Cum răspunde creierul la evenimente surprinzătoare

Cercetătorii au descoperit că un rol-cheie al neuromodulatorului noradrenalină, produs de locus coeruleus (un nucleu al punții trunchiului cerebral implicat în răspunsurile fiziologice la stres și panică), este acela de a ajuta creierul să învețe din evenimentele surprinzătoare.

Atunci când creierul tău are nevoie ca tu să fii atent la ceva important, un mod în care poate face acest lucru este să trimită o explozie de noradrenalină, potrivit unui nou studiu al MIT (Massachusetts Institute of Technology). Acest neuromodulator, produs de o structură din adâncul creierului numită locus coeruleus, poate avea efecte extinse în tot creierul. Într-un studiu efectuat pe șoareci, echipa MIT a descoperit că un rol-cheie al noradrenalinei, cunoscută și sub numele de noradrenalină, este acela de a ajuta creierul să învețe din rezultatele surprinzătoare.

„Ceea ce arată această lucrare este că locus coeruleus codifică evenimentele neașteptate, iar acordarea atenției la aceste evenimente surprinzătoare este crucială pentru ca creierul să facă un bilanț al mediului său”, spune Mriganka Sur, profesor Newton de neuroștiințe în cadrul Departamentului de Științe ale Creierului și Științe Cognitive al MIT, membru al Institutului Picower pentru Învățare și Memorie al MIT și director al Simons Center for the Social Brain.

Cum răspunde creierul la evenimente surprinzătoare

Pe lângă rolul său în semnalizarea surprizei, cercetătorii au descoperit, de asemenea, că noradrenalina ajută la stimularea comportamentului care duce la obținerea unei recompense, în special în situațiile în care există incertitudine cu privire la faptul că va fi oferită o recompensă.

Mriganka Sur este autorul principal al noului studiu, care a apărut în revista Nature. Vincent Breton-Provencher, un fost postdoctorand al MIT, care este acum profesor asistent la Universitatea Laval, și Gabrielle Drummond, o studentă absolventă a MIT, sunt și ei autorii principali ai lucrării.

Evenimente surprinzătoare. Modularea comportamentului

Noradrenalina este unul dintre mai mulți neuromodulatori care influențează creierul, alături de dopamină, serotonină și acetilcolină. Spre deosebire de neurotransmițători, care permit comunicarea de la celulă la celulă, neuromodulatorii sunt eliberați pe suprafețe mari de creier, ceea ce le permite să exercite efecte mai generale.

„Se crede că substanțele neuromodulatoare perfuzează zone mari ale creierului și, astfel, modifică impulsul excitator sau inhibitor pe care îl primesc neuronii într-un mod mai punctual. Acest lucru sugerează că acestea trebuie să aibă funcții foarte cruciale la nivelul întregului creier, care sunt importante pentru supraviețuire și pentru reglarea stării creierului”, a spus Mriganka Sur.

În timp ce oamenii de știință au învățat multe despre rolul dopaminei în motivație și urmărirea recompenselor, se știe mai puțin despre ceilalți neuromodulatori, inclusiv noradrenalina. Aceasta a fost legată de excitare și de stimularea vigilenței, dar prea multă noradrenalină poate duce la anxietate.

Sursa primară de noradrenalină din creier

Studiile anterioare asupra locus coeruleus, sursa primară de noradrenalină din creier, au arătat că aceasta primește informații din mai multe părți ale creierului și, de asemenea, își trimite semnalele la scară largă. În noul studiu, echipa MIT și-a propus să studieze rolul său într-un tip specific de învățare numit învățare prin întărire sau învățare prin încercare și eroare.

Pentru acest studiu, cercetătorii au antrenat șoarecii să împingă o pârghie atunci când auzeau un ton de frecvență înaltă, dar nu și atunci când auzeau un ton de frecvență joasă. Atunci când șoarecii au răspuns corect la tonul de înaltă frecvență, au primit apă, dar dacă au apăsat pârghia atunci când au auzit un ton de joasă frecvență, au primit o bufnitură de aer neplăcută.

De asemenea, șoarecii au învățat să împingă mai tare maneta atunci când tonurile erau mai puternice. Atunci când volumul era mai mic, ei erau mai nesiguri dacă trebuie să apese sau nu. Și, atunci când cercetătorii au inhibat activitatea locus coeruleus, șoarecii au devenit mult mai ezitanți în a împinge pârghia atunci când auzeau tonuri cu volum scăzut, sugerând că noradrenalina promovează asumarea unui risc de a obține o recompensă în situații în care răsplata este incertă.

„Animalul împinge pentru că vrea o recompensă, iar locus coeruleus furnizează semnale critice pentru a spune: Împinge acum, pentru că recompensa va veni, a spus Mriganka Sur.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că neuronii care generează acest semnal de noradrenalină par să trimită cea mai mare parte a ieșirii lor către cortexul motor, ceea ce oferă mai multe dovezi că acest semnal stimulează animalele să acționeze.

Semnalarea surprizei

În timp ce acea explozie inițială de noradrenalină pare să stimuleze șoarecii să acționeze, cercetătorii au descoperit, de asemenea, că o a doua explozie apare adesea după ce procesul s-a încheiat. Atunci când șoarecii au primit o recompensă așteptată, aceste explozii au fost mici. Cu toate acestea, atunci când rezultatul încercării a fost o surpriză, exploziile au fost mult mai mari. De exemplu, atunci când un șoarece a primit o gură de aer în locul recompensei pe care o aștepta, locus coeruleus a trimis o explozie mare de noradrenalină.

În încercările următoare, șoarecele respectiv ar fi fost mult mai puțin probabil să apese pe pârghie atunci când nu era sigur că va primi o recompensă. Animalul își ajustează în mod constant comportamentul. Chiar dacă a învățat deja sarcina, își ajustează comportamentul pe baza a ceea ce tocmai a făcut”, a mai explicat Mriganka Sur.

Șoarecii au prezentat, de asemenea, explozii de noradrenalină la încercările în care au primit o recompensă neașteptată. Aceste explozii păreau să răspândească noradrenalina în mai multe părți ale creierului, inclusiv în cortexul prefrontal, unde au loc planificarea și alte funcții cognitive superioare.

„Funcția de codificare a surprizei a locus coeruleus pare să fie mult mai răspândită în creier, iar acest lucru poate avea sens, deoarece tot ceea ce facem este moderat de surpriză”, a spus Sur.

Cercetătorii intenționează acum să exploreze posibila sinergie dintre noradrenalină și alți neuromodulatori, în special dopamina, care răspunde, de asemenea, la recompensele neașteptate. Ei speră, de asemenea, să afle mai multe despre modul în care cortexul prefrontal stochează memoria pe termen scurt a intrărilor de la locus coeruleus pentru a ajuta animalele să își îmbunătățească performanța în testele viitoare.