Naukowcy identyfikują, w jaki sposób obwody mózgowe myszy wzmacniają błędy przewidywania sensorycznego poprzez unikalną interakcję między korą nową a wzgórzem, rzucając światło na mechanizmy, które mogą przyczyniać się do rozwoju ASD i SSD.
Naukowcy z Sainsbury Wellcome Center na UCL odkryli, w jaki sposób kora nowa i wzgórze współpracują, aby wykryć rozbieżności między oczekiwaniami zwierząt od otoczenia a rzeczywistymi wydarzeniami. Te błędy przewidywania są realizowane poprzez selektywne wzmacnianie nieoczekiwanych informacji sensorycznych. Odkrycia te pogłębiają naszą wiedzę na temat przetwarzania predykcyjnego w mózgu i mogą zapewnić wgląd w zmiany w obwodach mózgowych w przypadku zaburzeń ze spektrum autyzmu (ASD) i zaburzeń ze spektrum schizofrenii (SSD).
Badanie, opublikowane niedawno w Natura, opisuje, jak naukowcy badali myszy w środowisku rzeczywistości wirtualnej, aby uzyskać wgląd w naturę sygnałów błędów przewidywania w mózgu i mechanizmy stojące za ich rozwojem.
Odkrywanie mechanizmów neuronowych
„Nasze mózgi nieustannie przewidują, czego się spodziewać w otaczającym nas świecie i konsekwencje naszych działań. Kiedy te przewidywania okazują się błędne, powoduje to silną aktywację różnych obszarów mózgu, a takie sygnały błędów przewidywań są ważne, pomagają nam uczyć się na błędach i aktualizować nasze przewidywania. Jednak pomimo ich znaczenia zaskakująco niewiele wiadomo na temat mechanizmów obwodów nerwowych odpowiedzialnych za ich realizację w mózgu” – wyjaśniła profesor Sonja Hofer, kierownik grupy w SWC i autorka korespondencyjna artykułu.
Aby zbadać, jak mózg przetwarza oczekiwane i nieoczekiwane zdarzenia, naukowcy umieścili myszy w środowisku rzeczywistości wirtualnej, gdzie mogły poruszać się znajomym korytarzem, aby dotrzeć do nagrody. Wirtualne środowisko umożliwiło zespołowi precyzyjną kontrolę sygnału wizualnego i wprowadzenie nieoczekiwanych obrazów na ściany. Stosując technikę zwaną dwufotonowym obrazowaniem wapnia, badaczom udało się zarejestrować aktywność neuronową wielu pojedynczych neuronów w pierwotnej korze wzrokowej, pierwszym obszarze kory nowej, który odbiera informacje wzrokowe z oczu.
Lepsze zrozumienie poprzez eksperymenty
„Poprzednie teorie sugerowały, że sygnały błędu przewidywania kodują sposób, w jaki rzeczywisty sygnał wizualny różni się od oczekiwań, ale, co zaskakujące, nie znaleźliśmy na to żadnych eksperymentalnych dowodów. Zamiast tego odkryliśmy, że mózg wzmacnia reakcje neuronów, które najsilniej preferują nieoczekiwane bodźce wzrokowe. Sygnał błędu, który obserwujemy, jest konsekwencją tego selektywnego wzmocnienia informacji wizualnej. Oznacza to, że nasz mózg wykrywa rozbieżności między przewidywaniami a rzeczywistymi danymi wejściowymi, dzięki czemu nieoczekiwane zdarzenia stają się bardziej widoczne” – wyjaśnił dr Shohei Furutachi, starszy pracownik naukowy w laboratoriach Hofer i Mrsic-Flogel w SWC oraz pierwszy autor badania.
Aby zrozumieć, w jaki sposób mózg generuje wzmocnienie nieoczekiwanych bodźców zmysłowych w korze wzrokowej, zespół zastosował technikę zwaną optogenetyką w celu dezaktywacji lub aktywacji różnych grup neuronów. Odkryli dwie grupy neuronów, które odegrały ważną rolę w wywoływaniu sygnału błędu przewidywania w korze wzrokowej: interneurony hamujące wykazujące wazoaktywny polipeptyd jelitowy (VIP) w V1 oraz wzgórzowy obszar mózgu zwany pulvinar, który integruje informacje z wielu obszarów kory nowej i podkorowej i jest silnie połączony z V1. Naukowcy odkryli jednak, że te dwie grupy neuronów oddziałują na siebie w zaskakujący sposób.
Wspólna dynamika neuronowa
„W neurobiologii często skupiamy się na badaniu jednego obszaru mózgu lub ścieżki na raz. Jednak wywodząc się z biologii molekularnej, byłem zafascynowany tym, jak różne szlaki molekularne współdziałają synergistycznie, umożliwiając elastyczną i kontekstową regulację. Postanowiłem sprawdzić możliwość wystąpienia współpracy na poziomie obwodów nerwowych, między neuronami VIP a miednicą” – wyjaśnił dr Furutachi.
Rzeczywiście, praca dr Furutachi ujawniła, że neurony VIP i pulvinar działają razem synergistycznie. Neurony VIP działają jak centrala komunikacyjna: kiedy są wyłączone, mięsień podciśnieniowy tłumi aktywność kory nowej, ale kiedy neurony VIP są włączone, może silnie i selektywnie wzmacniać reakcje czuciowe w korze nowej. Wspólna interakcja tych dwóch ścieżek pośredniczy zatem w sygnałach błędów przewidywania sensorycznego w korze wzrokowej.
Przyszłe badania i implikacje
Następnym krokiem zespołu będzie zbadanie, w jaki sposób i gdzie w mózgu przewidywania zwierząt są porównywane z rzeczywistymi danymi sensorycznymi w celu obliczenia błędów przewidywań sensorycznych oraz w jaki sposób sygnały błędów przewidywań wpływają na uczenie się. Badają również, w jaki sposób ich odkrycia mogą pomóc w zrozumieniu zaburzeń ASD i SSD.
„Zaproponowano, że zarówno ASD, jak i SSD można wytłumaczyć brakiem równowagi w systemie błędów przewidywania. Obecnie staramy się zastosować nasze odkrycie do modelowania zwierząt z ASD i SSD, aby zbadać mechanistyczne obwody nerwowe leżące u podstaw tych zaburzeń” – wyjaśnił dr Furutachi.
Odniesienie: „Mechanizm współpracującego obwodu wzgórzowo-korowego w przypadku błędów przewidywania sensorycznego” autorstwa Shohei Furutachi, Alexis D. Franklin, Andreea M. Aldea, Thomas D. Mrsic-Flogel i Sonja B. Hofer, 28 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07851-w
Badanie to zostało sfinansowane w ramach grantu podstawowego Sainsbury Wellcome Center od fundacji Gatsby Charity Foundation i Wellcome (219627/Z/19/Z i 090843/F/09/Z); nagroda Wellcome Investigator Award (219561/Z/19/Z); Fundacja Charytatywna Gatsby’ego (GAT3212 i GAT3361); Wellcome Trust (090843/E/09/Z i 217211/Z/19/Z); Europejska Rada ds. Badań Naukowych (HigherVision 337797; NeuroV1sion 616509); SNSF (31003A 169525); Fundusze podstawowe Biozentrum (Uniwersytet w Bazylei).
