La serotonina migliora l'apprendimento, non solo l'umore
Il neurotrasmettitore serotonina è collegato al controllo dell'umore, ma aiuta anche a regolare varie altre funzioni, come il sonno e il desiderio sessuale. Una nuova ricerca ha scoperto un altro ruolo svolto dalla serotonina: aumentare la velocità di apprendimento.
Sebbene le variazioni dei livelli di serotonina siano legate a disturbi dell'umore come la depressione, non sappiamo ancora molto di tutti i ruoli svolti da questo neurotrasmettitore.
Alcuni documenti di studio precedenti lo hanno collegato con la memoria e la neuroplasticità, o la capacità del cervello di adattarsi continuamente durante la vita di una persona in modo da preservare la salute e la funzione cognitiva.
Ora, gli scienziati di due istituzioni - il Champalimaud Center for the Unknown (CCU) a Lisbona, in Portogallo, e l'University College London (UCL) nel Regno Unito - hanno approfondito e hanno scoperto che anche la serotonina è coinvolta nei processi di apprendimento.
Più specificamente, sembra contribuire alla velocità con cui apprendiamo nuove informazioni, come spiegano i ricercatori in un articolo ora pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Lo studio, condotto su un modello murino, ha testato la velocità con cui gli animali sarebbero in grado di adattare il loro comportamento a una data situazione. La serotonina sembrava avere un ruolo in questo processo.
"Lo studio ha scoperto che la serotonina aumenta la velocità di apprendimento", spiega il coautore dello studio Zachary Mainen, della CCU.
"Quando i neuroni della serotonina sono stati attivati ​​artificialmente, utilizzando la luce, ha reso i topi più veloci ad adattare il loro comportamento in una situazione che richiedeva tale flessibilità", aggiunge.
"Cioè, hanno dato più peso alle nuove informazioni e quindi hanno cambiato idea più rapidamente quando questi neuroni erano attivi".
Zachary Mainen
Due strategie di apprendimento
Per studiare i processi di apprendimento e la velocità degli animali, i ricercatori hanno sottoposto i topi a un compito di apprendimento, in cui l'obiettivo era trovare l'acqua.
"Gli animali sono stati collocati in una camera in cui dovevano colpire un distributore di acqua sul lato sinistro o uno sulla destra, che, con una certa probabilità, avrebbe quindi erogato acqua o meno", afferma l'autore dello studio Madalena Fonseca, di la CCU, spiegando il modello dell'esperimento.
I topi continuavano a cercare di prendere l'acqua dagli erogatori e hanno imparato come erano più propensi a trovarla sulla base di tentativi ed errori. Ma, il team ha osservato, il tempo che gli animali hanno aspettato tra i tentativi tendeva a variare.
A volte, gli animali facevano un altro tentativo di ottenere l'acqua subito dopo aver già provato, e talvolta aspettavano più a lungo prima di un'altra prova.
Gli scienziati hanno anche visto che i topi tendevano ad aspettare più a lungo tra i tentativi all'inizio e alla fine di una sessione sperimentale di una giornata.
Ciò ha portato i ricercatori a ipotizzare che, all'inizio di una sessione, gli animali potessero ancora essere abbastanza distratti e disinteressati al compito da svolgere, "forse sperando di uscire dalla camera sperimentale", come scrivono gli autori dello studio.
Poi di nuovo, alla fine di una sessione, i topi potrebbero non avere la motivazione per continuare a cercare l'acqua perché, a quel punto, potrebbero aver già fatto il pieno.
La variabilità così osservata alla fine ha portato il team a capire come la serotonina potrebbe influenzare l'apprendimento e il processo decisionale.
A seconda del tempo di attesa preferito dai topi tra i loro tentativi di trovare l'acqua, hanno anche impiegato uno dei due tipi di strategie per massimizzare la probabilità di successo nelle loro prove.
Memoria di lavoro vs. memoria a lungo termine
Con brevi intervalli di tempo di attesa tra i tentativi degli animali, gli scienziati hanno notato che i topi tendevano a basare la loro strategia sui risultati - riusciti o non riusciti - della sperimentazione precedente.
Cioè, se i topi fossero appena riusciti a prelevare l'acqua da un distributore, proverebbero di nuovo lo stesso. Se questo ora fallisse, passerebbero all'altro distributore. Questo approccio è denominato strategia "win-stay-lose-switch".
Nel caso di intervalli di tempo di attesa più lunghi tra le prove, i topi avevano maggiori probabilità di fare una scelta basata sulle esperienze passate accumulate.
Ciò significa, spiegano i ricercatori, che nel primo caso i topi hanno impiegato la loro memoria di lavoro, o il tipo di memoria a breve termine che porta a un processo decisionale adattivo basato sull'esperienza immediata.
In quest'ultimo caso, invece, gli animali hanno utilizzato la loro memoria a lungo termine, accedendo a conoscenze già immagazzinate e costruite nel tempo.
La serotonina rende l'apprendimento più efficiente
Utilizzando l'optogenetica, una tecnica che impiega la luce per manipolare le molecole nelle cellule viventi, i ricercatori della CCU hanno stimolato le cellule produttrici di serotonina nel cervello dei topi per vedere come i livelli elevati di questo neurotrasmettitore potrebbero influenzare il comportamento degli animali nel compito di apprendimento.
Quando hanno analizzato i dati accumulati, tenendo conto degli intervalli di tempo di attesa tra le prove sui topi, hanno concluso che livelli di serotonina più elevati hanno amplificato l'efficacia degli animali appresi dalle esperienze precedenti. Ciò, tuttavia, si applicava solo alle scelte effettuate a seguito di intervalli di attesa più lunghi.
"La serotonina migliora sempre l'apprendimento dalla ricompensa, ma questo effetto è evidente solo su un sottoinsieme delle scelte degli animali", osserva il coautore dello studio Masayoshi Murakami, della CCU.
"Nella maggior parte delle prove", aggiunge il ricercatore dell'UCL Kiyohito Iigaya, "la scelta è stata guidata da un" sistema veloce ", in cui gli animali hanno seguito una strategia vincente-rimani-perdente. Ma in un piccolo numero di prove, abbiamo scoperto che questa semplice strategia non spiegava affatto le scelte degli animali ".
"In queste prove", dice, "abbiamo invece scoperto che gli animali seguivano il loro 'sistema lento', in cui era la cronologia delle ricompense in molte prove, e non solo le prove più recenti, a influenzare le loro scelte".
"Inoltre", aggiunge Iigaya, "la serotonina ha influenzato solo queste ultime scelte, in cui l'animale stava seguendo il sistema lento".
Collegamenti con l'umore e il comportamento
Gli autori ritengono inoltre che i risultati possano spiegare perché gli inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina (SSRI) - un tipo di farmaco che aumenta i livelli di serotonina e che viene utilizzato nel trattamento della depressione - sono più efficaci se usati in combinazione con la terapia cognitivo comportamentale (CBT).
Mentre gli SSRI affrontano la depressione affrontando gli squilibri chimici nel cervello, l'obiettivo della CBT è quello di modificare le risposte comportamentali per migliorare i sintomi della depressione.
"I nostri risultati suggeriscono che la serotonina aumenta la plasticità [del cervello] influenzando il tasso di apprendimento", scrivono gli autori dello studio nella conclusione del loro articolo pubblicato.
Aggiungono: "Questo risuona, ad esempio, con il fatto che il trattamento con un SSRI può essere più efficace se combinato con la cosiddetta terapia cognitivo comportamentale, che incoraggia la rottura delle abitudini nei pazienti".
