Nach neuen Daten des Champalimaud Centre for the Unknown (CCU) und des University College London (UCL) spielt der Neurotransmitter Serotonin eine wichtige Rolle im Lernprozess und hilft, das Lernen zu beschleunigen. Die Forscher glauben, dass dies erklärt, warum selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI) Antidepressiva effektiver sind, wenn sie mit kognitiver Verhaltenstherapie (CBT) kombiniert werden. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Die verschiedenen Rollen von Serotonin
Serotonin, auch bekannt als 5-Hydroxytryptamin (5-HT), ist eine der wichtigsten Substanzen, die von den Nerven zur Kommunikation verwendet werden. Serotonin wirkt sich auf jeden Teil unseres Körpers aus, aber noch immer ist vieles über diesen Neurotransmitter und seine vielfältigen Aufgaben relativ unbekannt. Neurowissenschaftler verfolgen seit langem eine integrierte Theorie darüber, was Serotonin im Körper und im Gehirn genau tut, aber es ist eine besondere Herausforderung, alle Funktionen dieses Botenstoffes festzulegen.
Am häufigsten wird Serotonin mit der Stimmungsregulierung in Verbindung gebracht, aber wir wissen, dass es im gesamten Körper eine Vielzahl anderer Schlüsselrollen spielt. Etwa 90 Prozent des körpereigenen Serotonins befinden sich im Magen-Darm-Trakt, wo es zur Regulierung der Darmmotilität beiträgt. Serotonin ist auch in den Blutplättchen gespeichert und wirkt als Vasokonstriktor während des Gerinnungsprozesses. Der Rest des körpereigenen Serotonins wird vom zentralen Nervensystem synthetisiert, wo es bei der Regulierung von Appetit, Verhalten, Stimmung und Schlaf hilft.
Frühere Forschungen haben Serotonin mit dem Erinnerungsvermögen und der Neuroplastizität in Verbindung gebracht. Diese neueste Studie unterstützt diese Ergebnisse und liefert weitere Erkenntnisse über die Wirkung von Serotonin auf die kognitive Funktion.
Serotonin steigert die Lerngeschwindigkeit
In dieser neuesten Untersuchung über den bekannten Neurotransmitter führten die Forscher eine Reihe von Versuchen mit Mäusen durch, bei denen sie beobachteten, dass die Tiere ihr Verhalten schneller anpassten, wenn Serotonin-Neuronen künstlich durch Licht aktiviert wurden – eine neue Technik, die als Optogenetik bezeichnet wird.
Laut Zach Mainen, einem der Hauptautoren der Studie, „wurde festgestellt, dass Serotonin die Geschwindigkeit des Lernens steigert. Wenn Serotonin-Neuronen künstlich mit Licht aktiviert wurden, führte dies die Mäuse dazu, ihr Verhalten in einer Situation, die eine solche Flexibilität erforderte, schneller anzupassen. Das heißt, sie gaben neuen Informationen mehr Gewicht und änderten daher ihre Meinung schneller, wenn diese Neuronen aktiv waren.“
Um zu dieser Schlussfolgerung zu kommen, beobachteten die Forscher, wie die Mäuse in einer einfachen Lernaufgabe reagierten, bei der sie Wasser aus einer von zwei Quellen holen sollten. Laut Studien-Koautorin Madalena Fonseca vom CCU „wurden die Tiere in eine Kammer gesetzt, in der sie entweder einen Wasserspender auf der linken Seite oder einen auf der rechten Seite anstupsen mussten, der dann mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit Wasser ausgab oder nicht.“
Die Menge des abgegebenen Wassers und der Spender wurden randomisiert, so dass die Mäuse ihre Strategie ständig anpassen mussten. In einigen Versuchen nutzten die Forscher die optogenetische Technik, um die Serotoninausschüttung künstlich zu erhöhen. Bei der Analyse der Daten mit Hilfe eines Rechenmodells, das von Studien-Koautor Kiyohito Iigaya vom UCL entwickelt wurde, beobachtete das Team, dass die Mäuse zwei unterschiedliche Herangehensweisen bei der Entscheidungsfindung zu zeigen schienen, je nachdem, wie schnell sie ihre Wahl trafen.
Arbeitsgedächtnis und Langzeitgedächtnis: Zwei unterschiedliche Lernstrategien
Iigaya: „Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass das Wahlverhalten der Tiere von zwei unterschiedlichen Entscheidungssystemen generiert wurde. Bei den meisten Versuchen wurde die Wahl durch ein “ Schnellsystem “ angetrieben, bei dem die Tiere einer „Win-Stay-Lose-Switch“-Strategie folgten. Aber bei einer kleinen Anzahl von Versuchen fanden wir heraus, dass diese einfache Strategie die Entscheidungen der Tiere überhaupt nicht erklärte.“
Es war diese kleinere Teilmenge von Versuchen, die die Wirkung von Serotonin auf den Entscheidungsprozess aufdeckte. „Serotonin verstärkt immer das Lernen aus der Belohnung, aber dieser Effekt ist nur bei einer Teilmenge der Entscheidungen der Tiere sichtbar“, sagt CCU-Koautor Masayoshi Murakami.
Bei dem schnelleren System verließen sich die Mäuse auf ihr Arbeits- oder Kurzzeitgedächtnis. Wenn jedoch das Intervall zwischen den Versuchen länger war, nutzten die Mäuse ihr Langzeitgedächtnis für alle vorherigen Versuche. Laut ihren Daten verstärkte Serotonin das Lernen aus der Geschichte aller vergangenen Belohnungen, wirkte sich aber nur auf die Entscheidungen aus, die während dieser längeren Intervalle getroffen wurden.
Iigaya erklärt: „Bei diesen Versuchen stellten wir fest, dass die Tiere ihrem ‚langsamen System‘ folgten, bei dem die Belohnungsgeschichte über viele Versuche und nicht nur die jüngsten Versuche ihre Entscheidungen beeinflusste. Außerdem beeinflusste Serotonin nur diese letzteren Entscheidungen, bei denen das Tier dem langsamen System folgte.“
Das Team glaubt, dass ihre Ergebnisse erklären könnten, warum SSRIs, eine Art Antidepressivum, das den Serotoninspiegel erhöht, deutlich effektiver ist, wenn es mit einer kognitiven Verhaltenstherapie kombiniert wird. Die Autoren erklären: „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Serotonin die Plastizität [des Gehirns] fördert, indem es die Lerngeschwindigkeit beeinflusst. Dies deckt sich zum Beispiel mit der Tatsache, dass die Behandlung mit einem SSRI effektiver sein kann, wenn sie mit der so genannten kognitiven Verhaltenstherapie kombiniert wird, die das Aufbrechen von Gewohnheiten bei Patienten fördert.