Φαγητό, Κοινωνικοποίηση Εξερεύνηση: Πώς ο εγκέφαλος αλλάζει μεταξύ διαφορετικών συμπεριφορών

Φαγητό, Κοινωνικοποίηση Εξερεύνηση: Πώς αλλάζει ο εγκέφαλός μας μεταξύ διαφορετικών συμπεριφορών; Μια νέα μελέτη έδωσε τώρα τις πρώτες απαντήσεις σε αυτό το βασικό ερώτημα στη νευροεπιστήμη. Χρησιμοποιώντας ποντίκια, οι ερευνητές διερεύνησαν την ηλεκτρική δραστηριότητα σε μια συγκεκριμένη περιοχή του εγκεφάλου. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα αναλύθηκαν με τη βοήθεια προσαρμοστικού αλγορίθμου υπολογιστή. Αυτή η τεχνητή νοημοσύνη εντόπισε έναν τύπο τυπικού δακτυλικού αποτυπώματος στα σήματα.

Η ανάλυση αυτού του σήματος επέτρεψε στους ερευνητές να προβλέψουν σε ποια συμπεριφορά θα άλλαζαν τα ζώα στη συνέχεια, δύο δευτερόλεπτα πριν κάνουν πραγματικά την αλλαγή. Τα αποτελέσματα έχουν δημοσιευθεί τώρα στο περιοδικό Nature Neuroscience. Η μελέτη διεξήχθη στο Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), στην Πανεπιστημιακή Κλινική της Κολωνίας και στο Ινστιτούτο Max Planck για Έρευνα Μεταβολισμού. Κάνουμε χιλιάδες διαφορετικά πράγματα κάθε μέρα: τηλεφωνούμε, γράφουμε email, τρώμε, αθλούμαστε, βουρτσίζουμε τα δόντια μας. Πώς καταφέρνει ο εγκέφαλός μας να εναλλάσσεται μεταξύ αυτών των διαφορετικών συμπεριφορών; Αυτή η ερώτηση είναι επί του παρόντος αντικείμενο έντονης έρευνας στη νευροεπιστήμη. Εάν αυτή η κεντρική λειτουργία του εγκεφάλου μας αποτύχει να λειτουργήσει σωστά, μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές νευροψυχιατρικές διαταραχές, όπως η υπερφαγία, η ανορεξία ή η ιδεοψυχαναγκαστική διαταραχή. Μια συγκεκριμένη περιοχή μέσα στον εγκέφαλο παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτές τις μεταβάσεις: ο υποθάλαμος. Ο ρόλος του είναι παρόμοιος με αυτόν του ελεγκτή εναέριας κυκλοφορίας. Λειτουργεί ως κόμβος όπου συγκεντρώνονται σημαντικές πληροφορίες για το σώμα — αν πεινάμε, πόσο υψηλή είναι η θερμοκρασία του σώματός μας, πόσο γρήγορα χτυπάει η καρδιά μας. Ο υπόλοιπος εγκέφαλος ενημερώνει τον υποθάλαμο για τον εξωτερικό κόσμο. Με βάση αυτές τις πληροφορίες, ο υποθάλαμος ρυθμίζει έμφυτες συμπεριφορές όπως το φαγητό, η εξερεύνηση του περιβάλλοντος ή η αλληλεπίδραση με άλλους. Πώς όμως το κάνει αυτό; Για να απαντηθεί αυτό το ερώτημα, μια ομάδα ερευνητικών ομάδων με επικεφαλής τον καθηγητή Dr. Alexey Ponomarenko στο Ινστιτούτο Φυσιολογίας και Παθοφυσιολογίας στο FAU και την καθ. Δρ. Tatiana Korotkova στην Πανεπιστημιακή Κλινική της Κολωνίας και το MPI for Metabolism Research συνδύασαν πολλά αιχμής των τεχνικών της νευροεπιστήμης και των μαθηματικών. Οι ερευνητές ερεύνησαν τον υποθάλαμο σε ποντίκια, καθώς αυτό το τμήμα του εγκεφάλου είναι πολύ παρόμοιο σε ποντίκια και ανθρώπους. «Χρησιμοποιήσαμε AI για να αναλύσουμε την ηλεκτρική δραστηριότητα σε μια συγκεκριμένη περιοχή μέσα στον υποθάλαμο», εξηγεί ο επιστήμονας δεδομένων Mahsa Altafi, υποψήφιος διδάκτορας στο FAU. Τα αρχικά ευρήματα αποκάλυψαν ότι ο υποθάλαμος ταλαντώνεται με ρυθμό γνωστό ως βήτα ταλάντωση. Τα νευρικά κύτταρα στον υποθάλαμο είναι ιδιαίτερα ενεργά 20 φορές το δευτερόλεπτο, με τα επίπεδα δραστηριότητας να πέφτουν ξανά μεταξύ αυτών των κορυφών. Είναι σαν μια ορχήστρα στην οποία όλοι οι μουσικοί συγκεντρώνονται στη σκυτάλη του μαέστρου για να παίξουν από κοινού. Αυτό που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον είναι ότι ορισμένα κύτταρα δεν ενεργοποιούνται με διακριτικότητα, αλλά λίγο πριν, σε ασυνήθιστο ρυθμό. Αυτά τα κύτταρα παίζουν μια συγκεκριμένη μελωδία. Και η σειρά των νότων που παίζουν επηρεάζει ποιο μουσικό κομμάτι θα παίξει μετά η ορχήστρα. «Η ανάγνωση του ηλεκτρικού σήματος μας επιτρέπει να προβλέψουμε σε ποια συμπεριφορά θα αλλάξει το ποντίκι δύο δευτερόλεπτα αργότερα», εξηγεί ο Αλτάφι. Τι συμβαίνει όμως αν η άφωνη μελωδία καταπιεστεί;

Ο Changwan Chen στο Ινστιτούτο Max Planck για την Έρευνα Μεταβολισμού και την Πανεπιστημιακή Κλινική της Κολωνίας χρησιμοποίησαν φως για να χειριστούν τη δραστηριότητα των νευρώνων του υποθαλάμου. Το αποτέλεσμα ήταν εκπληκτικό: Τα ποντίκια παρέμειναν κολλημένα στην τρέχουσα συμπεριφορά τους μέχρι να σβήσει το φως. Για παράδειγμα, αλληλεπιδρούσαν επίμονα με άλλα ποντίκια ακόμα κι αν αυτά τα ποντίκια δεν έδειχναν κανένα ενδιαφέρον. «Ήταν εντυπωσιακό πόσο επίμονα ένα ποντίκι με την κατάσταση αναστολής μετάβασης αλληλεπιδρούσε με ένα άλλο ποντίκι που προσπαθούσε να αποφύγει αυτή την παρατεταμένη επικοινωνία», θυμάται ο Chen. Η “απαράμιλλη μελωδία” φαίνεται να βάζει τον υποθάλαμο σε μεταβατική κατάσταση, επιτρέποντας έτσι στα ζώα να στραφούν σε άλλη συμπεριφορά. Το ποια συμπεριφορά είναι, όμως, δεν εξαρτάται αποκλειστικά από τον υποθάλαμο. Αποδεικνύεται ότι ο υποθάλαμος καθοδηγείται από τον έσω προμετωπιαίο φλοιό, μια περιοχή υπεύθυνη για τον γνωστικό έλεγχο της συμπεριφοράς. Για παράδειγμα, εξετάζει ποια επιλογή είναι καλύτερη σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Πρέπει να φάω; Ή μήπως θα έπρεπε να αλληλεπιδράσω με ένα άλλο ποντίκι ή να συλλέξω νέες εμπειρίες; Για να επικοινωνήσει με τον υποθάλαμο, ο έσω προμετωπιαίος φλοιός ταλαντώνεται σε επαφή με τον ρυθμό που ορίζει ο υποθάλαμος, ακολουθώντας την βήτα ταλάντωση σαν αγωγός. «Τα σήματα από τον προμετωπιαίο φλοιό βοηθούν τον υποθάλαμο να προωθήσει τις μεταβάσεις μεταξύ συμπεριφορών», εξηγεί η καθηγήτρια Korotkova από την Πανεπιστημιακή Κλινική της Κολωνίας. “Είναι ιδιαίτερα συναρπαστικό το γεγονός ότι ο υποθάλαμος ξεκινά μια προετοιμασία για μετάβαση μεταξύ συμπεριφορών περίπου δύο δευτερόλεπτα πριν συμβεί πραγματικά. Είναι πιθανό ότι τα ποντίκια δεν συνειδητοποιούν καν σε αυτό το σημείο ότι πρόκειται να στραφούν σε διαφορετική συμπεριφορά.” «Τα ευρήματά μας υποδεικνύουν τη σημασία των βήτα ταλαντώσεων στην ενορχήστρωση της δραστηριότητας των μυριάδων νευρώνων που οδηγούν συγκεκριμένες συμπεριφορές και για ομαλές μεταβάσεις μεταξύ τους», δηλώνει ο καθηγητής Ponomarenko. “Αυτά τα ευρήματα μπορεί να καθοδηγήσουν την ανάπτυξη νέων φαρμάκων και θεραπειών για σοβαρές ψυχιατρικές διαταραχές του εγκεφάλου. Ανυπομονώ για την ημέρα που οι ασθενείς με νευρική ανορεξία ή ιδεοψυχαναγκαστική διαταραχή μπορούν να επωφεληθούν από αυτό.”