دوپامین و سروتونین: کلیدهای تضاد در یادگیری هوشمند

نقش دوپامین و سروتونین در رفتار انسان

اگر درباره دو نوع انتقال‌دهنده‌های شیمیایی مغز شنیده‌اید، احتمالاً دوپامین و سروتونین را می‌شناسید. هرچند گلوتامات و GABA بیشتر وظایف را انجام می‌دهند، اما هیجان دوپامین به عنوان “شیمیایی لذت” و سروتونین به عنوان تثبیت‌کننده ملایم خلق و خو، توجهات را به خود جلب می‌کند. البته، عناوین خبری معمولاً در این زمینه اشتباه می‌کنند. نقش دوپامین در شکل‌دهی به رفتار فراتر از مفاهیم ساده‌ای مانند “لذت” یا حتی “پاداش” است. همچنین، این واقعیت که داروهای ضدافسردگی SSRI که سطح سروتونین را افزایش می‌دهند، هفته‌ها یا ماه‌ها طول می‌کشد تا اثر کنند، نشان می‌دهد که افزایش فوری سطح سروتونین به تنهایی نمی‌تواند افسردگی را از بین ببرد، بلکه هنوز تغییرات مرموزی در مدارهای مغزی پایین‌دستی در کار است.

یک مطالعه جدید از مؤسسه علوم اعصاب وو تسای در دانشگاه استنفورد، جنبه جدیدی از این مولکول‌های مدیریت خلق و خو را فاش می‌کند. این تحقیق که در تاریخ ۲۵ نوامبر ۲۰۲۴ در نشریه Nature منتشر شد، برای اولین بار نشان می‌دهد که دوپامین و سروتونین چگونه به طور همزمان یا دقیق‌تر، در تضاد با یکدیگر، بر رفتار ما تأثیر می‌گذارند. رابرت مالنکا، نویسنده ارشد این مطالعه و استاد روانپزشکی و علوم رفتاری در دانشگاه استنفورد، گفت: “علاوه بر نقش آن‌ها در رفتار روزمره ما، دوپامین و سروتونین در انواع مختلفی از اختلالات عصبی و روانی مانند اعتیاد، اوتیسم، افسردگی، اسکیزوفرنی و پارکینسون نیز دخیل هستند. درک تعاملات آن‌ها برای پیشرفت در درمان این اختلالات حیاتی است.”

نظریه: دوپامین و سروتونین چگونه رفتار را شکل می‌دهند؟

تحقیقات نشان داده‌اند که دوپامین و سروتونین نقش‌های مهمی در یادگیری و تصمیم‌گیری در گونه‌های مختلف دارند. با این حال، تعامل دقیق بین این دو انتقال‌دهنده هنوز مشخص نیست. در حالی که دوپامین با پیش‌بینی پاداش و جستجوی آن مرتبط است، سروتونین به نظر می‌رسد که این تمایلات را تعدیل کرده و تفکر بلندمدت را ترویج می‌کند. دو نظریه اصلی در این زمینه مطرح شده است: “نظریه هم‌افزایی” که پیشنهاد می‌کند دوپامین پاداش‌های کوتاه‌مدت را مدیریت می‌کند و سروتونین مزایای بلندمدت را کنترل می‌کند، و “نظریه تضاد” که بیان می‌کند این دو به عنوان نیروهای متضاد در تعادل تصمیمات ما عمل می‌کنند، به طوری که دوپامین اقدام فوری را تشویق می‌کند و سروتونین صبر را توصیه می‌کند.

این مطالعه جدید از استنفورد، بخشی از ابتکار NeuroChoice مؤسسه وو تسای، اولین آزمایش تجربی مستقیم از این نظریه‌های متضاد را ارائه می‌دهد.

آزمایش: کنترل دوگانه دوپامین و سروتونین در یادگیری تداعی

این تحقیق که به رهبری دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانیل کاردوزو پینتو انجام شد، شامل ایجاد موش‌های مهندسی‌شده به‌طور خاص بود که به محققان اجازه می‌داد تا سیستم‌های دوپامین و سروتونین را در یک حیوان مشاهده و کنترل کنند. این روش نوآورانه به آن‌ها کمک کرد تا مکان‌هایی را که این دو سیستم در مغز تعامل دارند، شناسایی کنند – به‌ویژه در ناحیه‌ای لیمبیک به نام هسته آکومبنس که نقش کلیدی در احساسات، انگیزه و پردازش پاداش دارد. کاردوزو پینتو بیان کرد: “این پروژه از نظر فنی بسیار چالش‌برانگیز بود و نیاز به توسعه استراتژی‌های جدید برای ضبط و دستکاری فعالیت چندین نوروماژولات به‌طور همزمان در حیوانات بیدار و در حال رفتار داشت.” با این حال، او افزود: “من ادامه دادم زیرا به شدت مشکوک بودم که تعاملات جالبی بین سیستم‌های دوپامین و سروتونین وجود دارد که در سایر مطالعات که فقط بر روی یک نوروماژولات تمرکز کرده بودند، نادیده گرفته شده بود و مشخص شد که این دقیقاً درست است.”

کاردوزو پینتو و همکارانش از ابزارهای نوآورانه جدید خود استفاده کردند تا مشاهده کنند که چگونه سیگنال‌های دوپامین و سروتونین در هسته آکومبنس تغییر می‌کند، در حالی که موش‌ها یاد می‌گرفتند که یک تن و نور چشمک‌زن را با یک پاداش شیرین مرتبط کنند. آن‌ها دریافتند که سیستم‌های دوپامین و سروتونین در جهت‌های متضاد پاسخ می‌دهند – سیگنال‌دهی دوپامین در پاسخ به پاداش افزایش یافت، در حالی که سیگنال‌دهی سروتونین کاهش یافت.

تحقیقات درباره یادگیری پاداش و نقش دوپامین و سروتونین

محققان از تکنیک اپتوژنتیک (روشی که از نور برای کنترل نورون‌های ژنتیکی تغییر یافته استفاده می‌کند) به‌طور انتخابی برای کاهش سیگنال‌دهی طبیعی هر یک از سیستم‌ها در حین یادگیری پاداش استفاده کردند، و این کار به‌صورت جداگانه یا ترکیبی انجام شد. با توجه به تاریخچه مطالعاتی که این سیستم‌های سیگنال‌دهی را به یادگیری پاداش مرتبط می‌کند، پیش‌بینی می‌شد که مسدود کردن سیگنال‌دهی دوپامین و سروتونین، مانع از این می‌شود که موش‌ها صدا و نور را با پاداش شیرین مرتبط کنند. اما نکته جالب‌تر این بود که بازگرداندن سیگنال‌دهی دوپامین یا سروتونین به‌تنهایی برای یادگیری دوباره حیوانات کافی نبود. فقط زمانی که هر دو سیستم فعال بودند، حیوانات می‌توانستند از نشانه‌ها برای پیش‌بینی ورود پاداش استفاده کنند.

کاردوزو پینتو به یاد می‌آورد: “شگفت‌انگیزترین و به‌یادماندنی‌ترین لحظه در این پروژه، زمانی بود که اولین آزمایش اپتوژنتیک خود را انجام دادم و بررسی کردم که آیا موش‌ها تجربه افزایش دوپامین، کاهش سروتونین یا هر دو را ترجیح می‌دهند.” او ادامه داد: “ما موش‌ها را در یک جعبه قرار دادیم و بخش‌های مختلف آن را با هر یک از این تجربیات جفت کردیم تا موش‌ها بتوانند با پاهایشان رأی دهند که کدام تجربه را ترجیح می‌دهند. هرگز هیجان ورود به اتاق در پایان آزمایش را فراموش نخواهم کرد که دیدم همه موش‌ها در سمت جعبه‌ای هستند که نمایانگر هر دو تغییرات است. در علم، بسیار نادر است که نتیجه‌ای به‌قدری چشم‌گیر به دست آید که بلافاصله قابل مشاهده باشد و این اولین مدرک مستقیم ما برای حمایت از فرضیه قدیمی دوپامین-سروتونین بود.”

نقش دوپامین و سروتونین در یادگیری و درمان‌های روانپزشکی

یافته‌ها نشان می‌دهد که دوپامین و سروتونین به‌طور همزمان کار می‌کنند، اما به روش‌های متضاد، تا به مغز کمک کنند از پاداش‌ها یاد بگیرد. محققان پیشنهاد می‌دهند که این دو سیستم کمی شبیه به گاز و ترمز در یک خودرو عمل می‌کنند. دوپامین رفتار جستجوی پاداش را با سیگنال‌دهی در زمان‌هایی که اوضاع بهتر از حد انتظار است، تشویق می‌کند و سیگنال “برو” را تولید می‌کند. در مقابل، سروتونین به‌نظر می‌رسد که این فرآیند را متوقف می‌کند و سیگنال “متوقف شو” یا “صبر کن” را ایجاد می‌کند که ممکن است به ما کمک کند صبورتر باشیم و عواقب بلندمدت را به‌جای پاداش‌های فوری در نظر بگیریم.

این مطالعه نشان می‌دهد که یادگیری مؤثر نیاز به هر دو سیگنال “برو” از دوپامین و سیگنال “صبر کن” از سروتونین دارد تا یک موجود زنده بتواند به‌درستی فرصت‌های پاداش‌دهنده را ارزیابی و به آن‌ها پاسخ دهد. یافته‌ها همچنین برای اختلالات مرتبط با عملکرد دوپامین و سروتونین، مانند اعتیاد، که در آن حساسیت بیش از حد دوپامینی و کمبود سروتونینی به جستجوی پاداش‌های اجباری کمک می‌کند، و در اختلالات خلقی از جمله افسردگی و اضطراب، که در آن سیگنال‌دهی کاهش‌یافته سروتونین ممکن است انعطاف‌پذیری رفتاری و برنامه‌ریزی بلندمدت را مختل کند، دارای اهمیت هستند.

کاردوزو پینتو گفت: “با توجه به اینکه نقش دوپامین در یادگیری پاداش به‌طور فزاینده‌ای روشن شده است، سیستم دوپامین به‌عنوان نقطه شروع طبیعی برای مطالعاتی که به بررسی بیماری‌هایی می‌پردازند که شامل اختلال در پردازش پاداش هستند، مانند اعتیاد و افسردگی، تبدیل شده است.” او افزود: “کار ما، که نشان می‌دهد سیستم‌های دوپامین و سروتونین یک سیستم گاز و ترمز برای پاداش تشکیل می‌دهند، پیشنهاد می‌کند که کارهای آینده بر تعادل نسبی بین این دو سیستم تمرکز کند.”

چشم‌انداز آینده: بهبود درمان‌های روانپزشکی

به‌عنوان مثال، در درمان اعتیاد، درمان‌ها ممکن است به کاهش سیگنال‌دهی بیش از حد دوپامین در حالی که فعالیت سروتونین را افزایش می‌دهند، بپردازند. در افسردگی، هدف ممکن است تقویت هر دو سیستم برای بهبود انگیزه و برنامه‌ریزی بلندمدت باشد. علاوه بر این، پیشرفت‌های فنی که تیم برای انجام این مطالعه به دست آورد، ممکن است کاربردهای طولانی‌مدتی برای تحقیقات علوم اعصاب داشته باشد، مالنکا اضافه کرد.

او گفت: “روش‌های نوینی که ما برای این مطالعه توسعه دادیم، اکنون می‌تواند به مجموعه‌ای از سؤالات جالب مربوط به چگونگی میانجی‌گری مغز در رفتارهای سازگار و آنچه در این سیستم‌های نورومدولاتیور در طول اختلالات مغزی شایع مانند اعتیاد، افسردگی و اختلالات طیف اوتیسم اشتباه می‌شود، اعمال شود.”

منافع رقابتی

اشل مشاور شرکت Boehringer Ingelheim است. بنتزلی یکی از بنیان‌گذاران Magnus Medical است. مالنکا در هیئت مشاوره علمی MapLight Therapeutics، MindMed و Aelis Farma فعالیت می‌کند.