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Un nuevo modelo computacional revela que la serotonina acelera el aprendizaje.

Un nuevo modelo computacional diseñado por investigadores de la UCL basado en datos del Centro Champalimaud para lo Desconocido revela que la serotonina, uno de los químicos más extendidos en el cerebro, puede acelerar el aprendizaje.

Se cree que la serotonina media las comunicaciones entre las células neurales y juega un papel esencial en la cognición funcional y disfuncional. Durante mucho tiempo, la serotonina ha sido reconocida como un objetivo principal de los antidepresivos (inhibidor selectivo de la recaptación de serotonina (ISRS) que se utilizan para tratar diversas afecciones psiquiátricas.

Como la depresión, el trastorno obsesivo compulsivo y las formas de ansiedad. La serotonina en humanos y otros animales, se asocia con una variedad desconcertante de aspectos de la cognición y la toma de decisiones, incluidos el castigo, la recompensa y la paciencia.

En los experimentos, los ratones fueron entrenados para elegir uno de los dos objetivos para recibir recompensas de agua. Los ratones continuamente tenían que aprender cuál de los objetivos era más gratificante, ya que las tasas de recompensa cambiaron sin previo aviso. 

De manera crucial, a veces la liberación de serotonina en el cerebro se incrementó temporalmente en ratones con neuronas de serotonina genéticamente modificadas mediante una técnica llamada optogenética, que permite evaluar los efectos de la serotonina en el aprendizaje.

Iigaya creó una cuenta computacional del comportamiento de los ratones basada en los principios de aprendizaje por refuerzo, que se utilizan ampliamente en el aprendizaje automático y la IA. Iigaya descubrió que la tasa de aprendizaje, es decir, qué tan rápido aprenden los ratones modelados, estaba modulada por la estimulación de la serotonina. 

Comparó los ensayos con y sin estimulación de las neuronas de serotonina, y observó que la tasa de aprendizaje era significativamente más rápida cuando se administraba la estimulación, lo que significa que impulsar la serotonina aceleró el aprendizaje en ratones.

Los autores también encontraron que cuando los ratones tomaban decisiones en una sucesión muy rápida, seguían una estrategia simple llamada «interruptor de ganar-perder-perder», en el que repetían una opción si acababa de ser recompensada, y cambiaban a la otra opción si No había sido recompensado. 

La estimulación con serotonina no afectó estas elecciones rápidas. Sin embargo, en un subconjunto de pruebas, cuando los animales actuaron lentamente y tomaron mucho tiempo entre las pruebas, sus decisiones no siguieron la simple regla de ganar-quedarse-perder-cambiar. 

En cambio, los ratones tomaron decisiones basadas en una historia más larga de recompensas, que se caracterizó bien por una cuenta de aprendizaje de refuerzo. La estimulación con serotonina solo afectó a este sistema de aprendizaje lento.

Es importante destacar que los autores descubrieron que este sistema lento rastreaba los resultados de las recompensas en cada prueba, incluso cuando el sistema rápido, de ganar-quedarse-perder-cambiar, tomaba las decisiones. 

Por lo tanto, los efectos de la estimulación de la serotonina para impulsar el sistema lento se hicieron aparentes solo ocasionalmente, cuando los animales pasaron mucho tiempo antes de tomar decisiones. 

Los autores creen que la forma en que múltiples sistemas de decisión se enmascaran entre sí podría explicar por qué los científicos han tenido dificultades para construir una teoría integral sobre cómo la serotonina afecta el aprendizaje y la toma de decisiones.

Los autores concluyen: «Nuestros resultados sugieren que la serotonina aumenta la plasticidad [cerebral] al influir en la tasa de aprendizaje. Esto resuena, por ejemplo, con el hecho de que el tratamiento con un ISRS puede ser más efectivo cuando se combina con la llamada terapia cognitiva conductual, que fomenta la ruptura de los hábitos en los pacientes».

La investigación clínica sustancial muestra que el tratamiento con ISRS a menudo es más efectivo si se combina con la terapia cognitivo-conductual (TCC). El objetivo de la TCC es cambiar el pensamiento y el comportamiento de mala adaptación de forma activa, a través de sesiones diseñadas para que los pacientes (re) aprendan su forma de pensar y comportarse. 

Sin embargo, los científicos han tenido una comprensión limitada de cómo y por qué los ISRS y la TCC trabajan juntos para los tratamientos. Los nuevos hallazgos apuntan a un posible vínculo funcional entre los dos, con la serotonina que aumenta el aprendizaje inherente a la TCC, proporcionando pistas sobre uno de los roles que desempeña este neuromodulador en el tratamiento de los trastornos psiquiátricos.

Mayor información: Kiyohito Iigaya, Madalena S. Fonseca, Masayoshi Murakami, Zachary F. Mainen and Peter Dayan. «An effect of serotonergic stimulation on learning rates for rewards apparent after long intertrial intervals». Nature Communications, published:  26 June 2018

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