Hjärnkartor över belöning anpassar sig snabbt till nya upplevelser
Hjärnkartor över belöningar anpassar sig snabbt till nya upplevelser
Tänk dig att du går till jobbet när det ofattbara inträffar: Ditt kafé - där du stannar varje dag är stängt. Du styr omtöcknat bort till ett nyöppnat kafé ett par kvarter bort, vilket du glatt upptäcker faktiskt har en god frukostdryck. Snart ser du fram emot att stanna till på den nya platsen istället för den gamla.
Den förändringen förändrar förmodligen mer än bara din morgonrutin. Varje gång du besöker det nya kaféet förstärks upplevelsen sannolikt av en neural karta som markerar positionerna för givande upplevelser - en karta som kan vägleda dig tillbaka till dessa upplevelser på flera kilometers avstånd.
Medan existensen av en belöningskarta är bekant från tidigare arbete, blev Wu Tsai, neuro-forskare som arbetade med möss förvånad över att upptäcka att kartan kvarstår även när möss rör bort från en godbit, och att den uppdateras nästan omedelbart när platsen för godbiten ändras.
"Oavsett var vi flyttade belöningen anpassade belöningskartan nästa omedelbart", sa Lisa Giocomo, professor i neurobiologi vid Stanford Medicine och en av Wu Tsais biträdande direktörer.
"Jag förväntade mig inte att förändringen skulle ske så snabbt."
Resultaten skulle kunna belysa en mängd olika mänskliga tillstånd, inklusive demens och missbruk, samt belysa en viktig aspekt av hur djur överlever i det vilda.
För att studera hur givande upplevelser kodas i mössens hjärnor ersatte Giocomo och hennes kollegor först en bit av en musskalle med ett transparent fönster. Det gjorde det möjligt för forskarna att använda en känslig teknik som kallas tvåfotonmikroskopi för att observera neural aktivitet i realtid i en region i hjärnan som kallas hippocampus.
Mössen var tvungna att stanna under ett stationärt mikroskop för att tekniken skulle fungera, så istället för att låta djuren söka efter belöningar i verkligheten använde forskarna en virtuell miljö.
"Folk föreställer sig möss med miniatyr-VR-glasögon, men i själva verket är det mer som en IMAX-biograf" sa Marielena Sosa, en postdoktor som utförde arbetet tillsammans med den tidigare doktoranden Mark Plitt från Giocomo Lab, en medlem av Wi Tsai Neuros program Mind, Brain, Computation and Technology.
Mössen sprang på hjul medan de var omgivna av tre stora bildskärmar som spelade en video av en korridor som gick framåt medan de sprang. Forskarna programmerade apparaten så att den gav en droppe sockervatten till musen när den närmade sig en viss plats i den virtuella miljön.
Teamet flyttade sedan den virtuella platsen för sockervattnet och tittade på hur den neurala aktiviteten i hjärnan anpassade sig.
Som de förväntade sig upprätthöll en population av neuroner i hippocampus en stabil karta över miljön. Mindre väntat var observationen att en separat population av neuroner sömlöst slogs av och på när belöningens plats ändrades, vilket lade till ett lager av anpassningsförmåga som gjorde att musen enkelt kunde justera när matens plats ändrades - en viktig taktik i det vilda.
Neuronerna som utgör de två kartorna är inte heller distinkta. Snarare kan neuronerna som utgör den rumsliga kartan ibland växla till att vara involverade i belöningskartan och vice versa.
Det totala antalet neuroner i den rumsliga kartan förblev dock relativt konstant, medan antalet neuroner som utgör belöningskartan ökade när musen återvände till belöningen.
så småningom kunde belöningskartan hålla reda på ett djurs position i förhållande till sockervattnet på flera meters avstånd. På en mänsklig skala skulle det kunna motsvara många stadskvarter.
När forskarna ändrade godisets position var "växlingen på neural nivå uppenbar redan före växlingen på beteendenivå", sa Sosa.
Det skulle betyda att den neurala belöningskartan formar en mus framtida beteende lika mycket som dess tidigare beteende formar kartan.
Det finns bevis för att människor också lagrar platser de avser att återvända till i en separat uppsättning neuroner än de som används för att kartlägga sin allmänna omgivning. Att förstå sambanden mellan dessa två kartor skulle kunna vara relevanta för demens och beroendesjukdomar, tror forskarna.
Personer med demens tenderar att glömma i vilken sekvens händelserna inträffade, vilket åtminstone delvis kan förklaras av en förlust av förmågan att visualisera var de befann sig när de slutförde vissa uppgifter.
Till exempel kan någon med demens kanske inte komma ihåg om de drack sitt morgonkaffe i köket eller tog med sig det till bilen, medan en frisk person tydligt skulle kunna minnas att de satt vid sitt köksbord med en kopp i handen.
Den skillnaden skulle kunna förklaras av en separation mellan belöningskartan och den rumsliga kartan hos personer med demens.
När det gäller beroende är minnen av givande upplevelser, som att använda droger, ofta starkt knutna till rumsliga platser.
"Någon som använder droger för första gången på en konsert kan alltid bli triggad av att söka upp droger när det är på en konsert. Och det kan vara ett stort problem eftersom det får människor i rehabilitering att återfalla när de stöter på dessa utlösande miljöer", sa Giocomo.
Det kan bero på att länken mellan belöningskartan och den rumsliga karta som skapas av den kraftfulla drogen är ohälsosamt stark.
Att förstå de neurala länkarna mellan rumslig information och belöningar kan i slutändan leda till behandlingar som försvagar dess länkar och hjälper människor att övervinna begär som orsakas av specifika platser. Omvänt kan behandlingar som stärker länkarna hjälpa människor som lever med demens.
Forskargruppen har fler frågor, varav en är hur belöningskartor vägleder djur när de utforskar sina naturliga miljöer.
"Om du är en mus, hur bestämmer du dig för om du vill utforska möjligheten att hitta mat på nya platser eller återvända till en plats där du har hittat mat tidigare?" undrar Giocomo.
Att studera sådana frågor skulle kunna avslöja hur människor bestämmer sig när de de väljer mellan att söka nya upplevelser eller att återgå till tryggheten av gamla vanor.
Forskarna undrar också om trevliga upplevelser utöver mat kartläggs med hjälp av denna typ av neural struktur. Är till exempel platserna för sociala interaktioner markerade på belöningskartor? Möss och människor är både mycket sociala djur, men använder vi samma typ av mentala kartor för att hitta våra vänner som vi använder för att hitta mat?
Giocomo tror att hennes labb har verktygen för att ta reda på det. "Tekniken är äntligen i det skede där vi kan börja ta itu med några av dessa mer komplexa beteenden", sa hon.
Kommentarer
Skicka en kommentar