Как мозъкът реагира на изненадващи събития

Резюме: Изненадващи събития задействат освобождаването на норадреналин в мозъка, което помага да се фокусира вниманието и да се поучава от опита.

Източник: MIT

Когато мозъкът ви има нужда да обърнете внимание на нещо важно, един от начините, по който може да направи това, е да изпрати изблик на норадреналин, според ново проучване на MIT.

Този невромодулатор, произведен от структура дълбоко в мозъка, наречена locus coeruleus, може да има широко разпространени ефекти в целия мозък. В проучване на мишки екипът на MIT установи, че една ключова роля на норадреналина, известен също като норепинефрин, е да помага на мозъка да се учи от изненадващи резултати.

„Това, което тази работа показва, е, че locus coeruleus кодира неочаквани събития и обръщането на внимание на тези изненадващи събития е от решаващо значение за мозъка да направи равносметка на околната среда“, казва Мриганка Сур, Нютон професор по невронауки в катедрата по мозък и когнитивност на Масачузетския технологичен институт. Sciences, член на Института за учене и памет Picower на Масачузетския технологичен институт и директор на Центъра за социалния мозък на Simons.

В допълнение към ролята си в сигнализирането на изненада, изследователите също така откриха, че норадреналинът помага за стимулиране на поведение, което води до награда, особено в ситуации, в които има несигурност дали ще бъде предложена награда.

Сур е главният автор на новото изследване, което се появява днес в природата. Винсент Бретън-Прованчър, бивш постдок на MIT, който сега е асистент в университета Лавал, и Габриел Дръмънд, студентка в MIT, са водещи автори на статията.

Модулиращо поведение

Норадреналинът е един от няколкото невромодулатори, които влияят на мозъка, заедно с допамин, серотонин и ацетилхолин. За разлика от невротрансмитерите, които позволяват комуникация от клетка до клетка, невромодулаторите се освобождават върху големи части от мозъка, което им позволява да упражняват по-общи ефекти.

„Смята се, че невромодулиращите вещества перфузират големи области на мозъка и по този начин променят възбуждащото или инхибиторното задвижване, което невроните получават по по-точков начин“, казва Сур. “Това предполага, че те трябва да имат много важни функции за целия мозък, които са важни за оцеляването и за регулирането на състоянието на мозъка.”

Докато учените са научили много за ролята на допамина в мотивацията и преследването на награда, по-малко се знае за други невромодулатори, включително норадреналин. Това е свързано с възбуда и повишаване на бдителността, но твърде много норадреналин може да доведе до тревожност.

Предишни проучвания на locus coeruleus, основният източник на норадреналин в мозъка, показват, че той получава вход от много части на мозъка и също така изпраща своите сигнали надалеч и нашир. В новото проучване екипът на MIT се зае да проучи ролята му в специфичен тип обучение, наречено учене с подсилване, или учене чрез проба и грешка.

За това проучване изследователите обучават мишки да натискат лост, когато чуят високочестотен тон, но не и когато чуят нискочестотен тон. Когато мишките реагираха правилно на високочестотния тон, те получиха вода, но ако натиснат лоста, когато чуят нискочестотен тон, те получиха неприятен въздух.

Мишките също се научиха да натискат лоста по-силно, когато тоновете бяха по-силни. Когато звукът беше по-нисък, те бяха по-несигурни дали трябва да натискат или не. И когато изследователите инхибират активността на locus coeruleus, мишките стават много по-колебливи да натиснат лоста, когато чуят тонове с ниска сила на звука, което предполага, че норадреналинът насърчава поемането на шанс за получаване на награда в ситуации, когато изплащането е несигурно.

„Животното се натиска, защото иска награда, а locus coeruleus предоставя критични сигнали да каже, натиснете сега, защото наградата ще дойде“, казва Сур.

Изследователите също така откриха, че невроните, които генерират този норадреналинов сигнал, изглежда изпращат по-голямата част от изхода си към моторната кора, което предлага повече доказателства, че този сигнал стимулира животните да предприемат действия.

Сигнализираща изненада

Докато този първоначален изблик на норадреналин изглежда стимулира мишките да предприемат действия, изследователите също така откриха, че втори взрив често се случва след приключване на изпитването. Когато мишките получиха очаквана награда, тези изблици бяха малки.

Въпреки това, когато резултатът от процеса беше изненада, изблиците бяха много по-големи. Например, когато една мишка получи струйка въздух вместо наградата, която очакваше, locus coeruleus изпрати голям изблик на норадреналин.

По-голямата част от мозъчния норадреналин се произвежда от двете locus coeruleus ядра, по едно във всяко мозъчно полукълбо. Невроните на locus coeruleus са белязани със зелен флуоресцентен протеин. Кредит: Габи Дръмонд

При последващи опити тази мишка би била много по-малко вероятно да натисне лоста, когато не е сигурно, че ще получи награда. „Животното постоянно коригира поведението си“, казва Сур. “Въпреки че вече е научил задачата, той коригира поведението си въз основа на това, което току-що е направил.”

Мишките също показаха изблици на норадреналин при опити, когато получиха неочаквана награда. Изглежда, че тези изблици разпространяват норадреналин в много части на мозъка, включително префронталната кора, където се осъществява планирането и други по-високи когнитивни функции.

„Функцията за кодиране на изненадата на locus coeruleus изглежда е много по-разпространена в мозъка и това може да има смисъл, защото всичко, което правим, е модерирано от изненада“, казва Сур.

Сега изследователите планират да проучат възможната синергия между норадреналин и други невромодулатори, особено допамин, който също реагира на неочаквани награди. Те също така се надяват да научат повече за това как префронталната кора съхранява краткосрочната памет на входа от locus coeruleus, за да помогне на животните да подобрят представянето си в бъдещи опити.

Вижте също

Това показва мъж, който сваля маска

Финансиране: Изследването е финансирано отчасти от изследователските фондове на Квебек, Съвета за естествени науки и инженерни изследвания на Канада, награда за млад изследовател на NARSAD от Фондацията за изследване на мозъка и поведението, Националните институти по здравеопазване, Инициативата за изследване на аутизма на фондация Simons чрез Simons Център за социалния мозък, Националната природонаучна фондация на Китай и инициативата NIH BRAIN.

За тази новина за изследване на невронауката

автор: Ан Трафтън
Източник: MIT
контакт: Ан Трафтън – MIT
Образ: Изображението е приписвано на Габи Дръмонд

Оригинално изследване: Затворен достъп.
Пространствено-времева динамика на норадреналин по време на заучено поведение”От Мриганка Сур и др. природата


абстрактно

Пространствено-времева динамика на норадреналин по време на заучено поведение

Норадреналинът, освободен от locus coeruleus (LC), е повсеместен невромодулатор, който е свързан с множество функции, включително възбуда, действие и сензорно усилване и учене.

Не е известно дали и как активирането на норадреналин-експресиращи неврони в LC (LC-NA) улеснява различни компоненти на специфично поведение.

Тук показваме, че активността на LC-NA показва отделна пространствено-времева динамика, за да даде възможност за две функции по време на заучено поведение: улесняване на изпълнението на задачата и подсилване на кодирането за подобряване на точността на изпълнението. За да изследваме тези функции, използвахме поведенческа задача при мишки с степенувано откриване на слухови стимули и изпълнение на задачата.

Оптогенетичното инактивиране на LC показва, че активността на LC-NA е причинна както за изпълнението на задачата, така и за оптимизацията. Насочените записи на LC-NA неврони с помощта на фотомаркиране, двуфотонна микро-ендоскопия и двуфотонно изходно наблюдение показват, че преходното активиране на LC-NA предшества поведенческото изпълнение и следва подсилването.

Тези два компонента на фазовата активност бяха хетерогенно представени в LC-NA кортикалните изходи, така че сигналът за поведенческа реакция е по-висок в моторната кора и улеснява изпълнението на задачата, докато сигналът за отрицателно подсилване е широко разпределен между кортикалните региони и подобрява чувствителността на реакцията на последващо изпитание.

Модулното насочване на LC изходите по този начин позволява различни функции, при което някои норадреналинови сигнали се разделят между целите, докато други са широко разпределени.