Reakcje mózgu na niespodziewane wydarzenia

Czy i w jaki sposób mózg uczy się na postawie tego, czego nie da się przewidzieć? Jaką rolę w tym procesie odgrywa jeden z neuroprzekaźników – noradrenalina? Sprawdzamy. 

Naukowcy odkryli, że jednym z kluczowych zadań neuromodulatora noradrenaliny (wytwarzanego przez układ współczulny) jest pomaganie mózgowi w uczeniu się na podstawie niespodziewanych wyników.

Rola noradrenaliny

Zgodnie z wynikami nowego badania przeprowadzonego przez naukowców z popularnego Massachusetts Institute of Technology (MIT), jeżeli mózg potrzebuje zwrócić uwagę na coś ważnego, wysyła impuls noradrenaliny (jest to jeden ze sposobów).

Ten neuromodulator, wytwarzany przez strukturę znajdującą się głęboko w mózgu, zwaną locus coeruleus (miejsce sinawe), może mieć rozległe działanie w całym organie. W badaniu przeprowadzonym na myszach zespół z MIT odkrył, że jedną z kluczowych ról noradrenaliny jest pomaganie mózgowi w uczeniu się na podstawie wyników nie dających się przewidzieć.

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.

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.

Poprzednie badania nad locus coeruleus – głównym źródłem noradrenaliny w mózgu – wykazały, że otrzymuje on sygnały z wielu obszarów mózgu, także samodzielnie 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 potocznie nazywaną metodą prób i błędów.

Na potrzeby tego badania naukowcy wytrenowali myszy, by naciskały dźwignię, gdy słyszały ton o wysokiej częstotliwości oraz nie naciskały, gdy słyszały ton o niskiej częstotliwości. Jeżeli myszy prawidłowo reagowały na ton o wysokiej częstotliwości, otrzymywały wodę. Natomiast jeżeli naciskały dźwignię w reakcji na ton o niskiej częstotliwości, dostawały nieprzyjemny powiew powietrza.

Według naukowców, gryzonie naciskały dźwignię, aby otrzymać nagrodę. Wspomniany locus coeruleus wysyłał sygnał zachęcający do działania, dając informację o czekającej nagrodzie. Myszy nauczyły się również mocniej naciskać dźwignię, gdy tony były głośniejsze. Występowały jednak wątpliwości u myszy w kontekście niższych tonów, nie wiedziały, jak reagować. Badacze w następnej fazie zahamowali aktywność nerwu rdzeniowego (locus coeruleus), skutkiem czego myszy były bardziej niezdecydowane w stosunku do reagowania na dźwięki o niskiej głośności. Obserwacja ta sugeruje, że noradrenalina sprzyja podejmowaniu ryzyka otrzymania nagrody w sytuacjach, w których jej wysokość jest niepewna.

Sygnał zaskoczenia

Chociaż wydaje się, że początkowy przypływ noradrenaliny pobudza myszy do działania, badacze odkryli coś więcej. Mianowicie po zakończeniu próby często następuje drugi przypływ. Gdy myszy otrzymywały oczekiwaną nagrodę, wybuchy te były niewielkie. Natomiast gdy wynik próby był zaskoczeniem, wybuchy były znacznie większe. Przykładowo: kiedy mysz zamiast spodziewanej nagrody otrzymała podmuch powietrza, locus coeruleus w odpowiedzi wysyłał duży impuls noradrenaliny. W kolejnych próbach mysz znacznie rzadziej naciskała dźwignię, jeżeli miała wątpliwości wobec otrzymania nagrody.

Naukowcy planują teraz zbadać ewentualną synergię między noradrenaliną a innymi neuromodulatorami, zwłaszcza dopaminą, także reagującą 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.