Quando il tuo cervello ha bisogno che tu presti attenzione a qualcosa di importante, un modo in cui può farlo è inviare una scarica di noradrenalina, secondo un nuovo studio del MIT. Questo neuromodulatore, prodotto da una struttura nel profondo del cervello chiamata locus coeruleus, può avere effetti diffusi in tutto il cervello.
In uno studio sui topi, il team del MIT ha scoperto che un ruolo chiave della noradrenalina, nota anche come noradrenalina, è aiutare il cervello a imparare da risultati sorprendenti. “Ciò che questo lavoro mostra è che il locus coeruleus codifica eventi inaspettati e prestare attenzione a quegli eventi sorprendenti è fondamentale per il cervello per fare il punto sul suo ambiente”,
afferma Mriganka Sur, professore di neuroscienze di Newton presso il Dipartimento di cervello e cognitivo del MIT Sciences, membro del Picower Institute for Learning and Memory del MIT e direttore del Simons Center for the Social Brain.
Oltre al suo ruolo nel segnalare sorpresa, i ricercatori hanno anche scoperto che la noradrenalina aiuta a stimolare comportamenti che portano a una ricompensa, in particolare in situazioni in cui vi è incertezza sul fatto che una ricompensa verrà offerta.
Sur è l’autore senior del nuovo studio, che appare oggi su Nature. Vincent Breton-Provencher, un ex post-dottorato del MIT che ora è assistente professore alla Laval University, e Gabrielle Drummond, una studentessa laureata del MIT, sono gli autori principali dell’articolo.
Cervello: comportamento modulante
La noradrenalina è uno dei numerosi neuromodulatori che influenzano il cervello, insieme a dopamina, serotonina e acetilcolina. A differenza dei neurotrasmettitori, che consentono la comunicazione cellula-cellula, i neuromodulatori vengono rilasciati su ampie fasce del cervello, consentendo loro di esercitare effetti più generali.
“Si pensa che le sostanze neuromodulatorie perfondano vaste aree del cervello e quindi alterino la spinta eccitatoria o inibitoria che i neuroni stanno ricevendo in modo più puntuale”, afferma Sur. “Questo suggerisce che devono avere funzioni cerebrali molto consistenti che sono importanti per la sopravvivenza e per la regolazione dello stato cerebrale”.
Mentre gli scienziati hanno imparato molto sul ruolo della dopamina nella motivazione e nel perseguimento della ricompensa, si sa meno degli altri neuromodulatori, inclusa la noradrenalina. È stato collegato all’eccitazione e all’aumento della vigilanza, ma troppa noradrenalina può portare all’ansia.
Precedenti studi sul locus coeruleus, la principale fonte di noradrenalina nel cervello, hanno dimostrato che riceve input da molte parti del cervello e invia anche i suoi segnali in lungo e in largo. Nel nuovo studio, il team del MIT ha deciso di studiare il suo ruolo in un tipo specifico di apprendimento chiamato apprendimento per rinforzo, o apprendimento per tentativi ed errori.
Per questo studio, i ricercatori hanno addestrato i topi a spingere una leva quando sentivano un tono ad alta frequenza, ma non quando sentivano un tono a bassa frequenza. Quando i topi hanno risposto correttamente al tono ad alta frequenza, hanno ricevuto acqua, ma se hanno premuto la leva quando hanno sentito un tono a bassa frequenza, hanno ricevuto uno sgradevole soffio d’aria.
I topi hanno anche imparato a spingere più forte la leva quando i toni erano più forti. Quando il volume era più basso, erano più incerti sul fatto che dovessero spingere o meno. E, quando i ricercatori hanno inibito l’attività del locus coeruleus, i topi sono diventati molto più riluttanti a spingere la leva quando hanno sentito toni a basso volume, suggerendo che la noradrenalina promuove la possibilità di ottenere una ricompensa in situazioni in cui il guadagno è incerto.
“L’animale sta spingendo perché vuole una ricompensa e il locus coeruleus fornisce segnali critici per dire, spingi ora, perché la ricompensa arriverà”, dice Sur.
I ricercatori hanno anche scoperto che i neuroni che generano questo segnale di noradrenalina sembrano inviare la maggior parte della loro produzione alla corteccia motoria, il che offre ulteriori prove del fatto che questo segnale stimola gli animali ad agire.
Segnalazione della sorpresa
Mentre quella esplosione iniziale di noradrenalina sembra stimolare i topi ad agire, i ricercatori hanno anche scoperto che una seconda esplosione si verifica spesso al termine della prova. Quando i topi hanno ricevuto una ricompensa prevista, queste esplosioni erano piccole. Tuttavia, quando l’esito del processo è stato una sorpresa, le esplosioni sono state molto più grandi. Ad esempio, quando un topo riceveva un soffio d’aria invece della ricompensa che si aspettava, il locus coeruleus emetteva una grande esplosione di noradrenalina.
Nelle prove successive, quel topo avrebbe molto meno probabilità di spingere la leva quando era incerto che avrebbe ricevuto una ricompensa. “L’animale adatta costantemente il suo comportamento”, dice Sur. “Anche se ha già appreso il compito, sta modificando il suo comportamento in base a ciò che ha appena fatto”.
I topi hanno anche mostrato esplosioni di noradrenalina durante le prove quando hanno ricevuto una ricompensa inaspettata. Queste esplosioni sembravano diffondere la noradrenalina in molte parti del cervello, inclusa la corteccia prefrontale, dove si verificano la pianificazione e altre funzioni cognitive superiori.
“La funzione di codifica a sorpresa del locus coeruleus sembra essere molto più diffusa nel cervello e questo può avere senso perché tutto ciò che facciamo è moderato di sorpresa”, afferma Sur.
I ricercatori ora intendono esplorare la possibile sinergia tra la noradrenalina e altri neuromodulatori, in particolare la dopamina, che risponde anche a ricompense inaspettate. Sperano anche di saperne di più su come la corteccia prefrontale memorizza la memoria a breve termine dell’input dal locus coeruleus per aiutare gli animali a migliorare le loro prestazioni nelle prove future.
La ricerca è stata finanziata in parte dal Quebec Research Funds, dal Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, da un NARSAD Young Investigator Award dalla Brain and Behavior Research Foundation, dal National Institutes of Health, dalla Simons Foundation Autism Research Initiative attraverso il Simons Center for the Social Brain, National Natural Science Foundation of China e NIH BRAIN Initiative.