ระบบรางวัลระยะยาวของสมองนั้นต้องพึ่งโดปามีน
สิงหาคม 5, 2013
Brett Smith สำหรับ redOrbit.com - Your Universe Online
ตั้งแต่การขับรถข้ามประเทศไปจนถึงการสำเร็จการศึกษาจากวิทยาลัยเป้าหมายระยะยาวมักจะยากที่จะมุ่งเน้นไปที่เมื่อไม่ได้รับรางวัลทันที
ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันในซีแอตเทิลและ MIT เพิ่งค้นพบรายละเอียดใหม่เกี่ยวกับวิธีที่สมองสามารถจดจ่ออยู่กับเป้าหมายได้จนกว่าจะบรรลุเป้าหมายระยะยาวเหล่านี้ตามรายงานในวารสาร Nature
การวิจัยของทีมร่วมสร้างขึ้นจากการศึกษาก่อนหน้าซึ่งเชื่อมโยงสารสื่อประสาทโดปามีนกับระบบให้รางวัลสมอง ในขณะที่การศึกษาก่อนหน้าส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการดูโดปามีนในเรื่องของรางวัลทันทีการศึกษาใหม่พบว่าโดปามีนในระดับที่เพิ่มขึ้นขณะที่หนูทดลองเข้าหารางวัลที่คาดหวังหลังจากได้รับความล่าช้า
ในการวัดระดับโดปามีนในสมองทีมวิจัยได้ใช้ระบบที่พัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์พฤติกรรมพอลฟิลลิปส์ที่เรียกว่าไซโคลโวลแทมเมทรี (FSCV) ที่มีการสแกนอย่างรวดเร็วที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กโทรดขนาดเล็ก
“ เราปรับวิธีการ FSCV เพื่อให้เราสามารถวัดโดปามีนได้ถึงสี่แห่งในสมองพร้อมกันในขณะที่สัตว์เคลื่อนไหวอย่างอิสระผ่านเขาวงกต” Mark Howe ผู้ร่วมเขียนกล่าวในปัจจุบันนักประสาทวิทยาหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยนอร์ ธ เวสเทิร์นเวสเทิร์น “ แต่ละโพรบวัดความเข้มข้นของโดปามีนนอกเซลล์ภายในเนื้อเยื่อสมองปริมาณเล็กน้อยและอาจสะท้อนถึงการทำงานของขั้วประสาทหลายพัน”
นักวิทยาศาสตร์เริ่มต้นจากการฝึกฝนหนูเพื่อหาทางผ่านเขาวงกตเพื่อค้นหารางวัล ในระหว่างที่หนูวิ่งผ่านเขาวงกตน้ำเสียงจะสั่งให้เลี้ยวขวาหรือซ้ายที่สี่แยกเพื่อตามหารางวัลนมช็อคโกแลต
ทีมวิจัยกล่าวว่าพวกเขาคาดหวังว่าจะเห็นการหลั่งโดปามีนในสมองของหนูในช่วงเวลาทดลอง อย่างไรก็ตามพวกเขาพบว่าระดับของสารสื่อประสาทเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดการทดลอง - สูงสุดในระดับสูงสุดเมื่อหนูใกล้จะได้รับรางวัล ในขณะที่พฤติกรรมของหนูในระหว่างการทดลองแต่ละครั้งมีความแตกต่างกันระดับโดปามีนของพวกเขาเพิ่มขึ้นอย่างน่าเชื่อถือแม้ความเร็วในการวิ่งหรือความน่าจะเป็นของรางวัล
“ สัญญาณโดปามีนดูเหมือนจะสะท้อนให้เห็นว่าหนูอยู่ห่างจากเป้าหมายมากแค่ไหน” แอนเกรย์ไบเอลผู้ดำเนินห้องปฏิบัติการวิจัยสมองที่ MIT กล่าว “ ยิ่งเข้าใกล้ก็ยิ่งมีสัญญาณมากขึ้นเท่านั้น”
ทีมยังค้นพบว่าขนาดโดปามีนมีความสัมพันธ์กับขนาดของรางวัลที่คาดหวัง เมื่อหนูถูกคาดหวังว่าจะได้รับนมช็อกโกแลตที่มากขึ้นระดับโดปามีนของพวกเขาก็จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงจุดสูงสุด
นักวิจัยทำการทดลองต่าง ๆ โดยขยายเขาวงกตให้มีรูปร่างที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งทำให้หนูวิ่งออกไปไกลขึ้นและหันไปหารางวัลเพิ่มเติม ในระหว่างการทดลองที่ยาวนานกว่านี้สัญญาณโดปามีนก็ค่อยๆเพิ่มขึ้น แต่ในที่สุดก็มาถึงระดับเดียวกับในเขาวงกตก่อนหน้า
“ มันเหมือนกับว่าสัตว์กำลังปรับความคาดหวังของมันรู้ว่ามันจะไปต่อ” Graybiel กล่าว
เธอแนะนำว่าการศึกษาในอนาคตควรพิจารณาปรากฏการณ์เดียวกันนี้ในมนุษย์
“ ฉันต้องตกใจถ้าสิ่งที่คล้ายกันไม่ได้เกิดขึ้นในสมองของเราเอง” Graybiel กล่าว
การวิจัยพบว่าสมองคอยจับตาดูรางวัลนี้อย่างไร
จ. 08/05/2013 - 10:15 น
สถาบัน McGovern เพื่อการวิจัยทางสมอง
“ เรายังอยู่เหรอ?”
ในขณะที่ใครก็ตามที่เดินทางไปพร้อมกับเด็กเล็กรู้ว่าการมุ่งเน้นไปที่เป้าหมายที่ห่างไกลอาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย การศึกษาใหม่จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) แสดงให้เห็นว่าสมองทำหน้าที่นี้ได้อย่างไรและบ่งชี้ว่าสารสื่อประสาทโดปามีนอาจส่งสัญญาณค่าของรางวัลระยะยาว การค้นพบนี้อาจอธิบายได้ว่าทำไมผู้ป่วยที่เป็นโรคพาร์กินสัน - ซึ่งการส่งสัญญาณโดปามีนบกพร่อง - มักมีปัญหาในการสร้างแรงจูงใจในการทำงานให้สำเร็จ
งานอธิบายไว้ในธรรมชาติ
การศึกษาก่อนหน้าได้เชื่อมโยงโดปามีนกับรางวัลและแสดงให้เห็นว่าเซลล์โดพามีนแสดงการระเบิดของกิจกรรมเมื่อสัตว์ได้รับรางวัลที่ไม่คาดคิด สัญญาณโดปามีนเหล่านี้เชื่อว่ามีความสำคัญสำหรับการเรียนรู้การเสริมแรงซึ่งเป็นกระบวนการที่สัตว์เรียนรู้ที่จะดำเนินการเพื่อนำไปสู่การให้รางวัล
มุมมองที่ยาว
ในการศึกษาส่วนใหญ่รางวัลนั้นได้รับการส่งมอบภายในไม่กี่วินาที ในชีวิตจริงแม้ว่าความพึงพอใจไม่ได้เกิดขึ้นทันที: สัตว์มักจะเดินทางไปตามหาอาหารและต้องรักษาแรงจูงใจสำหรับเป้าหมายที่ห่างไกลในขณะเดียวกันก็ตอบสนองต่อสิ่งชี้นำที่เร่งด่วนกว่าด้วย สิ่งนี้เป็นเรื่องจริงสำหรับมนุษย์: คนขับรถที่ต้องเดินทางไกลจะต้องมุ่งเน้นไปที่จุดหมายสุดท้ายในขณะเดียวกันก็ตอบสนองต่อการจราจรการหยุดทานของว่างและความบันเทิงสำหรับเด็กที่เบาะหลัง
ทีม MIT นำโดยศาสตราจารย์แอนเกรย์เบเอลซึ่งเป็นผู้วิจัยที่สถาบัน McGovern เพื่อการวิจัยสมองของ MIT ตัดสินใจที่จะศึกษาว่าโดปามีนเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในระหว่างงานเขาวงกตที่คาดว่าจะได้รับงานล่าช้า นักวิจัยได้ฝึกหนูให้สำรวจเขาวงกตเพื่อให้ได้รางวัล ในระหว่างการทดลองแต่ละครั้งหนูจะได้ยินเสียงสั่งให้เลี้ยวขวาหรือซ้ายที่สี่แยกเพื่อหารางวัลนมช็อคโกแลต
แทนที่จะวัดกิจกรรมของเซลล์ประสาทที่มีโดปามีนได้อย่างง่ายดายนักวิจัย MIT ต้องการวัดปริมาณโดปามีนที่ปล่อยออกมาใน striatum ซึ่งเป็นโครงสร้างสมองที่รู้กันว่ามีความสำคัญในการเรียนรู้การเสริมแรง พวกเขาร่วมมือกับ Paul Phillips แห่ง Univ ของวอชิงตันผู้พัฒนาเทคโนโลยีที่เรียกว่า fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) ซึ่งฝังขั้วไฟฟ้าคาร์บอนไฟเบอร์ขนาดจิ๋วที่ฝังอยู่นั้นให้การตรวจวัดความเข้มข้นของโดปามีนอย่างต่อเนื่องตามลายนิ้วมือเคมีไฟฟ้า
“ เราปรับวิธีการ FSCV เพื่อให้เราสามารถวัดโดปามีนได้ถึงสี่แห่งในสมองพร้อมกันในขณะที่สัตว์เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระผ่านเขาวงกต” มาร์คฮาวผู้แต่งคนแรกนักศึกษาบัณฑิตศึกษาคนแรกของเกรย์เบล ภาควิชาชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์น “ แต่ละโพรบวัดความเข้มข้นของโดปามีนนอกเซลล์ภายในเนื้อเยื่อสมองปริมาณเล็กน้อยและอาจสะท้อนถึงการทำงานของขั้วประสาทหลายพัน”
เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในโดปามีน
จากการทำงานก่อนหน้านี้นักวิจัยคาดว่าพวกเขาอาจเห็นคลื่นของโดปามีนที่ปล่อยออกมาในช่วงเวลาต่าง ๆ ในการทดลอง“ แต่อันที่จริงแล้วเราพบสิ่งที่น่าแปลกใจมากกว่านี้” Graybiel กล่าวว่า: ระดับโดปามีนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง สัตว์เข้าหาเป้าหมาย - ราวกับกำลังรอรับรางวัล
พฤติกรรมของหนูนั้นแตกต่างจากการทดลองไปจนถึงการทดลอง - การวิ่งบางครั้งเร็วกว่าการวิ่งอื่น ๆ และบางครั้งสัตว์จะหยุดสั้น ๆ - แต่สัญญาณโดปามีนไม่ได้แตกต่างกันไปตามความเร็วในการวิ่งหรือระยะเวลาทดลอง และไม่ขึ้นอยู่กับความน่าจะเป็นในการได้รับรางวัลสิ่งที่ได้รับการแนะนำจากการศึกษาก่อนหน้านี้
“ สัญญาณโดปามีนดูเหมือนจะสะท้อนให้เห็นว่าหนูอยู่ห่างจากเป้าหมายมากแค่ไหน” เกรย์ไบเอลอธิบาย “ ยิ่งเข้าใกล้ก็ยิ่งมีสัญญาณมากขึ้น” นักวิจัยยังพบว่าขนาดของสัญญาณนั้นสัมพันธ์กับขนาดของรางวัลที่คาดหวัง: เมื่อหนูได้รับการฝึกฝนให้คาดการณ์นมช็อกโกแลตที่มีขนาดใหญ่ขึ้นสัญญาณโดปามีนก็เพิ่มขึ้น สูงชันถึงความเข้มข้นสุดท้ายที่สูงขึ้น
ในการทดลองบางครั้งเขาวงกตรูปตัว T ได้ขยายออกไปเป็นรูปร่างที่ซับซ้อนมากขึ้นทำให้สัตว์ต้องวิ่งต่อไปและต้องเลี้ยวเพิ่มก่อนที่จะได้รับรางวัล ในระหว่างการทดลองสัญญาณโดปามีนจะค่อยๆเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนในที่สุดก็ถึงระดับเดียวกับในเขาวงกตที่สั้นกว่า “ มันเหมือนกับว่าสัตว์กำลังปรับความคาดหวังของมันรู้ว่ามันจะไปต่อ” Graybiel กล่าว
'ระบบนำทางภายใน'
“ นี่หมายความว่าสามารถใช้ระดับโดพามีนเพื่อช่วยให้สัตว์ตัดสินใจเลือกระหว่างทางไปสู่เป้าหมายและประเมินระยะห่างจากเป้าหมายได้” Terrence Sejnowski จาก Salk Institute นักประสาทวิทยาด้านคอมพิวเตอร์ที่คุ้นเคยกับการค้นพบ แต่ใคร ไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษา “ ระบบคำแนะนำภายใน” นี้อาจมีประโยชน์สำหรับมนุษย์เช่นกันซึ่งต้องทำการเลือกตลอดเส้นทางสู่สิ่งที่อาจเป็นเป้าหมายที่ห่างไกล”
คำถามหนึ่งที่เกรย์เบลหวังจะตรวจสอบในการวิจัยในอนาคตคือสัญญาณเกิดขึ้นในสมองอย่างไร หนูและสัตว์อื่น ๆ สร้างแผนที่ความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมเชิงพื้นที่โดยเรียกว่า“ เซลล์วาง” ที่ทำงานเมื่อสัตว์อยู่ในตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจง “ เมื่อหนูของเราวิ่งเขาวงกตซ้ำแล้วซ้ำเล่า” เธอกล่าว“ เราสงสัยว่าพวกเขาเรียนรู้ที่จะเชื่อมโยงแต่ละจุดในเขาวงกตกับระยะทางจากรางวัลที่พวกเขาได้รับจากการวิ่งครั้งก่อน”
สำหรับความเกี่ยวข้องของการวิจัยนี้กับมนุษย์ Graybiel กล่าวว่า“ ฉันต้องตกใจถ้าสิ่งที่คล้ายกันไม่ได้เกิดขึ้นในสมองของเราเอง” เป็นที่รู้กันว่าผู้ป่วยของพาร์กินสันที่มีการส่งสัญญาณโดปามีนบกพร่อง และมีความยากลำบากในการสนับสนุนแรงจูงใจเพื่อให้งานสำเร็จลุล่วง “ อาจเป็นเพราะพวกเขาไม่สามารถสร้างสัญญาณโดปามีนที่พุ่งกระฉับกระเฉงนี้ได้ "Graybiel กล่าว
ที่มา: สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์
;
