Jak mózg reaguje na zaskakujące wydarzenia

Zgodnie z wynikami nowego badania przeprowadzonego przez MIT, gdy mózg potrzebuje, abyś zwrócił uwagę na coś ważnego, jednym ze sposobów, w jaki może to zrobić, jest wysłanie impulsu noradrenaliny.

Ten neuromodulator, wytwarzany przez strukturę znajdującą się głęboko w mózgu, zwaną locus coeruleus, może mieć rozległe działanie w całym mózgu. W badaniu przeprowadzonym na myszach zespół z MIT odkrył, że jedną z kluczowych ról noradrenaliny, znanej również jako noradrenalina, jest pomaganie mózgowi w uczeniu się na podstawie zaskakujących wyników.

„Praca ta pokazuje, że locus coeruleus koduje nieoczekiwane wydarzenia, a zwracanie uwagi na te zaskakujące wydarzenia jest kluczowe dla mózgu, by mógł on ocenić swoje środowisko” – mówi Mriganka Sur, profesor neuronauki Newton w Departamencie Nauk o Mózgu i Nauk Poznawczych MIT, członek Picower Institute for Learning and Memory oraz dyrektor Simons Center for the Social Brain.

Oprócz roli, jaką noradrenalina odgrywa w sygnalizowaniu zaskoczenia, badacze odkryli również, że pomaga ona stymulować zachowania prowadzące do otrzymania nagrody, szczególnie w sytuacjach, w których nie ma pewności, czy nagroda zostanie zaoferowana.

Sur jest głównym autorem nowego badania, które ukazało się dzisiaj w Nature. Głównymi autorami pracy są Vincent Breton-Provencher, były postdoc z MIT, który obecnie jest adiunktem na Uniwersytecie Laval, oraz Gabrielle Drummond, studentka MIT.

Modulowanie zachowania

Noradrenalina jest jednym z wielu neuromodulatorów, które wpływają na pracę mózgu, obok dopaminy, serotoniny i acetylocholiny. W przeciwieństwie do neuroprzekaźników, które umożliwiają komunikację między komórkami, neuromodulatory są uwalniane na dużych obszarach mózgu, co pozwala im wywierać bardziej ogólne działanie.

„Uważa się, że substancje neuromodulujące perfundują duże obszary mózgu i w ten sposób zmieniają bodźce pobudzające lub hamujące, które neurony odbierają w sposób bardziej punktowy” – mówi Sur. „To sugeruje, że muszą one pełnić bardzo ważne funkcje w całym mózgu, które są istotne dla przetrwania i regulacji stanu mózgu”.

Podczas gdy naukowcy dowiedzieli się wiele o roli dopaminy w motywacji i dążeniu do nagrody, mniej wiadomo o innych neuromodulatorach, w tym o noradrenalinie. Związana jest ona z pobudzeniem i zwiększeniem czujności, ale zbyt wysoki poziom noradrenaliny może prowadzić do niepokoju.

Poprzednie badania nad locus coeruleus, głównym źródłem noradrenaliny w mózgu, wykazały, że otrzymuje on sygnały z wielu części mózgu, a także wysyła je daleko i szeroko. W nowym badaniu zespół z MIT postanowił zbadać jej rolę w specyficznym rodzaju uczenia się, zwanym uczeniem się przez wzmocnienie (ang. reinforcement learning), czyli uczeniem się metodą prób i błędów.

Na potrzeby tego badania naukowcy wytrenowali myszy, by naciskały dźwignię, gdy słyszały ton o wysokiej częstotliwości, ale nie wtedy, gdy słyszały ton o niskiej częstotliwości. Gdy myszy prawidłowo reagowały na ton o wysokiej częstotliwości, otrzymywały wodę, ale jeśli naciskały dźwignię, gdy słyszały ton o niskiej częstotliwości, dostawały nieprzyjemny powiew powietrza.

Myszy nauczyły się także mocniej naciskać dźwignię, gdy tony były głośniejsze. Gdy głośność była niższa, miały większą niepewność, czy powinny naciskać, czy nie. Gdy badacze zahamowali aktywność nerwu rdzeniowego (locus coeruleus), myszy były bardziej niezdecydowane, czy nacisnąć dźwignię, gdy słyszały dźwięki o niskiej głośności, co sugeruje, że noradrenalina sprzyja podejmowaniu ryzyka otrzymania nagrody w sytuacjach, w których jej wysokość jest niepewna.

Zwierzę naciska, ponieważ chce otrzymać nagrodę, a rdzeń przedłużony dostarcza sygnałów krytycznych, które mówią: „naciskaj teraz, bo nagroda nadejdzie” – mówi Sur.

Badacze odkryli również, że neurony generujące sygnał noradrenaliny wysyłają większość swoich sygnałów do kory ruchowej, co stanowi kolejny dowód na to, że sygnał ten stymuluje zwierzęta do działania.

Zaskoczenie sygnałem

Podczas gdy początkowy przypływ noradrenaliny wydaje się pobudzać myszy do działania, badacze odkryli również, że po zakończeniu próby często pojawia się drugi przypływ. Gdy myszy otrzymywały oczekiwaną nagrodę, wybuchy te były niewielkie. Natomiast gdy wynik próby był zaskoczeniem, wybuchy były znacznie większe. Na przykład, gdy mysz zamiast spodziewanej nagrody otrzymała puff powietrza, locus coeruleus wysyłał duży impuls noradrenaliny.

W kolejnych próbach mysz znacznie rzadziej naciskała dźwignię, gdy nie była pewna, czy otrzyma nagrodę. „Zwierzę stale dostosowuje swoje zachowanie” – mówi Sur. „Nawet jeśli nauczyło się już zadania, dostosowuje swoje zachowanie na podstawie tego, co właśnie zrobiło”.

Myszy wykazywały również wybuchy noradrenaliny podczas prób, w których otrzymywały nieoczekiwaną nagrodę. Te wybuchy zdawały się rozprowadzać noradrenalinę do wielu części mózgu, w tym do kory przedczołowej, gdzie odbywa się planowanie i inne wyższe funkcje poznawcze.

„Funkcja kodowania niespodzianek przez locus coeruleus wydaje się być znacznie bardziej rozpowszechniona w mózgu, a to może mieć sens, ponieważ wszystko, co robimy, jest moderowane przez niespodzianki” – mówi Sur.

Naukowcy planują teraz zbadać ewentualną synergię między noradrenaliną a innymi neuromodulatorami, zwłaszcza dopaminą, która również reaguje na nieoczekiwane nagrody. Mają również nadzieję dowiedzieć się więcej o tym, w jaki sposób kora przedczołowa przechowuje krótkotrwałą pamięć sygnałów z locus coeruleus, aby pomóc zwierzętom poprawić wyniki w przyszłych próbach.

Badania zostały sfinansowane częściowo przez Quebec Research Funds, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, NARSAD Young Investigator Award od Brain and Behavior Research Foundation, National Institutes of Health, Simons Foundation Autism Research Initiative poprzez Simons Center for the Social Brain, National Natural Science Foundation of China oraz NIH BRAIN Initiative.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology