Serotonin verbessert das Lernen, nicht nur die Stimmung
Der Neurotransmitter Serotonin ist mit der Kontrolle der Stimmung verbunden, hilft aber auch, verschiedene andere Funktionen wie Schlaf und sexuelles Verlangen zu regulieren. Neue Forschungen haben eine weitere Rolle von Serotonin entdeckt: die Steigerung der Lerngeschwindigkeit.
Obwohl Schwankungen des Serotoninspiegels mit Stimmungsstörungen wie Depressionen verbunden sind, wissen wir immer noch nicht so viel über alle Rollen, die dieser Neurotransmitter spielt.
Einige frühere Studien haben es mit Gedächtnis und Neuroplastizität oder der Fähigkeit des Gehirns in Verbindung gebracht, sich während des gesamten Lebens eines Menschen kontinuierlich anzupassen, um die Gesundheit und die kognitiven Funktionen zu erhalten.
Wissenschaftler aus zwei Institutionen - dem Champalimaud-Zentrum für Unbekannte (CCU) in Lissabon, Portugal, und dem University College London (UCL) in Großbritannien - haben sich eingehender mit der Frage befasst, dass Serotonin auch an Lernprozessen beteiligt ist.
Insbesondere scheint es zu der Geschwindigkeit beizutragen, mit der wir neue Informationen lernen, wie die Forscher in einem jetzt in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel erklären Naturkommunikation.
Die in einem Mausmodell durchgeführte Studie testete, wie schnell die Tiere ihr Verhalten an eine bestimmte Situation anpassen können. Serotonin schien dabei eine Rolle zu spielen.
"Die Studie ergab, dass Serotonin die Lerngeschwindigkeit erhöht", erklärt der Co-Autor der Studie, Zachary Mainen, von der CCU.
„Wenn Serotonin-Neuronen mithilfe von Licht künstlich aktiviert wurden, konnten Mäuse ihr Verhalten in einer Situation, die eine solche Flexibilität erforderte, schneller anpassen“, fügt er hinzu.
"Das heißt, sie gaben neuen Informationen mehr Gewicht und änderten daher ihre Meinung schneller, als diese Neuronen aktiv waren."
Zachary Mainen
Zwei Lernstrategien
Um die Lernprozesse und die Geschwindigkeit der Tiere zu untersuchen, setzten die Forscher die Mäuse einer Lernaufgabe aus, bei der es darum ging, Wasser zu finden.
"Die Tiere wurden in eine Kammer gebracht, in der sie entweder einen Wasserspender auf der linken oder einen auf der rechten Seite stechen mussten - der dann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Wasser abgeben würde oder nicht", sagt die Studienautorin Madalena Fonseca von die CCU, die die Experimentvorlage erklärt.
Die Mäuse versuchten immer wieder, Wasser aus den Spendern zu holen, und sie erfuhren, wie sie es aufgrund von Versuch und Irrtum eher finden konnten. Das Team stellte jedoch fest, dass die Wartezeit der Tiere zwischen den Versuchen tendenziell unterschiedlich war.
Manchmal unternahmen die Tiere einen weiteren Versuch, unmittelbar nach dem Versuch Wasser zu holen, und manchmal warteten sie länger vor einem weiteren Versuch.
Die Wissenschaftler stellten auch fest, dass die Mäuse zwischen den Versuchen zu Beginn und am Ende einer experimentellen Sitzung eines Tages tendenziell länger warten mussten.
Dies führte die Forscher zu der Hypothese, dass die Tiere zu Beginn einer Sitzung möglicherweise noch ziemlich abgelenkt und uninteressiert an der anstehenden Aufgabe sind, „vielleicht in der Hoffnung, aus der Versuchskammer herauszukommen“, wie die Autoren der Studie schreiben.
Andererseits fehlt den Mäusen am Ende einer Sitzung möglicherweise die Motivation, weiter nach Wasser zu suchen, da sie zu diesem Zeitpunkt möglicherweise bereits satt waren.
Die so beobachtete Variabilität führte das Team schließlich zu dem Verständnis, wie Serotonin das Lernen und die Entscheidungsfindung beeinflussen kann.
Abhängig von der Wartezeit, die Mäuse zwischen ihren Versuchen, Wasser zu finden, bevorzugen, verwendeten sie auch eine von zwei Arten von Strategien, um die Erfolgswahrscheinlichkeit ihrer Versuche zu maximieren.
Arbeitsgedächtnis vs. Langzeitgedächtnis
Mit kurzen Wartezeiten zwischen den Versuchen der Tiere stellten die Wissenschaftler fest, dass die Mäuse ihre Strategie tendenziell auf das erfolgreiche oder erfolglose Ergebnis des vorhergehenden Versuchs stützten.
Das heißt, wenn es den Mäusen gerade gelungen wäre, Wasser aus einem Spender zu entnehmen, würden sie es erneut versuchen. Wenn dieser jetzt fehlschlug, gingen sie zum anderen Spender über. Dieser Ansatz wird als "Win-Stay-Lose-Switch" -Strategie bezeichnet.
Bei längeren Wartezeiten zwischen den Versuchen war es wahrscheinlicher, dass die Mäuse eine Wahl auf der Grundlage der gesammelten Erfahrungen aus der Vergangenheit trafen.
Dies bedeutet, erklären die Forscher, dass die Mäuse im ersteren Fall ihr Arbeitsgedächtnis oder die Art des Kurzzeitgedächtnisses verwendeten, die zu einer adaptiven Entscheidungsfindung auf der Grundlage unmittelbarer Erfahrungen führt.
Im letzteren Fall nutzten die Tiere jedoch ihr Langzeitgedächtnis und griffen auf bereits gespeichertes Wissen zu, das im Laufe der Zeit aufgebaut worden war.
Serotonin macht das Lernen effizienter
Mithilfe der Optogenetik - einer Technik, bei der mithilfe von Licht Moleküle in lebenden Zellen manipuliert werden - stimulierten die CCU-Forscher die Serotonin-produzierenden Zellen im Gehirn der Mäuse, um festzustellen, wie sich erhöhte Spiegel dieses Neurotransmitters auf das Verhalten der Tiere bei der Lernaufgabe auswirken können.
Bei der Analyse der gesammelten Daten unter Berücksichtigung der Wartezeitintervalle zwischen den Versuchen der Mäuse kamen sie zu dem Schluss, dass höhere Serotoninspiegel die Effektivität der Tiere aus früheren Erfahrungen verstärkten. Dies galt jedoch nur für Entscheidungen, die nach längeren Wartezeiten getroffen wurden.
"Serotonin verbessert immer das Lernen aus Belohnungen, aber dieser Effekt ist nur bei einer Teilmenge der Entscheidungen der Tiere erkennbar", bemerkt der Co-Autor der Studie, Masayoshi Murakami, von der CCU.
"Bei den meisten Versuchen", fügt UCL-Forscher Kiyohito Iigaya hinzu, "wurde die Wahl von einem" schnellen System "bestimmt, bei dem die Tiere eine Win-Stay-Lose-Switch-Strategie verfolgten. Bei einer kleinen Anzahl von Versuchen haben wir jedoch festgestellt, dass diese einfache Strategie die Entscheidungen der Tiere überhaupt nicht erklärt. "
"Bei diesen Versuchen", sagt er, "stellten wir stattdessen fest, dass Tiere ihrem" langsamen System "folgten, bei dem es die Belohnungshistorie über viele Versuche und nicht nur die jüngsten Versuche war, die ihre Entscheidungen beeinflussten."
"Darüber hinaus", fügt Iigaya hinzu, "wirkte sich Serotonin nur auf diese letzteren Entscheidungen aus, bei denen das Tier dem langsamen System folgte."
Verbindungen zu Stimmung und Verhalten
Die Autoren glauben auch, dass die Ergebnisse erklären könnten, warum selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRIs) - ein Arzneimitteltyp, der den Serotoninspiegel erhöht und zur Behandlung von Depressionen verwendet wird - in Kombination mit kognitiver Verhaltenstherapie (CBT) am effektivsten sind.
Während SSRIs Depressionen bekämpfen, indem sie chemische Ungleichgewichte im Gehirn beseitigen, besteht das Ziel von CBT darin, Verhaltensreaktionen zu ändern, um die Symptome einer Depression zu verbessern.
"Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Serotonin die Plastizität des Gehirns erhöht, indem es die Lernrate beeinflusst", schreiben die Autoren der Studie in der Schlussfolgerung zu ihrer veröffentlichten Arbeit.
Sie fügen hinzu: "Dies stimmt zum Beispiel mit der Tatsache überein, dass die Behandlung mit einem SSRI in Kombination mit einer sogenannten kognitiven Verhaltenstherapie, die das Brechen von Gewohnheiten bei Patienten fördert, effektiver sein kann."
