In een nieuwe studie hebben onderzoekers van de Wake Forest University School of Medicine (WFUSM) belangrijke informatie onthuld over de besluitvormingsmechanismen van de hersenen die ons zouden kunnen helpen beter te begrijpen hoe dopamine-signalering verschilt bij psychiatrische en neurologische ziekten. De studie is de eerste die de dopamineregulatie diep in de hersenen van drie mensen in realtime in kaart brengt, waardoor de belangrijke rol van de neurotransmitters in de hersenen wordt onthuld bij het herkennen van beloningen en het leren van fouten.
"Eerder onderzoek heeft aangetoond dat dopamine een belangrijke rol speelt in de manier waarop dieren leren van 'belonings' (en mogelijk 'straf') ervaringen", zegt Kenneth T. Kishida, Ph.D., universitair hoofddocent fysiologie, farmacologie en neurochirurgie bij WFUSM. "Maar weinigen hebben de snelle effecten van dopamine in het menselijk brein direct beoordeeld. Dit is de eerste studie bij mensen over hoe dopamine beloning en straf codeert, en of dopamine de 'beste' onderwijssignalen weerspiegelt die worden gebruikt in het meest geavanceerde onderzoek naar kunstmatige intelligentie."
In deze studie gebruikten onderzoekers fast-scan cyclische voltammetrie in combinatie met machinaal leren om de dopamineniveaus in realtime te meten. Omdat dit alleen tijdens een invasieve procedure kan worden gedaan, werden drie patiënten die deze behandeling zouden krijgen – diepe hersenstimulatie voor essentiële tremor – in het onderzoek opgenomen.
De onderzoekers plaatsten een koolstofvezelmicro-elektrode diep in de hersenen van de deelnemers om dopamine in het striatum te controleren, een hersengebied dat betrokken is bij besluitvorming, gewoontevorming en beloning.
Vervolgens werd hen gevraagd een eenvoudig computerspel te spelen met drie fasen, waarbij de deelnemers door ervaring moesten leren keuzes te maken die de beloningen maximaliseerden en de straffen minimaliseerden. Spelers worden beloond met echt geld als ze de juiste beslissing nemen; als ze de verkeerde beslissing nemen, verliezen ze als boete geld. Tijdens verschillende fasen van het spel werd de dopamine van elke deelnemer elke 100 milliseconden gemeten.
Wat ze ontdekten was onverwacht: de dopamineroute is mogelijk veel talrijker en complexer dan we dachten, en speelt een even belangrijke rol bij het verwerken van verliezend geld als bij winnen. En deze trajecten opereren op verschillende tijdschalen.
"We ontdekten dat dopamine niet alleen een rol speelt bij het signaleren van positieve en negatieve ervaringen in de hersenen, maar dat het dit ook op een optimale manier lijkt te doen wanneer we proberen van die uitkomsten te leren," zei Kishida. "Wat ook interessant is, is dat er afzonderlijke routes in de hersenen lijken te zijn, die het dopaminesysteem afzonderlijk kunnen betrekken bij belonings- en strafervaringen. Onze resultaten onthulden het verrassende resultaat dat deze twee routes belonings- en strafervaringen op enigszins verschillende tijdschalen kunnen coderen, slechts 200 tot 400 milliseconden uit elkaar."
Dit onderzoek toont aan dat dopamine een sleutelfactor is in de manier waarop we leren van goede en slechte ervaringen, waardoor onze hersenen gedrag kunnen aanpassen en keuzes kunnen maken die verband houden met positieve resultaten.
"Traditioneel wordt dopamine vaak de 'gelukkige neurotransmitter' genoemd," zei Kishida. "Ons werk levert echter bewijs dat dit niet het geval is voor dopamine. In plaats daarvan is dopamine een belangrijk onderdeel van een complex systeem dat onze hersenen leert en ons gedrag stuurt. Dopamine is ook betrokken bij het leren van onze hersenen over bestraffende ervaringen, wat een belangrijke bevinding is die nieuwe onderzoeksrichtingen kan opleveren en ons kan helpen de mechanismen die ten grondslag liggen aan depressie, verslaving en aanverwante mentale en neurologische stoornissen beter te begrijpen."
Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.