Technion Universiteit ontdekt de rol van dopamine bij het leren van nieuwe motorische vaardigheden

Technion in Haifa. Screenshot

Een nieuw onderzoek van het Technion-Israel Institute of Technology in Haifa laat zien hoe de hersenen hun neurale netwerken reorganiseren tijdens het aanleren van vaardigheden. Ook wordt de cruciale rol van dopamine in dit proces blootgelegd.

Van het schrijven van een artikel en typen tot vioolspelen of een tennisster zijn: het aanleren van taken die met beweging te maken hebben, is een van de meest complexe uitdagingen voor de hersenen. Hoe verwerf je nieuwe motorische vaardigheden? Motorisch leren is een essentieel proces waarbij het organisme vaardige bewegingen en het vermogen om nieuwe sensorische informatie en handelingen te associëren, zich zo aanpast aan de steeds veranderende eisen van de omgeving.

De studie, gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Communications onder de titel "VTA-projecties naar M1 zijn essentieel voor de reorganisatie van de netwerkdynamiek van laag 2-3 die ten grondslag ligt aan motorisch leren", werd geleid door Dr. Hadas Benisty, Prof. Jackie Schiller en medisch doctoraatstudent Amir Ghanayim, met bijdragen van Prof. Ronen Talmon en student Avigail Cohen-Rimon van de Andrew en Erna Viterbi Faculteit Elektrotechniek en Computertechniek van het Technion.

Ze ontdekten dat de lokale afgifte van dopamine – een molecuul dat vooral bekend is om zijn rol in het beloningssysteem van de hersenen – een sleutelfactor is bij het aanleren van nieuwe motorische vaardigheden. Een dergelijk vermogen is altijd nodig om ons aan te passen aan onze omgeving. Dit leren vindt plaats in de primaire motorische cortex – een hersengebied dat verantwoordelijk is voor het plannen en uitvoeren van vrijwillige bewegingen. Vanuit dit corticale 'commandocentrum' worden signalen via het ruggenmerg verzonden om spieren te activeren en bewegingen te coördineren. Het is bekend dat de neurale activiteit in dit gebied verandert naarmate we nieuwe vaardigheden leren, maar de mechanismen die deze veranderingen aansturen, zijn nog onduidelijk.

De onderzoekers gebruikten geavanceerde chemische en genetische technieken om bepaalde hersencellen tijdelijk uit te schakelen, zodat ze hun functie konden bestuderen. Ze gebruikten een controlegroep waarvan de hoofden ongeveer 40 minuten aan een apparaat vastzaten, maar er verder niets mee deden. De geteste groep (geen controlegroep) bestond uit "goed opgevoede muizen" – zoals wetenschappers de muizen noemen – waarvan de hoofden ongeveer 40 minuten stabiel worden gehouden door iets aan hun hoofd te lijmen. Ze raken niet gewond en worden na het experiment bevrijd.

De wetenschappers wilden dat de muizen met hun voorpoten naar een brok voedsel zouden reiken, het zouden grijpen en het opeten.

Bij de controlegroep werd een gestage en geleidelijke verbetering in de motorische uitvoering van de taak waargenomen, totdat een stabiel niveau werd bereikt.

De muizen die niet in de controlegroep zaten, werden onder de microscoop gelegd en getraind om een ​​versie van de voorpootgrijptaak ​​uit te voeren met een vast hoofd, waarbij muizen leren om naar een voedselkorrel te reiken, deze te grijpen en op te eten, aldus de onderzoekers. Ze brachten dynamische veranderingen in neurale netwerken in kaart met cellulaire resolutie binnen de motorische cortex tijdens het verwerven van een motorische vaardigheid en ontdekten dat neurale netwerken tijdens het leren overgaan van een 'beginner'- naar een 'expert'-structuur.

Cruciaal is dat dit proces afhankelijk is van de lokale afgifte van dopamine in de motorische cortex. Onder normale omstandigheden worden dopaminemoleculen naar dit gebied gebracht door neuronen die afkomstig zijn uit het ventrale tegmentale gebied (VTA) – een centraal dopamineknooppunt in de hersenen. De onderzoekers veronderstelden dat deze dopamineafgifte plasticiteitsmechanismen activeert, wat leidt tot veranderingen in de functionele connectiviteit tussen neuronen in de motorische cortex. Dit proces maakt motorisch leren mogelijk door nieuwe vaardigheden op te slaan voor toekomstig gebruik. In wezen is dit een vorm van reinforcement learning, waarbij succesvolle bewegingsresultaten de interne bedrading van de hersenen versterken.

Om de noodzaak van dit mechanisme te testen, keken de onderzoekers naar zowel de activiteit als de functionele connectiviteit van het neurale netwerk en het leerproces wanneer de dopamine-afgifte in het primaire motorische gebied werd geblokkeerd.

De resultaten waren duidelijk: wanneer dopamine werd geblokkeerd, stopte het leren volledig – muizen konden hun prestaties bij een taak om hun voorpoten te strekken niet verbeteren. Het neurale netwerk van de motorische cortex bleef statisch, maar zodra de dopamine-afgifte werd hersteld, werd het leren hervat, samen met de reorganisatie van het neurale netwerk.

De resultaten zijn belangrijk omdat ze overtuigend bewijs leveren dat de lokale afgifte van dopamine een cruciaal signaal is voor de neurale plasticiteit in de motorische cortex, wat de nodige aanpassingen mogelijk maakt voor het produceren van precieze en efficiënte motorische commando's. Een bijzonder interessante ontdekking was dat het blokkeren van dopamine geen invloed had op eerder aangeleerde motorische vaardigheden – het team bewees dat dopamine essentieel is voor het leren van nieuwe bewegingen, maar niet nodig is voor het uitvoeren van reeds aangeleerde bewegingen.

"Over het algemeen kan het leren hoe de hersenen leren mensen helpen die moeite hebben met leren, of motorische problemen, of neurologische problemen hebben", vertelde Benisty aan The Jerusalem Post . "Als je niet weet hoe iets werkt, weet je ook niet hoe je het moet oplossen."

Ze concludeerde: "Ons werk is een nieuwe stap in het begrijpen van hersenplasticiteit en leermechanismen op cellulair en netwerkniveau en benadrukt het vermogen van de hersenen om zichzelf te reorganiseren, waardoor we onze motoriek gedurende ons hele leven kunnen verfijnen. Deze inzichten kunnen ook belangrijke implicaties hebben voor de behandeling van neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson, waarbij de dopamineproductie is verstoord en het motorisch leren wordt aangetast.