Det okända (2006)

Huvudtext

Meriwether Lewis och William Clark tillbringade år med att arbeta på det, Edmund Hillary och Tenzing Norgay besteg Mount Everest för det, Neil Armstrong flög ut i rymden för det, och Robert Falcon Scott dog för det - en chans att upptäcka något som aldrig tidigare skådats. En lång tradition av mänsklig utforskning vittnar om nyhetens motiverande kraft. Evolutionsbiologer har hävdat att för att blomstra måste alla födosökande arter ha en drivkraft att utforska det okända (Panksepp, 1998). Hur en sådan drivkraft manifesterar sig i hjärnan har dock förblivit oklart. I detta nummer av Neuron, för första gången, Bunzeck och Düzel (2006) visa att mellanhjärnaregioner som förmodat inrymmer dopaminneuroner preferentiellt svarar på nya snarare än sällsynta, upphetsande eller beteendemässigt relevanta stimuli (Bunzeck och Düzel, 2006).

Från utsidan, ventral tegmental area (VTA) och substantia nigra (SN) är lätta att missa. Inbäddat djupt i en krök av hjärnbalk, dessa kärnor huserar kropparna av de flesta dopaminneuroner som innerverar striatum och prefrontal cortex. Traktspårning studier indikerar att medan VTA projicerar till mer ventrala regioner av striatum och prefrontal cortex, projekterar SN till mer dorsala och laterala regioner av striatum och prefrontal cortex. Även om dessa kärnor är små, kan de utöva ett omfattande inflytande. Från insidan är livet utan dessa mellanhjärnans neuroner långt ifrån lätt. Till exempel leder både organiska lesioner (på grund av Parkinsons sjukdom) och syntetiska lesioner (på grund av felaktigt tillverkade läkemedel) av SN/VTA till mental och fysisk orörlighet.

Medan lesionsstudier tyder på att dorsala banor innerverade av SN spelar en roll i rörelse, ventrala banor innerverade av VTA spelar en mindre förstådd roll i motivation (Haber och Fudge, 1997). Vissa framstående teorier antar att aktivitet i denna ventrala bana ger "salience" åt stimuli (Berridge och Robinson, 1993). Men teoretiker har definierat framträdande på olika sätt, vilket förvirrar empiriska försök att isolera funktionen hos dessa kärnor. Till exempel åberopar vissa definitioner av framträdande nyhet, andra åberopar beteenderelevans och ytterligare andra åberopar upphetsning.

Här definierar Bunzeck och Düzel operativt "salience" på fyra olika sätt. Under förvärvet av händelserelaterad fMRI visade utredarna försökspersoner bilder av ansikten eller utomhusscener som förkroppsligade olika framträdande attribut och mätte sedan SN/VTA-svaret på dessa olika stimuli. En första grupp bilder var ny, eller aldrig sett förut. En andra grupp bilder var beteendemässigt relevanta och krävde en knapptryckning. En tredje grupp bilder var negativa och antogs därför vara upphetsande (dvs. ett negativt uttryck när det gäller ansikten, eller en bilolycka när det gäller scener). En fjärde grupp bilder var distinkta men dök upp mer än en gång (kallade "neutrala udda kulor"). När de inte tittade på en av dessa bilder såg försökspersonerna en upprepad neutral bild under de återstående två tredjedelarna av försöken. Bilder dök upp ungefär var tredje s.

Utredarna fann att bland alla bilder var det nya bilder som mest kraftfullt aktiverade SN/VTA, liksom delar av hippocampus och striatum, vilket tyder på att SN/VTA-aktivering svarade på nyhet snarare än andra typer av framträdande. Andra typer av bilder rekryterade andra regioner. Något överraskande, med tanke på den förmodade rollen av dopaminprojektioner i rörelse, aktiverade bilder som kräver ett motoriskt svar inte kraftfullt SN/VTA-regionerna, utan rekryterade istället en motorkrets som involverade röd kärna, talamusoch motorcortex. Negativa bilder aktiverade inte heller SN/VTA på ett kraftfullt sätt, utan aktiverade istället andra mellanhjärnaregioner (dvs. locus coeruleus) och amygdala. Slutligen, jämfört med den upprepade bilden, aktiverade den neutrala udda kulan hippocampus, såväl som andra regioner som det främre cingulatet.

Utredarna undersökte också om nyhet förbättrar minnet. Hippocampus-aktivering har associerats med kodningsminnen i fMRI-studier (Brewer et al., 1998, Wagner et al., 1998), och nya bilder aktiverade denna region såväl som SN/VTA. Detta leder till slutsatsen att försökspersoner bör visa överlägset minne för nya bilder. Det gjorde de faktiskt inte. Istället, som i annan forskning (Ranganath och Rainer, 2003), minns försökspersonerna bekanta bilder bättre än nya bilder. Men i ett separat experiment fann forskarna en intressant kontextuell effekt där bekanta bilder varvat med nya bilder fick en övergående minnesboost, detekterbar 20 minuter men inte 1 dag senare. Detta fynd kan jämföras med de från andra nyare studier som visar att belöningssignaler samaktiverar SN/VTA och hippocampus, vilket förbättrar långtidsminnet inte bara för ledtrådarna (Wittmann et al., 2005), men även för bilder som följer dem (Adcock et al., 2006).

Tillsammans utgör dessa fynd potentiellt en spännande ny forskning som försöker koppla motivation och minne. En färsk teori postulerar att två kretsar bildar en slinga, genom vilken nyhet kan främja minnet (Lisman och Grace, 2005). I den första nedåtgående kretsen aktiverar nyhet hippocampus, som synapserar på SN/VTA via subkortikala vägar som passerar genom ventral striatum. En andra stigande krets fullbordar slingan, i vilken den aktiverade SN/VTA frisätter dopamin i hippocampus, vilket främjar memorering av den nya stimulansen. Föreliggande resultat ger delvis stöd för loopteorin. De överensstämmer med rekryteringen av den första kretsen, där hippocampus, striatum och SN/VTA aktiveras av nyhet. De är dock inte förenliga med rekryteringen av den andra kretsen, eftersom nya stimuli inte var bättre ihågkommen. Det fanns emellertid en övergående ökning i minnet för välbekanta stimuli i samband med nya stimuli. Eftersom andra fMRI-studier tyder på att belöningssignaler aktiverar denna andra krets, vilket motsvarar förbättrad kodning av efterföljande stimuli, kan det vara så att nya stimuli i sig inte kommer ihåg bättre utan sätter hjärnan i ett mottagligt tillstånd för att komma ihåg vad som ännu kommer (vilket kan vara en ihållande ny stimulans eller något annat) (Dayan, 2002, Knutson och Adcock, 2005). En sådan mekanism kan visa sig vara mycket användbar för ett förutsägande, födosökande djur (Kakade och Dayan, 2002).

Fynden väcker också frågor om belöningsvärdet av nya bilder. Till exempel, föredrog försökspersonerna nya bilder framför mindre nya, negativa känslomässiga eller beteendemässigt krävande bilder? Studien inkluderade inte positiva känslobilder, vilket kan ge en intressant framtida jämförelse med nya bilder. Man skulle kunna förutsäga att både nya och positiva bilder kan aktivera SN/VTA separat. Alternativt, om nyhetseffekterna medieras av belöningsvärdet av nyhet, kan man förutsäga att positiva bilder, inbäddade i samma experiment, kan "stjäla" SN/VTA-aktivering från nya stimuli.

Inför fortsatta tekniska framsteg kvarstår fortfarande utmaningar med att visualisera SN/VTA-aktivitet med fMRI. SN/VTA är små, och även om fMRI-forskare på ett övertygande sätt har rapporterat aktivering i dessa regioner (Adcock et al., 2006, Knutson et al., 2005, Wittmann et al., 2005), mindre voxelstorlekar och spatial utjämnande kärnor är definitivt i sin ordning. Dessutom ligger SN/VTA intill ett vävnadsgränssnitt och direkt ovanför de pulserande artärerna i Willis cirkel, som synligt rör särskilt dessa ventrala regioner i hjärnan (Dagli et al., 1999). Särskilda metoder för att hantera pulsationerna är under utveckling och kan minska brus i dessa regioner, inklusive hjärtstyrd sampling under bildinsamling (Guimaraes et al., 1998) eller postacquisition filtrering med hjärtrytmen (Glover et al., 2000). Slutligen, som många andra noterat (Logothetis och Wandell, 2004), ökningar av fMRI blodets syrenivå beroende (FET) signal utgör ett tolkande dilemma i huruvida de reflekterar inkommande signaler, utgående signaler eller någon kombination av de två. Nya elektrofysiologiska studier börjar tyda på att ökad BOLD-aktivering främst indexerar postsynaptiska förändringar på grund av neural input, vilket naturligtvis väcker frågan om vilka andra regioner som informerar VTA om ankomsten av en ny stimulans.

Utforskning är inte begränsad till fysiska gränser och främmande länder. Galileo Galilei och Isaac Newton kunde troligen identifiera sig med spänningen av att för första gången titta in i tidigare okända världar. Genom att börja spåra kopplingar mellan nyhet, belöning och minne har Bunzeck och Düzel gett oss en bra start på att förstå motivationen som driver både utforskare och vetenskapsmän.