Serotonin förbättrar inlärningen, inte bara humör
Neurotransmittorn serotonin är kopplad till humörskontrollen, även om det också hjälper till att reglera olika andra funktioner, som sömn och sexuell lust. Ny forskning har avslöjat en annan roll som serotonin spelat: att öka inlärningshastigheten.
Även om variationer i serotoninnivåer är kopplade till humörsjukdomar som depression, vet vi fortfarande inte så mycket om alla de roller som denna neurotransmittor spelar.
Vissa tidigare studier har kopplat det till minne och neuroplasticitet, eller hjärnans förmåga att kontinuerligt anpassa sig genom en människas liv för att bevara hälsa och kognitiv funktion.
Nu har forskare som spänner över två institutioner - Champalimaud Centre for the Unknown (CCU) i Lissabon, Portugal och University College London (UCL) i Storbritannien - fördjupat sig djupare och funnit att serotonin också är involverat i inlärningsprocesser.
Mer specifikt verkar det bidra till den hastighet med vilken vi lär oss ny information, vilket forskarna förklarar i en artikel som nu publiceras i tidskriften Naturkommunikation.
Studien, utförd i en musmodell, testade hur snabbt djuren skulle kunna anpassa sitt beteende till en given situation. Serotonin verkade spela en roll i denna process.
"Studien fann att serotonin ökar inlärningshastigheten", förklarar studieförfattare Zachary Mainen, från CCU.
"När serotoninneuroner aktiverades artificiellt med hjälp av ljus gjorde det möss snabbare att anpassa sitt beteende i en situation som krävde en sådan flexibilitet", tillägger han.
"Det vill säga, de gav mer vikt till ny information och ändrade sig därför snabbare när dessa nervceller var aktiva."
Zachary Mainen
Två inlärningsstrategier
För att studera djurens inlärningsprocesser och hastighet exponerade forskarna mössen för en inlärningsuppgift där målet var att hitta vatten.
"Djur placerades i en kammare där de var tvungna att peta antingen en vattendispenser på vänster sida eller en på höger sida - som med viss sannolikhet skulle ge ut vatten eller inte", säger studieförfattaren Madalena Fonseca, av CCU och förklarar experimentmallen.
Mössen fortsatte att försöka få vatten från dispensrarna, och de lärde sig hur de var mer benägna att hitta det baserat på försök och fel. Men teamet observerade hur länge djuren väntade mellan försök tenderade att variera.
Ibland gjorde djuren ett nytt försök att få vatten omedelbart efter att ha redan försökt, och ibland väntade de längre innan en ny rättegång.
Forskarna såg också att mössen tenderade att vänta längre mellan försök i början och slutet av en dags experimentella session.
Detta ledde till att forskarna antog att djuren i början av en session fortfarande kan vara ganska distraherade och ointresserade av uppgiften, "kanske hoppas kunna komma ut från experimentkammaren", som studieförfattarna skriver.
Då igen, i slutet av en session, kan mössen sakna motivation att fortsätta leta efter vatten eftersom de vid den tidpunkten kanske redan har fyllt sig.
Den sålunda observerade variationen ledde så småningom till teamet att förstå hur serotonin kan påverka inlärning och beslutsfattande.
Beroende på väntetiden som möss föredrar mellan deras försök att hitta vatten använde de också en av två typer av strategier för att maximera sannolikheten för framgång i sina försök.
Arbetsminne kontra långtidsminne
Med korta väntetider mellan djurens försök märkte forskarna att mössen tenderade att basera sin strategi på resultatet - framgångsrikt eller misslyckat - från föregående försök.
Det vill säga om mössen bara hade lyckats hämta vatten från en dispenser skulle de försöka samma igen. Om den här nu misslyckades skulle de gå vidare till den andra dispensern. Detta tillvägagångssätt kallas strategin ”win-stay-lose-switch”.
Vid längre intervaller av väntetid mellan försöken var det mer troligt att mössen gjorde ett val baserat på ackumulerade tidigare erfarenheter.
Vad detta innebär, förklarar forskarna, är att i det tidigare fallet använde mössen sitt arbetsminne eller den typ av korttidsminne som leder till adaptivt beslutsfattande baserat på omedelbar erfarenhet.
I det senare fallet använde djuren dock sitt långtidsminne och fick tillgång till redan lagrad kunskap som byggts över tiden.
Serotonin gör lärandet mer effektivt
Med hjälp av optogenetik - en teknik som använder ljus för att manipulera molekyler i levande celler - stimulerade CCU-forskarna de serotoninproducerande cellerna i mössens hjärna för att se hur förhöjda nivåer av denna neurotransmittor kan påverka djurens beteende i inlärningsuppgiften.
När de analyserade de ackumulerade uppgifterna med beaktande av väntetidsintervallen mellan mössens prövningar drog de slutsatsen att högre serotoninnivåer förstärkte hur effektivt djuren lärde sig från tidigare erfarenheter. Detta gällde dock endast val som gjorts efter längre väntintervall.
"Serotonin förbättrar alltid inlärningen av belöning, men denna effekt är bara uppenbar i en delmängd av djuren val", konstaterar studien medförfattare Masayoshi Murakami, från CCU.
”I de flesta försök,” tillägger UCL-forskaren Kiyohito Iigaya, ”valet drivs av ett” snabbt system ”, där djuren följde en strategi för att vinna-förlora-växla. Men på ett litet antal försök fann vi att denna enkla strategi inte alls förklarade djuren. "
"På dessa försök", säger han, "fann vi istället att djur följde deras" långsamma system ", där det var belöningshistoriken över många försök, och inte bara de senaste försöken, som påverkade deras val."
"Dessutom", tillägger Iigaya, "serotonin påverkade bara dessa senare val, där djuret följde det långsamma systemet."
Länkar till humör och beteende
Författarna tror också att resultaten kan förklara varför selektiva serotoninåterupptagshämmare (SSRI) - en läkemedeltyp som ökar serotoninnivåerna och som används vid behandling av depression - är mest effektiva när de används i kombination med kognitiv beteendeterapi (CBT).
Medan SSRI tar itu med depression genom att ta itu med kemiska obalanser i hjärnan, är CBT: s mål att ändra beteendemässiga reaktioner för att förbättra depression.
"Våra resultat tyder på att serotonin ökar [hjärnans] plasticitet genom att påverka inlärningshastigheten", skriver studieförfattarna i slutsatsen till sitt publicerade papper.
De tillägger, "Detta resonerar till exempel med det faktum att behandling med en SSRI kan vara mer effektiv när den kombineras med så kallad kognitiv beteendeterapi, vilket uppmuntrar att bryta vanor hos patienter."
