Pierwotny obszar mózgu może kierować procesem działanie-nagroda

Neurolodzy z Columbia University ujawnili, że pojedynczy obszar mózgu, znany z przetwarzania podstawowych informacji zmysłowych, może również sterować złożonymi czynnikami aktywności umysłowej. Nowe badania z udziałem myszy wykazały, że komórki w korze somatosensorycznej – obszarze mózgu odpowiedzialnym za dotyk – odgrywają również kluczową rolę w uczeniu się zależności działanie-nagroda. To zaawansowany typ uczenia się, który pozwala mózgowi powiązać działanie z przyjemnym rezultatem. Jest to też podstawa toku myślenia, w którym łączymy naszą pracę w biurze z wypłatą i wysoką ocenę z nauką w ramach przygotowań do testu.

Logika mózgu

Najnowsze badania opublikowane ostatnio w Cell Reports, dostarczają dowodów, że uczenie się i pamięć nie są przypisane do kilku wybranych obszarów, ale mogą przenikać cały mózg.

„Nasze mózgi są mistrzami w tworzeniu powiązań i skojarzeń między pozornie różnymi informacjami, ale nie wiedzieliśmy dotąd, gdzie tworzyły się te powiązania”, powiedział dr Randy Bruno, główny badacz w Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute i starszy autor artykułu. „Dzięki tym badaniom, nie tylko byliśmy naocznymi świadkami tworzenia się tych związków na poziomie pojedynczych komórek mózgowych, ale także wykazaliśmy, że rodzaj uczenia się na zasadzie działanie-nagroda występuje w obszarze mózgu, który nie był dotąd uważany za zdolny ku temu.”

Skomplikowana sieć w głowie

Większość komórek składa się po prostu z ciała komórki. Jednak neurony mają bardziej skomplikowany kształt, posiadają gałęzie sterczące na zewnątrz od somy. Te drzewiaste gałęzie, zwane dendrytami, mogą rozciągać się z pojedynczej komórki poprzez tysiące innych, łącząc i wysyłając impulsy elektryczne do dendrytów z sąsiednich neuronów.

Organizacja i układ dendrytów jest szczególnie intrygujący w somatosensorycznej korze mózgowej. Zawiera ona sześć charakterystycznych warstw, trochę jak wielopoziomowy tort. Każda warstwa wygląda trochę inaczej.

„Neurony w korze somatosensorycznej znajdują się głęboko, w warstwach piątej lub szóstej, ale ich dendryty sięgają wysoko w górę” – mówi dr Bruno, który również jest profesorem neurologii w Columbia’s Vagelos College of Physicians and Surgeons. „Rezultatem tego jest skomplikowana sieć dendrytów wypełniających górną warstwę kory czuciowo-somatycznej niczym baldachim gęstego lasu.”

Przebieg eksperymentu

Aby monitorować aktywność w tych dendrytach, naukowcy wytrenowali myszy do wykonania prostego zadania sensorycznego. Myszy użyły swoich wąsów, by wyczuć obecność małego słupka w zaciemnionym pokoju. Po znalezieniu słupka zwierzęta przesunęły dźwignię, która uwolniła wodę jako nagrodę.

„Ponieważ to zadanie wiązało się z odczuciem dotyku zwierząt, spodziewaliśmy się, że dendryty w korze somatosensorycznej będą strzelać, gdy wibrysy dotkną słupka – co zrobiły” – powiedział dr Bruno. „Ale podczas drugiej części zadania, kiedy zwierzę otrzymało nagrodę za wodę, te same dendryty wystrzeliły po raz drugi – czego się nie spodziewaliśmy.”

Co z tego wynika?

Ten wynik, który w bezpośredni sposób łączy funkcję dendrytów czuciowych z nagradzaniem nauki, był frapujący. Uczenie się za nagrodę to proces, w którym mózg łączy sekwencję czynności z odczuwaniem dobrego samopoczucia. Jest więc bardzo prawdopodobne, że nasz układ nerwowy powtórzy te działania. Dziesięciolecia badań wykazały, że uczenie się z perspektywą nagrody jest kierowane przez różne obszary mózgu, ale niewiele uwagi poświęcono dotąd korze zmysłowej.

Zamiast tego, myślano raczej, że kora zmysłowa jedynie przekazuje podstawowe informacje o zewnętrznym bodźcu, takim jak wąsy dotykające słupa. Informacja taka jest przesyłana do kory asocjacyjnej, która zbiera i porządkuje informacje do dalszego przetwarzania w korze czołowej, jednym z najbardziej zaawansowanych obszarów mózgu.

„Nasze odkrycia sugerują, że mózg zaczyna uczyć się złożonych skojarzeń wcześniej, niż dotąd sądzono,” powiedział dr Bruno.

Rzeczywiście, kiedy badacze usunęli słupek, zwierzęta, które zostały przeszkolone w tym zadaniu, miały kolejną niespodziankę. Dendryty zwierząt nadal „strzelały”, gdy podano im wodę. Natomiast woda nie miała wpływu na aktywność neuronów u zwierząt, które nigdy nie nauczyły się tego zadania. Pokazuje to, że ten związek aktywności z reakcją był nabyty w tym zadaniu.

Korzyści dla mózgu

Co do tego, dlaczego mózg mógł ewoluować, aby używać pozornie prostych komórek mózgowych do nauki, dr Bruno sądzi, że może to ewolucyjna metoda mózgu, by przetrwać.

„Prostych skojarzeń można nauczyć się szybciej i dokładniej, jeśli pierwotne obszary sensoryczne od razu wykonują część pracy” – powiedział dr Bruno. „Na przykład uczenie się, że znaki STOP są czerwone i mają wyraźny kształt, pozwala na rozpoczęcie hamowania na długo przedtem, zanim przeczytasz słowo STOP. To zdolność, która pomaga nam w przetrwaniu.”

Co dalej?

Jednym z kluczowych pytań, na które jeszcze nie ma odpowiedzi, jest to, czy również neuroprzekaźnictwo chemiczne (a nie jedynie elektryczne) w korze somatosensorycznej kryje się za odczuwaniem dobrego samopoczucia, które pojawia się wraz z nagrodą.

„Związek chemiczny o nazwie dopamina jest głównym czynnikiem stymulującym uczenie się zależności działanie-nagroda w innych obszarach mózgu. Jednak samej dopaminy praktycznie nie ma w korze somatosensorycznej” – powiedział dr Bruno. „Podczas tego procesu musi działać inny, porównywalny neuromodulator, i to jest coś, co obecnie intensywnie badamy.”

 

Źródło: News Medical and Life Sciences