Система довгострокової винагороди мозку покладається на дофамін
Серпень 5, 2013
Бретт Сміт для redOrbit.com - Ваш Всесвіт в Інтернеті
Від їзди по країні до закінчення коледжу, довгострокові цілі часто важко залишатись зосередженими, коли негайна винагорода не видно.
Команда дослідників з Університету Вашингтона в Сіетлі та MIT нещодавно виявила нові подробиці про те, як мозок здатний залишатися зосередженим, поки ці довгострокові цілі не будуть досягнуті, йдеться у повідомленні журналу Nature.
Дослідження спільної команди ґрунтується на попередніх дослідженнях, які пов’язали нейромедіатор дофамін із системою винагород мозку. Незважаючи на те, що більшість попередніх досліджень стосувались допаміну відносно негайної винагороди, в новому дослідженні було виявлено підвищення рівня дофаміну, коли лабораторні щури наближалися до очікуваної винагороди після затримки задоволення.
Для вимірювання рівнів дофаміну в мозку щурів команда використовувала систему, розроблену вченим з поведінки з UW Полом Філліпсом під назвою циклічної вольтаметрії швидкого сканування (FSCV), яка передбачає невеликі імплантовані електроди, які постійно реєструють концентрацію дофаміну, шукаючи його електрохімічний підпис.
"Ми адаптували метод FSCV, щоб ми могли одночасно вимірювати дофамін на чотирьох різних ділянках мозку, коли тварини вільно рухалися лабіринтами", - сказав співавтор Марк Хоу, в даний час докторський невробіолог Північно-Західного університету. "Кожен зонд вимірює концентрацію позаклітинного дофаміну в крихітному об'ємі мозкової тканини і, ймовірно, відображає активність тисяч нервових терміналів".
Вчені почали з навчання щурів, щоб знайти шлях через лабіринт у пошуках нагороди. Під час пробігу кожного щура по лабіринту пролунав би тон, що наказував йому повернути праворуч або ліворуч на перехресті, домагаючись нагороди за шоколадне молоко.
Дослідницька група заявила, що вони очікують, що імпульси дофаміну викидаються в мозок щурів з періодичними інтервалами під час випробувань. Однак вони виявили, що рівні нейромедіатора постійно зростали протягом всього експерименту - що досягало піку, коли гризун наближався до своєї нагороди. Незважаючи на те, що поведінка щурів під час кожного випробування змінювалася, рівень їх дофаміну надійно зростав, незважаючи на швидкість бігу та ймовірність нагороди.
"Натомість сигнал дофаміну, здається, відображає, наскільки далеко знаходиться щур від своєї мети", - сказала Енн Грейбіел, яка керує лабораторією дослідження мозку в MIT. "Чим ближче вона стає, тим сильнішим стає сигнал."
Команда також виявила, що величина сигналу дофаміну пов'язана з розміром очікуваної винагороди. Коли щури були обумовлені більшою порцією шоколадного молока, рівень їх допаміну швидше піднявся до більш високого піку.
Дослідники варіювали експеримент, розширивши лабіринт до більш складної форми, яка змусила щурів бігати далі та робити додаткові повороти, щоб досягти призу. Під час цих довших випробувань сигнал дофаміну збільшувався поступово, але з часом досяг такого ж рівня, як і в попередньому лабіринті.
"Це немовби тварина коригувала свої очікування, знаючи, що воно має піти далі", - сказав Грейбіел.
Вона припустила, що майбутні дослідження повинні вивчити це саме явище у людей.
"Я був би шокований, якби щось подібне не відбувалося в наших власних мозках", - сказав Грейбіел.
Дослідження показують, як мозок слідкує за призом
Пн, 08 - 05:2013
Інститут досліджень мозку МакГоверн
"Ми ще там?"
Як знає кожен, хто подорожував з маленькими дітьми, підтримка зосередженості на віддалених цілях може стати викликом. Нове дослідження Массачусетського технологічного інституту (MIT) свідчить про те, як мозок досягає цього завдання, і вказує на те, що нейромедіатор дофамін може сигналізувати про значення довгострокових винагород. Отримані дані також можуть пояснити, чому у пацієнтів із хворобою Паркінсона, при яких сигнали дофаміну порушені, часто виникають труднощі у підтримці мотивації до виконання завдань.
Робота описана в Nature.
Попередні дослідження пов'язували дофамін із винагородою та показали, що дофамінові нейрони проявляють короткі спалахи активності, коли тварини отримують неочікувану винагороду. Вважається, що ці сигнали дофаміну важливі для посилення навчання, процесу, завдяки якому тварина вчиться виконувати дії, що призводять до винагороди.
Займається довгим видом
У більшості досліджень ця нагорода була доставлена протягом декількох секунд. Однак у реальному житті задоволення не завжди є негайним: тварини повинні часто подорожувати в пошуках їжі і повинні підтримувати мотивацію до віддаленої мети, а також реагувати на більш безпосередні підказки. Те ж саме стосується людей: Водій у тривалій дорозі повинен залишатися зосередженим на досягненні кінцевого пункту призначення, одночасно реагуючи на рух, зупиняючись на перекуси та розважаючи дітей на задньому сидінні.
Команда MIT під керівництвом професора Інституту Енн Грейбіель, яка також є дослідником Інституту дослідження мозку МакГоверн MIT, вирішила вивчити, як допамін змінюється під час завдання лабіринту, наближаючи роботу до затримки задоволення. Дослідники навчали щурів орієнтуватися в лабіринті, щоб отримати нагороду. Під час кожного випробування щур почув би тон, який наказував йому повернути вправо або вліво на перехресті, щоб знайти нагороду за шоколадне молоко.
Замість того, щоб просто виміряти активність нейронів, що містять дофамін, дослідники MIT хотіли виміряти, скільки дофаміну було вивільнено у стриатумі, структурі мозку, як відомо, важливою в навчанні підкріплення. Вони об'єдналися з Полом Філліпсом з Університету. Вашингтона, яка розробила технологію під назвою циклічної вольтаметрії швидкого сканування (FSCV), в якій крихітні, імплантовані вуглеволокнисті електроди дозволяють проводити постійні вимірювання концентрації дофаміну на основі його електрохімічного відбитка пальця.
"Ми адаптували метод FSCV, щоб ми могли одночасно вимірювати дофамін на чотирьох різних ділянках у мозку, оскільки тварини вільно пересувалися по лабіринту", - пояснює перший автор Марк Хоу, колишній аспірант Грейбіеля, який зараз є докторантом кафедра нейробіології в Північно-Західному ун-ті. "Кожен зонд вимірює концентрацію позаклітинного дофаміну в крихітному об'ємі мозкової тканини і, ймовірно, відображає активність тисяч нервових терміналів".
Поступове підвищення дофаміну
У попередній роботі дослідники очікували, що вони можуть побачити імпульси дофаміну, що виділяються в різний час під час випробування, "але насправді ми знайшли щось набагато дивніше", говорить Грейбіел: Рівень дофаміну постійно зростає протягом кожного випробування, максимум, що тварина підійшла до своєї мети - ніби в очікуванні нагороди.
Поведінка щурів варіювалася від проби до випробування - деякі пробіжки були швидшими, ніж інші, а іноді тварини зупинялися ненадовго - але сигнал дофаміну не змінювався зі швидкістю бігу та тривалістю випробування. Також це не залежало від ймовірності отримати винагороду, що було запропоновано попередніми дослідженнями.
"Натомість сигнал дофаміну, здається, відображає, наскільки далеко знаходиться щур від своєї мети", - пояснює Грейбіел. "Чим ближче він стає, тим сильнішим стає сигнал". Дослідники також виявили, що розмір сигналу пов'язаний з розміром очікуваної винагороди: Коли щурів навчали передбачати більший глоток шоколадного молока, сигнал дофаміну зростав більш круто до більш високої кінцевої концентрації.
У деяких випробуваннях Т-подібний лабіринт був розширений до більш складної форми, вимагаючи від тварин бігати далі і робити додаткові повороти, перш ніж отримувати нагороду. Під час цих випробувань сигнал дофаміну посилювався більш поступово, зрештою досягаючи того ж рівня, що і в коротший лабіринт. "Це як би тварина коригує свої очікування, знаючи, що воно має йти далі", - говорить Грейбіел.
"Внутрішня система наведення"
"Це означає, що рівень дофаміну може бути використаний, щоб допомогти тварині робити вибір на шляху до мети та оцінювати відстань до мети", - говорить Терренс Сейновський з Інституту Салка, обчислювальний невролог, який знайомий з висновками, але хто не був причетний до дослідження. "Ця" система внутрішнього керівництва "також може бути корисною для людей, яким також доводиться робити вибір на шляху до того, що може бути віддаленою метою".
Одне питання, яке Грейбіел сподівається вивчити в майбутньому дослідженні - це те, як виникає сигнал у мозку. Щури та інші тварини формують когнітивні карти свого просторового середовища з так званими «клітинами місця», які активні, коли тварина знаходиться у певному місці. "Коли наші щури неодноразово бігають по лабіринту, - каже вона, - ми підозрюємо, що вони вчаться пов'язувати кожну точку лабіринту з її віддаленістю від нагороди, яку вони відчували за попередні пробіжки".
Що стосується актуальності цього дослідження для людей, Грейбіел каже: "Я був би шокований, якби щось подібне не відбувалося в нашому власному мозку". Відомо, що пацієнти Паркінсона, у яких порушена сигналізація дофаміну, часто виявляються апатичними, і у вас виникають труднощі в підтримці мотивації для виконання тривалого завдання. "Можливо, це тому, що вони не можуть виробляти цей повільний сигнал дофаміну," говорить Грейбіел.
Джерело: Массачусетський технологічний інститут
;