Η γνωστική ευελιξία είναι απαραίτητη για την πλοήγηση σε έναν μεταβαλλόμενο κόσμο -νέα έρευνα σε ποντίκια δείχνει πώς ο εγκέφαλός μαθαίνει νέους κανόνες
Το να είσαι ευέλικτος και να μαθαίνεις να προσαρμόζεσαι όταν ο κόσμος αλλάζει είναι κάτι που εξασκείσαι καθημερινά. Είτε πέφτετε σε ένα νέο εργοτάξιο και πρέπει να αλλάξετε τη διαδρομή σας είτε κατεβάζετε μια νέα εφαρμογή ροής και πρέπει να μάθετε ξανά πώς να βρείτε την αγαπημένη σας εκπομπή, αυτή η αλλαγή γνώριμων συμπεριφορών ως απάντηση σε νέες καταστάσεις είναι μια βασική δεξιότητα.
Για να κάνετε αυτές τις προσαρμογές, ο εγκέφαλός σας αλλάζει τα πρότυπα δραστηριότητάς του μέσα σε μια δομή που ονομάζεται προμετωπιαίος φλοιός – μια περιοχή του εγκεφάλου που είναι κρίσιμη για γνωστικές λειτουργίες όπως η προσοχή, ο σχεδιασμός και η λήψη αποφάσεων. Αλλά ποια συγκεκριμένα κυκλώματα “λένε” στον προμετωπιαίο φλοιό να ενημερώσει τα μοτίβα δραστηριότητάς του προκειμένου να αλλάξει συμπεριφορά ήταν άγνωστο.
Είμαστε μια ομάδα νευροεπιστημόνων που μελετά πώς ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες και τι συμβαίνει όταν η λειτουργία αυτή είναι μειωμένη. Στην πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνά μας, ανακαλύψαμε μια ειδική κατηγορία νευρώνων στον προμετωπιαίο φλοιό που μπορεί να επιτρέπουν την ευέλικτη συμπεριφορά και, όταν δυσλειτουργούν, μπορεί να οδηγήσουν σε καταστάσεις όπως η σχιζοφρένεια και η διπολική διαταραχή.
Ανασταλτικοί νευρώνες και εκμάθηση νέων κανόνων
Οι ανασταλτικοί νευρώνες αποσβένουν τη δραστηριότητα άλλων νευρώνων στον εγκέφαλο. Οι ερευνητές παραδοσιακά υποθέτουν ότι στέλνουν τις ηλεκτρικές και χημικές εξόδους τους μόνο σε κοντινούς νευρώνες. Ωστόσο, βρήκαμε μια συγκεκριμένη κατηγορία ανασταλτικών νευρώνων στον προμετωπιαίο φλοιό που επικοινωνούν σε μεγάλες αποστάσεις με νευρώνες στο αντίθετο ημισφαίριο του εγκεφάλου.
Αναρωτηθήκαμε αν αυτές οι ανασταλτικές συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας εμπλέκονται στο συντονισμό των αλλαγών στα πρότυπα δραστηριότητας στον αριστερό και δεξιό προμετωπιαίο φλοιό. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να παρέχουν τα κρίσιμα σήματα που σας βοηθούν να αλλάξετε τη συμπεριφορά σας τη σωστή στιγμή.
Για να ελέγξουμε τη λειτουργία αυτών των ανασταλτικών συνδέσεων μεγάλης εμβέλειας, παρατηρήσαμε ποντίκια να εκτελούν μια εργασία που απαιτούσε να μάθουν έναν κανόνα για να λάβουν μια ανταμοιβή και στη συνέχεια να προσαρμοστούν αργότερα σε έναν νέο κανόνα για να συνεχίσουν να λαμβάνουν την ανταμοιβή. Σε αυτή την εργασία, τα ποντίκια έσκαβαν σε μπολ για να βρουν κρυμμένη τροφή. Αρχικά, η μυρωδιά του σκόρδου ή η παρουσία άμμου μέσα σε ένα μπολ μπορεί να υποδείκνυε τη θέση της κρυμμένης τροφής. Το συγκεκριμένο σύνθημα που σχετιζόταν με την ανταμοιβή θα άλλαζε αργότερα, αναγκάζοντας τα ποντίκια να μάθουν έναν νέο κανόνα.
Διαπιστώσαμε ότι η αποσιώπηση των ανασταλτικών συνδέσεων μεγάλης εμβέλειας μεταξύ του αριστερού και του δεξιού προμετωπιαίου φλοιού έκανε τα ποντίκια να κολλήσουν, ή να επιμείνουν, σε έναν κανόνα και τα εμπόδιζε να μάθουν νέους κανόνες. Δεν ήταν σε θέση να αλλάξουν ταχύτητα και να μάθουν ότι το παλιό σύνθημα δεν είχε πλέον νόημα και το νέο σύνθημα σήμαινε τροφή.
Εγκεφαλικά κύματα και ευέλικτη συμπεριφορά
Κάναμε επίσης εκπληκτικές ανακαλύψεις σχετικά με το πώς αυτές οι ανασταλτικές συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας δημιουργούν ευελιξία στη συμπεριφορά. Συγκεκριμένα, συγχρονίζουν ένα σύνολο “εγκεφαλικών κυμάτων” που ονομάζονται ταλαντώσεις γάμμα στα δύο ημισφαίρια. Οι ταλαντώσεις γάμμα είναι ρυθμικές διακυμάνσεις της εγκεφαλικής δραστηριότητας που συμβαίνουν περίπου 40 φορές ανά δευτερόλεπτο. Αυτές οι διακυμάνσεις μπορούν να ανιχνευθούν κατά τη διάρκεια πολλών γνωστικών λειτουργιών, όπως όταν εκτελείτε μια εργασία που απαιτεί τη συγκράτηση πληροφοριών στη μνήμη σας ή όταν κάνετε διαφορετικές κινήσεις με βάση αυτό που βλέπετε στην οθόνη ενός υπολογιστή.
Αν και οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει την παρουσία των ταλαντώσεων γάμμα εδώ και πολλές δεκαετίες, η λειτουργία τους είναι αμφιλεγόμενη. Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι ο συγχρονισμός αυτών των ρυθμικών διακυμάνσεων σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου δεν εξυπηρετεί κανέναν χρήσιμο σκοπό. Άλλοι έχουν υποθέσει ότι ο συγχρονισμός σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου ενισχύει την επικοινωνία μεταξύ αυτών των περιοχών.
Βρήκαμε έναν εντελώς διαφορετικό πιθανό ρόλο για τον συγχρονισμό γάμμα. Όταν οι ανασταλτικές συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας συγχρονίζουν τις ταλαντώσεις γάμμα στον αριστερό και στο δεξιό προμετωπιαίο φλοιό, φαίνεται ότι αποτελούν επίσης πύλη επικοινωνίας μεταξύ τους. Όταν τα ποντίκια μαθαίνουν να αγνοούν έναν προηγουμένως καθιερωμένο κανόνα που δεν οδηγεί πλέον σε ανταμοιβή, αυτές οι συνδέσεις συγχρονίζουν τις ταλαντώσεις γάμμα και φαίνεται να σταματούν το ένα ημισφαίριο από το να διατηρεί αχρείαστα μοτίβα δραστηριότητας στο άλλο. Με άλλα λόγια, οι ανασταλτικές συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας φαίνεται να σταματούν την είσοδο από το ένα ημισφαίριο από το να “μπαίνει στη μέση” του άλλου όταν αυτό προσπαθεί να μάθει κάτι νέο.
Για παράδειγμα, ο αριστερός προμετωπιαίος φλοιός μπορεί να “υπενθυμίσει” στον δεξιό προμετωπιαίο φλοιό τη συνήθη διαδρομή σας προς τη δουλειά. Αλλά όταν οι ανασταλτικές συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας συγχρονίζουν αυτές τις δύο περιοχές, φαίνεται επίσης να απενεργοποιούν αυτές τις υπενθυμίσεις και να επιτρέπουν την επικράτηση νέων μοτίβων εγκεφαλικής δραστηριότητας που αντιστοιχούν στη νέα σας μετακίνηση.
Τέλος, αυτές οι ανασταλτικές συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας προκαλούν επίσης μακροχρόνιες επιδράσεις. Η απενεργοποίηση αυτών των συνδέσεων μόνο μία φορά προκάλεσε σε ποντίκια προβλήματα στην εκμάθηση νέων κανόνων αρκετές ημέρες αργότερα. Αντίθετα, η ρυθμική διέγερση αυτών των συνδέσεων για τον τεχνητό συγχρονισμό των ταλαντώσεων γάμμα μπορεί να αντιστρέψει αυτά τα ελλείμματα και να αποκαταστήσει τη φυσιολογική μάθηση.
Γνωστική ευελιξία και σχιζοφρένεια
Οι ανασταλτικές συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη γνωστική ευελιξία. Η αδυναμία κατάλληλης επικαιροποίησης των κανόνων που είχαν μάθει προηγουμένως είναι μια χαρακτηριστική μορφή γνωστικής εξασθένησης σε ψυχιατρικές καταστάσεις όπως η σχιζοφρένεια και η διπολική διαταραχή.
Η έρευνα έχει επίσης διαπιστώσει ελλείψεις στον συγχρονισμό γάμμα και ανωμαλίες σε μια κατηγορία προμετωπιαίων ανασταλτικών νευρώνων, η οποία περιλαμβάνει αυτούς που μελετήσαμε, σε άτομα με σχιζοφρένεια. Σε αυτό το πλαίσιο, η μελέτη μας υποδηλώνει ότι οι θεραπείες που στοχεύουν σε αυτές τις ανασταλτικές συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας μπορεί να βοηθήσουν στη βελτίωση της νόησης σε άτομα με σχιζοφρένεια μέσω του συγχρονισμού των ταλαντώσεων γάμμα.
Πολλές λεπτομέρειες για το πώς αυτές οι συνδέσεις επηρεάζουν τα εγκεφαλικά κυκλώματα παραμένουν άγνωστες. Για παράδειγμα, δεν γνωρίζουμε ακριβώς ποια κύτταρα μέσα στον προμετωπιαίο φλοιό λαμβάνουν εισροή από αυτές τις μακράς εμβέλειας ανασταλτικές συνδέσεις και αλλάζουν τα μοτίβα δραστηριότητάς τους για να μάθουν νέους κανόνες. Δεν γνωρίζουμε επίσης αν υπάρχουν συγκεκριμένες μοριακές οδοί που παράγουν τις μακροχρόνιες αλλαγές στη νευρωνική δραστηριότητα. Η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα θα μπορούσε να αποκαλύψει πώς ο εγκέφαλος εναλλάσσεται ευέλικτα μεταξύ της διατήρησης και της ενημέρωσης των παλαιών πληροφοριών και ενδεχομένως να οδηγήσει σε νέες θεραπείες για τη σχιζοφρένεια και άλλες ψυχιατρικές καταστάσεις.
