Hoe reguleert dopamine zowel leren als motivatie?

Een nieuwe studie van het Nederlands Herseninstituut brengt twee theorieën over de neurotransmitter dopamine samen: de ene theorie stelt dat dopamine betrokken is bij leren, terwijl de andere theorie stelt dat dopamine motivatie stimuleert. ‘Maar het is waarschijnlijk beide’, zegt Ingo Willuhn.

Het dopaminesysteem is betrokken beloningen. Dit systeem kan onderzocht en getest worden met behulp van pavlov-experimenten en zogeheten operante conditionerings-experimenten. Een pavlovreactie krijg je als je brein onbewust een associatie heeft gelegd tussen twee situaties of prikkels, die in principe niks met elkaar te maken. Een bekend voorbeeld is het experiment van Pavlov, waarbij een hond een geluid hoorde voordat hij voedsel kreeg. In het hondengeheugen werd deze bel en het voedsel zodanig met elkaar verbonden dat alleen de bel er al voor zorgde dat de hond begon met kwijlen.

Operante conditionering, of instrumenteel leren, verschilt hiervan doordat het gedrag van een individu belangrijk is om een voedselbeloning te verdienen. Dit betekent dat het individu na het horen van een geluid een zogenaamde operante handeling moet uitvoeren om de beloning te ontvangen. In dierexperimenten is zo’n operante respons vaak het indrukken van een hendel.

Dopaminemeting in nucleus accumbens

In het eindproefschrift van Jessica Goedhoop in samenwerking met Tara Arbab en Ingo Willuhn van het Nederlands Herseninstituut wordt nauwkeuriger gekeken naar de rol van dopamine-signalering bij leren en motivatie. Het team vergeleek rechtstreeks de twee conditioneringssystemen: mannelijke ratten werden ofwel Pavloviaans ofwel operant getraind terwijl de dopamine-afgifte werd gemeten in de nucleus accumbens, een hersengebied dat centraal staat in de verwerking van deze informatie.

Tijdens de experimenten werd een lichtsignaal gedurende 5 seconden geactiveerd. Voor de Pavloviaanse groep werd er direct na het uitschakelen van het lichtsignaal voedsel in het beloningsmagazijn geplaatst. Voor de operante conditioneringsgroep werd het uitschakelen van het lichtsignaal gevolgd door het uitschuiven van een hendel. Na één druk op de hendel werd de hendel ingetrokken, wat onmiddellijk resulteerde in de levering van één voedselbeloning in het voedselmagazijn. Als er binnen 5 seconden na het uitschuiven van de hendel geen hendeldruk plaatsvond, werd de hendel ingetrokken en werd er geen beloning gegeven.

Aanhoudende dopamine-afgifte bij operante conditionering

Ratten in beide groepen gaven dezelfde hoeveelheid dopamine af aan het begin van het signaal. Maar wat bleek nou? Alleen de operant-conditionerende groep vertoonde een daaropvolgend, aanhoudend plateau in de dopamineconcentratie gedurende de gehele 5 seconde dat het signaal duurde. Deze dopamine-instandhouding werd betrouwbaar en consistent waargenomen tijdens de gedragsmetingen. Daarom denken de onderzoekers dat het geassocieerd is met de anticipatie of voorbereiding om de aangeleerde operante handeling (in dit geval het indrukken van de hendel) uit te voeren.

Ingo Willuhn: ‘Er zijn veel onderzoeken gedaan naar dopamine. We hebben een redelijk idee wanneer dopamine in de hersenen vrijkomt, maar er is nog veel discussie over de precieze onderliggende mechanismes. De voornaamste vraag is wat dopamine nou “betekent”. Om dit te onderzoeken voeren wetenschappers meestal Pavloviaanse of operante conditioneringsexperimenten uit. Maar ze testen vaak verschillende dingen. Beide methodes hebben te maken met het leren van een associatie tussen een neutrale stimulus en een beloning. Maar operante conditionering vereist ook de motivatie om een handeling uit te voeren (om de beloning te verdienen). Daarom hebben we de twee vormen van conditionering in hetzelfde experiment vergeleken.’

Een puzzelstukje toevoegen

‘Onze resultaten brengen de twee groepen wetenschappers samen die vaak haaks tegenover elkaar staan: de ene zegt dat dopamine een zogenaamd signaal is voor het voorspellen van beloningen, wat betekent dat dopamine vrijkomt wanneer er iets gebeurt dat beter is dan verwacht, en onderdrukt wordt wanneer er iets gebeurt dat slechter is dan verwacht. Het is een signaal voor leren. De andere groep zegt dat dit niet waar is. Zij beweren dat dopamine iets te maken heeft met motivatie. Een verhoogde afgifte van dopamine zal de proefpersonen aansporen en ze harder laten werken om de beloning te krijgen. Er zijn in het verleden enkele pogingen gedaan om deze twee groepen bij elkaar te brengen, maar er is nog steeds behoefte aan meer kennis over het onderwerp.’

‘Wat we zagen in onze studie is dat alleen bij de operante-leertaak de dopamine niveaus hoog bleven. Het lijkt erop dat dit komt door de motivatie: de voorspelling van de beloning is de initiële piek in de dopamine, maar hoelang het signaal hoog blijft, weerspiegelt de motivatie. Daarom suggereert ons artikel dat er een mogelijkheid is dat dopamine betrokken is bij zowel leren als motivatie. We willen nu proberen om meer details uit dit onderzoek te halen. We moeten de experimenten repliceren en ze verfijnder maken. Hoe geavanceerder je het maakt, hoe preciezer onze voorspellingen moeten zijn. We gaan hierop voortbouwen en zien of het standhoudt.’

Implicaties

‘Dopamine is niet alleen betrokken bij het dagelijks leven, maar ook bij stoornissen zoals verslaving, de ziekte van Parkinson en schizofrenie. Vanwege het bestaan van de twee kampen is er onenigheid over wat er precies gebeurt. Sommige onderzoekers zeggen bijvoorbeeld dat bij drugsgebruikers de afgifte van dopamine toeneemt met als gevolg dat triggers in de omgeving betekenisvoller worden. Verslaafden leren dat deze triggers geassocieerd zijn met de drug en ze nemen steeds meer drugs, omdat ze constant overal aan de drug herinnerd worden. Volgens deze visie is verslaving verkeerd aangeleerd gedrag. Andere onderzoekers zouden zeggen dat de motivatie om drugs te nemen toeneemt bij frequenter drugsgebruik, omdat de drug de afgifte van dopamine verhoogt. Ons onderzoek laat zien dat het mogelijk beide is. Afhankelijk van het precieze tijdstip kunnen beide systemen de drijvende kracht zijn en kunnen beide betrokken zijn.’

‘Dit is ook relevant voor de kliniek. Voorgeschreven medicijnen kunnen zowel de leer- als motivatiesystemen tegelijk beïnvloeden, en dan kan het ingewikkeld worden. Als je schizofrene patiënten klassieke antipsychotische medicatie geeft, worden ze traag en kunnen ze vaak moeilijk handelen omdat hun motivatiesysteem is verminderd. Parkinsonpatiënten nemen pro-dopamine medicijnen omdat ze dopamine hebben verloren, maar sommige patiënten beginnen te gokken omdat hun dopamine systeem plotseling in overdrive raakt. We kunnen de leer- en motivatiecomponenten niet afzonderlijk beïnvloeden. Zodra je een medicijn geeft, zal het allemaal beïnvloeden, dus het is goed om dat in gedachten te houden.’

Bron: The Journal of Neuroscience