Dinamiche cerebrali di apprendimento delle esperienze

I neuroni HDB-PV inibitori a lungo raggio vengono reclutati da stimoli avversivi per svolgere funzioni cruciali di apprendimento associativo attraverso l’aumento dell’eccitabilità corticale in aree bersaglio specifiche

“Non lo farò più”, diciamo spesso di fronte a feedback negativi, effetti avversi o risultati deludenti. Pertanto, cerchiamo di imparare da tali esperienze negative. Questo principio è anche una pietra miliare del nostro sistema educativo: fallire un esame dovrebbe incoraggiare gli studenti a fare meglio la volta successiva.

Come fa il cervello a raggiungere questo tipo di apprendimento? Il rinforzo positivo e quello negativo appaiono come due facce della stessa medaglia in alcune parti del sistema di valutazione del cervello. In particolare, alcuni neuroni che rilasciano il neuromodulatore “dopamina” rappresentano risultati migliori o peggiori del previsto con l'aumento o la diminuzione della loro attività, rispettivamente. Allo stesso tempo, ampie prove suggeriscono che altre parti del cervello gestiscono il “negativo” e il “positivo” in modo fondamentalmente diverso.

Le esperienze negative, quando incontrate, hanno spesso un effetto eccitante: non ci lasciano indifferenti o disattenti. Oltre a questa eccitazione generale, vengono attivate parti specifiche della neocorteccia che ci consentono di prestare attenzione alle caratteristiche rilevanti e, infine, di trarre conseguenze e apprendere - un concetto talvolta chiamato “attenzione per l'apprendimento”. Quando ci concentriamo sul lato negativo delle cose, potremmo coniare il termine “attenzione per l'apprendimento avversivo”.

Un team di neuroscienziati dell'Istituto di medicina sperimentale HUN-REN di Budapest, in Ungheria, guidato dal ricercatore principale Balázs Hangya MD PhD (1), ha chiesto quali regioni del cervello e tipi di neuroni potrebbero essere responsabili dell' “attenzione per l'apprendimento avversivo”. In un nuovo studio, pubblicato su Nature Communications (2), il team riferisce come i neuroni inibitori associati alla proiezione a lungo raggio, che esprimono la proteina parvalbumina (PV) legante il calcio, noti per la loro capacità di attività molto rapida, sono localizzati in un nucleo cerebrale profondo chiamato “arto orizzontale della banda diagonale di Broca” o HDB, svolgono un ruolo chiave in questo processo.

È stato precedentemente dimostrato che questi neuroni HDB-PV trasmettono effetti di eccitazione alla neocorteccia su scale sia a breve che a lungo termine e controllano le onde cerebrali corticali veloci chiamate oscillazioni gamma, importanti per i processi cognitivi. Pertanto, apparivano buoni candidati per mediare “l'attenzione per l'apprendimento avversivo”. Il team di Hangya ha dimostrato che questi neuroni vengono effettivamente reclutati da eventi avversi nei topi sperimentali, come un inaspettato soffio d'aria sul viso che i topi si sforzano di evitare, o l'odore di un temibile predatore.

Tali eventi avversivi sono ovviamente rilevanti sia per gli esseri umani che per gli animali, e quindi attivano una serie di percorsi che evocano una serie di conseguenze nel cervello. Innanzitutto, e forse soprattutto, questi eventi possono rappresentare una possibilità di impatto negativo duraturo o addirittura di pericolo immediato, la cui probabilità dovrebbe essere mitigata da comportamenti di evitamento. In effetti, è stato scoperto che molti dei percorsi neurali attivati da input avversivi guidano l’evitamento attivo. In secondo luogo, eventi avversi inaspettati dovrebbero aumentare l’arousal e l’attenzione attivando parti rilevanti della neocorteccia, reclutando così risorse che consentano di affrontare la situazione. In terzo luogo e cruciale per la sopravvivenza a lungo termine, gli eventi avversi dovrebbero indurre l’apprendimento per evitare o ridurre l’impatto di scenari simili in futuro. «Imparare dall'esperienza negativa è un'antica e profondamente radicata strategia di sopravvivenza. È così forte che noi stessi potremmo a volte sperimentare che può persino annullare l'effetto del rinforzo positivo», aggiunge la dottoressa Panna Hegedüs (3), prima autrice dello studio.

Il team di Hangya ha utilizzato una tecnologia chiamata optogenetica, che può rendere specifici tipi di cellule, in questo caso i neuroni HDB-PV, sensibili alla luce. Queste tecniche consentono l'attivazione o la soppressione precisa dell'attività dei neuroni mediante l'erogazione temporizzata di luce nel tessuto cerebrale tramite piccole fibre ottiche. Hanno scoperto che l’attivazione dei neuroni HDB-PV non causava comportamenti di evitamento nei topi, suggerendo che questo percorso non è coinvolto nell’evitamento attivo come la ricerca di un rifugio, ma più probabilmente aspetti di attenzione e/o apprendimento indotti da stimoli avversivi. Infatti, quando bloccavano optogeneticamente le risposte dei neuroni agli sbuffi d’aria facciali, i topi non riuscivano ad apprendere gli stimoli uditivi predittivi discriminanti che prevedevano sbuffi d’aria probabili o improbabili. Questo esperimento ha dimostrato come i neuroni HDB-PV sono necessari per apprendere dagli stimoli avversivi.

Quale circuito cerebrale media questo effetto di apprendimento? I neuroni non agiscono in modo isolato ma fanno parte di circuiti complessi con diversi percorsi di input e output. Il team di Hangya, insieme a Gabor Nyiri e colleghi dello stesso istituto, ha mappato gli input e gli output dei neuroni HDB-PV. Hanno scoperto che queste cellule integrano molteplici fonti di informazioni avversive, compresi percorsi prominenti dall'ipotalamo e dai nuclei del rafe del tronco encefalico. A loro volta, trasmettono informazioni integrate al cosiddetto sistema limbico ampiamente responsabile delle risposte comportamentali ed emotive, compreso il sistema setto-ippocampale importante per immagazzinare e richiamare ricordi episodici. Inoltre, le cellule inibitorie HDB-PV prendono di mira principalmente altri neuroni inibitori in queste regioni, probabilmente sollevando le cellule eccitatorie dall’inibizione consentendo loro di essere più attive – un meccanismo cerebrale onnipresente chiamato disinibizione.

In sintesi, lo studio suggerisce che i neuroni HDB-PV inibitori a lungo raggio vengono reclutati da stimoli avversivi per svolgere funzioni cruciali di apprendimento associativo attraverso l’aumento dell’eccitabilità corticale in aree bersaglio specifiche, probabilmente mediante disinibizione. Pertanto, almeno per gli stimoli avversivi, i neuroni HDB-PV potrebbero essere il substrato fisico del concetto di “attenzione per l'apprendimento”. «La disregolazione dell'elaborazione della valenza positiva e negativa può essere osservata in diversi disturbi psichiatrici, tra cui ansia e depressione. Pertanto, è fondamentale capire come la valenza negativa è codificata nel cervello e come contribuisce all'apprendimento», conclude la dottoressa Panna Hegedüs.

Gli autori dell'articolo sono: Panna Hegedüs, Bálint Király, Dániel Schlingloff, Victoria Lyakhova, Anna Velencei, Írisz Szabó, Márton Mayer, Zsofia Zelenak, Gábor Nyiri, Balázs Hangya.

Riferimenti:

(1) Balázs Hangya

(2) Parvalbumin-expressing basal forebrain neurons mediate learning from negative experience

(2) Panna Hegedüs

Descrizione foto: Gli assoni che esprimono la parvalbumina (giallo) contattano un neurone colinergico (ciano) nel setto mediale. - Credit: Panna Hegedüs. From Hegedüs et al., 2024.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Brain circuits underlying learning from negative experiences