Oude gewoonte-controlerende neuronen kunnen ook een cruciale rol spelen bij het leren van nieuwe acties

Jarenlang dachten wetenschappers dat gewoonten en het leren van nieuwe, belonende acties werden hoogstwaarschijnlijk gecontroleerd door verschillende delen van de hersenen. Verrassend genoeg, we ontdekten dat een hersengebied waarvan men dacht dat het zich specialiseerde in het uiten van oude gewoonten, de hersenen ook kan helpen nieuwe handelingen te leren. uiteindelijk, we hopen dat deze resultaten nieuwe inzichten verschaffen in de hersencellen en circuits die ten grondslag liggen aan een verscheidenheid aan aandoeningen die afwijkingen in de manier waarop onze acties worden gecontroleerd, inhouden, inclusief de ziekte van Parkinson en drugsverslaving."

Paul J. Kenny, doctoraat, de Ward-Coleman Professor en voorzitter van de Nash Family Department of Neuroscience op Mount Sinai en de senior auteur van het artikel

De studie werd geleid door Alexander C.W. Smith, doctoraat, een instructeur in het Kenny-lab, en Sietse Jonkman, doctoraat, een voormalig postdoctoraal fellow op de berg Sinaï.

Action learning vindt plaats als je iets doet, zoals het verplaatsen van een object, levert een voordeel op, zoals het vinden van voedsel of het ontwijken van een vijand. In dit onderzoek, de onderzoekers onderzochten de rol die het striatum speelt bij dit soort leren. Gelegen diep in de hersenen, het is bekend dat het striatum betrokken is bij het beheersen van bewegingen en acties.

"Hoewel wetenschappers de hypothese hebben aangenomen dat het striatum betrokken is bij actieleren, weinigen hebben dit idee echt getest, " zei Dr. Jonkman. "We wilden een diepgaande blik werpen op de striatale circuits die betrokken kunnen zijn bij action learning."

Om dit te doen, de onderzoekers testten het vermogen van hongerige knaagdieren om voedsel te vinden. Op dag één van de experimenten, de knaagdieren werden in een speciale kooi gestopt en getraind om voedsel te verdienen door op een dispenserhendel te drukken. Elke keer dat een experimenteel knaagdier op de hendel drukte, ontving het een voedselpellet, terwijl controleknaagdieren er geen kregen. Twee dagen later, de onderzoekers testten het leren door de knaagdieren terug in de speciale kooi te plaatsen. Eenmaal in de kooi, de experimentele knaagdieren drukten krachtig op de hendel, hoewel het geen voedsel meer afleverde, wat aangeeft dat ze de nieuwe actie met succes hadden geleerd, terwijl de controleknaagdieren overal zouden zoeken en slechts een paar keer op de hendel zouden drukken.

Op verschillende momenten tijdens de experimenten, de onderzoekers onderzochten de neurale activiteit in de hersenen van de knaagdieren. Ze ontdekten dat direct na een training, neuronen in specifieke delen van het striatum waren actiever bij experimentele knaagdieren dan die in de controlegroep. Dit was een periode waarin bekend is dat de herinnering aan de nieuw geleerde actie werd opgeslagen, of gecodeerd, in de hersenen voor later gebruik. Met name, dit werd gezien in het dorsolaterale striatum, het achterste dorsomediale striatum, en de nucleus accumbens, suggereren dat deze gebieden een rol speelden bij het leren.

Om dit verder te testen, de onderzoekers injecteerden in elk gebied een medicijn, anisomycine, die voorkomt dat cellen de eiwitten produceren die nodig zijn voor langetermijngeheugenopslag. Het medicijn werd ofwel direct na een trainingssessie ofwel zes uur later geïnjecteerd, een tijd waarin de nieuwe eiwitten die nodig zijn voor geheugenopslag al geproduceerd hadden moeten zijn. Onverwacht, de onderzoekers ontdekten dat het medicijn alleen het vermogen van de dieren om de nieuwe actie te onthouden verstoorde wanneer het onmiddellijk na de trainingssessie in het dorsolaterale striatum werd geïnjecteerd. Injecties in andere gebieden hadden geen effect op het leren.

"We waren verrast door deze resultaten. Traditioneel men denkt dat action learning wordt gecodeerd door het achterste dorsomediale striatum, terwijl het dorsolaterale striatum alleen voor gewoonten zorgt. Maar dat is niet wat we zagen, " zei Dr. Smith. "In plaats daarvan suggereerden onze resultaten dat naast het reguleren van gewoonten, het dorsolaterale striatum consolideert ook het leren van acties onmiddellijk nadat de nieuwe actie is geleerd."

Verdere experimenten ondersteunden dit idee. Bijvoorbeeld, het chemisch blokkeren van de activiteit van neuronen in het dorsolaterale striatum kort na een trainingssessie verhinderde ook dat de knaagdieren eraan herinnerden de hendel te gebruiken om voedsel op te halen.

Eindelijk, toen de onderzoekers dit gebied nader bekeken, ze ontdekten dat leren kan worden gecontroleerd door twee aangrenzende en tegenwerkende neurale circuits waarvan bekend is dat ze reageren op de neurotransmitter dopamine. In één kring, de activiteit van cellen genaamd D1-receptor medium stekelige neuronen nam onmiddellijk na de training toe, en het remmen van deze cellen belemmerde het leren. In tegenstelling tot, de activiteit van de andere cellen, genaamd D2-receptor medium stekelige neuronen, tot rust gebracht na de training en het blokkeren van hun activiteit verbeterde het vermogen van de dieren om de nieuwe actie te onthouden. In een afzonderlijke reeks experimenten ontdekten de onderzoekers dat het blokkeren van D2-neuronactiviteit verhinderde dat de knaagdieren eerder aangeleerde gewoonten vertoonden.

"Onze resultaten suggereren dat er een delicaat evenwicht is tussen nieuw leren in actie en het uiten van oude gewoonten, die wordt gecontroleerd door de yin-yang-activiteit van twee verschillende populaties van neuronen in het dorsolaterale striatum, " zei Dr. Kenny. "In de toekomst, we zijn van plan te onderzoeken hoe verstoring van dit evenwicht bijdraagt ​​aan onaangepaste acties bij hersenaandoeningen."

• COVID-19-vaccin roept antilichaamreacties op bij bijna 9 van de 10 mensen die immunosuppressiva gebruiken
• Intestinale micro-organismen helpen bij het reguleren van anti-tumor immuunresponsen op bestralingstherapie,