Možganov dolgoročni nagradni sistem se zanaša na dopamin
Avgust 5, 2013
Brett Smith za redOrbit.com - vaš Vesolje na spletu
Od vožnje po državi do zaključka fakultete so dolgoročni cilji pogosto težko ostati osredotočeni, ko neposredne nagrade ni na vidiku.
Skupina raziskovalcev z Washingtonske univerze v Seattlu in MIT je pred kratkim odkrila nove podrobnosti o tem, kako so možgani sposobni ostati osredotočeni, dokler teh dolgoročnih ciljev ne bodo dosegli, poroča poročilo v reviji Nature.
Raziskava skupnega tima temelji na prejšnjih raziskavah, ki so povezale nevrotransmiter dopamin s sistemom nagrajevanja možganov. Medtem ko je večina prejšnjih raziskav vključevala pregledovanje dopamina glede na takojšnjo nagrado, je nova raziskava ugotovila naraščajoče ravni dopamina, ko so se laboratorijske podgane približale pričakovani nagradi po zakasnjenem uživanju.
Za merjenje ravni dopamina v možganih podgan je skupina uporabila sistem, ki ga je razvil znanstvenik vedenja UW Paul Phillips, imenovan hitro ciklično ciklično voltammetrijo (FSCV), ki vključuje majhne implantirane elektrode, ki nenehno beležijo koncentracijo dopamina in iščejo njegov elektrokemijski podpis.
"Metodo FSCV smo prilagodili tako, da smo lahko merili dopamin na največ štirih različnih mestih v možganih hkrati, saj so se živali prosto gibale po labirintu," je povedal soavtor Mark Howe, trenutno podoktorski nevrobiolog na univerzi Northwestern. "Vsaka sonda meri koncentracijo zunajceličnega dopamina v majhnem volumnu možganskega tkiva in verjetno odraža aktivnost tisočih živčnih terminalov."
Znanstveniki so začeli z usposabljanjem podgan, da bi našli pot skozi labirint v iskanju nagrade. Med potekom vsake podgane po labirintu bi zaslišal ton, ki bi ukazal, da v križišču zavije desno ali levo v lovu za čokoladnim mlekom.
Raziskovalna skupina je povedala, da pričakujejo, da bodo možgani podgane v preskusnih presledkih med preskušanji sproščali impulze dopamina. Vendar so ugotovili, da se raven nevrotransmiterja v celotnem poskusu stalno dviguje - vrhunec je dosegel najvišjo raven, ko se glodalec bliža svoji nagradi. Medtem ko so se podgane med vsakim preskušanjem spreminjale, se je njihova raven dopamina zanesljivo povečala kljub hitrosti ali verjetnosti nagrajevanja.
"Namesto tega se zdi, da signal dopamina odraža, kako daleč je podgana od svojega cilja," je dejala Ann Graybiel, ki vodi laboratorij za raziskave možganov na MIT. "Bolj ko se približa, močnejši postane signal."
Skupina je tudi odkrila, da je velikost dopaminskega signala povezana z velikostjo pričakovane nagrade. Ko so podgane pogojevale, da so pričakovale večjo porcijo čokoladnega mleka, se je njihova raven dopamina hitreje dvignila na višji vrh.
Raziskovalci so eksperiment raznoliko spreminjali tako, da so labirint razširili na bolj zapleteno obliko, zaradi katere so podgane pognale dlje in naredile dodatne zavoje, da bi prišle do nagrade. Med temi daljšimi preskusi se je signal dopamina postopno povečeval, vendar je sčasoma dosegel enako raven kot v prejšnjem labirintu.
"Kot da bi žival prilagodila svoja pričakovanja, vedoč, da mora iti še naprej," je dejal Graybiel.
Predlagala je, da bi morale prihodnje študije proučiti ta isti pojav pri ljudeh.
"Bil bi šokiran, če se kaj takega ne bi dogajalo v naših možganih," je dejal Graybiel.
Raziskave razkrivajo, kako možgani spremljajo nagrado
Ponedeljek, 08 - 05:2013
Inštitut za raziskave možganov McGovern
"Ali smo že tam?"
Kot ve vsak, ki je potoval z majhnimi otroki, je lahko ohranjanje osredotočenosti na oddaljene cilje izziv. Nova študija s tehnološkega inštituta Massachusetts (MIT) nakazuje, kako možgani dosegajo to nalogo, in nakazuje, da lahko nevrotransmiter dopamin signalizira vrednost dolgoročnih nagrad. Ugotovitve lahko tudi pojasnijo, zakaj imajo bolniki s Parkinsonovo boleznijo - pri kateri je oslabljeno signaliziranje dopamina - pogosto pri ohranjanju motivacije za dokončanje nalog.
Delo je opisano v Naravi.
Prejšnje študije so dopamin povezovale z nagradami in pokazale, da dopaminski nevroni kažejo kratek skok aktivnosti, ko živali prejmejo nepričakovano nagrado. Verjame se, da so ti dopaminski signali pomembni za okrepljeno učenje, postopek, s katerim se žival nauči izvajati dejanja, ki vodijo do nagrajevanja.
Dolg pogled
V večini študij je bila ta nagrada prejeta v nekaj sekundah. V resničnem življenju pa zadovoljevanje ni vedno takojšnje: Živali morajo pogosto poiskati hrano in obdržati motivacijo za oddaljeni cilj, hkrati pa se odzvati tudi na bolj neposredne napotke. Enako velja za ljudi: Voznik na dolgi poti mora ostati osredotočen na dosego končnega cilja, hkrati pa se odziva na promet, se ustavi za malice in zabava otroke na zadnjem sedežu.
Ekipa MIT, ki jo je vodila profesorica Inštituta Ann Graybiel - ki je tudi preiskovalec na MIT-ovem McGovern Inštitutu za raziskovanje možganov - se je odločila preučiti, kako se dopamin spreminja med nalogami labirinta, ki približuje delo za zapoznelo uživanje. Raziskovalci so podgane usposobili za krmarjenje po labirintu in tako dosegli nagrado. Med vsakim preskusom je podgana slišala ton, ki ji je naročil, naj v križišču zavije desno ali levo, da bi našel nagrado za čokoladno mleko.
Namesto da bi preprosto merili aktivnost nevronov, ki vsebujejo dopamin, so raziskovalci MIT želeli izmeriti, koliko dopamina se sprosti v striatumu, možgansko strukturo, za katero je znano, da je pomembna pri učvrstitvi. Združili so se s Paulom Phillipsom z univ. iz Washingtona, ki je razvil tehnologijo, imenovano hitro skeniranje ciklične voltammetrije (FSCV), v katerem drobne implantirane elektrode iz ogljikovih vlaken omogočajo nenehne meritve koncentracije dopamina na podlagi njegovega elektrokemičnega prstnega odtisa.
"Prilagodili smo FSCV metodo tako, da smo lahko merili dopamin na največ štirih različnih mestih v možganih hkrati, saj so se živali prosto gibale po labirintu," razlaga prvi avtor Mark Howe, nekdanji podiplomski študent Graybiel, ki je zdaj podoktor v Oddelek za nevrobiologijo na severozahodnem Univ. "Vsaka sonda meri koncentracijo zunajceličnega dopamina v majhnem volumnu možganskega tkiva in verjetno odraža aktivnost tisočih živčnih terminalov."
Postopno zvišanje dopamina
V prejšnjem delu so raziskovalci pričakovali, da bodo v preskusu lahko opazili impulze dopamina, ki so se sproščali v različnih obdobjih, "a v resnici smo ugotovili nekaj veliko bolj presenetljivega," pravi Graybiel: Raven dopamina v vsakem preskušanju nenehno narašča in dosega vrhunec žival se je približala svojemu cilju - kot da bi pričakovala nagrado.
Obnašanje podgan je bilo od poskusa do preskušanja različno - nekateri trki so bili hitrejši od drugih in včasih so se živali na kratko ustavile -, vendar se signal dopamina ni spreminjal s hitrostjo ali trajanjem preskušanja. Prav tako ni bilo odvisno od verjetnosti, da bi dobil nagrado, kar so predlagali prejšnje študije.
"Namesto tega se zdi, da signal dopamina odraža, kako daleč je podgana od svojega cilja," pojasnjuje Graybiel. "Bolj ko se približuje, močnejši postane signal." Raziskovalci so tudi ugotovili, da je bila velikost signala povezana z velikostjo pričakovane nagrade: Ko so podgane usposobili za predvidevanje večjega gutljaja čokoladnega mleka, se je dopaminski signal povečal. bolj strmo do višje končne koncentracije.
V nekaterih preskušanjih je labirint v obliki črke T razširil na bolj zapleteno obliko, tako da so morale živali teči naprej in narediti dodatne zavoje, preden dosežejo nagrado. Med temi preskušanji se je signal dopamina stopnjeval postopno in sčasoma dosegel enako raven kot v krajši labirint. "Kot da bi žival prilagodila svoja pričakovanja, vedoč, da mora iti še naprej," pravi Graybiel.
"Notranji sistem vodenja"
"To pomeni, da bi ravni dopamina lahko pomagali živalim, da se odločijo za pot do cilja in ocenijo razdaljo do cilja," pravi Terrence Sejnowski iz inštituta Salk, računalniški nevroznanstvenik, ki je seznanjen z ugotovitvami, vendar s študijo ni bil vključen. "Ta" notranji sistem usmerjanja "bi bil lahko koristen tudi za ljudi, ki se bodo morali odločiti tudi na poti, ki je morda oddaljen cilj."
Eno vprašanje, ki si ga Graybiel upa, da bo preučil v prihodnjih raziskavah, je, kako nastane signal znotraj možganov. Podgane in druge živali tvorijo kognitivne karte svojega prostorskega okolja s tako imenovanimi "krajevnimi celicami", ki so aktivne, kadar je žival na določenem mestu. "Ko naše podgane večkrat tečejo po labirintu," pravi, "sumimo, da se naučijo povezati vsako točko v labirintu z njeno oddaljenostjo od nagrade, ki so jo doživeli na prejšnjih tekih."
Kar zadeva pomen te raziskave za ljudi, Graybiel pravi, "bil bi šokiran, če se kaj podobnega ne bi dogajalo v naših možganih." Znano je, da se Parkinsonovi bolniki, pri katerih je dopaminska signalizacija oslabljena, pogosto zdijo apatični, in imajo težave pri ohranjanju motivacije za dokončanje dolge naloge. "Mogoče zato, ker ne morejo ustvariti tega počasnega rampirnega dopaminskega signala," pravi Graybiel.
Vir: Massachusetts Institute of Technology
;
