły dalej i wykonały dodatkowe zakręty, aby osiągnąć nagrodę. Podczas tych dłuższych prób sygnał dopaminy zwiększał się stopniowo, ale ostatecznie osiągnął ten sam poziom, co w poprzednim labiryncie.
„To tak, jakby zwierzę dostosowywało swoje oczekiwania, wiedząc, że musi jechać dalej” - powiedział Graybiel.
Zasugerowała, że przyszłe badania powinny zbadać to samo zjawisko u ludzi.
„Byłbym zszokowany, gdyby coś podobnego nie działo się w naszych mózgach” - powiedział Graybiel.
Badania ujawniają, w jaki sposób mózg śledzi nagrodę
Poniedziałek, 08 - 05:2013
McGovern Institute for Brain Research
"Czy już dotarliśmy?"
Jak wie każdy, kto podróżował z małymi dziećmi, utrzymanie koncentracji na odległych celach może być wyzwaniem. Nowe badanie przeprowadzone przez Massachusetts Institute of Technology (MIT) sugeruje, w jaki sposób mózg osiąga to zadanie i wskazuje, że neuroprzekaźnik dopamina może sygnalizować wartość długoterminowych nagród. Odkrycia mogą również wyjaśnić, dlaczego pacjenci z chorobą Parkinsona - w których sygnalizacja dopaminy jest upośledzona - często mają trudności z utrzymaniem motywacji do ukończenia zadań.
Praca jest opisana w Naturze.
Wcześniejsze badania powiązały dopaminę z nagrodami i wykazały, że neurony dopaminowe wykazują krótkie wybuchy aktywności, gdy zwierzęta otrzymują niespodziewaną nagrodę. Uważa się, że te sygnały dopaminowe są ważne dla uczenia się przez wzmacnianie, procesu, w którym zwierzę uczy się wykonywać czynności prowadzące do nagrody.
Biorąc długi widok
W większości badań nagroda została dostarczona w ciągu kilku sekund. Jednak w prawdziwym życiu gratyfikacja nie zawsze jest natychmiastowa: zwierzęta muszą często podróżować w poszukiwaniu pożywienia i muszą utrzymywać motywację do odległego celu, jednocześnie odpowiadając na bardziej bezpośrednie sygnały. To samo dotyczy ludzi: kierowca na długiej podróży musi się skupić na dotarciu do celu, reagując na ruch uliczny, zatrzymując się na przekąski i zabawiając dzieci na tylnym siedzeniu.
Zespół MIT, kierowany przez profesor Instytutu Ann Graybiel - który jest również badaczem w Instytucie Badań nad Mózgiem McGovern w MIT - postanowił zbadać, jak zmienia się dopamina podczas zadania labiryntu przybliżającego pracę do opóźnionej gratyfikacji. Naukowcy wyszkolili szczury, aby poruszały się po labiryncie, aby osiągnąć nagrodę. Podczas każdej próby szczur słyszał dźwięk nakazujący mu skręcić w prawo lub w lewo na skrzyżowaniu, aby znaleźć nagrodę za mleko czekoladowe.
Zamiast po prostu mierzyć aktywność neuronów zawierających dopaminę, naukowcy z MIT chcieli zmierzyć, ile dopaminy zostało uwolnione w prążkowiu, strukturze mózgu, o której wiadomo, że jest ważna w uczeniu się o wzmocnieniu. Połączyli siły z Paulem Phillipsem z Univ. z Waszyngtonu, który opracował technologię zwaną szybkim skanowaniem woltamperometrii cyklicznej (FSCV), w której małe, wszczepione elektrody z włókna węglowego umożliwiają ciągłe pomiary stężenia dopaminy na podstawie elektrochemicznego odcisku palca.
„Dostosowaliśmy metodę FSCV, abyśmy mogli mierzyć dopaminę w maksymalnie czterech różnych miejscach w mózgu jednocześnie, ponieważ zwierzęta poruszały się swobodnie po labiryncie” - wyjaśnia pierwszy autor Mark Howe, były doktorant z Graybiel, który jest teraz postdoc Wydział Neurobiologii w Northwestern Univ. „Każda sonda mierzy stężenie pozakomórkowej dopaminy w niewielkiej objętości tkanki mózgowej i prawdopodobnie odzwierciedla aktywność tysięcy zakończeń nerwowych”.
Stopniowy wzrost dopaminy
Z poprzedniej pracy naukowcy spodziewali się, że mogą zobaczyć impulsy dopaminy uwalniane w różnych momentach badania, „ale w rzeczywistości znaleźliśmy coś o wiele bardziej zaskakującego”, mówi Graybiel: poziom dopaminy stale wzrastał przez każdą próbę, osiągając szczyt jako zwierzę zbliżyło się do celu - jakby w oczekiwaniu nagrody.
Zachowanie szczurów różniło się od próby do próby - niektóre biegi były szybsze niż inne, a czasami zwierzęta zatrzymywały się na krótko - ale sygnał dopaminy nie zmieniał się wraz z prędkością biegu lub czasem trwania próby. Nie zależało to również od prawdopodobieństwa otrzymania nagrody, co sugerowały wcześniejsze badania.
„Zamiast tego sygnał dopaminy wydaje się odzwierciedlać, jak daleko szczur jest od celu”, wyjaśnia Graybiel. „Im bliżej, tym silniejszy staje się sygnał”. Naukowcy odkryli również, że rozmiar sygnału był związany z wielkością oczekiwanej nagrody: gdy szczury były szkolone w przewidywaniu większego łyka mleka czekoladowego, sygnał dopaminy rósł bardziej stromo do wyższego końcowego stężenia.
W niektórych próbach labirynt w kształcie litery T został rozszerzony do bardziej złożonego kształtu, wymagając od zwierząt biegania dalej i wykonywania dodatkowych zwrotów przed osiągnięciem nagrody. Podczas tych prób sygnał dopaminy narastał stopniowo, ostatecznie osiągając ten sam poziom, co w krótszym labiryncie. „To tak, jakby zwierzę dostosowywało swoje oczekiwania, wiedząc, że musi jechać dalej”, mówi Graybiel.
„Wewnętrzny system poradnictwa”
„Oznacza to, że poziomy dopaminy mogą być wykorzystane, aby pomóc zwierzęciu w dokonaniu wyboru na drodze do celu i oszacowaniu odległości do celu”, mówi Terrence Sejnowski z Salk Institute, obliczeniowy neurolog, który zna wyniki, ale kto nie był zaangażowany w badanie. „Ten„ wewnętrzny system poradnictwa ”może być również przydatny dla ludzi, którzy również muszą dokonywać wyborów na drodze do tego, co może być odległym celem”.
Jednym z pytań, które Graybiel ma nadzieję zbadać w przyszłych badaniach, jest sposób, w jaki sygnał powstaje w mózgu. Szczury i inne zwierzęta tworzą mapy poznawcze swojego środowiska przestrzennego, z tak zwanymi „komórkami miejsca”, które są aktywne, gdy zwierzę znajduje się w określonym miejscu. „Ponieważ nasze szczury powtarzają labirynt wielokrotnie”, mówi, „podejrzewamy, że uczą się kojarzyć każdy punkt labiryntu z odległością od nagrody, którą doświadczyli podczas poprzednich biegów”.
Jeśli chodzi o znaczenie tych badań dla ludzi, Graybiel mówi: „Byłbym zszokowany, gdyby coś podobnego nie działo się w naszym własnym mózgu”. Wiadomo, że pacjenci z chorobą Parkinsona, u których sygnalizacja dopaminy jest upośledzona, często wydają się apatyczni, i mają trudności z utrzymaniem motywacji do wykonania długiego zadania. „Może dlatego, że nie są w stanie wytworzyć tego powolnego, narastającego sygnału dopaminy” - mówi Graybiel.
Źródło: Massachusetts Institute of Technology
;
