O echipă internaţională a descifrat fundamentele neuronale ale procesului decizional, respectiv „dansul" complicat al dopaminei şi serotoninei în creierul uman, implicat în naşterea deciziilor sociale.
Cum poate ştiinţa să explice liberul arbitru? De unde provin valorile noastre? Sunt întrebări care-i preocupă pe oamenii de ştiinţă, care încearcă, printre altele decodificarea neurobiologiei procesului decizional, a învăţării şi a evaluării.
Într-un studiu publicat luni, în revista Nature Human Behavior, oamenii de ştiinţă au pătruns în lumea neuromodulatorilor chimici din creierul uman, în special al dopaminei şi serotoninei, pentru a descoperi rolul acestora în comportamentul social.
Cercetarea, efectuată pe pacienţi cu boala Parkinson care au fost supuşi unei operaţii pe creier în stare de veghe, s-a axat pe substanţa neagră (substantia nigra) a creierului, o zonă cheie asociată cu controlul motor şi procesarea recompenselor.
O echipă internaţională, condusă de Virginia Tech, a identificat un mecanism neurochimic necunoscut până acum pentru o tendinţă umană binecunoscută, şi anume aceea de a lua decizii în funcţie de contextul social.
În cadrul studiului, patru pacienţi care au fost supuşi unei intervenţii chirurgicale de stimulare cerebrală profundă pentru boala Parkinson au fost angrenaţi într-un joc de tip decizie ultimatum „take it or leave it" („acceptă sau las-o baltă"), un scenariu în care aceştia trebuiau să accepte sau să respingă diferite oferte de a împărţi 20 de dolari atât de la jucători umani, cât şi de la un computer.
Pentru a exemplifica, un jucător putea propune să păstreze 16 dolari, în timp ce pacientul primea restul de 4 dolari. Dacă pacientul respingea oferta, atunci niciunul dintre ei nu primea nimic.
„Puteţi învăţa oamenii ce ar trebui să facă în acest tip de jocuri - ar trebui să accepte chiar şi recompense mici, spre deosebire de nicio recompensă", a declarat Read Montague, profesor la Virginia Tech (VTC) şi la Institutul de cercetare biomedicală Fralin de la VTC şi autor principal al studiului.
Echipa a descoperit că oamenii sunt mai predispuşi să accepte oferte de la computere, în timp ce resping oferte identice de la jucători umani.
„Atunci când oamenii ştiu că joacă pe calculator, ei joacă perfect, la fel ca matematicienii economişti - fac ceea ce ar trebui să facă. Dar când joacă cu o fiinţă umană, nu se pot abţine. Ei sunt adesea împinşi să pedepsească oferta mai mică prin respingerea ei", a precizat cercetătorul într-un comunicat al universităţii.
„Dansul dopaminei-serotoninei"
Ideea că oamenii iau decizii în funcţie de contextul social nu este una nouă în jocurile neuronale de acest tip.
Dar acum, pentru prima dată, cercetătorii arată că impactul contextului social poate izvorî din interacţiunile dinamice ale dopaminei şi serotoninei.
Atunci când oamenii iau decizii, dopamina pare să urmărească îndeaproape şi să reacţioneze la faptul că oferta curentă este mai bună sau mai proastă decât cea anterioară, ca şi cum ar fi un sistem de urmărire continuă.
În acelaşi timp, serotonina pare să se concentreze doar pe valoarea actuală a ofertei specifice aflate la îndemână, sugerând o evaluare mai mult de la caz la caz.
Acest dans rapid are loc pe un fundal mai lent, în care dopamina este în general mai mare atunci când oamenii joacă cu alte fiinţe umane - cu alte cuvinte, atunci când intră în joc corectitudinea.
Împreună, aceste semnale contribuie la evaluarea globală a valorii de către creierul nostru în timpul interacţiunilor sociale.
„Aruncăm o lumină asupra diferitelor procese cognitive şi, în sfârşit, primim răspunsuri detaliate la întrebări biologice mai fine", a declarat unul dintre autorii studiului, Dan Bang, profesor asociat de medicină clinică, membru al Fundaţiei Lundbeck la Universitatea Aarhus din Danemarca, şi profesor asociat la Institutul de Cercetare Biomedicală Fralin.
„Nivelurile de dopamină sunt mai ridicate atunci când oamenii interacţionează cu un alt om, spre deosebire de un computer", a precizat Bang.
„Aici a fost important că am măsurat şi serotonina pentru a ne da încredere că răspunsul general la contextul social este specific dopaminei".
Echipa a construit electrozi din fibră de carbon care au fost implantaţi la pacienţii care au fost supuşi unei intervenţii chirurgicale de stimulare cerebrală profundă.
„Latura unică a metodei noastre este că ne permite să măsurăm mai mult de un neurotransmiţător la un moment dat - impactul acestui lucru nu ar trebui să fie pierdut", a explicat la rândul său Seth Batten, cercetător asociat în laboratorul lui Montague.
„Am mai văzut aceste molecule de semnalizare înainte, dar aceasta este prima dată când le-am văzut dansând. Nimeni nu a mai văzut până acum acest dans al dopaminei şi serotoninei într-un context social", a explicat omul de ştiinţă de la Virginia Tech.
Desluşirea semnificaţiei semnalelor electrochimice înregistrate de la pacienţii aflaţi în operaţie a fost o provocare majoră a cărei rezolvare a durat ani de zile.
„Datele brute pe care le colectăm de la pacienţi nu sunt specifice dopaminei, serotoninei sau norepinefrinei - este un amestec al acestora", a declarat la rândul său Ken Kishida, coautor al studiului şi profesor asociat de neuroştiinţă translaţională, şi neurochirurgie, la facultatea de medicină Wake Forest din Carolina de Nord.
„În esenţă, folosim instrumente de tip învăţare automată pentru a separa ceea ce se află în datele brute, pentru a înţelege semnătura şi pentru a decodifica ceea ce se întâmplă cu dopamina şi serotonina".
În recent publicatul studiu, cercetătorii au arătat cum creşterea şi scăderea dopaminei şi a serotoninei sunt interconectate cu cogniţia şi comportamentul uman.
Abordarea bolii Parkinson
În cazul bolii Parkinson, o pierdere semnificativă a neuronilor producători de dopamină din trunchiul cerebral este o caracteristică cheie care coincide, de obicei, cu apariţia simptomelor.
Această pierdere are un impact asupra striatumului, o regiune a creierului puternic influenţată de dopamină.
Pe măsură ce dopamina se diminuează, încep să apară terminalele de serotonină, dezvăluind o interacţiune complexă, aşa cum s-a observat în modelele de rozătoare.
„Există deja dovezi preclinice că uzura sistemului de dopamină îi spune sistemului de serotonină: 'Hei, trebuie să facem ceva'. Dar nu am reuşit niciodată să observăm dinamica", a spus prof. Montague.
„Ce facem acum este un prim pas, dar sperăm că, odată ce vom ajunge la sute de pacienţi, vom putea să corelăm acest lucru cu simptomatologia şi să facem unele declaraţii clinice despre patologia bolii Parkinson", a adăugat el.
În acest sens, cercetătorii spun că se deschide o fereastră pentru a afla informaţii despre o gamă largă de tulburări cerebrale.
„Creierul uman este ca o cutie neagră. Am dezvoltat încă o modalitate de a ne uita în interior şi de a înţelege cum funcţionează aceste sisteme şi cum au fost afectate de diverse afecţiuni clinice", scriu autorii.
Ei mai notează că această cercetare schimbă întregul domeniu al neuroştiinţei şi capacitatea de a interoga mintea şi creierul uman - cu o tehnologie care pur şi simplu nici măcar nu era imaginată în urmă cu câţiva ani.
Psihiatria este un exemplu de domeniu medical care ar putea beneficia de această abordare, spun ei.
„Avem un număr enorm de oameni în lume care suferă de o varietate de afecţiuni psihiatrice şi, în multe cazuri, soluţiile farmacologice nu funcţionează foarte bine", spune Michael Friedlander, director executiv al Institutului de Cercetare Biomedicală Fralin şi cercetător în neuroştiinţe care nu a fost implicat în acest studiu.
„Dopamina, serotonina şi alţi neurotransmiţători sunt, într-un fel, intim implicaţi în aceste tulburări. Acest efort adaugă o precizie şi o cuantificare reală pentru a înţelege aceste probleme. Singurul lucru de care cred că putem fi siguri este că această cercetare va fi extrem de importantă în viitor pentru dezvoltarea tratamentelor", a mai precizat cercetătorul, care este şi vicepreşedinte al Virginia Tech pentru ştiinţe şi tehnologie în domeniul sănătăţii.
Mai mult de un deceniu de pregătire
Efortul de a măsura neurotransmiţătorii în timp real în creierul uman a început în urmă cu mai bine de 12 ani.
În primele observaţii de acest fel în creierul uman pe care oamenii de ştiinţă le-au publicat în revista Neuron, în 2020, cercetătorii au dezvăluit că dopamina şi serotonina lucrează la viteze de sub o secundă pentru a modela modul în care oamenii percep lumea şi acţionează pe baza percepţiei lor.
Mai recent, într-un studiu publicat în octombrie în revista Current Biology, cercetătorii au folosit metoda lor de înregistrare a modificărilor chimice la oamenii treji pentru a obţine informaţii despre sistemul noradrenalinei din creier, o ţintă de multă vreme pentru medicamente care tratează tulburările psihiatrice.
Iar, în decembrie, în revista Science Advances, echipa a dezvăluit că modificările rapide ale nivelurilor de dopamină reflectă un calcul specific legat de modul în care oamenii învaţă din recompense şi pedepse.
„Am făcut măsurători active ale neurotransmiţătorilor de mai multe ori în diferite regiuni ale creierului, iar acum am ajuns în punctul în care atingem elemente cruciale ale ceea ce ne face să fim fiinţe umane", a declarat prof. Montague.
Cercetările doctorului Montague se concentrează pe neuroştiinţa computaţională: legătura dintre mecanismele fizice prezente în ţesutul neuronal real şi funcţiile computaţionale pe care aceste mecanisme le încorporează.
Primele sale lucrări teoretice s-au axat pe ipoteza că sistemele dopaminergice codifică un anumit tip de proces computaţional, un semnal de eroare de predicţie a recompensei, similar cu cele utilizate în domenii ale inteligenţei artificiale, cum ar fi controlul optim.
Laboratorul Montague foloseşte abordări teoretice, computaţionale şi experimentale pentru a aborda problemele de sănătate mintală şi dereglarea acesteia în urma bolilor şi leziunilor cerebrale.
Recent, aceştia au fost pionieri în noi abordări pentru a măsura fluctuaţiile de sub o secundă ale nivelurilor de dopamină şi serotonină în striatum la subiecţii umani conştienţi.
Foto: Echipa de oameni de ştiinţă din acest studiu discută despre cercetările lor pentru a descoperi informaţii despre complexitatea creierului şi a minţii umane. De la stânga la dreapta, autorii, Dan Bang de la Universitatea Aarhus (Danemarca), Ken Kishida de la Facultatea de Medicină a Universităţii Wake Forest din Carolina de Nord (Statele Unite), Michael Friedlander, director executiv al Institutului de Cercetare Biomedicală Fralin, Peter Dayan, director general al Institutului Max Planck pentru Cibernetică Biologică din Tübingen (Germania), şi Read Montague, director al Centrului de Cercetare în Neuroştiinţe Umane al Institutului de Cercetare Biomedicală Fralin, din Virginia (Statele Unite), reflectând asupra acestor cercetări, care s-au întins pe parcursul a zeci de ani. Credit: Clayton Metz/Virginia Tech.
