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Universität Basel

07. Januar 2022

Der neuronale Mechanismus der Motivation

Neuronen
Was passiert im Gehirn einer Maus, wenn sie ihr Verhalten anpasst, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen? (Symbolbild: Birth Into Being / Flickr CC BY-NC-SA 2.0)

Wenn wir auf Ziele hinarbeiten und unsere Handlungen entsprechend anpassen, spricht man von Motivation. Allerdings weiss man wenig über die neuronalen Mechanismen dahinter. Forschende des Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research (FMI) und der Universität Basel haben nun die Ereignisse im Gehirn einer Maus identifiziert, während sich das Tier auf eine bestimmte Weise verhält, um eine Belohnung zu erhalten. Und wie die Maus ihr Verhalten anpassen kann, wenn sie nicht das Erwartete bekommt.

Stellen Sie sich vor, Sie gehen jeden Tag in eine Bäckerei, nur um ein bestimmtes Brot zu kaufen. Dann erfahren Sie, dass Ihr Lieblingsbrot dort künftig nicht mehr verkauft wird und gehen nicht mehr dorthin. Dies nennt man zielgerichtetes Verhalten, und man weiss, dass die Amygdala – das kleine mandelförmige Gefühlsverarbeitungszentrum im Gehirn – an der Steuerung dieses Verhaltens beteiligt ist.

Bisher wurde die Rolle der Amygdala bei Mäusen im so genannten «Signal-gesteuerten Verhalten» untersucht: Dabei ist ein visueller oder auditiver Hinweis (z.B. ein Geräusch) das Signal dafür, dass etwas passieren wird (etwa, dass die Maus Zucker erhalten wird) und veranlasst die Maus zu einem bestimmten Verhalten (z.B. wird sie zu dem Ort im Käfig gehen, an dem sie den Zucker erhält). Wie die Amygdala jedoch an zielgerichtetem Verhalten beteiligt ist – wenn Mäuse etwas ohne Hinweise und in ihrem eigenen Tempo tun, um ein Ziel zu erreichen – war bisher unklar.

In einer in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie trainierte Julien Courtin, Postdoc in der Gruppe von Prof. Dr. Andreas Lüthi, Mäuse mit einer zielgerichteten Aufgabe: Im Laufe mehrerer Tage lernten die Tiere, dass sie beim Betätigen eines Hebels einen Tropfen Saccharose und beim Betätigen eines anderen Hebels einen Tropfen Milch erhielten.

Bildersequenz einer Maus, die einen Hebel betätigt, um eine Belohnung zu erhalten
Wenn eine Maus einen Hebel betätigt, um eine Belohnung zu erhalten, werden in ihrem Gehirn verschiedene Gruppen von Neuronen aktiv. Diese Aktivitätsmuster hängen von dem ganz bestimmten Ziel ab, das die Maus vor Augen hat. (Foto: FMI)

Sobald die Tiere diese Aufgaben beherrschten, passte Courtin den Versuch an: Er gab den Mäusen die Belohnung, ohne sie den Hebel drücken zu lassen; oder er liess sie den Hebel ohne Belohnung drücken; oder er erlaubte den Mäusen, sich mit einer der Belohnungen vollzustopfen. Während all dieser verschiedenen Handlungen der Mäuse zeichnete Courtin deren Hirnaktivität in der Amygdala auf und entwickelte zusammen mit der Bioinformatikerin Yael Bitterman neue Analysemethoden, um den zugrunde liegenden neuronalen Code zu entschlüsseln.

Eine Vorhersagemaschine

Courtin and Bitterman, die Co-Erstautoren der Studie, identifizierten die Populationen von Neuronen in der Amygdala, die an den verschiedenen Aspekten dieses zielgerichteten Verhaltens beteiligt sind. Sie zeigten zum Beispiel, dass eine bestimmte Gruppe (Population) von Neuronen aktiv war, wenn die Maus den Hebel 1 drückte, um die Belohnung 1 zu erwarten. Sobald jedoch Hebel 1 nicht mehr mit der Belohnung verbunden war, verlor diese Neuronengruppe ihre Aktivität. «Die Neuronenpopulation war nicht aktiv, weil die Maus den Hebel drückte, sondern weil der Hebel mit der Erwartung der Belohnung verbunden war», sagt Courtin. «Als die Maus lernte, keine Belohnung mehr zu erwarten, verschwand diese Population».

Auf bemerkenswerte Weise zeigen die Ergebnisse, dass nicht nur die Art der Belohnung, ihre Grösse und die Wahrscheinlichkeit, dass sie eintritt, in der Amygdala repräsentiert sind, sondern auch ihr Wert – ein flexibler Parameter, der von vielen Faktoren abhängt (etwa davon, wie hungrig die Maus ist). Die Amygdala leitet all diese Informationen an andere Hirnregionen weiter, die sie dann nutzen, um entsprechende Entscheidungen zu treffen und das Verhalten an die möglichen Belohnungen anzupassen.

Diese News beruht auf einer Pressemitteilung des FMI.


Originalpublikation

J. Courtin, Y. Bitterman, S. Müller, J. Hinz, K. M. Hagihara, C. Müller & A. Lüthi.
A neuronal mechanism for motivational control of behavior.
Science (2022), doi: 10.1126/science.abg7277

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