Onderzoekers hebben lang gedacht dat beloningen zoals voedsel of geld leren in de hersenen stimuleren door het vrijkomen van het “feel-good” hormoon dopamine, waarvan bekend is dat het de opslag van nieuwe informatie versterkt. Nu beschrijft een nieuwe studie bij knaagdieren hoe leren nog steeds plaatsvindt zonder een onmiddellijke stimulans.
Onder leiding van onderzoekers van de NYU Grossman School of Medicine onderzocht de studie de relatie tussen dopamine en de chemische stof acetylcholine in de hersenen, waarvan ook bekend is dat het een rol speelt bij leren en geheugen. Uit eerder onderzoek was gebleken dat deze twee hormonen met elkaar concurreren, zodat een boost van de ene een afname van de andere veroorzaakt. Van beloningen werd gedacht dat ze het leren bevorderden door tegelijkertijd een toename van dopamine en een afname van acetylcholine teweeg te brengen.
Aangenomen wordt dat deze plotselinge hormonale onbalans een kans opent voor hersencellen om zich aan nieuwe omstandigheden aan te passen en herinneringen te vormen voor later gebruik. Dit proces staat bekend als neuroplasticiteit en is een belangrijk kenmerk van leren en herstel na een blessure. De vraag was echter gebleven of voedsel en andere externe beloningen de enige drijfveren zijn voor dit geheugensysteem, of dat onze hersenen in plaats daarvan in staat zijn om dezelfde voorwaarden te creëren die gunstig zijn voor leren zonder hulp van buitenaf.
Om enige duidelijkheid te verschaffen, concentreerden de auteurs van het onderzoek zich op wanneer en onder welke omstandigheden het dopaminegehalte hoog is terwijl het acetylcholinegehalte laag is. Ze ontdekten dat deze situatie vaak voorkomt, zelfs als er geen beloningen zijn. Het blijkt zelfs dat de hormonen voortdurend in de hersenen wegebben en stromen, waarbij de dopaminegehalten regelmatig worden verhoogd terwijl de acetylcholinespiegels laag zijn, wat de weg vrijmaakt voor continu leren.
“Onze bevindingen dagen het huidige begrip uit van wanneer en hoe dopamine en acetylcholine samenwerken in de hersenen”, zegt hoofdauteur Anne Krok, PhD. “In plaats van unieke voorwaarden te creëren om te leren, profiteren beloningen van een mechanisme dat al aanwezig is en constant aan het werk is”, voegde Dr. Krok toe, die ook geneeskundestudent is aan de NYU Grossman School of Medicine.
Voor het onderzoek, online gepubliceerd op 9 augustus in het tijdschrift Nature, gaf het onderzoeksteam tientallen muizen toegang tot een wiel waarop ze naar believen konden rennen of rusten. Af en toe boden de onderzoekers de dieren een slok water aan. Vervolgens registreerden ze de hersenactiviteit van knaagdieren en maten ze de hoeveelheid dopamine en acetylcholine die op verschillende momenten vrijkwamen.
Zoals verwacht creëerden de dranktraktaties de typische patronen van afgifte van dopamine en acetylcholine die worden veroorzaakt door beloningen. Het team merkte echter ook op dat dopamine en acetylcholine ruim voor het ontvangen van watertraktaties al ongeveer twee keer per seconde ‘eb en vloed’-cycli volgden, waarbij de niveaus van het ene hormoon daalden terwijl het andere steeg. Dr. Krok merkt op dat dit patroon doorging, ongeacht of de knaagdieren renden of stilstonden. Soortgelijke hersengolven zijn waargenomen bij mensen tijdens perioden van introspectie en rust, voegt ze eraan toe.
“Deze resultaten kunnen helpen verklaren hoe de hersenen zelfstandig leren en repeteren, zonder de noodzaak van externe prikkels”, zegt senior auteur en neurowetenschapper Nicolas Tritsch, PhD. “Misschien triggert dit pulserende circuit de hersenen om na te denken over gebeurtenissen uit het verleden en ervan te leren.”
Dat gezegd hebbende, waarschuwt Dr. Tritsch, assistent-professor bij de afdeling Neurowetenschappen en Fysiologie en lid van het Neuroscience Institute van NYU Langone Health, dat hun onderzoek niet was ontworpen om te bepalen of muizenhersenen informatie op dezelfde manier verwerken als menselijke hersenen. tijdens dit ‘zelfgestuurde’ leren, zoals hij het beschrijft.
Desalniettemin, zegt hij, kunnen de resultaten van het onderzoek ook inzicht bieden in nieuwe manieren om neuropsychiatrische aandoeningen te begrijpen die verband houden met onjuiste niveaus van dopamine, zoals schizofrenie, aandachtstekortstoornis met hyperactiviteit (ADHD) en depressie.
Bij schizofrenie ervaren patiënten bijvoorbeeld vaak wanen die in tegenspraak zijn met de werkelijkheid. Als het dopamine-acetylcholinecircuit constant de verbindingen in de hersenen versterkt, zegt dr. Tritsch, dan kunnen problemen met dit mechanisme leiden tot de vorming van te veel en onjuiste verbindingen, waardoor ze gebeurtenissen ‘leren’ die niet echt voorkomen.
Evenzo is gebrek aan motivatie een veel voorkomend symptoom van depressie, waardoor het een uitdaging wordt om basistaken uit te voeren, zoals uit bed komen, tanden poetsen of naar het werk gaan. Het is mogelijk dat een storing in het interne aandrijfsysteem bijdraagt aan deze problemen, zeggen de auteurs.
Als gevolg hiervan zegt Dr. Tritsch dat het onderzoeksteam vervolgens van plan is te onderzoeken hoe dopamine-acetylcholinecycli zich gedragen in diermodellen van dergelijke psychische aandoeningen, evenals tijdens de slaap, wat belangrijk is voor geheugenconsolidatie.