Cercetătorii au descoperit un centru neural pentru predicții senzoriale precise
În secunda care urmează după ce auzi un zgomot, creierul tău face deja o deducție potențial vitală: Am făcut eu asta sau a fost altceva?
Sistemele noastre nervoase răspund la această întrebare folosind un mecanism numit descărcare corolară, care este o copie a unei comenzi motorii ce informează zonele senzoriale ce să se aștepte de la propriile acțiuni.
Această mecanismă se află în centrul unui nou studiu realizat de biologii de la Universitatea Washington din St. Louis, publicat în Current Biology.
„Descărcarea corolară se găsește la toate animalele, în toate sistemele, și asta deoarece soluționează o problemă universală, care este: Cum distinge animalele intrările senzoriale provenind din lumea exterioară de cele cauzate de propriile acțiuni?”, a declarat Bruce Carlson. „Aceasta este o problemă universală și este ceva ce sistemele noastre senzoriale nu pot rezolva de una singură.”
Acest tip de cercetare în neuroștiință poate ajuta la descoperirea mecanismelor care afectează procesarea și predicția senzorială la oameni. Odată ce oamenii de știință înțeleg un circuit cerebral în detaliu, pot repara mai bine circuitele defecte.
Pentru a studia funcționarea descărcării corolare, Carlson și echipa sa s-au îndreptat spre pești electrici slabi. Aceste animale generează impulsuri electrice scurte numite descărcări ale organului electric pentru a comunica și a simți împrejurimile. Totuși, această formă de comunicare ridică o problemă. De fiecare dată când un pește trimite un impuls, el se „aude” pe sine. Fără o modalitate de a filtra pulsul propriu, sistemul senzorial ar fi copleșit.
Aici intervine descărcarea corolară. Atunci când creierul peștelui trimite comanda de a produce un impuls electric, el trimite de asemenea un semnal predictiv pentru a anula intrarea auto-generată așteptată. Astfel, peștele rămâne sensibil la semnalele externe.
Însă, la fel ca tot ce există în natură, nimic nu este fix. Aceste descărcări electrice variază considerabil de la specie la specie pe parcursul evoluției, dar și în cadrul peștilor individuali. Hormoni precum testosteronul pot fluctua de-a lungul zilelor, prelungind pulsul, iar semnalele pot crește în lungime pe măsură ce un animal îmbătrânește. Așadar, întrebarea devine: Cum se adaptează sistemul de descărcare corolară la aceste schimbări temporale?
În cadrul noului studiu, cercetătorii au înregistrat activitatea electrică în mai multe regiuni ale creierului implicate în producerea semnalelor electrice, comparând pești cu descărcări electrice scurte și lungi, inclusiv pești tratați cu hormoni și diferite specii.
Martin Jarzyna a înregistrat activitatea electrică la fiecare pas al căii de descărcare corolară în cadrul mai multor pești individuali. „Este un drum complicat de la zona motorie la zona senzorială”, a explicat Jarzyna. „Niciodată nu a mai fost nimeni care să înregistreze din fiecare zonă în cadrul unui animal individual. Nu am avut niciodată imaginea completă a activității din întreg circuitul.”
Prin măsurarea momentului în care activitatea neurală a avut loc în raport cu comanda motorie a peștelui, ei au identificat regiunea cerebrală unde au apărut primele schimbări temporale: o mică populație de neuroni numită nucleul mesencefalic asociat comenzii (MCA). În mod neașteptat, au descoperit că toate cele trei tipuri de schimbări studiate – hormonale, de dezvoltare și evoluționare – converg asupra acestui mecanism comun.
Cu alte cuvinte, MCA funcționează ca un fel de centru de temporizare. În loc să recalibreze multiple căi neuronale în mod independent, creierul poate coordona schimbările printr-o singură structură. Acest lucru este deosebit de important deoarece MCA se ramifică în trei căi: una dedicată comportamentului de comunicare, una implicată în comportamentul de percepție și una care reglează producția semnalelor electrice.
Aceste descoperiri sugerează că evoluția s-a bazat în mod repetat pe MCA, în loc să dezvolte mecanisme complet noi. „O soluție comună a evoluat care poate menține aceste predicții senzoriale precise, astfel încât soluțiile noi nu trebuie să fie reinventate”, a spus Jarzyna.
Deși acest studiu a fost realizat pe pești electrici, impactul său se extinde dincolo de comunicarea acvatică. Descărcarea corolară este esențială pentru procesarea senzorială în multe animale, inclusiv oameni, însă circuitele subiacente rămân slab înțelese.
„Am știut despre descărcarea corolară de mult timp, dar știm foarte puțin despre mecanismele care operează pe această cale”, a declarat Carlson.
El a subliniat valoarea mai largă a studiului animalelor cu abilități senzoriale neobișnuite: „Studiul animalelor care au comportamente unice poate informa întrebări generale în neuroștiință. Orice este unic în comportamentul lor poate să le facă potrivite pentru a adresa anumite tipuri de întrebări pe care nu le-ai putea pune în alt sistem.”
Privind în viitor, cercetătorii din laboratorul lui Carlson plănuiesc să investigheze ce se schimbă la nivel celular și molecular în neuronii MCA. Lucrările viitoare vor implica înregistrări intracelulare din neuronii MCA pentru a descoperi nu doar unde au loc aceste evenimente în creier, ci și ce se întâmplă efectiv în timpul lor.
Jarzyna a menționat că această cercetare ar putea ajuta viitorii cercetători să înțeleagă mai bine tulburările în care predicțiile senzoriale sunt greșite, cum ar fi schizofrenia. „Studiul nostru, deși nu abordează direct aceste condiții, ne ajută să înțelegem mai bine mecanismul normal prin care funcționează aceste predicții senzoriale”, a spus el.
