Дофамин, нейромедиатор, играет жизненно важную роль в кодировании ошибок прогнозирования вознаграждения и наказания в человеческом мозге.
Результаты исследования говорят о том, что дофамин необходим для обучения как на положительном, так и на отрицательном опыте, позволяя мозгу адаптировать поведение в зависимости от результатов. Используя электрохимические методы и машинное обучение, ученые измеряли уровень дофамина в режиме реального времени во время компьютерной игры, включающей вознаграждения и наказания.
Новизна исследования
Результаты проливают свет на сложную роль дофамина в поведении человека и могут иметь значение для понимания психиатрических и неврологических расстройств.
Что происходит в человеческом мозге, когда мы учимся на положительном и отрицательном опыте? Чтобы ответить на этот вопрос и лучше понять процесс принятия решений и поведение человека, ученые изучают дофамин.
Дофамин — это нейротрансмиттер, вырабатываемый в мозге, который служит химическим мессенджером, облегчая связь между нервными клетками мозга и тела. Дофамин участвует в таких функциях, как движение, познание и обучение. Хотя дофамин наиболее известен своей связью с положительными эмоциями, ученые также изучают его роль в отрицательном опыте.
Исследование из Медицинской школы Университета Уэйк Форест (Wake Forest Baptist Medical Center), опубликованное в научном журнале Science Advances, показывает, что высвобождение дофамина в человеческом мозге играет решающую роль в кодировании ошибок прогнозирования как вознаграждения, так и наказания.
Это означает, что дофамин участвует в процессе обучения как на положительном, так и на отрицательном опыте, позволяя мозгу корректировать и адаптировать свое поведение на основе результатов этого опыта.
«Ранее исследования показали, что дофамин играет важную роль в том, как животные учатся на «поощряющем» (и, возможно, «наказывающем») опыте. Но мало что было сделано для прямой оценки того, что дофамин делает в человеческом мозге в короткие сроки», — объясняет Кеннет Кишида (Kenneth Kishida) из кафедры физиологии, фармакологии и нейрохирургии Медицинской школы Университета Уэйк Форест.
«Это первое исследование на людях, в котором изучается, как дофамин кодирует вознаграждения и наказания и отражает ли дофамин «оптимальный» обучающий сигнал, который используется в самых передовых сегодня исследованиях в области искусственного интеллекта».
Для исследования ученые использовали циклическую вольтамперометрию с быстрым сканированием, электрохимический метод в сочетании с машинным обучением, чтобы обнаруживать и измерять уровни дофамина в режиме реального времени (т. е. 10 измерений в секунду). Однако этот метод сложен и может применяться только во время инвазивных процедур, таких как хирургия глубокой стимуляции мозга (DBS).
DBS обычно используется для лечения таких состояний, как болезнь Паркинсона, эссенциальный тремор, обсессивно-компульсивное расстройство и эпилепсия.
Команда Кишиды сотрудничала с нейрохирургами Стивеном Тэттером (Stephen Tatter) и Адрианом Лакстоном (Adrian Laxton), которые также являются преподавателями нейрохирургии Медицинской школы Университета Уэйк Форест, чтобы вставить микроэлектрод из углеродного волокна глубоко в мозг трех участников, которым должны были провести DBS для лечения эссенциального тремора.
Пока участники не спали в операционной, они играли в простую компьютерную игру. Во время игры измеряли уровень дофамина в полосатом теле — области мозга, которая важна для когнитивных функций, принятия решений и координации движений.
Во время игры выбор участников либо вознаграждался, либо наказывался реальными денежными выигрышами или потерями. Игра была разделена на три этапа, на которых участники учились на основе положительных или отрицательных отзывов делать выбор, который максимизировал вознаграждение и минимизировал штрафы. Уровни дофамина измерялись непрерывно, каждые 100 миллисекунд, на протяжении каждого из трех этапов игры.
«Мы обнаружили, что дофамин не только играет роль в передаче сигналов как о положительных, так и об отрицательных переживаниях в мозге, но, по-видимому, делает это оптимальным образом при попытке извлечь уроки из этих результатов. Что также было интересно, так это то, что, похоже, в мозгу могут существовать независимые пути, которые отдельно задействуют дофаминовую систему для вознаграждения и наказания. Наши результаты показывают удивительный результат: эти два пути могут кодировать опыт вознаграждения и наказания в слегка сдвинутых временных масштабах, разделенных всего лишь 200–400 миллисекундами», — добавляет Кишида.
Кишида считает, что это исследование поможет лучше понять то, как влияет на дофаминовую систему у людей с психическими и неврологическими расстройствами. Кисида считает, что необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, как передача сигналов дофамина изменяется при психиатрических и неврологических расстройствах.
«Традиционно дофамин часто называют «нейромедиатором удовольствия», — заключает Кишида. «Однако наша работа доказывает, что о дофамине нужно думать не так. Вместо этого дофамин является важной частью сложной системы, которая обучает наш мозг и направляет наше поведение. То, что дофамин также участвует в обучении нашего мозга опыту наказания, является важным открытием и может открыть новые направления в исследованиях, которые помогут нам лучше понять механизмы, лежащие в основе депрессии, зависимости и связанных с ними психиатрических и неврологических расстройств».
