Serotonin forbedrer læring, ikke kun humør
Neurotransmitteren serotonin er knyttet til humørkontrol, selvom det også hjælper med at regulere forskellige andre funktioner, såsom søvn og seksuel lyst. Ny forskning har afdækket en anden rolle, som serotonin har spillet: at øge læringshastigheden.
Selvom variationer i serotoninniveauer er knyttet til humørsygdomme som depression, ved vi stadig ikke så meget om alle de roller, som denne neurotransmitter spiller.
Nogle tidligere undersøgelsesopgaver har knyttet det til hukommelse og neuroplasticitet eller hjernens evne til kontinuerligt at tilpasse sig gennem en persons liv for at bevare sundhed og kognitiv funktion.
Nu har forskere, der spænder over to institutioner - Champalimaud Center for the Unknown (CCU) i Lissabon, Portugal, og University College London (UCL) i Storbritannien - dybt dybere og fundet, at serotonin også er involveret i læringsprocesser.
Mere specifikt ser det ud til at bidrage til den hastighed, hvormed vi lærer ny information, som forskerne forklarer i et papir, der nu er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation.
Undersøgelsen, udført i en musemodel, testede, hvor hurtigt dyrene kunne tilpasse deres adfærd til en given situation. Serotonin syntes at spille en rolle i denne proces.
”Undersøgelsen viste, at serotonin øger læringshastigheden,” forklarer medforfatter Zachary Mainen fra CCU.
"Da serotoninneuroner blev aktiveret kunstigt ved hjælp af lys, gjorde det mus hurtigere at tilpasse deres adfærd i en situation, der krævede en sådan fleksibilitet," tilføjer han.
"Det vil sige, de gav mere information til ny information og ændrede sig derfor hurtigere, når disse neuroner var aktive."
Zachary Mainen
To læringsstrategier
For at studere dyrenes indlæringsprocesser og hastighed udsatte forskerne musene for en læringsopgave, hvor målet var at finde vand.
"Dyr blev anbragt i et kammer, hvor de enten måtte stikke en vanddispenser på deres venstre side eller et på deres højre side - som med en vis sandsynlighed derefter ville dispensere vand eller ej," siger studieforfatter Madalena Fonseca, af CCU, der forklarer eksperimentskabelonen.
Musene forsøgte fortsat at få vand fra dispenserne, og de lærte, hvordan de var mere tilbøjelige til at finde det baseret på forsøg og fejl. Men holdet observerede, hvor længe dyrene ventede mellem forsøgene havde en tendens til at variere.
Nogle gange forsøgte dyrene et nyt forsøg på at få vand straks efter at have allerede prøvet, og nogle gange ventede de længere før en anden prøve.
Forskerne så også, at musene havde tendens til at vente længere mellem forsøg i begyndelsen og slutningen af en dags eksperimentelle session.
Dette fik forskerne til at antage, at dyrene ved starten af en session stadig kunne være ganske distraheret og ikke interesseret i den aktuelle opgave, "måske i håb om at komme ud af eksperimentkammeret", som studieforfatterne skriver.
Derefter, i slutningen af en session, mangler musene muligvis motivation for at fortsætte med at søge efter vand, fordi de på det tidspunkt måske allerede har fået deres fylde.
Den således observerede variabilitet fik holdet til sidst til at forstå, hvordan serotonin kan påvirke læring og beslutningstagning.
Afhængigt af den ventetid, mus foretrækker mellem deres forsøg på at finde vand, anvendte de også en af to slags strategier for at maksimere sandsynligheden for succes i deres forsøg.
Arbejdshukommelse vs. langtidshukommelse
Med korte ventetid mellem dyrenes forsøg bemærkede forskerne, at musene havde en tendens til at basere deres strategi på resultatet - vellykket eller mislykket - af det foregående forsøg.
Det vil sige, at hvis musene bare havde haft held med at hente vand fra en dispenser, ville de prøve den samme igen. Hvis denne nu mislykkedes, ville de derefter gå videre til den anden dispenser. Denne tilgang kaldes strategien "win-stay-lose-switch".
I tilfælde af længere intervaller af ventetid mellem forsøg var musene mere tilbøjelige til at træffe et valg baseret på akkumulerede tidligere erfaringer.
Hvad dette betyder, forklarer forskerne, er at i det tidligere tilfælde anvendte musene deres arbejdshukommelse eller den type kortvarig hukommelse, der fører til adaptiv beslutningstagning baseret på øjeblikkelig erfaring.
I sidstnævnte tilfælde brugte dyrene imidlertid deres langtidshukommelse og fik adgang til allerede lagret viden, der var blevet bygget over tid.
Serotonin gør læring mere effektiv
Ved hjælp af optogenetik - en teknik, der anvender lys til at manipulere molekyler i levende celler - stimulerede CCU-forskerne de serotoninproducerende celler i musens hjerner for at se, hvordan forhøjede niveauer af denne neurotransmitter kan påvirke dyrenes adfærd i læringsopgaven.
Da de analyserede de akkumulerede data under hensyntagen til ventetidsintervaller mellem musens forsøg, konkluderede de, at højere serotoninniveauer forstærkede, hvor effektivt dyrene lærte af tidligere erfaringer. Dette gjaldt dog kun valg foretaget efter længere ventetid.
"Serotonin forbedrer altid indlæringen fra belønning, men denne effekt er kun tydelig på en delmængde af dyrenes valg," bemærker undersøgelse medforfatter Masayoshi Murakami fra CCU.
”På de fleste forsøg,” tilføjer UCL-forsker Kiyohito Iigaya, “valget var drevet af et 'hurtigt system', hvor dyrene fulgte en win-stay-lose-switch-strategi. Men på et lille antal af forsøgene fandt vi, at denne enkle strategi slet ikke forklarede dyrenes valg. ”
"På disse forsøg," siger han, "fandt vi i stedet, at dyr fulgte deres 'langsomme system', hvor det var belønningshistorien over mange forsøg og ikke kun de seneste forsøg, der påvirkede deres valg."
"Desuden," tilføjer Iigaya, "serotonin påvirkede kun disse sidstnævnte valg, hvor dyret fulgte det langsomme system."
Forbindelser med humør og opførsel
Forfatterne mener også, at resultaterne kan forklare, hvorfor selektive serotoninoptagelsesinhibitorer (SSRI'er) - en lægemiddeltype, der øger serotoninniveauet, og som bruges til behandling af depression - er mest effektive, når de anvendes i kombination med kognitiv adfærdsterapi (CBT).
Mens SSRI'er tackler depression ved at tackle kemiske ubalancer i hjernen, er CBTs mål at ændre adfærdsmæssige reaktioner for at forbedre depressionens symptomer.
"Vores resultater antyder, at serotonin øger [hjerne] plasticitet ved at påvirke læringshastigheden," skriver forfatterne i afslutningen på deres offentliggjorte papir.
De tilføjer, "Dette resonerer f.eks. Med det faktum, at behandling med en SSRI kan være mere effektiv, når den kombineres med såkaldt kognitiv adfærdsterapi, som tilskynder til, at vaner brydes hos patienter."
