Zusammenspiel von Dopamin und Serotonin

Dopamin und Serotonin arbeiten gegeneinander, um effektives Lernen zu ermöglichen

Quelle: https://neurosciencenews.com/dopamine-serotonin-opposition-learning-28124/

NeuroScience News

Zusammenfassung: Das Zusammenspiel von Dopamin und Serotonin formt das Verhalten, indem es ein Gleichgewicht zwischen Belohnungssuche und Impulskontrolle herstellt. Eine neuartige Studie hat gezeigt, dass beide Systeme gegeneinander arbeiten, aber für effektives Lernen unerlässlich sind.

Mithilfe von Optogenetik und innovativen Instrumenten fanden Forscher heraus, dass Dopamin als Beschleuniger für Belohnungen wirkt, während Serotonin als Bremse dient, impulsive Handlungen dämpft und langfristiges Denken ermöglicht. Dieser duale Kontrollmechanismus liefert Erkenntnisse über psychiatrische Erkrankungen wie Sucht und Depression und legt mögliche therapeutische Strategien nahe, die auf ihr Gleichgewicht abzielen.

Wichtige Fakten:

Dopamin fördert das Streben nach Belohnungen, indem es signalisiert, wenn etwas besser ist als erwartet, während Serotonin diese Impulse durch die Förderung von Geduld abschwächt.
Für ein effektives Lernen müssen beide Systeme funktionieren, da ihre Abwesenheit die Fähigkeit stört, Hinweise mit Belohnungen zu verknüpfen.
Erkenntnisse könnten zu neuen Behandlungsmethoden für Sucht, Depressionen und andere Störungen führen, die mit einem Ungleichgewicht von Dopamin und Serotonin einhergehen.
Quelle: Stanford

Wenn du schon einmal von zwei chemischen Neurotransmittern im Gehirn gehört hast, dann sind es wahrscheinlich Dopamin und Serotonin. Es ist egal, dass Glutamat und GABA den Großteil der Arbeit erledigen – es ist der Nervenkitzel von Dopamin als „Lustchemikalie“ und Serotonin als sanfter Stimmungsstabilisator, der alle Schlagzeilen anzieht.

Natürlich sind die Schlagzeilen meistens falsch. Die Rolle von Dopamin bei der Verhaltensbildung geht weit über einfache Konzepte wie „Freude“ oder sogar „Belohnung“ hinaus. Und die Tatsache, dass es Wochen oder Monate dauert, bis serotoninerhöhende SSRI-Antidepressiva wirken, deutet darauf hin, dass es nicht der unmittelbare Anstieg des Serotoninspiegels ist, der die Depression vertreibt, sondern eine noch immer rätselhafte Verschiebung in den nachgeschalteten Gehirnschaltkreisen.

Eine neue Studie des Wu Tsai Neurosciences Institute in Stanford zeigt eine weitere neue Facette dieser stimmungsregulierenden Moleküle.

Die am 25. November 2024 in Nature online veröffentlichte Studie zeigt erstmals genau, wie Dopamin und Serotonin zusammenarbeiten – oder genauer gesagt, wie sie gegeneinanderwirken –, um unser Verhalten zu beeinflussen.

„Dopamin und Serotonin sind nicht nur an unserem alltäglichen Verhalten beteiligt, sondern auch an einer Vielzahl neurologischer und psychiatrischer Störungen: Sucht, Autismus, Depressionen, Schizophrenie, Parkinson und mehr“, so der leitende Autor der Studie, Robert Malenka, Pritzker-Professor für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften an der Stanford University.

„Es ist für uns von entscheidender Bedeutung, ihre Wechselwirkungen zu verstehen, wenn wir bei der Behandlung dieser Störungen Fortschritte erzielen wollen.“

Die Theorie: Dopamin und Serotonin sind beide wichtig für die Verhaltensbildung – aber wie?

Die Forschung hat seit langem gezeigt, dass Dopamin und Serotonin bei allen Arten eine entscheidende Rolle beim Lernen und bei der Entscheidungsfindung spielen.

Das genaue Zusammenspiel dieser Neurotransmitter ist jedoch nach wie vor unklar. Während Dopamin mit der Vorhersage und Suche nach Belohnungen in Verbindung gebracht wird, scheint Serotonin diese Impulse zu mäßigen und das langfristige Denken zu fördern.

Es haben sich zwei Haupttheorien herausgebildet: die „Synergie-Hypothese“, die besagt, dass Dopamin für kurzfristige Belohnungen zuständig ist, während Serotonin langfristige Vorteile verwaltet, und die „Opponenz-Hypothese“, die besagt, dass die beiden als gegensätzliche Kräfte fungieren, die unsere Entscheidungen ausbalancieren, wobei Dopamin zu sofortigem Handeln drängt, während Serotonin zur Geduld rät.

Diese neue Stanford-Studie, die Teil der NeuroChoice-Initiative von Wu Tsai Neuro ist, bietet den ersten direkten experimentellen Test dieser konkurrierenden Hypothesen.

Das Experiment: Duale Kontrolle von Dopamin und Serotonin beim assoziativen Lernen

Unter der Leitung des Doktoranden Daniel Cardozo Pinto schuf das Forschungsteam speziell entwickelte Mäuse, die es ihnen ermöglichten, sowohl das Dopamin- als auch das Serotoninsystem im selben Tier zu beobachten und zu kontrollieren.

Dieser innovative Ansatz half ihnen dabei, herauszufinden, wo diese beiden Systeme im Gehirn interagieren – insbesondere in einer limbischen Region namens Nucleus accumbens, die eine Schlüsselrolle bei der Verarbeitung von Emotionen, Motivation und Belohnungen spielt.

„Dies war ein technisch sehr anspruchsvolles Projekt, bei dem wir neue Strategien entwickeln mussten, um die Aktivität mehrerer Neuromodulatoren gleichzeitig bei wachen, sich verhaltenden Tieren aufzuzeichnen und zu manipulieren“, so Cardozo Pinto.

Er fügte jedoch hinzu: “Ich habe durchgehalten, weil ich stark davon ausging, dass es faszinierende Wechselwirkungen zwischen dem Dopamin- und dem Serotoninsystem geben würde, die in anderen Studien, die sich jeweils nur auf einen Neuromodulator konzentrierten, übersehen wurden, und es stellte sich heraus, dass dies genau der Fall war.“

Cardozo Pinto und seine Kollegen nutzten ihre innovativen neuen Instrumente, um zu beobachten, wie sich die Dopamin- und Serotoninsignale im Nucleus accumbens veränderten, während Mäuse lernten, einen Ton und ein blinkendes Licht mit einer süßen Belohnung zu verbinden.

Sie stellten fest, dass die Dopamin- und Serotoninsysteme in entgegengesetzte Richtungen reagierten – die Dopaminsignale stiegen als Reaktion auf die Belohnung sprunghaft an, während die Serotoninsignale sanken.

Die Forscher verwendeten dann optogenetische Manipulation (eine Technik, bei der Licht zur Steuerung genetisch veränderter Neuronen eingesetzt wird), um die normale Signalübertragung jedes Systems – entweder allein oder in Kombination – während des Belohnungslernens selektiv zu dämpfen.

Wie aufgrund der bisherigen Studien, die diese Signalsysteme mit dem Belohnungslernen in Verbindung brachten, zu erwarten war, machte die Blockierung sowohl der Dopamin- als auch der Serotoninsignale es den Mäusen unmöglich, Ton- und Lichtsignale mit einer zuckerhaltigen Belohnung zu verknüpfen.

Überraschenderweise reichte es nicht aus, entweder die Dopamin- oder die Serotonin-Signalübertragung wiederherzustellen, damit die Tiere wieder lernen konnten. Nur wenn beide Systeme aktiv waren, konnten die Tiere die Hinweise erfolgreich nutzen, um die Ankunft einer Belohnung vorherzusagen.

„Der überraschendste und unvergesslichste Moment des Projekts kam, als ich mein erstes optogenetisches Experiment durchführte, bei dem ich testete, ob Mäuse die Erfahrung eines Dopamin-Boosts, eines Serotonin-Einbruchs oder beides zusammen bevorzugten“, erinnert sich Cardozo Pinto.

„Wir setzten Mäuse in eine Box und kombinierten verschiedene Teile der Box mit jeder dieser Erfahrungen, sodass die Mäuse mit ihren Füßen abstimmen konnten, welche Erfahrung sie bevorzugten. Ich werde nie vergessen, wie aufregend es war, am Ende des Experiments den Raum zu betreten und all die Mäuse auf der Seite der Box zu sehen, die beide Manipulationen zusammen darstellten.

„In der Wissenschaft kommt es nur sehr selten vor, dass man ein so beeindruckendes Ergebnis erhält, das sofort sichtbar ist. Und es war unser erster direkter Beweis für die jahrzehntealte Hypothese der Dopamin-Serotonin-Opponenz.“

Am Horizont: Die Choreografie von Dopamin und Serotonin zur Verbesserung der psychiatrischen Behandlung

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Dopamin und Serotonin zusammenarbeiten, jedoch auf entgegengesetzte Weise, um dem Gehirn zu helfen, aus Belohnungen zu lernen, so die Forscher.

Auf der Grundlage ihrer Ergebnisse schlagen sie vor, dass die beiden Systeme ein wenig wie das Gaspedal und die Bremse eines Autos funktionieren. Dopamin fördert belohnungsorientiertes Verhalten, indem es signalisiert, wenn die Dinge besser sind als erwartet, und so ein „Go“-Signal erzeugt.

Im Gegensatz dazu scheint Serotonin diesen Prozess zu bremsen und ein „Stopp“- oder „Warte“-Signal zu erzeugen, was uns möglicherweise dabei hilft, geduldiger zu sein und langfristige Konsequenzen statt nur unmittelbare Belohnungen in Betracht zu ziehen.

Effektives Lernen, so die Studie, erfordert sowohl das „Go“-Signal von Dopamin als auch das „Wait“-Signal von Serotonin, damit ein Organismus Belohnungsmöglichkeiten richtig einschätzen und darauf reagieren kann.

Die Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf Störungen, die mit einer Dysfunktion von Dopamin und Serotonin einhergehen, wie z. B. Sucht, bei der dopaminerge Überempfindlichkeit und serotonerge Defizite zu zwanghaftem Belohnungssuchen beitragen, und bei Stimmungsstörungen wie Depressionen und Angstzuständen, bei denen eine verminderte Serotonin-Signalübertragung die Verhaltensflexibilität und die langfristige Planung beeinträchtigen könnte.

„Da die Rolle von Dopamin beim Belohnungslernen immer deutlicher wird, ist das Dopaminsystem zu einem natürlichen Ausgangspunkt für Studien geworden, die Krankheiten untersuchen, bei denen die Belohnungsverarbeitung gestört ist, wie z. B. Sucht und Depression“, so Cardozo Pinto.

„Unsere Arbeit, die zeigt, dass das Dopamin- und das Serotoninsystem ein Gas-Brems-System für Belohnungen bilden, legt nahe, dass es für zukünftige Arbeiten fruchtbar sein wird, sich auf das relative Gleichgewicht zwischen diesen beiden Systemen zu konzentrieren.“

Zum Beispiel könnten Therapien in der Suchtbehandlung darauf abzielen, eine überaktive Dopamin-Signalübertragung zu dämpfen und gleichzeitig die Serotonin-Aktivität zu steigern. Bei Depressionen könnte das Ziel darin bestehen, beide Systeme zu stärken, um die Motivation und die langfristige Planung zu verbessern.

Darüber hinaus könnten die technischen Fortschritte, die das Team bei der Durchführung dieser Studie erzielt hat, langfristige Anwendungen für die neurowissenschaftliche Forschung haben, fügte Malenka hinzu.

„Die neuartigen Methoden, die wir für diese Studie entwickelt haben, können nun auf eine Vielzahl faszinierender Fragen angewendet werden, die sich damit befassen, wie das Gehirn anpassungsfähiges Verhalten vermittelt und was in diesen neuromodulatorischen Systemen bei weit verbreiteten Hirnerkrankungen wie Sucht, Depression und Autismus-Spektrum-Störungen schief läuft.“

Autoren der Studie: Daniel F. Cardozo Pinto, Matthew B. Pomrenze, Michaela Y. Guo, Gavin C. Touponse, Allen P.F. Chen, Neir Eshel und Robert C. Malenka von der Stanford University und Brandon S. Bentzley von Magnus Medical in Burlingame, CA.

Finanzierung: Zuschüsse der National Institutes of Health (NIH) (K99DA056573, K08MH123791), ein NSF-Forschungsstipendium für Graduierte, ein HHMI-Gilliam-Stipendium für fortgeschrittene Studien, ein Brain & Behavior Research Foundation Young Investigator Grant, ein Burroughs Wellcome Fund Career Award for Medical Scientists, einen Simons Foundation Bridge to Independence Award, philanthropische Spenden an das Nancy Pritzker Laboratory an der Stanford University, das Berg Scholars-Programm an der Stanford School of Medicine und einen Wu Tsai Neurosciences Institute NeuroChoice Initiative Pilot Award.

Konkurrierende Interessen: Eshel ist Berater für Boehringer Ingelheim. Bentzley ist Mitbegründer von Magnus Medical. Malenka ist Mitglied der wissenschaftlichen Beiräte von MapLight Therapeutics, MindMed und Aelis Farma.

Über diese Neurowissenschafts- und Lernforschungsnachrichten

Autor: Nicholas Weiler
Quelle: Stanford
Kontakt: Nicholas Weiler – Stanford
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Original Research: Geschlossener Zugang.
„Gegnerische Kontrolle der Verstärkung durch striatales Dopamin und Serotonin“ von Robert Malenka et al. Nature

Abstract

Gegnerische Kontrolle der Verstärkung durch striatales Dopamin und Serotonin

Die Neuromodulatoren Dopamin (DA) und Serotonin (5-Hydroxytryptamin; 5HT) regulieren das assoziative Lernen auf starke Weise. Ähnlichkeiten in der Aktivität und Konnektivität dieser neuromodulatorischen Systeme haben zu konkurrierenden Modellen darüber geführt, wie DA und 5HT interagieren, um die Bildung neuer Assoziationen voranzutreiben.

Diese Hypothesen wurden jedoch nicht direkt getestet, da es nicht möglich war, mehrere neuromodulatorische Systeme in einem einzigen Subjekt zu untersuchen und zu manipulieren.

Hier etablieren wir ein Mausmodell, das einen gleichzeitigen genetischen Zugang zu den DA- und 5HT-Neuronen des Gehirns ermöglicht.

Die anterograde Verfolgung ergab, dass der Nucleus accumbens (NAc) ein mutmaßlicher Hotspot für die Integration konvergenter DA- und 5HT-Signale ist.

Die gleichzeitige Aufzeichnung der DA- und 5HT-Axonaktivität zusammen mit genetisch kodierten DA- und 5HT-Sensoraufzeichnungen ergab, dass Belohnungen die DA-Signalübertragung erhöhen und die 5HT-Signalübertragung im NAc verringern.

Die optogenetische Dämpfung von DA- oder 5HT-Belohnungsreaktionen führte einzeln zu leichten Verhaltensdefiziten bei einer appetitlichen Konditionierungsaufgabe, während die gleichzeitige Dämpfung beider Signale das Lernen und die Verstärkung stark beeinträchtigte.

Die optogenetische Reproduktion von DA- und 5HT-Belohnungsreaktionen zusammen reichte aus, um den Erwerb neuer Assoziationen voranzutreiben und die Verstärkung stärker zu unterstützen als jede Manipulation allein.

Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass striatale DA- und 5HT-Signale das Lernen durch die Ausübung einer gegensätzlichen Verstärkung steuern.