Социальные взаимодействия и биохимия мозга
Будучи ответственным за обработку и хранение информации, наш мозг принимает непосредственное участие в каких-либо взаимодействиях с окружающей средой. Даже на взаимодействия между людьми влияет биохимия мозга. Существует утверждение, что на социальное поведение человека влияет уровень дофамина и серотонина. Однако проверить это на практике ранее не удавалось. Ученые из Вирджинского политехнического института и университета штата (США) провели исследование, в ходе которого смогли измерить уровни этих нейромодуляторов во время игры «Ультиматум». Как проходило исследование, какие результаты показали наблюдения, и какая практическая польза от полученной информации? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Успешное социальное взаимодействие требует от нас делать выводы о психическом состоянии других людей, таких как их желания и намерения, и адаптировать свое поведение в соответствии с социальными нормами. Наше понимание того, как человеческий мозг поддерживает социальное взаимодействие, в основном базируется на неинвазивных методах функциональной нейровизуализации, таких как электроэнцефалография и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ или fMRI от functional magnetic resonance imaging).
Несмотря на успешность этих методов в создании карты сети областей мозга («социальный мозг»), которые задействованы во время социальных взаимодействий, они все же не дают полной картины данных процессов на биологическом уровне.
Наши знания о роли нейромодуляторов, таких как дофамин и серотонин, в социальном взаимодействии человека получены главным образом в результате сочетания фармакологии с экономическими играми. В одной серии исследований ученые манипулировали уровнем серотонина во время игры «Ультиматум», проверяющей нормы социальной справедливости. «Предлагающий» игрок предлагает разделить определенную сумму денег (например, 20 долларов) «отвечающему», который затем может принять или отклонить это разделение.
Предлагающий может сделать любое предложение, от сохранения до разделения полной доли. Если отвечающий принимает предложение, обе стороны получают предложенные суммы. Если отвечающий отклоняет предложение, обе стороны ничего не получают. В западных культурах отвечающий с большей вероятностью отклонят предложения, равные или меньшие 20% от общей суммы ставки (например, 4 доллара из 20). Любопытно, что когда уровень серотонина снижается из-за острого истощения триптофана в рационе, люди отвергают почти все «несправедливые» предложения. И наоборот, когда уровень серотонина повышается с помощью селективных ингибиторов, люди значительно реже отказываются от несправедливых предложений. Другое исследование показало, что леводопа, которая повышает уровень дофамина, снижает склонность людей причинять боль другим в обмен на деньги.
Используя инвазивные методы, такие как запись отдельных единиц и оптогенетическую активацию, исследования на животных показали, что быстрые колебания дофамина и серотонина несут сигналы, которые имеют решающее значение для адаптивного поведения. Например, считается, что временные изменения уровня дофамина отражают ошибки прогнозирования вознаграждения (RPE от reward prediction error) — разницу между фактическим и ожидаемым вознаграждением. Точно так же временные изменения серотонина участвуют в кодировании как несоциальных, так и социальных вознаграждений. Тем не менее модели социального взаимодействия на животных не могут полностью отобразить сложность их человеческих аналогов.
Недавно ученые разработали подход для измерения быстрых колебаний нейромодуляторов в сознательном человеческом мозге. Такая возможность появляется у пациентов, перенесших операцию на головном мозге в сознании с целью имплантации электрода глубокой стимуляции мозга (DBS от deep brain stimulation) для лечения симптомов заболевания (например, симптомов двигательного расстройства при болезни Паркинсона или эссенциального тремора). С минимальными изменениями по сравнению со стандартными рабочими процедурами электрод из углеродного волокна можно вставить в глубокие структуры мозга и использовать для электрохимических записей во время экспериментальных задач. На сегодняшний день этот подход показал, что дофамин и серотонин в полосатом теле человека отслеживают RPE в задачах, основанных на вознаграждении, и несут как сенсорную, так и связанную с действием информацию во время перцептивного принятия решений. Однако остается неизвестным, модулируются ли эти вычислительные роли социальным контекстом.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые попытались найти ответы на вышеизложенные вопросы, используя электрохимию для измерения быстрых колебаний дофамина и серотонина во время социальных задач. В частности, участниками были пациенты с болезнью Паркинсона, перенесшие операцию DBS, и они играли роль ответчика в игре «ультиматум». Место записи естественным образом ограничено хирургической процедурой; здесь это была черная субстанция* (Snr от substantia nigra pars compacta). SNr — одно из основных выходных ядер базальных ганглиев, получающее проекции от дофаминовых нейронов компактной части черной субстанции (Snc от substantia nigra pars compacta) и серотониновых нейронов в ядре дорсального шва.
Черная субстанция мозга* — составная часть экстрапирамидной системы, находящаяся в области четверохолмия среднего мозга.
Чтобы непосредственно исследовать влияние социального контекста, участникам опытов сказали, что в одной половине испытаний предлагающими выступили другие люди, а в другой половине испытаний — компьютер.
Процедура наблюдений
Изображение №1
Во время опытов пациенты с болезнью Паркинсона (n = 4), перенесшие операцию DBS, брали участие в игре «Ультиматум», в то время как ученые получали электрохимические оценки дофамина и серотонина в SNr (1a). Протокол электрохимии, основанный на более ранних исследованиях как на животных, так и на людях, обеспечивал получение десяти образцов в секунду. Данный протокол включает в себя повторную доставку быстрого изменения электрического потенциала на электрод из углеродного волокна и измерение индуцированных электрохимических реакций в виде изменений тока на кончике электрода. Ответные реакции несут информацию не только о конкретной области, но и о концентрации нейромодуляторов в окружающей нервной ткани. Эта информация извлекается с использованием модели прогнозирования сигнала, обученной на больших наборах данных экспериментальной лаборатории, где можно тщательно контролировать химическую среду.
Клиническое лечение включало две операции с интервалом 14–28 дней для двусторонней имплантации электродов DBS в субталамическое ядро каждого полушария. Испытуемые играли в «Ультиматум» на каждом хирургическом сеансе (следовательно, 4 пациента × 2 сеанса = 8 наборов данных). В рамках сеанса испытуемые играли роль ответчика в серии одноразовых взаимодействий с человеческим или компьютерным аватаром (30 испытаний х 2 условия = 60 испытаний; 1b).
В каждом условии испытуемым предлагалось принять или отклонить предложение определенной доли от 20 долларов. И человеческий, и компьютерный аватары были запрограммированы так, чтобы делать предложения на сумму от 1 до 9 долларов, при этом в каждом условии сеанса использовался один и тот же набор предложений, но в случайном порядке. Примерно в трети испытаний участников просили оценить, как они относятся к игре, перемещая ползунок по визуальной аналоговой шкале настроения от негативного (грустные смайлики) до позитивного (счастливые смайлики).
Результаты наблюдений
Чтобы расшифровать поведение участников при выполнении задач, ученые сначала запустили логистическую модель смешанных эффектов, в которой прогнозировали выбор (отклонить = 0, принять = 1), используя ценность предложения, условие (компьютер = -0.5, человек = 0.5) и взаимодействие между этими условиями (модель выбора 1 (C-M1)).
Изображение №2
Как и ожидалось, ценность предложения оказала положительное влияние на выбор (2a): участники приняли 43% предложений, меньших или равных одному стандартному отклонению (2 доллара) ниже среднего значения (5 долларов), 58% предложений в пределах одного стандартного отклонения от среднего значения и 94% предложений, равного или превышающего среднее значение.
В соответствии с более ранними результатами, условие оказало негативное влияние на выбор (розовый на 2a): участники приняли 50% предложений, сделанных человеческими аватарами, и 75% предложений, сделанных компьютерными аватарами. Взаимодействия между ценностью предложения и условием обнаружено не было.
Предыдущие исследования показали, что участники адаптируют свою готовность принять предложение к истории ценностей предложений, в том числе когда предложения делаются уникальными аватарами, а ценность предложений рандомизируется. Чтобы проверить поведенческую адаптацию, ученые повторно запустили логистическую модель смешанных эффектов, добавив в качестве предиктора (C-M2) разницу в ценности между текущим и предыдущим предложением (аналогично одноэтапному RPE).
Эффекты ценности и условия остались, но не было никаких эффектов, связанных с предыдущими предложениями. Это свидетельствует о некоторой поведенческой адаптации, т.е. модель, включающая исторические эффекты, лучше соответствовала данным, чем базовая модель. Также было отмечено, что отсутствие взаимодействия между разницей значений и условием указывает на то, что использование одного аватара (компьютера) по сравнению с несколькими аватарами (человека) не повлияло на поведение задачи.
Затем ученые использовали линейные модели смешанных эффектов для анализа времени реакции (модель RT-M1) и оценок эмоций (модель E-M1). В дополнение к терминам из анализа выбора (модель C-M1) был включен выбор (отклонить = -0.5, принять = 0.5) и взаимодействие между выбором и другими терминами. Выбор повлиял на время реакции: участникам требовалось больше времени, чтобы отклонить предложение, чем принять его (2b). Однако не было никакого влияния ценности предложения или условия на время реакции. Кроме того, анализ оценок эмоций не выявил никаких эффектов (2c).
Охарактеризовав поведение участников при выполнении задания, ученые обратились к электрохимическим данным, чтобы проверить, отслеживают ли дофамин и серотонин социальный контекст и ценностные сигналы, заложенные в нашем задании. Принимая во внимание результаты, полученные в результате фармакологического манипулирования уровнями дофамина и серотонина во время экономических игр, ученые сначала спросили, изменяются ли общие уровни дофамина/серотонина в зависимости от решения принять или отклонить предложение и от социального контекста. С этой целью была использована линейная модель смешанных эффектов, в которой прогнозировались оценки общего уровня дофамина/серотонина от испытания к испытанию, используя выбор, условие и их взаимодействие (нейронная модель 1 (N-M1)). Общие уровни дофамина/серотонина определялись как сумма образцов в течение 1 секунды после предъявления предложения.
Изображение №3
Этот анализ показал, что общий уровень дофамина, но не серотонина, модулируется социальным контекстом. В частности, хотя не было никакого влияния на дофамин, связанного с выбором, наблюдался положительный эффект условия: при взаимодействии с человеком у испытуемых уровень дофамина был больше, чем при взаимодействии с компьютером (розовый над голубым на 3a). Другими словами, хотя дофамин может вызывать общее изменение готовности принять предложение, сделанное человеком по сравнению с компьютером (2a), он не влияет на индивидуальный выбор как таковой. Напротив, влияния на серотонин не наблюдалось.
Модель опытов позволяла контролировать эффекты порядка, такие как изменения в выполнении задач из-за усталости. С этой целью ученые повторно запустили линейную модель смешанных эффектов после включения порядка условия в сеансе (первый = -0.5, второй = 0.5) и его взаимодействия с другими условиями в качестве предикторов (N-M2). Анализ данных снова выявил положительное влияние состояния, но не влияние, связанное с порядком, на дофамин. Влияния на серотонин снова не наблюдалось. В соответствии с отсутствием эффектов, связанных с порядком, модель, включающая эффекты порядка, хуже соответствовала данным по сравнению с базовой моделью. Визуализация полных данных каждого испытания показала, что влияние социального контекста на общий уровень дофамина отражает постепенные изменения во времени (3b).
Изображение №4
Установив влияние социального контекста на общий уровень дофамина, ученые решили выяснить, отражают ли изменения уровня дофамина/серотонина относительно локального исходного уровня ценностные сигналы, предсказанные как эмпирическими, так и теоретическими исследованиями. С этой целью ученые использовали линейную модель смешанных эффектов, в которой предсказывались оценки относительных изменений в дофамине/серотонине от испытания к испытанию, используя ценность текущего предложения и разницу в ценности между текущим и предыдущим предложением. Относительные уровни дофамина/серотонина определялись как сумма образцов в течение 1 секунды после представления предложения, но теперь после предварительного вычитания образца при представлении предложения в качестве локального базового уровня.
Этот анализ показал, что относительные изменения дофамина и серотонина отражают отдельные, но дополняющие друг друга сигналы ценности. В подтверждение роли в передаче сигналов RPE разница значений, но не значение само по себе, оказала положительное влияние на дофамин (левый столбец на графиках выше): дофамин демонстрировал относительное снижение, когда текущее предложение было ниже предыдущего, и относительное увеличение, когда текущее предложение было выше предыдущего.
В отличие от этой модели ответа, ценность, а не разница в ценности, оказала положительное влияние на серотонин (правый столбец на графиках выше): серотонин показал относительное увеличение для высоких предложений и относительное снижение для низких предложений.
Недавние исследования показывают, что серотонин отслеживает абсолютные (беззнаковые) RPE, которые позволяют оценить изменчивость окружающей среды и могут использоваться для регулирования скорости обучения. Поскольку визуализация относительных изменений серотонина согласовывалась с этой вычислительной функцией, ученые проверили эту гипотезу формально, также включив разницу абсолютных значений в качестве предиктора. Однако, хотя этот анализ воспроизвел первоначальные результаты, он не выявил влияния разницы абсолютных значений ценности предположения на дофамин или серотонин.
В заключение ученые решили установить, модулируются ли эффекты, связанные с ценностями предложений, социальным контекстом. С этой целью ученые повторно запустили линейную модель смешанных эффектов после включения условия и его взаимодействия со значениями, связанными с ценностью, в качестве предикторов. В поддержку гипотезы о том, что относительные изменения дофамина и серотонина отражают обобщенные ценностные сигналы, анализ повторил более ранние эффекты, но не выявил каких-либо эффектов, связанных с состоянием для дофамина.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали на практике связь между уровнями дофамина/серотонина и социальным взаимодействием.
Во время испытаний четверо испытуемых, перенесших операцию по глубокой стимуляции мозга ввиду болезни Паркинсона, участвовали в игре «Ультиматум». В этой игре им нужно было принять или отклонить предложение о разделении 20 долларов от людей или компьютера. К примеру, человек предлагает разделить поровну сумму или же себе оставить 15, а испытуемому только 5 долларов. Если испытуемый принимает условие, то обе стороны получают соответствующие суммы. Если испытуемый отвергает предложение, то обе стороны не получают ничего.
Опыты показали, что уровни дофамина были выше при взаимодействии испытуемых с людьми, чем при взаимодействии с компьютером. При этом уровень дофамина менялся в зависимости от истории предложений, т. е. учитывалась ценность предыдущего предложения и текущего. А вот уровень серотонина менялся в зависимости от ценности текущего предложения, но не учитывая разницу между текущим и предыдущим.
Авторы исследования отмечают, что их методика динамического наблюдения за нейротрансмиттерами мозга может расширить спектр информации, которую можно будет применить для более индивидуализированного лечения тех или иных заболеваний мозга. К примеру, психиатрия является отличным примером области медицины, которая могла бы получить пользу от такого подхода. Дофамин, серотонин и другие нейротрансмиттеры тесно связаны с расстройствами психики. Понимание того, что и как влияет на их уровни предоставит более детальную картину биохимии мозга человека.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
