Cómo el cerebro equilibra la asunción de riesgos y el aprendizaje

Cómo el cerebro equilibra la asunción de riesgos y el aprendizaje

Científicos de Salk descubren un circuito de aprendizaje en gusanos que da pistas sobre el comportamiento humano

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La mayoría de los animales, desde gusanos redondos hasta humanos, prefieren la situación más predecible cuando se trata de asegurar recursos para sobrevivir, como la comida. Ahora, los científicos de Salk han descubierto la base de cómo los animales equilibran el aprendizaje y el comportamiento arriesgado para llegar a un entorno más predecible. La investigación revela nuevos detalles sobre la función de dos señales químicas críticas para el comportamiento humano: la dopamina, responsable de la recompensa y la asunción de riesgos, y CREB, necesaria para el aprendizaje.

"Investigaciones anteriores han demostrado que ciertas neuronas responden a cambios en la luz para determinar la variabilidad en su entorno, pero ese no es el único mecanismo", dice el autor principal. Sreekanth Chalasani, profesor asistente en Salk's Laboratorio de Neurobiología Molecular. “Descubrimos un nuevo mecanismo que evalúa la variabilidad ambiental, una habilidad crucial para la supervivencia de los animales”.

Al estudiar lombrices intestinales (Caenorhabditis elegans), los investigadores de Salk trazaron cómo este nuevo circuito utiliza la información de los sentidos del animal para descubrir qué tan predecible es el entorno y hacer que el gusano se mueva a una nueva ubicación si es necesario. La obra fue detallada el 9 de abril de 2015 en Neurona.

El circuito, compuesto por 16 de las 302 neuronas en el cerebro del gusano, probablemente tenga paralelos en cerebros animales más complejos, dicen los investigadores, y podría ser un punto de partida para comprender y corregir ciertos trastornos psiquiátricos o de comportamiento.

"Lo que fue sorprendente es el grado en que la variabilidad en el comportamiento animal puede explicarse por la variabilidad en su experiencia sensorial pasada y no solo por el ruido", dice Tatiana Sharpee, profesor asociado y coautor principal del artículo. "Ahora podemos predecir comportamientos animales futuros basados ​​en experiencias sensoriales pasadas, independientemente de la influencia de factores genéticos".

Esta imagen muestra una sola neurona sensorial en el gusano redondo. Caenorhabditis elegans. Los investigadores de Salk demostraron cómo un circuito neuronal utiliza la experiencia previa para modificar comportamientos futuros. El trabajo revela nuevos detalles sobre la función de dos señales químicas críticas para el comportamiento animal y humano: la dopamina (responsable de la recompensa y la asunción de riesgos) y CREB (necesaria para el aprendizaje).

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Imagen: Cortesía del Instituto Salk de Estudios Biológicos

El equipo descubrió que dos pares de neuronas en este circuito de aprendizaje actúan como guardianes. Un par responde a grandes aumentos de la presencia de alimentos y el otro par responde a grandes disminuciones de la presencia de alimentos. Cuando cualquiera de estas neuronas de alto umbral detecta un gran cambio en un entorno (por ejemplo, el olor de mucha comida a nada de comida), induce a otras neuronas a liberar el neurotransmisor dopamina.

Verter dopamina en un cerebro, humano o no, hace que uno esté más dispuesto a correr riesgos. No es diferente en el gusano redondo: estimulada por grandes variedades en su entorno, la dopamina surge en el sistema del gusano y activa otras cuatro neuronas en el circuito de aprendizaje, dándoles un mayor rango de respuesta. Esto hace que el gusano busque más activamente en un área más amplia (asunción de riesgos) hasta que llegue a un entorno más consistente. La cantidad de dopamina en su sistema sirve como memoria de la experiencia pasada: alrededor de 30 minutos y olvida la información recopilada en el tiempo anterior.

Si bien se sabe que la presencia de dopamina está relacionada con el comportamiento de riesgo, no se ha entendido bien cómo exactamente la dopamina hace esto. Con este nuevo trabajo, los científicos ahora tienen un modelo fundamental de cómo la señalización de la dopamina lleva al gusano a tomar más riesgos y explorar nuevos entornos.

“La conexión entre la dopamina y el riesgo se conserva en todos los animales y ya se conoce, pero mostramos mecánicamente cómo funciona”, dice Chalasani, quien también es titular de la Cátedra de Desarrollo Helen McLoraine en Neurobiología. “Esperamos que este trabajo conduzca a mejores terapias para las enfermedades neurodegenerativas y del comportamiento y otros trastornos en los que la señalización de la dopamina es irregular”.

Curiosamente, los científicos descubrieron que las neuronas de alto umbral también conducen a una mayor señalización de una proteína llamada CREB, conocida en humanos y otros animales por ser esencial para aprender y retener nuevos recuerdos. Los investigadores demostraron que la presencia de CREB no solo es importante para el aprendizaje, sino que la cantidad de proteína CREB determina qué tan rápido aprende un animal. Esta sorprendente conexión podría conducir a nuevas vías de investigación para mejorar el cerebro, agrega Chalasani.

¿Cómo probaron los investigadores todo esto exactamente en gusanos? Comenzaron colocando gusanos en platos que contenían un parche grande o pequeño de bacterias comestibles. Los gusanos en los parches más pequeños tendían a alcanzar los bordes con más frecuencia, experimentando grandes cambios en la variabilidad (los bordes tienen grandes cantidades de comida en comparación con el centro). Sin embargo, los gusanos en el parche grande alcanzaron el borde con menos frecuencia, por lo que experimentaron un entorno estable general (principalmente un área con comida constante).

Usando genética, imágenes, análisis de comportamiento y otras técnicas, los investigadores encontraron que cuando los gusanos están en parches pequeños, los dos pares de neuronas de alto umbral responden a la mayor variación y señal que conduce a un aumento de la dopamina. Cuando los gusanos en estos parches más pequeños (y con mayor dopamina) se sacaron y se colocaron en un nuevo plato, exploraron un área más grande, asumiendo más riesgos. Sin embargo, los gusanos de los parches más grandes produjeron menos dopamina y fueron más cautelosos, explorando solo un pequeño espacio cuando se colocaron en una nueva área.

Además, cuando la proteína CREB estaba presente en mayores cantidades, el equipo descubrió que los gusanos tardaron mucho menos en aprender sobre la variabilidad de su alimento. “Normalmente, los gusanos tardan unos 30 minutos en explorar y aprender sobre los alimentos, pero a medida que aumenta la proteína CREB, aprenden más rápido”, dice Chalasani. “Entonces, la dopamina almacena la memoria de lo que aprenden estos gusanos, mientras que CREB regula la rapidez con la que aprenden”.

Los autores incluyen a Adam J. Calhoun de la Universidad de California, San Diego; Navin Pokala de La universidad de rockefeller; y Ada Tong, James AJ Fitzpatrick, Tatyana O. Sharpee y Sreekanth H. Chalasani, todos del Instituto Salk.

El trabajo fue financiado por la Los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias y del Fundación Rita Allen.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:
El Instituto Salk de Estudios Biológicos es una de las instituciones de investigación básica más importantes del mundo, donde profesores de renombre internacional investigan cuestiones fundamentales de las ciencias de la vida en un entorno único, colaborativo y creativo. Centrados tanto en el descubrimiento como en la orientación de futuras generaciones de investigadores, los científicos de Salk realizan contribuciones innovadoras a nuestra comprensión del cáncer, el envejecimiento, el Alzheimer, la diabetes y las enfermedades infecciosas mediante el estudio de la neurociencia, la genética, la biología celular y vegetal y disciplinas relacionadas.

Los logros de la facultad han sido reconocidos con numerosos honores, incluidos premios Nobel y membresías en la Academia Nacional de Ciencias. Fundado en 1960 por el pionero de la vacuna contra la polio Jonas Salk, MD, el Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico.