Anche i vecchi neuroni che controllano le abitudini possono svolgere un ruolo fondamentale nel nuovo action learning

Immagina di lavorare sul tuo computer e di digitare la stessa lunga password che hai usato per anni per accedere alla tua posta elettronica. Per abitudine, esegui questa sequenza quasi inconsciamente. Ma allora, un giorno, ti imbatti in una scorciatoia. È più veloce ma implica l'apprendimento e il ricordo di una nuova serie di tasti premuti.

In uno studio sui roditori, gli scienziati della Icahn School of Medicine del Monte Sinai hanno scoperto che una parte del cervello tradizionalmente pensata per controllare la digitazione della vecchia sequenza può anche svolgere un ruolo fondamentale nell'apprendimento della nuova. I risultati, pubblicato il 25 agosto ^ns in Comunicazioni sulla natura , suggeriscono che questo processo implica un delicato equilibrio nell'attività di due circuiti neurali vicini:uno dedicato a nuove azioni e l'altro a vecchie abitudini.

Per anni gli scienziati hanno pensato che le abitudini e l'apprendimento di nuove, le azioni gratificanti erano molto probabilmente controllate da diverse parti del cervello. Sorprendentemente, abbiamo scoperto che un'area del cervello tradizionalmente pensata per specializzarsi nell'espressione di vecchie abitudini può anche aiutare il cervello ad apprendere nuove azioni. In definitiva, speriamo che questi risultati forniscano nuove intuizioni sulle cellule cerebrali e sui circuiti che sono alla base di una varietà di disturbi che comportano anomalie nel modo in cui le nostre azioni sono controllate, compreso il morbo di Parkinson e la tossicodipendenza”.

Paul J. Kenny, dottorato di ricerca, il professore di Ward-Coleman e presidente del dipartimento di neuroscienze della famiglia Nash al Monte Sinai e l'autore senior dell'articolo

Lo studio è stato condotto da Alexander C. W. Smith, dottorato di ricerca, un istruttore nel laboratorio di Kenny, e Sietse Jonkman, dottorato di ricerca, un ex borsista post-dottorato al Monte Sinai.

L'action learning avviene quando si fa qualcosa, come spostare un oggetto, produce un beneficio, come trovare cibo o evitare un nemico. In questo studio, i ricercatori hanno esaminato il ruolo che svolge lo striato in questo tipo di apprendimento. Situato nel profondo del cervello, lo striato è noto per essere coinvolto nel controllo dei movimenti e delle azioni.

"Sebbene gli scienziati abbiano ipotizzato che lo striato sia coinvolto nell'apprendimento dell'azione, pochi hanno effettivamente testato questa idea, " ha detto il dottor Jonkman. "Volevamo dare uno sguardo approfondito ai circuiti striatali che possono essere coinvolti con l'action learning".

Per fare questo, i ricercatori hanno testato la capacità dei roditori affamati di trovare cibo. Il primo giorno degli esperimenti, i roditori sono stati messi in una gabbia speciale e addestrati a guadagnare cibo premendo una leva del distributore. Ogni volta che un roditore sperimentale premeva la leva riceveva una pallina di cibo mentre i roditori di controllo non ne ricevevano. Due giorni dopo, i ricercatori hanno testato l'apprendimento rimettendo i roditori nella gabbia speciale. Una volta in gabbia, i roditori sperimentali premevano energicamente la leva anche se non erogava più cibo, indicando che avevano appreso con successo la nuova azione, mentre i roditori di controllo cercherebbero tutt'intorno e premerebbero la leva solo poche volte.

In diversi momenti durante gli esperimenti, i ricercatori hanno esaminato l'attività neurale nel cervello dei roditori. Hanno scoperto che subito dopo una sessione di allenamento, i neuroni in aree specifiche dello striato erano più attivi nei roditori sperimentali rispetto a quelli del gruppo di controllo. Questo era un periodo in cui si sa che la memoria dell'azione appena appresa è stata immagazzinata, o codificato, nel cervello per un uso successivo. Soprattutto, questo è stato visto nello striato dorsolaterale, lo striato dorsomediale posteriore, e il nucleo accumbens, suggerendo che queste aree hanno svolto un ruolo nell'apprendimento.

Per testare ulteriormente questo, i ricercatori hanno iniettato in ciascuna area un farmaco, anisomicina, che impedisce alle cellule di produrre le proteine ​​necessarie per la conservazione della memoria a lungo termine. Il farmaco è stato iniettato subito dopo una sessione di allenamento o sei ore dopo, un tempo in cui le nuove proteine ​​necessarie per l'immagazzinamento della memoria dovrebbero essere già state prodotte. inaspettatamente, i ricercatori hanno scoperto che il farmaco ha interrotto la capacità degli animali di ricordare la nuova azione solo quando è stato iniettato nello striato dorsolaterale subito dopo la sessione di allenamento. Le iniezioni in altre aree non hanno avuto effetto sull'apprendimento.

"Siamo rimasti sorpresi da questi risultati. Tradizionalmente, si pensa che l'action learning sia codificato dallo striato dorsomediale posteriore mentre lo striato dorsolaterale si occupa solo delle abitudini. Ma non è quello che abbiamo visto, " ha detto il dottor Smith. "Invece i nostri risultati hanno suggerito che oltre a regolare le abitudini, lo striato dorsolaterale consolida anche l'apprendimento dell'azione subito dopo che la nuova azione è stata appresa."

Ulteriori esperimenti hanno supportato questa idea. Ad esempio, bloccare chimicamente l'attività dei neuroni nello striato dorsolaterale subito dopo una sessione di allenamento ha anche impedito ai roditori di ricordarsi di usare la leva per recuperare il cibo.

Finalmente, quando i ricercatori hanno esaminato più da vicino quest'area, hanno scoperto che l'apprendimento può essere controllato da due circuiti neurali vicini e contrastanti noti per rispondere al neurotrasmettitore dopamina. In un circuito, l'attività delle cellule chiamate neuroni spinosi medi del recettore D1 è aumentata immediatamente dopo l'allenamento, e l'inibizione di queste cellule ha ostacolato l'apprendimento. In contrasto, l'attività delle altre cellule, chiamati neuroni spinosi medi del recettore D2, calmato dopo l'addestramento e il blocco della loro attività ha migliorato la capacità degli animali di ricordare la nuova azione. In una serie separata di esperimenti i ricercatori hanno scoperto che il blocco dell'attività dei neuroni D2 ha impedito ai roditori di mostrare abitudini apprese in precedenza.

"I nostri risultati suggeriscono che esiste un delicato equilibrio tra l'apprendimento di nuove azioni e l'espressione di vecchie abitudini, che è controllato dall'attività yin-yang di due diverse popolazioni di neuroni nello striato dorsolaterale, " ha detto il dottor Kenny. "In futuro, abbiamo in programma di studiare come l'interruzione di questo equilibrio contribuisce alle azioni disadattive nei disturbi cerebrali".

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