Serotonine bevordert het leren, niet alleen de stemming
De neurotransmitter serotonine is gekoppeld aan de beheersing van de stemming, maar het helpt ook bij het reguleren van verschillende andere functies, zoals slaap en seksueel verlangen. Nieuw onderzoek heeft een andere rol van serotonine aan het licht gebracht: het verhogen van de leersnelheid.
Hoewel variaties in serotoninespiegels verband houden met stemmingsstoornissen zoals depressie, weten we nog steeds niet zoveel over alle rollen die deze neurotransmitter speelt.
Sommige eerdere onderzoeken hebben het in verband gebracht met geheugen en neuroplasticiteit, of het vermogen van de hersenen om zich gedurende het hele leven voortdurend aan te passen om de gezondheid en cognitieve functie te behouden.
Nu hebben wetenschappers verspreid over twee instellingen - het Champalimaud Centre for the Unknown (CCU) in Lissabon, Portugal en University College London (UCL) in het Verenigd Koninkrijk - dieper gegraven en ontdekt dat serotonine ook betrokken is bij leerprocessen.
Meer specifiek lijkt het bij te dragen aan de snelheid waarmee we nieuwe informatie leren, zoals de onderzoekers uitleggen in een paper die nu in het tijdschrift is gepubliceerd. Nature Communications.
De studie, uitgevoerd in een muismodel, testte hoe snel de dieren hun gedrag zouden kunnen aanpassen aan een bepaalde situatie. Serotonine leek een rol te spelen in dit proces.
"Uit de studie bleek dat serotonine de leersnelheid verhoogt", legt co-auteur Zachary Mainen van de CCU uit.
"Toen serotonine-neuronen kunstmatig werden geactiveerd, met behulp van licht, konden muizen hun gedrag sneller aanpassen in een situatie die een dergelijke flexibiliteit vereist", voegt hij eraan toe.
"Dat wil zeggen, ze gaven meer gewicht aan nieuwe informatie en veranderden daarom sneller van gedachten toen deze neuronen actief waren."
Zachary Mainen
Twee leerstrategieën
Om de leerprocessen en snelheid van de dieren te bestuderen, stelden de onderzoekers de muizen bloot aan een leertaak, waarbij het doel was om water te vinden.
"Dieren werden in een kamer geplaatst waar ze ofwel een waterdispenser aan hun linkerkant of een aan hun rechterkant moesten porren - die, met een zekere waarschijnlijkheid, dan wel of geen water zou geven '', zegt studieauteur Madalena Fonseca van de CCU, waarin de experimenttemplate wordt uitgelegd.
De muizen bleven proberen om water uit de dispensers te halen, en ze leerden hoe ze het waarschijnlijker zouden vinden op basis van vallen en opstaan. Maar, merkte het team op, hoe lang de dieren tussen de pogingen wachtten, varieerde meestal.
Soms probeerden de dieren direct nadat ze het al hadden geprobeerd water te krijgen, en soms wachtten ze langer op een nieuwe proef.
De wetenschappers zagen ook dat de muizen de neiging hadden om langer te wachten tussen de pogingen aan het begin en het einde van de experimentele sessie van een dag.
Dit bracht de onderzoekers tot de hypothese dat de dieren aan het begin van een sessie nog steeds behoorlijk afgeleid en ongeïnteresseerd zouden kunnen zijn in de taak die voor hen ligt, "misschien in de hoop uit de experimentele kamer te komen", zoals de auteurs van het onderzoek schrijven.
Maar aan het einde van een sessie kunnen de muizen wellicht niet gemotiveerd zijn om door te gaan met het zoeken naar water, omdat ze tegen die tijd misschien al genoeg hebben gehad.
De aldus waargenomen variabiliteit leidde ertoe dat het team uiteindelijk begreep hoe serotonine het leren en de besluitvorming zou kunnen beïnvloeden.
Afhankelijk van de wachttijd die muizen verkiezen tussen hun pogingen om water te vinden, pasten ze ook een van de twee soorten strategieën toe om de kans op succes in hun proeven te maximaliseren.
Werkgeheugen versus langetermijngeheugen
Met korte wachttijden tussen de pogingen van de dieren, merkten de wetenschappers dat de muizen de neiging hadden om hun strategie te baseren op de uitkomst - succesvol of niet succesvol - van de voorgaande proef.
Dat wil zeggen, als de muizen er net in waren geslaagd om water uit één dispenser te halen, zouden ze dezelfde opnieuw proberen. Als deze nu faalde, zouden ze doorgaan naar de andere dispenser. Deze benadering wordt de "win-stay-lose-switch" -strategie genoemd.
In het geval van langere wachttijden tussen de proeven, maakten de muizen eerder een keuze op basis van opgebouwde ervaringen uit het verleden.
Wat dit betekent, leggen de onderzoekers uit, is dat in het eerste geval de muizen hun werkgeheugen gebruikten, of het type kortetermijngeheugen dat leidt tot adaptieve besluitvorming op basis van directe ervaring.
In het laatste geval gebruikten de dieren echter hun langetermijngeheugen, waarbij ze toegang kregen tot reeds opgeslagen kennis die in de loop van de tijd was opgebouwd.
Serotonine maakt leren efficiënter
Met behulp van optogenetica - een techniek die licht gebruikt om moleculen in levende cellen te manipuleren - stimuleerden de CCU-onderzoekers de serotonine-producerende cellen in de hersenen van de muizen om te zien hoe verhoogde niveaus van deze neurotransmitter het gedrag van de dieren bij de leertaak kunnen beïnvloeden.
Toen ze de verzamelde gegevens analyseerden, rekening houdend met de wachttijdintervallen tussen de proeven van de muizen, concludeerden ze dat hogere serotonineniveaus versterkten hoe effectief de dieren leerden van eerdere ervaringen. Dit gold echter alleen voor keuzes gemaakt na langere wachttijden.
"Serotonine bevordert altijd het leren van beloningen, maar dit effect is alleen zichtbaar bij een deel van de keuzes van de dieren", merkt co-auteur Masayoshi Murakami van de CCU op.
"Bij de meeste proeven", voegt UCL-onderzoeker Kiyohito Iigaya toe, "werd de keuze gedreven door een‘ snel systeem ’, waarbij de dieren een win-blijf-verlies-switch-strategie volgden. Maar bij een klein aantal onderzoeken ontdekten we dat deze eenvoudige strategie de keuzes van de dieren helemaal niet verklaarde. "
"Bij deze proeven", zegt hij, "ontdekten we in plaats daarvan dat dieren hun‘ trage systeem ’volgden, waarin het de beloningsgeschiedenis van vele proeven was, en niet alleen de meest recente proeven, die hun keuzes beïnvloedden."
"Bovendien", voegt Iigaya eraan toe, "beïnvloedde serotonine alleen deze laatste keuzes, waarbij het dier het langzame systeem volgde."
Verbanden met stemming en gedrag
De auteurs zijn ook van mening dat de bevindingen kunnen verklaren waarom selectieve serotonineheropnameremmers (SSRI's) - een medicijntype dat de serotoninespiegel verhoogt en dat wordt gebruikt bij de behandeling van depressie - het meest effectief zijn in combinatie met cognitieve gedragstherapie (CGT).
Terwijl SSRI's depressie aanpakken door chemische onevenwichtigheden in de hersenen aan te pakken, is het doel van CBT om gedragsreacties te veranderen om de symptomen van depressie te verbeteren.
"Onze resultaten suggereren dat serotonine de plasticiteit van de hersenen verhoogt door de leersnelheid te beïnvloeden", schrijven de auteurs van het onderzoek in de conclusie van hun gepubliceerde artikel.
Ze voegen eraan toe: "Dit resoneert bijvoorbeeld met het feit dat behandeling met een SSRI effectiever kan zijn in combinatie met zogenaamde cognitieve gedragstherapie, die het doorbreken van gewoonten bij patiënten aanmoedigt."
