Die vielen Rollen von Dopamin…

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Among the neurotransmitters in the brain, dopamine has gained an almost mythical status. Image is in the public domain

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Die vielen Rollen von Dopamin erklärt – Neuroscience News

Zusammenfassung: Studie zeigt, dass Dopamin-Neuronen, die beim Lernen und Gedächtnis eine Rolle spielen, auch die Motivation steuern.

Quelle: Rockefeller Universität

Unter den Neurotransmittern im Gehirn hat Dopamin einen erlangt. In jahrzehntelanger Forschung wurde festgestellt, dass Dopamin an mehreren, scheinbar nicht miteinander verbundenen Hirnfunktionen wie Lernen, Motivation und Bewegung beteiligt ist, was die Frage aufwirft, wie ein einziger Neurotransmitter so viele verschiedene Rollen spielen kann.

Die vielfältigen Funktionen von Dopamin zu entschlüsseln, war bisher eine Herausforderung, auch weil das hochentwickelte Gehirn des Menschen und anderer Säugetiere verschiedene Arten von Dopamin-Neuronen enthält, die alle in hochkomplexe Schaltkreise eingebettet sind.

In einer neuen Studie gehen Vanessa Ruta und ihr Team von Rockefeller dieser Frage auf den Grund, indem sie das viel einfachere Gehirn der Fruchtfliege untersuchen, deren Neuronen und deren Verbindungen detailliert kartiert wurden.

Wie beim Menschen liefern die Dopamin-Neuronen der Fliege ein Signal für das Lernen, das ihnen hilft, einen bestimmten Geruch mit einem bestimmten Ergebnis zu verbinden. Wenn die Tiere beispielsweise lernen, dass Apfelessig Zucker enthält, prägt dies ihr zukünftiges Verhalten bei der nächsten Begegnung mit diesem Geruch. Das Team von Ruta entdeckte jedoch, dass dieselben Dopamin-Neuronen auch stark mit dem aktuellen Verhalten der Tiere korrelieren.

Die Aktivität dieser Dopamin-Neuronen kodiert nicht einfach die Mechanik der Bewegung, sondern scheint vielmehr die Motivation oder das Ziel widerzuspiegeln, das den Handlungen der Fliege in Echtzeit zugrunde liegt. Mit anderen Worten, dieselben Dopamin-Neuronen, die den Tieren langfristige Lektionen beibringen, sorgen auch für eine momentane Verstärkung, die die Fliegen ermutigt, eine nützliche Handlung fortzusetzen.

„Es scheint eine enge Verbindung zwischen Lernen und Motivation zu geben, zwei verschiedenen Facetten der Dopaminwirkung“, sagt Ruta, der die Ergebnisse in Nature Neuroscience veröffentlichte.

Kontinuierliches Lernen

Gerüche sind für Fliegen wichtig. Ein Gehirnzentrum für olfaktorisches Lernen, der so genannte Pilzkörper, ist dafür verantwortlich, ihnen beizubringen, welche Gerüche schmackhaften Zucker bedeuten. Dort kommen drei Arten von Neuronen zusammen: Kenyon-Zellen, die auf Gerüche reagieren, die Ausgangsneuronen, die Signale an den Rest des Gehirns senden, und die Dopamin produzierenden Neuronen.

Wenn die Fliege einen Geruch wahrnimmt und dann eine Belohnung in Form von Zucker erhält, verändert eine rasche Ausschüttung von Dopamin die Stärke der Verbindungen zwischen den Neuronen des Pilzkörpers, was der Fliege im Wesentlichen hilft, neue Assoziationen zu bilden und ihre künftige Reaktion auf diesen Geruch zu ändern.

Ruta und ihre Kollegen haben jedoch festgestellt, dass die Dopamin-Signalisierung auch dann weiterläuft, wenn es keine Belohnungen gibt. Dieselben Neuronen, die den Fliegen beim Erlernen von Assoziationen halfen, feuerten auch häufig, wenn sich das Tier bewegte. „Das warf die Frage auf, ob diese Neuronen bestimmte Aspekte der Bewegung repräsentieren, z. B. wie das Tier seine Beine bewegt, oder ob sie mit etwas anderem zusammenhängen, z. B. mit dem Ziel des Tieres“. sagt Ruta.

Unter den Neurotransmittern im Gehirn hat Dopamin einen fast mythischen Status erlangt. Das Bild ist gemeinfrei

Um das herauszufinden, entwickelte das Team ein Virtual-Reality-System, in dem Fruchtfliegen in einer olfaktorischen Umgebung navigieren können, indem sie auf einem laufbandähnlichen Ball laufen, während ihre Gehirnaktivität durch ein Mikroskop über ihrem Kopf überwacht wird. Ein Luftstrom leitet Gerüche durch ein kleines Rohr. Wenn die Fliege einen attraktiven Geruch, wie z. B. Apfelessig, riecht, orientiert sie sich neu und beginnt, sich in Richtung der Quelle zu bewegen.

Mit diesem System konnten die Forscher die Gehirnaktivität der Fliege unter verschiedenen Bedingungen untersuchen. Sie fanden heraus, dass die Aktivität der Dopamin-Nervenzellen die Bewegungen genau widerspiegelt, aber nur dann, wenn die Fliege zielgerichtet verfolgt wird, und nicht, wenn sie nur umherwandert.

Wenn die Forscher die Aktivität der Dopamin-Neuronen unterdrückten, verfolgten die Tiere den Geruch nicht mehr so intensiv, selbst wenn sie hungrig waren und daher ein gesteigertes Interesse an Gerüchen hatten, die mit Nahrung zu tun hatten. Im Gegensatz dazu führte die Aktivierung der Neuronen bei nahrungsunabhängigen, voll genährten Fliegen dazu, dass sie den Geruch aktiv verfolgten.

Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, wie ein Dopaminweg zwei Funktionen erfüllen kann: Er übermittelt motivierende Signale, um laufende Verhaltensweisen schnell zu beeinflussen, und liefert gleichzeitig lehrreiche Signale, um zukünftiges Verhalten durch Lernen zu steuern. „Das gibt uns ein tieferes Verständnis dafür, wie ein einziger Signalweg verschiedene Formen von flexiblem Verhalten hervorrufen kann“, sagt Ruta.

Der nächste Schritt besteht darin zu verstehen, woher die anderen Neuronen wissen, was ein Dopaminausstoß zu einem bestimmten Zeitpunkt bedeutet. Eine Möglichkeit, so Ruta, ist, dass Lernen ein kontinuierlicherer, dynamischerer Prozess ist, als oft angenommen wird: Auf kurzen Zeitskalen bewerten die Tiere ihr Verhalten bei jedem Schritt kontinuierlich und lernen nicht nur die endgültigen Assoziationen, sondern auch die Handlungen, die sie dorthin führen.


Über diese neurowissenschaftlichen Forschungsnachrichten

Autorin: Katherine Fenz
Quelle: Rockefeller Universität
Kontakt: Katherine Fenz – Rockefeller Universität
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Ursprüngliche Forschung: Geschlossener Zugang.
„Context-dependent representations of movement in Drosophila dopaminergic reinforcement pathways“ von Vanessa Ruta et al. Nature Neuroscience

Zusammenfassung

Kontextabhängige Repräsentationen von Bewegung in dopaminergen Verstärkungsbahnen bei Drosophila

Dopamin spielt eine zentrale Rolle bei der Motivation und Modifizierung von Verhalten, indem es dazu dient, die aktuelle Verhaltensleistung zu verstärken und zukünftige Handlungen durch Lernen zu steuern.

Hier untersuchen wir, wie dieser einzelne Neuromodulator zu solch unterschiedlichen Formen der Verhaltensmodulation beitragen kann. Anhand von Aufzeichnungen der dopaminergen Verstärkungsbahnen des Drosophila-Pilzkörpers während der aktiven Geruchsnavigation zeigen wir, wie ihre laufende motorische Aktivität mit dem zielgerichteten Verhalten zusammenhängt.

Wir fanden heraus, dass dopaminerge Neuronen mit verschiedenen Verhaltensvariablen korrelieren, abhängig von der spezifischen Navigationsstrategie eines Tieres, so dass die Aktivität dieser Neuronen bevorzugt die für die Geruchsverfolgung relevanten Aktionen widerspiegelt. Darüber hinaus zeigen wir, dass diese motorischen Korrelate in eine kontinuierliche Dopaminfreisetzung umgesetzt werden und dass eine akute Störung der dopaminergen Signalübertragung die Stärke der Geruchsverfolgung verändert.

Kontextabhängige Repräsentationen von Bewegungs- und Verstärkungshinweisen sind somit in den dopaminergen Bahnen des Pilzkörpers multiplexiert und können sowohl das aktuelle als auch das zukünftige Verhalten koordiniert beeinflussen.

Summary: Study reveals dopamine neurons that play a role in learning and memory also drive motivation.

Source: Rockefeller University

Among the neurotransmitters in the brain, dopamine has gained an almost mythical status. Decades of research have established its contribution to several seemingly unrelated brain functions including learning, motivation, and movement, raising the question of how a single neurotransmitter can play so many different roles.

Untangling dopamine’s diverse functions has been challenging, in part because the advanced brain of humans and other mammals contain different kinds of dopamine neurons, all embedded in highly complex circuits.

In a new study, Rockefeller’s Vanessa Ruta and her team dive deep into the question by looking instead at the much simpler brain of the fruit fly, whose neurons and their connections have been mapped in detail.

As in humans, a fly’s dopamine neurons provide a signal for learning, helping them to link a particular odor to a particular outcome. Learning that, for example, apple cider vinegar contains sugar serves to shape the animals’ future behavior on their next encounter with that odor. But Ruta’s team discovered that the same dopamine neurons also correlate strongly with the animal’s ongoing behavior.

The activity of these dopamine neurons does not simply encode the mechanics of movement, but rather appears to reflect the motivation or goal underlying the fly’s actions in real time. In other words, the same dopamine neurons that teach animals long-term lessons also provide moment-to-moment reinforcement, encouraging the flies to continue with a beneficial action.

“There seems to be an intimate connection between learning and motivation, two different facets of what dopamine does,” says Ruta, who published the findings in Nature Neuroscience.

Continuous learning

Smells are important to flies. A brain center for olfactory learning, called the mushroom body, is responsible for teaching them which smells signify tasty sugar. There, three types of neurons come together: Kenyon cells that respond to odors, the output neurons that send signals to the rest of the brain, and the dopamine-producing neurons.

When the fly encounters an odor and then gets a sugar reward, a quick release of dopamine alters the strength of connections between neurons of the mushroom body, essentially helping the fly to make new associations and change its future response to that odor.

But Ruta and her colleagues have noticed ongoing dopamine signaling even in the absence of rewards. The same neurons that helped the flies learn associations also fired frequently as the animal moved. “That raised the question, are these neurons representing specific aspects of the movement, like how the animal is moving its legs, or are they related to something else, like the goal of the animal?” Ruta says.

To find out, the team developed a virtual-reality system in which fruit flies can navigate an olfactory environment, walking on a treadmill-like ball while their brain activity is monitored by a microscope over their head. A stream of air delivers odors through a small tube. When the fly gets a whiff of an attractive odor, like apple cider vinegar, it reorients and starts to move upwind, towards the source.

Using this system, the researchers were able to examine the fly’s brain activity under different conditions. They found that the activity of dopamine neurons closely reflects movements as they were happening, but only when the flies engage in purposeful tracking, and not when they are just wandering about.

When the researchers suppressed the activity of the dopamine neurons, the animals diminished their tracking of the odor, even when they were starving and therefore had a heightened interest in food-related smells. In contrast, activating the neurons in food-indifferent, fully fed flies, propelled them into active pursuit of the odor.

Together, the findings reveal how one dopamine pathway can perform two functions: conveying motivational signals to rapidly shape ongoing behaviors while also providing instructive signals to guide future behavior through learning. “It gives us a deeper understanding of how a single pathway can generate different forms of flexible behavior,” Ruta says.

The next step is to understand how the other neurons know what a burst of dopamine means at any given time. One possibility, Ruta says, is that learning is a more continuous, dynamic process than often thought: On short timescales, animals continuously evaluate their behavior at every step, learning not just the final associations, but also the actions that lead them there.

About this neuroscience research news

Author: Katherine Fenz
Source: Rockefeller University
Contact: Katherine Fenz – Rockefeller University
Image: The image is in the public domain

Original Research: Closed access.
Context-dependent representations of movement in Drosophila dopaminergic reinforcement pathways” by Vanessa Ruta et al. Nature Neuroscience


Abstract

See also

This shows a man playing guitar

Context-dependent representations of movement in Drosophila dopaminergic reinforcement pathways

Dopamine plays a central role in motivating and modifying behavior, serving to invigorate current behavioral performance and guide future actions through learning.

Here we examine how this single neuromodulator can contribute to such diverse forms of behavioral modulation. By recording from the dopaminergic reinforcement pathways of the Drosophila mushroom body during active odor navigation, we reveal how their ongoing motor-associated activity relates to goal-directed behavior.

We found that dopaminergic neurons correlate with different behavioral variables depending on the specific navigational strategy of an animal, such that the activity of these neurons preferentially reflects the actions most relevant to odor pursuit. Furthermore, we show that these motor correlates are translated to ongoing dopamine release, and acutely perturbing dopaminergic signaling alters the strength of odor tracking.

Context-dependent representations of movement and reinforcement cues are thus multiplexed within the mushroom body dopaminergic pathways, enabling them to coordinately influence both ongoing and future behavior.

Die vielen Rollen von Dopamin…
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