Serotonina wspomaga naukę, nie tylko nastrój
Neuroprzekaźnik serotonina jest powiązany z kontrolą nastroju, chociaż pomaga również regulować różne inne funkcje, takie jak sen i pożądanie seksualne. Nowe badania ujawniły inną rolę odgrywaną przez serotoninę: przyspieszenie uczenia się.
Chociaż wahania poziomu serotoniny są związane z zaburzeniami nastroju, takimi jak depresja, nadal nie wiemy zbyt wiele o wszystkich rolach odgrywanych przez ten neuroprzekaźnik.
Niektóre wcześniejsze prace badawcze wiązały to z pamięcią i neuroplastycznością lub zdolnością mózgu do ciągłej adaptacji przez całe życie człowieka, aby zachować zdrowie i funkcje poznawcze.
Teraz naukowcy z dwóch instytucji - Champalimaud Centre for the Unknown (CCU) w Lizbonie w Portugalii i University College London (UCL) w Wielkiej Brytanii - zgłębili problem i odkryli, że serotonina jest również zaangażowana w procesy uczenia się.
Mówiąc dokładniej, wydaje się, że przyczynia się do szybkości, z jaką uczymy się nowych informacji, jak wyjaśniają naukowcy w artykule opublikowanym obecnie w czasopiśmie Nature Communications.
Badanie przeprowadzone na modelu mysim sprawdzało, jak szybko zwierzęta byłyby w stanie dostosować swoje zachowanie do danej sytuacji. Wydawało się, że serotonina odgrywa rolę w tym procesie.
„Badanie wykazało, że serotonina zwiększa szybkość uczenia się” - wyjaśnia współautor badania Zachary Mainen z CCU.
„Kiedy neurony serotoninowe były sztucznie aktywowane za pomocą światła, myszy szybciej dostosowywały się do sytuacji, która wymagała takiej elastyczności” - dodaje.
„Oznacza to, że przywiązywali większą wagę do nowych informacji i dlatego szybciej zmieniali zdanie, gdy te neurony były aktywne”.
Zachary Mainen
Dwie strategie uczenia się
Aby zbadać procesy uczenia się i szybkość zwierząt, naukowcy wystawili myszy na zadanie uczenia się, którego celem było znalezienie wody.
„Zwierzęta umieszczono w komorze, w której musiały szturchać dozownik wody z lewej strony lub z prawej strony - który z pewnym prawdopodobieństwem podawałby wodę lub nie” - mówi autorka badania Madalena Fonseca z CCU, wyjaśniając szablon eksperymentu.
Myszy próbowały pobrać wodę z dystrybutorów i na podstawie prób i błędów dowiedziały się, jakie jest większe prawdopodobieństwo, że ją znajdą. Zespół zaobserwował jednak, że czas oczekiwania zwierząt między próbami był różny.
Czasami zwierzęta podejmowały kolejną próbę zdobycia wody natychmiast po tym, jak już spróbowały, a czasami czekały dłużej przed kolejną próbą.
Naukowcy zauważyli również, że myszy zwykle dłużej czekały między próbami na początku i na końcu dziennej sesji eksperymentalnej.
Doprowadziło to naukowców do hipotezy, że na początku sesji zwierzęta mogą być nadal dość rozproszone i niezainteresowane wykonywanym zadaniem, „być może mając nadzieję na wydostanie się z komory eksperymentalnej”, jak piszą autorzy badania.
Z drugiej strony, pod koniec sesji myszom może brakować motywacji do dalszego poszukiwania wody, ponieważ do tego czasu mogły już się nasycić.
Obserwowana w ten sposób zmienność ostatecznie doprowadziła zespół do zrozumienia, jak serotonina może wpływać na uczenie się i podejmowanie decyzji.
W zależności od czasu oczekiwania preferowanego przez myszy między próbami znalezienia wody, zastosowały również jeden z dwóch rodzajów strategii, aby zmaksymalizować prawdopodobieństwo sukcesu w swoich próbach.
Pamięć robocza a pamięć długotrwała
Przy krótkich odstępach czasu między próbami zwierząt naukowcy zauważyli, że myszy zwykle opierały swoją strategię na wyniku - pomyślnym lub nieudanym - poprzedniego badania.
Oznacza to, że gdyby myszom właśnie udało się pobrać wodę z jednego dozownika, spróbowałyby ponownie tego samego. Gdyby ten teraz zawiódł, przeszliby do drugiego dozownika. To podejście jest określane jako strategia „zamiana wygranych, przegranych, przegranych”.
W przypadku dłuższych odstępów czasu między próbami myszy częściej dokonywały wyboru na podstawie zgromadzonych doświadczeń z przeszłości.
Jak wyjaśniają naukowcy, oznacza to, że w pierwszym przypadku myszy wykorzystywały pamięć roboczą lub rodzaj pamięci krótkotrwałej, która prowadzi do adaptacyjnego podejmowania decyzji w oparciu o bezpośrednie doświadczenie.
Jednak w tym drugim przypadku zwierzęta wykorzystywały swoją pamięć długotrwałą, uzyskując dostęp do już zgromadzonej wiedzy, która została zbudowana w czasie.
Serotonina sprawia, że nauka jest bardziej efektywna
Wykorzystując optogenetykę - technikę, która wykorzystuje światło do manipulowania cząsteczkami w żywych komórkach - naukowcy z CCU stymulowali komórki wytwarzające serotoninę w mózgach myszy, aby zobaczyć, jak podwyższony poziom tego neuroprzekaźnika może wpłynąć na zachowanie zwierząt w zadaniu uczenia się.
Kiedy przeanalizowali zgromadzone dane, biorąc pod uwagę okresy oczekiwania między próbami na myszach, doszli do wniosku, że wyższe poziomy serotoniny potęgują skuteczność, z jaką zwierzęta uczyły się na podstawie wcześniejszych doświadczeń. Dotyczyło to jednak tylko wyborów dokonywanych po dłuższych odstępach czasu.
„Serotonina zawsze wzmacnia uczenie się poprzez nagrodę, ale ten efekt jest widoczny tylko w podzbiorze wyborów zwierząt” - zauważa współautor badania Masayoshi Murakami z CCU.
„W większości prób”, dodaje badacz z UCL, Kiyohito Iigaya, „wybór był napędzany przez„ szybki system ”, w którym zwierzęta stosowały strategię„ wygrywaj, bądź przegrywaj ”. Jednak w przypadku niewielkiej liczby prób okazało się, że ta prosta strategia w ogóle nie wyjaśnia wyborów zwierząt ”.
„Na tych próbach”, mówi, „zamiast tego stwierdziliśmy, że zwierzęta podążały za swoim„ powolnym systemem ”, w którym to historia nagród z wielu prób, a nie tylko ostatnich, wpływała na ich wybory”.
„Co więcej”, dodaje Iigaya, „serotonina wpłynęła tylko na te ostatnie wybory, w których zwierzę podążało za powolnym systemem”.
Związki z nastrojem i zachowaniem
Autorzy są również przekonani, że odkrycia mogą wyjaśnić, dlaczego selektywne inhibitory wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI) - rodzaj leku, który zwiększa poziom serotoniny i który jest stosowany w leczeniu depresji - są najbardziej skuteczne w połączeniu z terapią poznawczo-behawioralną (CBT).
Podczas gdy SSRI radzą sobie z depresją, zajmując się brakiem równowagi chemicznej w mózgu, celem CBT jest zmiana reakcji behawioralnych w celu złagodzenia objawów depresji.
„Nasze wyniki sugerują, że serotonina zwiększa plastyczność [mózgu] poprzez wpływ na tempo uczenia się” - piszą autorzy badania w podsumowaniu ich opublikowanej pracy.
Dodają: „To współgra na przykład z faktem, że leczenie SSRI może być bardziej skuteczne w połączeniu z tak zwaną terapią poznawczo-behawioralną, która zachęca pacjentów do zrywania nawyków”.
