Serotonin forbedrer læring, ikke bare humør
Nevrotransmitteren serotonin er knyttet til humørkontrollen, selv om det også hjelper til med å regulere forskjellige andre funksjoner, som søvn og seksuell lyst. Ny forskning har avdekket en annen rolle som serotonin spilte: å øke læringshastigheten.
Selv om variasjoner i serotoninnivået er knyttet til humørsykdommer som depresjon, vet vi fortsatt ikke så mye om alle rollene som denne nevrotransmitteren spiller.
Noen tidligere studieoppgaver har knyttet det til minne og nevroplastisitet, eller hjernens evne til kontinuerlig å tilpasse seg gjennom en persons liv for å bevare helse og kognitiv funksjon.
Nå har forskere som strekker seg over to institusjoner - Champalimaud Centre for the Unknown (CCU) i Lisboa, Portugal, og University College London (UCL) i Storbritannia - fordypet dypere og funnet at serotonin også er involvert i læringsprosesser.
Mer spesifikt ser det ut til å bidra til hastigheten vi lærer ny informasjon på, slik forskerne forklarer i en artikkel som nå er publisert i tidsskriftet. Naturkommunikasjon.
Studien, utført i en musemodell, testet hvor raskt dyrene ville være i stand til å tilpasse sin oppførsel til en gitt situasjon. Serotonin så ut til å spille en rolle i denne prosessen.
"Studien fant at serotonin forbedrer læringshastigheten," forklarer studieforfatter Zachary Mainen, fra CCU.
"Når serotoninneuroner ble aktivert kunstig ved hjelp av lys, gjorde det mus raskere å tilpasse sin oppførsel i en situasjon som krevde en slik fleksibilitet," legger han til.
"Det vil si at de la mer vekt på ny informasjon og endret seg derfor raskere når disse nevronene var aktive."
Zachary Mainen
To læringsstrategier
For å studere dyrenes læringsprosesser og hastighet, utsatte forskerne musene for en læringsoppgave, der målet var å finne vann.
"Dyr ble plassert i et kammer hvor de måtte peke enten en vanndispenser på venstre side eller en på høyre side - som med en viss sannsynlighet da ville dispensere vann, eller ikke," sier studieforfatter Madalena Fonseca, fra CCU, forklarer eksperimentmalen.
Musene prøvde stadig å få vann fra dispenserne, og de lærte hvordan de var mer sannsynlig å finne det basert på prøving og feiling. Men, teamet observerte, hvor lenge dyrene ventet mellom forsøkene hadde en tendens til å variere.
Noen ganger gjorde dyrene et nytt forsøk på å få vann umiddelbart etter at de allerede hadde prøvd, og noen ganger ventet de lenger før en ny prøve.
Forskerne så også at musene hadde en tendens til å vente lenger mellom forsøk på begynnelsen og slutten av en dags eksperimentelle økt.
Dette førte til at forskerne antar at dyrene fremdeles kan være ganske distrahert og ikke interessert i oppgaven ved begynnelsen av en økt, "som håper å komme seg ut fra eksperimentkammeret," som studieforfatterne skriver.
Så igjen, på slutten av en økt, kan det hende at musene mangler motivasjon for å fortsette å lete etter vann fordi de på det tidspunktet allerede har fått mett.
Variasjonen som så ble observert, førte til slutt teamet til å forstå hvordan serotonin kan påvirke læring og beslutningstaking.
Avhengig av ventetiden foretrukket av mus mellom forsøkene på å finne vann, brukte de også en av to typer strategier for å maksimere sannsynligheten for suksess i forsøkene.
Arbeidsminne vs. langtidsminne
Med korte intervaller på ventetid mellom dyrenes forsøk, la forskerne merke til at musene hadde en tendens til å basere sin strategi på resultatet - vellykket eller mislykket - av den forrige studien.
Det vil si at hvis musene nettopp hadde lyktes i å hente vann fra en dispenser, ville de prøve den samme igjen. Hvis denne nå mislyktes, ville de gå videre til den andre dispenseren. Denne tilnærmingen blir referert til som "vinn-opphold-tap-bryter" -strategien.
Ved lengre intervaller av ventetid mellom forsøk, var musene mer sannsynlig å ta et valg basert på akkumulerte tidligere erfaringer.
Hva dette betyr, forklarer forskerne, er at musene i det tidligere tilfellet brukte arbeidsminnet sitt, eller typen korttidsminne som fører til adaptiv beslutningstaking basert på umiddelbar erfaring.
I sistnevnte tilfelle brukte imidlertid dyrene langtidsminnet sitt, og fikk tilgang til allerede lagret kunnskap som hadde blitt bygget over tid.
Serotonin gjør læring mer effektiv
Ved å bruke optogenetikk - en teknikk som bruker lys til å manipulere molekyler i levende celler - stimulerte CCU-forskerne de serotoninproduserende cellene i musenes hjerner for å se hvordan forhøyede nivåer av denne nevrotransmitteren kan påvirke dyrenes oppførsel i læringsoppgaven.
Da de analyserte akkumulerte data, med tanke på ventetidsintervaller mellom musens forsøk, konkluderte de med at høyere serotoninnivåer forsterket hvor effektivt dyrene lærte av tidligere erfaringer. Dette gjaldt imidlertid bare valg som ble tatt etter lengre venteperioder.
"Serotonin forbedrer alltid læring fra belønning, men denne effekten er bare tydelig på en delmengde av dyrenes valg," bemerker studieforfatter Masayoshi Murakami, fra CCU.
"På de fleste forsøk," tilføyer UCL-forsker Kiyohito Iigaya, "valget ble drevet av et" raskt system, "der dyrene fulgte en vinn-opphold-tap-bryterstrategi. Men på et lite antall av forsøkene fant vi ut at denne enkle strategien ikke forklarte dyrenes valg i det hele tatt. "
"På disse forsøkene," sier han, "fant vi i stedet at dyr fulgte deres 'sakte system', der det var belønningshistorien over mange forsøk, og ikke bare de nyeste forsøkene, som påvirket deres valg."
"Dessuten," legger Iigaya til, "serotonin påvirket bare de sistnevnte valgene der dyret fulgte det langsomme systemet."
Koblinger til humør og atferd
Forfatterne mener også at funnene kan forklare hvorfor selektive serotoninreopptakshemmere (SSRI) - en medikamenttype som øker serotoninnivået og som brukes til behandling av depresjon - er mest effektive når de brukes i kombinasjon med kognitiv atferdsterapi (CBT).
Mens SSRI takler depresjon ved å adressere kjemiske ubalanser i hjernen, er CBTs mål å endre atferdssvar for å forbedre depresjonssymptomer.
"Resultatene våre antyder at serotonin øker [hjerne] plastisitet ved å påvirke læringsgraden," skriver forfatterne i konklusjonen til sitt publiserte papir.
De legger til: "Dette resonerer for eksempel med det faktum at behandling med en SSRI kan være mer effektiv når den kombineres med såkalt kognitiv atferdsterapi, noe som oppmuntrer til vanesvikt hos pasienter."
