In uno studio pubblicato su Nature Human Behavior, gli scienziati approfondiscono il mondo dei neuromodulatori chimici nel cervello umano, in particolare la dopamina e la serotonina, per rivelare il loro ruolo nel comportamento sociale.
La ricerca, condotta su pazienti affetti da morbo di Parkinson sottoposti a intervento chirurgico al cervello mentre erano svegli, si è concentrata sulla substantia nigra del cervello, un’area cruciale associata al controllo motorio e all’elaborazione della ricompensa.
Guidato dal neuroscienziato computazionale della Virginia Tech, Read Montague, il team internazionale ha rivelato un meccanismo neurochimico precedentemente sconosciuto che spiega la ben nota tendenza umana a prendere decisioni basate sul contesto sociale: le persone hanno maggiori probabilità di accettare offerte dai computer mentre rifiutano offerte identiche da giocatori umani.
Approfondimento da un gioco
Nello studio, quattro pazienti sottoposti a intervento chirurgico di stimolazione cerebrale profonda per il morbo di Parkinson sono stati immersi nel gioco “prendere o lasciare“, uno scenario in cui dovevano accettare o rifiutare varie frazioni di $ 20 sia da giocatori umani che da computer. Ad esempio, un giocatore può proporre di trattenere 16$, mentre il paziente riceve i restanti 4$. Se il paziente rifiuta la scissione, nessuno dei due riceve nulla.
“Puoi insegnare alle persone cosa dovrebbero fare in questo tipo di giochi: dovrebbero accettare anche piccole ricompense anziché nessuna ricompensa“, ha affermato Montague, professore della Virginia Tech Carilion Mountcastle presso il Fralin Biomedical Research Institute presso VTC e senior autore dello studio. “Quando le persone sanno che stanno giocando con un computer, giocano perfettamente, proprio come gli economisti matematici: fanno quello che dovrebbero fare. Ma quando si relazionano con un essere umano, non possono farne a meno: spesso sono spinti a punire l’offerta più piccola rifiutandola”.
La danza della dopamina e della serotonina
L’idea che le persone prendano decisioni in base al contesto sociale non è nuova nei giochi economici neurali. Ma ora, per la prima volta, i ricercatori mostrano che l’impatto del contesto sociale potrebbe derivare dalle interazioni dinamiche di dopamina e serotonina.
Quando le persone prendono decisioni, la dopamina sembra seguire da vicino e reagire al fatto che l’offerta attuale sia migliore o peggiore di quella precedente, come se fosse un sistema di monitoraggio continuo. La serotonina, nel frattempo, sembra concentrarsi solo sul valore attuale dell’offerta specifica a portata di mano, suggerendo una valutazione più caso per caso.
Questa danza veloce avviene in uno scenario più lento, dove la dopamina è complessivamente più alta quando le persone interagiscono con altri esseri umani – in altre parole, quando entra in gioco l’equità. Insieme, questi segnali contribuiscono alla valutazione complessiva del valore da parte del nostro cervello durante le interazioni sociali.
“Stiamo puntando i riflettori su vari processi cognitivi e finalmente riceviamo risposte a domande nei dettagli biologici più fini“, ha affermato il primo autore dello studio Dan Bang, professore associato di medicina clinica e membro della Lundbeck Foundation Fellow presso l’Università di Aarhus in Danimarca, e professore associato aggiunto presso l’Istituto di ricerca biomedica Fralin.
“I livelli di dopamina sono più alti quando le persone interagiscono con un altro essere umano invece che con un computer“, ha detto Bang. “E qui era importante misurare anche la serotonina per darci la certezza che la risposta complessiva al contesto sociale è specifica della dopamina“.
Seth Batten, ricercatore senior associato nel laboratorio di Montague e primo autore dello studio, ha costruito gli elettrodi in fibra di carbonio che sono stati impiantati in pazienti sottoposti a intervento di stimolazione cerebrale profonda e ha contribuito a raccogliere i dati presso il Mount Sinai Health System di New York.
“La caratteristica unica del nostro metodo è che ci permette di misurare più di un neurotrasmettitore alla volta: l’impatto di ciò non dovrebbe andare perso“, ha detto Batten. “Abbiamo già visto queste molecole di segnalazione, ma questa è la prima volta che le vediamo danzare. Nessuno ha mai visto prima questa danza di dopamina e serotonina in un contesto sociale”.
Individuare il significato dei segnali elettrochimici registrati dai pazienti durante gli interventi chirurgici è stata una sfida importante che ha richiesto anni per essere risolta.
“I dati grezzi che stiamo raccogliendo dai pazienti non sono specifici per dopamina, serotonina o norepinefrina: sono una miscela di questi“, ha detto Ken Kishida, coautore dello studio e professore associato di neuroscienze traslazionali, e neurochirurgia, presso la Wake Forest University School of Medicine. “Utilizziamo essenzialmente strumenti di tipo machine learning per separare ciò che c’è nei dati grezzi, comprendere la firma e decodificare cosa sta succedendo con la dopamina e la serotonina“.
Nello studio Nature Human Behavior, i ricercatori hanno dimostrato come l’aumento e la diminuzione della dopamina e della serotonina siano intrecciati con la cognizione e il comportamento umano.
“Nel mondo degli organismi modello, c’è un negozio di caramelle pieno di tecniche fantastiche per porre domande biologiche, ma è più difficile porre domande su ciò che ti rende te“, ha detto Montague, che è anche il direttore del Center for Human Neuroscience Research. e il Laboratorio di neuroimaging umano del Fralin Biomedical Research Institute.
Affrontare il Parkinson
“Ad un certo punto, dopo aver valutato un numero sufficiente di persone, saremo in grado di affrontare la patologia del morbo di Parkinson che ci ha dato questa finestra di opportunità“, ha detto Montague, che è anche professore al Virginia Tech College of Science.
Nella malattia di Parkinson, una significativa perdita di neuroni che producono dopamina nel tronco encefalico è una caratteristica chiave che di solito coincide con la comparsa dei sintomi.
Questa perdita ha un impatto sullo striato, una regione del cervello fortemente influenzata dalla dopamina. Man mano che la dopamina diminuisce, i terminali della serotonina iniziano a germogliare, rivelando un’interazione complessa, come osservato nei modelli di roditori.
“Ci sono già prove precliniche che il logoramento del sistema della dopamina sta dicendo al sistema della serotonina: ‘Ehi, dobbiamo fare qualcosa.’ Ma non siamo mai stati in grado di osservare le dinamiche”, ha detto Montague. “Quello che stiamo facendo ora è il primo passo, ma si spera che una volta che avremo centinaia di pazienti, saremo in grado di correlarli alla sintomatologia e fare alcune affermazioni cliniche sulla patologia del Parkinson“.
A questo proposito, i ricercatori hanno affermato che si sta aprendo una finestra per conoscere una vasta gamma di disturbi cerebrali.
“Il cervello umano è come una scatola nera“, ha detto Kishida. “Abbiamo sviluppato un ulteriore modo per guardarci dentro e capire come funzionano questi sistemi e come sono influenzati da varie condizioni cliniche”.
Michael Friedlander, direttore esecutivo del Fralin Biomedical Research Institute e neuroscienziato non coinvolto nello studio, ha dichiarato: “Questo lavoro sta cambiando l’intero campo delle neuroscienze e la nostra capacità di interrogare la mente e il cervello umani – con una tecnologia che, semplicemente, non immaginavo nemmeno non molti anni fa”.
“La psichiatria è un esempio di campo medico che potrebbe trarre vantaggio da questo approccio”, ha affermato.
“Abbiamo un numero enorme di persone nel mondo che soffrono di una varietà di condizioni psichiatriche e, in molti casi, le soluzioni farmacologiche non funzionano molto bene“, ha affermato Friedlander, che è anche vicepresidente delle scienze della salute e della Virginia Tech. tecnologia. “La dopamina, la serotonina e altri neurotrasmettitori sono in qualche modo intimamente coinvolti in questi disturbi. Questo sforzo aggiunge precisione e quantificazione reali per comprendere questi problemi. L’unica cosa di cui penso possiamo essere certi è che questo lavoro sarà estremamente importante in futuro per lo sviluppo di trattamenti”.
Più di un decennio di lavoro
Lo sforzo per misurare i neurotrasmettitori in tempo reale nel cervello umano è iniziato più di 12 anni fa, quando Montague ha riunito un team di esperti che “pensano molto al pensiero”.
Nelle osservazioni, prime nel loro genere sul cervello umano, pubblicate dagli scienziati su Neuron nel 2020, i ricercatori hanno rivelato che la dopamina e la serotonina lavorano a velocità inferiori al secondo per modellare il modo in cui le persone percepiscono il mondo e agiscono in base alla loro percezione.
Più recentemente, in uno studio pubblicato in ottobre sulla rivista Current Biology, i ricercatori hanno utilizzato il loro metodo di registrazione dei cambiamenti chimici negli esseri umani svegli per ottenere informazioni sul sistema noradrenalina del cervello, che è stato per lungo tempo un bersaglio per i farmaci per il trattamento dei disturbi psichiatrici.
E, a dicembre, sulla rivista Science Advances, il team ha rivelato che i rapidi cambiamenti nei livelli di dopamina riflettono un calcolo specifico legato al modo in cui gli esseri umani imparano da ricompense e punizioni.
“Abbiamo effettuato misurazioni attive dei neurotrasmettitori più volte in diverse regioni del cervello, e ora abbiamo raggiunto il punto in cui stiamo toccando elementi cruciali di ciò che ci rende esseri umani“, ha detto Montague.
Riferimento: “Dopamine and serotonin in human substantia nigra track social context and value signals during economic exchange” di 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 e P. Read Montecchi, 26 febbraio 2024, Natura Comportamento umano .
DOI: 10.1038/s41562-024-01831-w
