Hjärnans långsiktiga belöningssystem är beroende av dopamin
Augusti 5, 2013
Brett Smith för redOrbit.com - Ditt Universum Online
Från att köra över hela landet för att göra examen från college är långsiktiga mål ofta svåra att hålla fokus på när en omedelbar belöning inte ligger inom syn.
Ett team forskare från University of Washington i Seattle och MIT har nyligen upptäckt nya detaljer om hur hjärnan kan hålla fokus tills dessa långsiktiga mål uppnås, enligt en rapport i tidskriften Nature.
Det gemensamma lagets forskning bygger på tidigare studier som har kopplat neurotransmittorn dopamin till hjärnans belöningssystem. Medan de flesta tidigare studier har varit inblandade i att titta på dopamin med avseende på en omedelbar belöning, fann den nya studien ökande nivåer av dopamin som laboratorierådor närmade sig en förväntad belöning efter försenad tillfredsställelse.
För att mäta nivåerna av dopamin i råttans hjärnor, använde teamet ett system som utvecklats av UWs beteendeforskare Paul Phillips, kallad snabbscanningcyklisk voltammetri (FSCV) som involverar små implanterade elektroder som kontinuerligt registrerar dopaminkoncentrationen genom att leta efter sin elektrokemiska signatur.
"Vi anpassade FSCV-metoden så att vi kunde mäta dopamin på upp till fyra olika platser i hjärnan samtidigt som djur rörde sig fritt genom labyrinten", säger medförfattare Mark Howe, för närvarande en postdoktoral neurobiolog vid nordvästra universitetet. "Varje sond mäter koncentrationen av extracellulär dopamin i en liten mängd hjärnvävnad och återspeglar troligen aktiviteten hos tusentals nervterminaler."
Forskarna började genom att träna råttor för att hitta sig genom en labyrint på jakt efter en belöning. Under varje råttans körning genom labyrinten skulle en ton låta instruera att den svänger höger eller vänster vid en korsning i strävan efter en chokladmjölkbelöning.
Forskargruppen sade att de förväntade sig att pulser av dopamin frisläpps av råttans hjärna med periodiska intervaller under försöken. De fann emellertid att nivåerna av neurotransmittorn ständigt steg under hela experimentet - kulminerade i toppnivå när gnagaren nådde sin belöning. Medan råttorna uppträdde under varje försök varierade deras dopaminnivåer tillförlitligt trots löphastighet eller sannolikhet för belöning.
"Dopamin-signalen verkar istället reflektera hur långt råttan är från sitt mål", säger Ann Graybiel, som driver ett hjärnforskningslaboratorium vid MIT. "Ju närmare det blir desto starkare blir signalen."
Teamet upptäckte också att storleken på dopamin-signalen var förknippad med storleken på den förväntade belöningen. När råttor var konditionerade för att förvänta sig en större portion chokladmjölk steg deras dopaminnivåer snabbare till en högre topp.
Forskare varierade experimentet genom att utvidga labyrinten till en mer komplex form som gjorde att råttorna körde längre och göra ytterligare varv för att nå priset. Under dessa längre försök ökade dopamin-signalen mer gradvis, men slutligen nådde samma nivå som i föregående labyrint.
"Det är som om djuret anpassade sina förväntningar och visste att det hade gått längre", sa Graybiel.
Hon föreslog att framtida studier skulle undersöka samma fenomen hos människor.
"Jag skulle vara chockad om något liknande inte hände i våra egna hjärnor," sa Graybiel.
Forskning avslöjar hur hjärnan håller ögonen på priset
Mån, 08/05/2013 - 10:15
McGovern-institutet för hjärnforskning
"Är vi där än?"
Som alla som har rest med småbarn vet, kan upprätthållandet av fokus på avlägsna mål vara en utmaning. En ny studie från Massachusetts Institute of Technology (MIT) föreslår hur hjärnan åstadkommer denna uppgift, och indikerar att neurotransmittorns dopamin kan signalera värdet av långsiktiga belöningar. Resultaten kan också förklara varför patienter med Parkinsons sjukdom, där dopamin-signaleringen är nedsatt, ofta har svårt att upprätthålla motivation för att slutföra uppgifter.
Arbetet beskrivs i Nature.
Tidigare studier har kopplat dopamin till belöningar och har visat att dopaminneuroner visar korta sprickor av aktivitet när djur får en oväntad belöning. Dessa dopaminsignaler tros vara viktiga för förstärkningslärande, processen genom vilket ett djur lär sig att utföra handlingar som leder till belöning.
Med lång utsikt
I de flesta studier har den belöningen levererats inom några sekunder. I verkligheten är dock befrielse inte alltid omedelbar: Djur måste ofta resa på jakt efter mat och måste behålla motivation för ett avlägset mål samtidigt som de svarar på mer omedelbara signaler. Detsamma gäller för människor: En förare på en lång vägresa måste vara fokuserad på att nå en slutdestination, samtidigt som den reagerar på trafik, stoppar för snacks och underhållande barn i baksätet.
MIT-teamet, som leds av institutprofessor Ann Graybiel-som också är en utredare på MITs McGovern-institut för hjärnforskning - bestämde sig för att studera hur dopamin förändras under en labyrintuppgift som approximerar arbetet för försenad tillfredsställelse. Forskarna utbildade råttor för att navigera i en labyrint för att nå en belöning. Under varje försök skulle en råtta höra en ton som instruerar den att vrida antingen höger eller vänster vid ett korsning för att hitta en chokladmjölkbelöning.
I stället för att bara mäta aktiviteten hos dopamininnehållande neuroner ville MIT-forskarna mäta hur mycket dopamin släpptes i striatumen, en hjärnstruktur som var känd för att vara viktig för förstärkningslärande. De gick ihop med Paul Phillips från Univ. av Washington, som har utvecklat en teknik som kallas snabbscanningcyklisk voltammetri (FSCV), där små implanterade kolfiberelektroder tillåter kontinuerliga mätningar av dopaminkoncentration baserat på dess elektrokemiska fingeravtryck.
"Vi anpassade FSCV-metoden så att vi kunde mäta dopamin på upp till fyra olika ställen i hjärnan samtidigt som djur rörde sig fritt genom labyrinten", förklarar första författaren Mark Howe, en tidigare doktorand med Graybiel som nu är en postdoc i Neurobiologiska avdelningen vid Northwestern Univ. "Varje sond mäter koncentrationen av extracellulär dopamin i en liten mängd hjärnvävnad och återspeglar troligen aktiviteten hos tusentals nervterminaler."
Gradvis ökning av dopamin
Från tidigare arbete förväntade forskarna att de kunde se pulser av dopamin som släpptes vid olika tider i försöket, "men vi fann faktiskt något mycket mer överraskande", säger Graybiel. Dopaminhalten ökade stadigt under varje försök, som toppade djur närmade sig sitt mål - som i väntan på en belöning.
Råttornas beteende varierade från försök till rättegång - vissa körningar var snabbare än andra, och ibland skulle djuren stoppa kortfattat - men dopamin-signalen varade inte med löphastighet eller provvaraktighet. Inte heller berodde det på sannolikheten att få en belöning, något som hade föreslagits av tidigare studier.
"Dopamin-signalen verkar istället reflektera hur långt råttan är från sitt mål," förklarar Graybiel. "Ju närmare det blir desto starkare blir signalen." Forskarna fann också att signalens storlek var relaterad till storleken på den förväntade belöningen: När råttor tränades för att förutse en större mjölk av chokladmjölk steg dopamin-signalen mer brant till en högre slutkoncentration.
I vissa försök utvidgades den T-formade labyrinten till en mer komplex form, vilket krävde att djuren skulle springa vidare och att göra extra varv innan de fick en belöning. Under dessa försök ökade dopamin-signalen mer gradvis, så småningom att nå samma nivå som i kortare labyrinten. "Det är som om djuret anpassade sina förväntningar och visste att det hade gått längre", säger Graybiel.
Ett "internt styrsystem"
"Det betyder att dopaminnivåer kan användas för att hjälpa ett djur att göra val på vägen till målet och att uppskatta avståndet till målet", säger Terrence Sejnowski från Salk Institute, en beräknings neuroscientist som är bekant med resultaten men vem var inte inblandad i studien. "Detta" interna styrsystem "kan också vara användbart för människor, som också måste göra val på vägen till vad som kan vara ett avlägset mål."
En fråga som Graybiel hoppas undersöka i framtida forskning är hur signalen uppstår i hjärnan. Råttor och andra djur bildar kognitiva kartor över deras rumsliga miljö med så kallade "platsceller" som är aktiva när djuret befinner sig på en specifik plats. "Eftersom våra råttor kör labyrinten flera gånger," säger hon, "vi misstänker att de lär sig att associera varje punkt i labyrinten med avståndet från den belöning som de upplevde vid tidigare körningar."
När det gäller relevansen av denna forskning för människor, säger Graybiel: "Jag skulle vara chockad om något liknande inte hände i våra egna hjärnor." Det är känt att Parkinsons patienter, i vilka dopamin-signaler är nedsatta, ofta verkar vara apatiska, och har svårt att upprätthålla motivation för att slutföra en lång uppgift. "Kanske beror det på att de inte kan producera denna slow-ramping-dopamin-signal", säger Graybiel.
Källa: Massachusetts Institute of Technology
;
