Wie Dopamin und Serotonin das Sozialverhalten beeinflussen

Internationales Team entschlüsselt den komplizierten Tanz von Dopamin und Serotonin im menschlichen Gehirn und wirft Licht auf soziale Entscheidungen.

In einer Studie veröffentlicht in Natur menschliches Verhaltentauchen Wissenschaftler in die Welt der chemischen Neuromodulatoren im menschlichen Gehirn ein, insbesondere Dopamin und Serotonin, um ihre Rolle im Sozialverhalten aufzudecken.

Die Forschung, die an Parkinson-Patienten durchgeführt wurde, die sich im Wachzustand einer Gehirnoperation unterzogen, konzentrierte sich auf die Substantia nigra des Gehirns, einen entscheidenden Bereich, der mit der motorischen Kontrolle und der Belohnungsverarbeitung verbunden ist.

Unter der Leitung des Computational-Neurowissenschaftlers Read Montague von der Virginia Tech enthüllte das internationale Team einen bisher unbekannten neurochemischen Mechanismus für eine bekannte menschliche Tendenz, Entscheidungen auf der Grundlage des sozialen Kontexts zu treffen: Menschen nehmen Angebote von Computern eher an, während sie identische Angebote von menschlichen Spielern ablehnen.

Erkenntnisse aus einem Ultimatum-Spiel

In der Studie wurden vier Patienten, die wegen der Parkinson-Krankheit eine tiefe Hirnstimulation erhielten, in das Ultimatumspiel „Nimm es oder lass es“ vertieft, ein Szenario, in dem sie unterschiedliche Teilungen von 20 US-Dollar sowohl von menschlichen als auch von Computerspielern akzeptieren oder ablehnen mussten. Beispielsweise könnte ein Spieler vorschlagen, 16 $ zu behalten, während der Patient die restlichen 4 $ erhält. Lehnt der Patient die Teilung ab, erhält keiner von beiden etwas.

„Man kann den Leuten beibringen, was sie in solchen Spielen tun sollen – sie sollten sogar kleine Belohnungen annehmen, anstatt überhaupt keine Belohnung“, sagte Montague, Professor an der Virginia Tech Carilion Mountcastle am Fralin Biomedical Research Institute am VTC und Senior Autor der Studie. „Wenn die Leute wissen, dass sie einen Computer spielen, spielen sie perfekt, genau wie mathematische Ökonomen – sie tun, was sie tun sollten. Aber wenn sie einen Menschen spielen, können sie nicht anders. Sie werden oft dazu getrieben, das kleinere Angebot zu bestrafen, indem sie es ablehnen.“

Read Montague, der das Forschungsteam leitete, das die chemischen Grundlagen sozialer Entscheidungsfindung erfasste, spricht über die Berührung entscheidender Elemente dessen, was uns zu Menschen macht. Bildnachweis: Clayton Metz/Virginia Tech

Dopamin-Serotonin-Tanz

Die Idee, dass Menschen Entscheidungen auf der Grundlage des sozialen Kontexts treffen, ist in neuronalen Wirtschaftsspielen nicht neu. Aber jetzt zeigen Forscher zum ersten Mal, dass die Auswirkungen des sozialen Kontexts auf die dynamischen Wechselwirkungen von Dopamin und Serotonin zurückzuführen sein könnten.

Wenn Menschen Entscheidungen treffen, scheint Dopamin genau zu verfolgen und darauf zu reagieren, ob das aktuelle Angebot besser oder schlechter als das vorherige ist, als wäre es ein kontinuierliches Tracking-System. Serotonin hingegen scheint sich nur auf den aktuellen Wert des jeweiligen Angebots zu konzentrieren, was eine eher fallweise Bewertung nahelegt.

Dieser schnelle Tanz findet vor einem langsameren Hintergrund statt, bei dem Dopamin insgesamt höher ist, wenn Menschen gegen andere Menschen spielen – mit anderen Worten, wenn Fairness ins Spiel kommt. Zusammen tragen diese Signale zur allgemeinen Wertschätzung unseres Gehirns bei sozialen Interaktionen bei.

„Wir beleuchten verschiedene kognitive Prozesse und erhalten endlich Antworten auf Fragen mit detaillierteren biologischen Details“, sagte der Erstautor der Studie, Dan Bang, außerordentlicher Professor für klinische Medizin und Fellow der Lundbeck Foundation an der Universität Aarhus in Dänemark sowie außerordentlicher außerordentlicher Professor am Fralin Biomedical Research Institute.

„Der Dopaminspiegel ist höher, wenn Menschen mit einem anderen Menschen interagieren und nicht mit einem Computer“, sagte Bang. „Und hier war es wichtig, dass wir auch Serotonin gemessen haben, um uns die Gewissheit zu geben, dass die Gesamtreaktion auf den sozialen Kontext spezifisch für Dopamin ist.“

Seth Batten, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fralin Biomedical Research Institute, baute die Elektroden, mit denen der Dopamin-Seratonin-Tanz aufgezeichnet wurde. Bildnachweis: Clayton Metz/Virginia Tech

Seth Batten, ein leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter in Montagues Labor und gemeinsamer Erstautor der Studie, baute die Kohlefaserelektroden, die Patienten implantiert wurden, die sich einer Operation zur Tiefenhirnstimulation unterzogen, und half beim Sammeln der Daten im Mount Sinai Health System in New York.

„Das Einzigartige an unserer Methode ist, dass sie es uns ermöglicht, mehr als einen Neurotransmitter gleichzeitig zu messen – die Wirkung davon sollte nicht verloren gehen“, sagte Batten. „Wir haben diese Signalmoleküle schon einmal gesehen, aber dies ist das erste Mal, dass wir sie tanzen sehen. Niemand hat diesen Tanz von Dopamin und Serotonin jemals zuvor in einem sozialen Kontext gesehen.“

Die Bedeutung der elektrochemischen Signale herauszufinden, die von Patienten in der Chirurgie aufgezeichnet wurden, war eine große Herausforderung, deren Lösung Jahre in Anspruch nahm.

„Die Rohdaten, die wir von Patienten sammeln, sind nicht spezifisch für Dopamin, Serotonin oder Noradrenalin – es ist eine Mischung daraus“, sagte Ken Kishida, Mitautor der Studie und außerordentlicher Professor für translationale Neurowissenschaften Neurochirurgie an der Wake Forest University School of Medicine. „Wir verwenden im Wesentlichen maschinelle Lernwerkzeuge, um den Inhalt der Rohdaten zu trennen, die Signatur zu verstehen und zu entschlüsseln, was mit Dopamin und Serotonin vor sich geht.“

Im Studie zum menschlichen Verhalten in der NaturForscher zeigten, wie der Anstieg und Abfall von Dopamin und Serotonin mit der menschlichen Wahrnehmung und dem menschlichen Verhalten verknüpft ist.

„In der Welt der Modellorganismen gibt es einen Süßwarenladen voller fantastischer Techniken, um biologische Fragen zu stellen, aber es ist schwieriger, Fragen darüber zu stellen, was einen ausmacht“, sagte Montague, der auch Direktor des Center for Human Neuroscience Research ist und das Human Neuroimaging Laboratory des Fralin Biomedical Research Institute.

Umgang mit Parkinson

„Irgendwann, nachdem wir genügend Menschen untersucht haben, werden wir in der Lage sein, uns mit der Pathologie der Parkinson-Krankheit zu befassen, die uns diese Chance eröffnet hat“, sagte Montague, der auch Professor am Virginia Tech College of Science ist.

Bei der Parkinson-Krankheit ist ein erheblicher Verlust dopaminproduzierender Neuronen im Hirnstamm ein Schlüsselmerkmal, der normalerweise mit dem Einsetzen der Symptome zusammenfällt.

Dieser Verlust wirkt sich auf das Striatum aus, eine Gehirnregion, die stark von Dopamin beeinflusst wird. Wenn Dopamin abnimmt, beginnen Serotonin-Terminals zu sprießen, was eine komplexe Wechselwirkung offenbart, wie sie in Nagetiermodellen beobachtet wurde.

„Es gibt bereits präklinische Beweise dafür, dass die Abnutzung des Dopaminsystems dem Serotoninsystem sagt: ‚Hey, wir müssen etwas tun.‘ Aber wir konnten die Dynamik nie beobachten“, sagte Montague. „Was wir jetzt tun, ist der erste Schritt, aber man würde hoffen, dass wir, sobald wir Hunderte von Patienten haben, in der Lage sein werden, dies mit der Symptomatik in Zusammenhang zu bringen und einige klinische Aussagen über die Parkinson-Pathologie zu treffen.“

In dieser Hinsicht öffnet sich laut Forschern ein Fenster, um mehr über ein breites Spektrum von Hirnerkrankungen zu erfahren.

„Das menschliche Gehirn ist wie eine Blackbox“, sagte Kishida. „Wir haben eine weitere Möglichkeit entwickelt, ins Innere zu schauen und zu verstehen, wie diese Systeme funktionieren und wie sie von verschiedenen klinischen Erkrankungen beeinflusst werden.“

Michael Friedlander, geschäftsführender Direktor des Fralin Biomedical Research Institute und Neurowissenschaftler, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte: „Diese Arbeit verändert das gesamte Gebiet der Neurowissenschaften und unsere Fähigkeit, den menschlichen Geist und das Gehirn zu befragen – mit einer Technologie, die es war.“ Ich hätte es mir vor nicht allzu vielen Jahren einfach nicht vorstellen können.“

Die Psychiatrie sei ein Beispiel für einen medizinischen Bereich, der von diesem Ansatz profitieren könnte, sagte er.

„Wir haben eine enorme Anzahl von Menschen auf der Welt, die an einer Vielzahl von psychiatrischen Erkrankungen leiden, und in vielen Fällen funktionieren die pharmakologischen Lösungen nicht sehr gut“, sagte Friedlander, der auch Vizepräsident für Gesundheitswissenschaften und Gesundheitswissenschaften an der Virginia Tech ist Technologie. „Dopamin, Serotonin und andere Neurotransmitter sind in gewisser Weise eng mit diesen Störungen verbunden. Dieser Aufwand sorgt für echte Präzision und Quantifizierung, um diese Probleme zu verstehen. Ich denke, wir können sicher sein, dass diese Arbeit in Zukunft für die Entwicklung von Behandlungen äußerst wichtig sein wird.“

Mehr als ein Jahrzehnt in der Entstehung

Die Bemühungen, Neurotransmitter im menschlichen Gehirn in Echtzeit zu messen, begannen vor mehr als 12 Jahren, als Montague ein Expertenteam zusammenstellte, das „viel über das Denken nachdenkt“.

In den ersten ihrer Art Beobachtungen im menschlichen Gehirn veröffentlichten die Wissenschaftler in Neuron Im Jahr 2020 stellten Forscher fest, dass Dopamin und Serotonin mit einer Geschwindigkeit von weniger als einer Sekunde wirken, um die Wahrnehmung der Welt durch Menschen zu beeinflussen und auf der Grundlage ihrer Wahrnehmung Maßnahmen zu ergreifen.

Zuletzt in einer Studie, die im Oktober in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Aktuelle Biologienutzten die Forscher ihre Methode zur Aufzeichnung chemischer Veränderungen bei wachen Menschen, um Einblicke in das Noradrenalinsystem des Gehirns zu gewinnen, das seit langem ein Ziel für Medikamente zur Behandlung psychiatrischer Störungen ist.

Und im Dezember im Journal Wissenschaftliche FortschritteDas Team stellte fest, dass schnelle Veränderungen des Dopaminspiegels eine spezifische Berechnung widerspiegeln, die damit zusammenhängt, wie Menschen aus Belohnungen und Bestrafungen lernen.

„Wir haben mehrfach aktive Messungen von Neurotransmittern in verschiedenen Gehirnregionen durchgeführt und sind nun an dem Punkt angelangt, an dem wir entscheidende Elemente dessen berühren, was uns zu Menschen macht“, sagte Montague.

Referenz: „Dopamin und Serotonin in der menschlichen Substantia nigra verfolgen sozialen Kontext und Wertsignale während des wirtschaftlichen Austauschs“ von Seth R. Batten, Dan Bang, Brian H. Kopell, Arianna N. Davis, Matthew Heflin, Qixiu Fu, Ofer Perl, Kimia Ziafat , Alice Hashemi, Ignacio Saez, Leonardo S. Barbosa, Thomas Twomey, Terry Lohrenz, Jason P. White, Peter Dayan, Alexander W. Charney, Martijn Figee, Helen S. Mayberg, Kenneth T. Kishida, Xiaosi Gu und P. Read Montague, 26. Februar 2024, Natur menschliches Verhalten.
DOI: 10.1038/s41562-024-01831-w