Ricerche

Piccola e apparentemente specializzata, la regione del locus ceruleus (LC) nel cervello è stata stereotipata per la sua esportazione smisurata di norepinefrina (o noradrenalina), il neuromodulatore che suscita eccitazione. Un nuovo studio di un laboratorio di neuroscienze del MIT sta sostenendo che l'LC non è solo un pulsante di allarme, ma ha un impatto più sfumato e sfaccettato sull'apprendimento, sul comportamento e sulla salute mentale di quanto si credeva finora.

Con stimoli da oltre 100 regioni diverse del cervello e un sofisticato controllo di dove e quando inviare norepinefrina (NE), la minuscola popolazione di cellule sorprendentemente diverse dell'LC può rappresentare un importante regolatore dell'apprendimento dalla ricompensa e dalla punizione, e quindi applicare tale esperienza per ottimizzare il comportamento, ha detto Mriganka Sur, professore di neuroscienze nell'istituto Picower e nel Dipartimento di Scienze Cerebrali e Cognitive del MIT.

"Quello che finora era considerato un nucleo omogeneo che esercita un'influenza globale e uniforme sulle sue numerose regioni puntate, ora si suggerisce che può essere una popolazione eterogenea di cellule di rilascio di NE, con l'esibizione potenziale di una modularità sia spaziale che temporale che governa le sue funzioni", hanno scritto Sur, il postdottorato Vincent Breton-Provencher e la dottoranda Gabrielle Drummond in un articolo di revisione pubblicato il mese scorso su Frontiers in Neural Circuits.

L'articolo presenta abbondanti prove emergenti ottenute dal gruppo di Sur e da molti altri, che suggeriscono che l'LC può integrare input sensoriali e stati cognitivi interni dall'intero cervello per esercitare con precisione la sua influenza mediata dalla NE per influenzare le azioni (limitando la NE verso la corteccia motoria) e l'elaborazione della retroazione risultante di ricompensa o punizione (limitando la NE verso la corteccia prefrontale).

In questo studio hanno coinvolto topi nei compiti di apprendimento in cui ricevono indizi con toni e volumi variabili. Nel corso della formazione i topi imparavano che quando un tono era acuto, premendo una leva appariva una ricompensa e quando il tono era basso, la risposta corretta era non spingerla per non ricevere un soffio d'aria sgradevole. Variando il volume del tono, gli sperimentatori variavano la certezza che i topi potessero percepire di sentire correttamente l'indizio.

L'ipotesi (sostenuta dai dati preliminari) prevede che la NE conti in più modi cruciali, ha detto Sur. Quando il topo sente il tono dell'indizio, se il tono è basso, l'LC invia meno NE attraverso un gruppo di neuroni alla corteccia motoria, riflettendo la convinzione dell'animale che la leva non deve essere spinta perché nessuna ricompensa sarà imminente. Nel frattempo più è basso il volume, meno certezza ha l'animale nella sua decisione. Viceversa, un alto tono di volume elevato fa inviare più NE, riflettendo la certezza dell'animale che spingere la leva produce una ricompensa.

Dopo che il topo ha agito, più è sorprendente la retroazione, più produce NE e la invia tramite un gruppo distinto [di neuroni] alla corteccia prefrontale, stimolando un maggiore apprendimento. Quindi, per esempio, se il topo sente un tono alto ma debole, e preme cautamente la leva, la sorpresa di una ricompensa risultante stimolerà una forte produzione di NE per istruire la corteccia prefrontale del motivo per cui le sue aspettative non erano molto alte. Ogni volta che un topo indovina male e sente un soffio d'aria, stimolerà il rilascio più forte di NE alla corteccia prefrontale. Dopo tale dinamica, il team di Sur ha osservato cambiamenti coerenti di prestazioni sull'esperimento successivo.

"In questo modo la norepinefrina può essere pensata come un segnale di eccitazione, ma è anche un segnale significativo di apprendimento nel contesto della funzione continua", ha detto Sur. "È sia un segnale di esecuzione che un segnale di apprendimento, perché per entrambi possiamo descrivere le relazioni quantitative reali".

Non solo la squadra misura l'attività dei neuroni LC-NE, li osserva anche con l'optogenetica (in cui i neuroni possono essere controllati con la luce), in modo da poter silenziare o amplificare l'uscita LC-NE per mostrare come ognuna delle manovre influenza l'azione e l'apprendimento.

Comprendere la vera natura del funzionamento del LC potrebbe essere utile per migliorare i trattamenti per determinati disturbi, ha detto Sur. Un potenziale trattamento per il PTSD (Post Traumatic Stress Disorder, disordine da stress post-traumatico), ad esempio, comporta smorzare la ricettività della NE, ma ciò promuove anche sonnolenza. Un trattamento di principi più sani e preciso potrebbe migliorare l'efficacia e ridurre gli effetti collaterali, ha affermato.

"La speranza è toccare l'ansia ma non renderti assonnato, se comprendiamo gli obiettivi e la teoria che stanno dietro", ha detto Sur. "Questa è la speranza della scienza di base per il trattamento dei disturbi: rendere le cose sempre più specifiche, definire i circuiti e la specificità delle funzioni in cui è coinvolto un sistema".

In più, il LC è una regione colpita presto dall'Alzheimer, ha detto. Affrontare tale perdita nel modo giusto potrebbe aiutare a sostenere forme di apprendimento e cognizione.