28.07.2021 - Massachusetts Institute of Technology

Neurowissenschaftler postulieren, dass eine Gehirnregion ein zentraler Ort des Lernens ist

Die kleine und scheinbar spezialisierte Region des Locus coeruleus (LC) des Gehirns ist für ihren übergroßen Export des erregungsfördernden Neuromodulators Noradrenalin bekannt. In einer neuen Arbeit und mit einem neuen Zuschuss der National Institutes of Health zeigt ein neurowissenschaftliches Labor des MIT, dass der Locus Coeruleus nicht nur ein Alarmknopf ist, sondern einen vielschichtigeren und facettenreicheren Einfluss auf Lernen, Verhalten und psychische Gesundheit hat, als ihm bisher zugeschrieben wurde.

Mit Inputs aus mehr als 100 anderen Hirnregionen und einer ausgefeilten Kontrolle darüber, wohin und wann es Noradrenalin (NE) aussendet, könnte die winzige Population überraschend vielfältiger Zellen des LC ein wichtiger Regulator des Lernens durch Belohnung und Bestrafung sein und diese Erfahrung dann zur Optimierung des Verhaltens einsetzen, so Mriganka Sur, Newton-Professor für Neurowissenschaften am Picower Institute for Learning and Memory und der Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT.

"Was früher als homogener Nukleus angesehen wurde, der einen globalen, einheitlichen Einfluss auf seine vielen verschiedenen Zielregionen ausübt, wird jetzt als heterogene Population von NE-freisetzenden Zellen angesehen, die möglicherweise sowohl räumliche als auch zeitliche Modularität aufweisen, die ihre Funktionen steuern", schreiben Sur, der Postdoc Vincent Breton-Provencher und die Doktorandin Gabrielle Drummond in einem Übersichtsartikel, der letzten Monat in Frontiers in Neural Circuits veröffentlicht wurde.

In dem Artikel werden zahlreiche neue Erkenntnisse von Surs Gruppe und vielen anderen vorgestellt, die darauf hindeuten, dass der LC sensorische Inputs und interne kognitive Zustände aus dem gesamten Gehirn integrieren kann, um seinen NE-vermittelten Einfluss auf Handlungen - durch die Drosselung von NE auf den motorischen Kortex - und die Verarbeitung der daraus resultierenden Rückmeldungen über Belohnung oder Bestrafung - durch die Drosselung von NE auf den präfrontalen Kortex - präzise auszuüben.

Um diese Hypothese zu untersuchen, hat das Team mit einem NIH-Zuschuss in Höhe von 2,1 Millionen Dollar und einer Laufzeit von 5 Jahren, der im April gewährt wurde, seine Arbeit aufgenommen. In dieser Studie werden Mäuse mit Lernaufgaben konfrontiert, bei denen sie durch Töne in verschiedenen Tonhöhen und Lautstärken stimuliert werden. Im Laufe des Trainings lernen die Mäuse, dass das Drücken eines Hebels eine Belohnung bringt, wenn der Ton hoch ist, und dass die richtige Reaktion bei einem tiefen Ton darin besteht, nicht zu drücken, um nicht einen unangenehmen Luftstoß zu bekommen. Indem die Experimentatoren die Lautstärke des Tons variieren, variieren sie die Gewissheit der Mäuse, dass sie den Hinweis richtig gehört haben.

Die Hypothese (die durch vorläufige Daten bestätigt wird) sagt voraus, dass NE in mehrfacher Hinsicht von entscheidender Bedeutung sein wird, so Sur. Wenn die Maus den Hinweiston hört, sendet der LC bei niedriger Tonhöhe weniger NE über eine Reihe von Neuronen an den motorischen Kortex, was die Annahme des Tieres widerspiegelt, dass der Hebel nicht gedrückt werden sollte, weil keine Belohnung winkt. Je niedriger die Lautstärke, desto unsicherer ist das Tier in seiner Entscheidung. Umgekehrt würde ein hoher Ton mit hoher Lautstärke mehr NE senden, was die Gewissheit des Tieres widerspiegelt, dass das Betätigen des Hebels eine Belohnung nach sich ziehen würde.

Nachdem die Maus gehandelt hat, wird umso mehr NE produziert, je überraschender die Rückmeldung ist, und dieses über eine bestimmte Gruppe an den präfrontalen Kortex gesendet, wodurch ein stärkeres Lernen angeregt wird. Wenn die Maus beispielsweise einen schwachen, hohen Ton hört und vorsichtig den Hebel drückt, wird die Überraschung über die daraus resultierende Belohnung eine starke NE-Ausgabe stimulieren, um den präfrontalen Kortex zu instruieren, da ihre Erwartungen nicht sehr hoch waren. Wann immer eine Maus falsch rät und einen Luftstoß spürt, wird dies die stärkste NE-Ausschüttung an den präfrontalen Kortex stimulieren. Nach einer solchen Dynamik hat Sur's Team konsistente Leistungsveränderungen beim nächsten Versuch beobachtet.

"Auf diese Weise kann Noradrenalin als Erregungssignal betrachtet werden, aber es ist auch, und das ist wichtig, im Kontext der fortlaufenden Funktion ein Lernsignal", sagte Sur. "Es ist sowohl ein Ausführungssignal als auch ein Lernsignal, für beide können wir die tatsächlichen quantitativen Beziehungen beschreiben."

Das Team wird nicht nur die Aktivität der LC-NE-Neuronen messen, sondern sie auch mit Hilfe der Optogenetik (bei der Neuronen mit Licht gesteuert werden können) übernehmen, so dass sie die LC-NE-Ausgabe abschalten oder verstärken können, um zu zeigen, wie sich dies jeweils auf Handlung und Lernen auswirkt.

Das Verständnis der wahren Natur der Funktionsweise des LC könnte für die Verbesserung der Behandlung bestimmter Störungen nützlich sein, so Sur. Eine mögliche Behandlung für PTBS beispielsweise beinhaltet die Dämpfung der Empfänglichkeit für NE, was jedoch auch die Schläfrigkeit fördert. Eine prinzipiellere und präzisere Behandlung könnte die Wirksamkeit verbessern und diese Nebenwirkungen verringern, sagte er.

"Die Hoffnung ist, das Angstgefühl zu beeinflussen, aber nicht müde zu machen, wenn wir die Ziele und die Theorie dahinter verstehen", sagte Sur. "Das ist die Hoffnung der Grundlagenforschung bei der Behandlung von Störungen - die Dinge immer spezifischer zu machen, die Schaltkreise und die Spezifität der Funktionen zu definieren, an denen ein System beteiligt ist."

Außerdem sei der LC eine frühe Region, die bei der Alzheimer-Krankheit betroffen sei. Wenn dieser Verlust richtig angegangen wird, könnte dies dazu beitragen, Formen des Lernens und der Kognition zu erhalten.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über MIT