Wykazano, że neuroprzekaźnik jest kluczowym czynnikiem w przetwarzaniu sensorycznym.
Neuronaukowcy z University of Massachusetts Amherst wykazali w nowych badaniach, że dopamina odgrywa kluczową rolę w tym, jak ptaki śpiewające uczą się złożonych nowych dźwięków.
Opublikowane w czasopiśmie Journal of Neuroscience odkrycie, że dopamina napędza plastyczność paliusza słuchowego zeberek, kładzie nowe podwaliny pod lepsze zrozumienie funkcji tego neuroprzekaźnika w obszarze mózgu, który koduje złożone bodźce.
„Ludzie kojarzą dopaminę z nagrodą i przyjemnością” – mówi główny autor Matheus Macedo-Lima, który przeprowadził badania w laboratorium starszego autora Luke’a Remage-Healey jako Ph.D. student studiów magisterskich Neuroscience and Behaviour UMass Amherst. „To bardzo dobrze znana koncepcja, że dopamina bierze udział w uczeniu się. Ale wiedza na temat dopaminy w obszarach związanych z przetwarzaniem sensorycznym w mózgu jest ograniczona. Chcieliśmy zrozumieć, czy dopamina odgrywa rolę w tym, jak ten obszar mózgu uczy się nowych dźwięków lub zmienia się z dźwiękami.”
Badanie nauki głosu u ptaków śpiewających zapewnia wgląd w to, jak uczy się języka mówionego, dodaje neurobiolog behawioralny Remage-Healey, profesor psychologii i nauk o mózgu. „Nie tylko ptak śpiewający wymyśla tę strategię łączenia dźwięków i znaczenia przy użyciu dopaminy. Jest tu coś równoległego, czym my – jako ludzie – jesteśmy zainteresowani”.
Zespół badawczy przeprowadził szereg eksperymentów in vitro i in vivo, umieszczając neurony pod mikroskopem oraz w mózgach żywych ptaków, które oglądały filmy i słyszały dźwięki. Ostatecznie naukowcy uzyskali dowody anatomiczne, behawioralne i fizjologiczne na poparcie swojej hipotezy o roli dopaminy.
Wykorzystując przeciwciała, naukowcy wykazali, że receptory dopaminy są obecne w wielu typach neuronów w mózgu słuchowym ptaka śpiewającego — mogą działać hamująco lub pobudzająco, a także mogą zawierać enzym wytwarzający estrogeny. „Badania dr Remage-Healey wykazały, że w mózgu słuchowym ptaków śpiewających obu płci neurony wytwarzają estrogen w sytuacjach społecznych, takich jak słuchanie śpiewu ptaków lub widzenie innego ptaka. Uważamy, że dopamina i estrogeny mogą współpracować z dźwiękiem w procesie uczenia się, ale ta praca koncentrowała się na dopaminie, ponieważ wciąż nie wiedzieliśmy, jak dopamina wpływa na mózg ptaka śpiewającego” – wyjaśnia Macedo-Lima, obecnie współpracownik podoktorski na Uniwersytecie Maryland.
Macedo-Lima opracował test, podobny do dobrze znanego eksperymentu Pawłowa z psami, w którym ptaki siedziały samotnie w komorze i otrzymały losowy dźwięk, a zaraz po nim nieme wideo innych ptaków. „Chcieliśmy skoncentrować się na związku między bezsensownym dźwiękiem – tonem – a istotą behawioralną, która jest kolejnym ptakiem na wideo” – mówi.
Naukowcy przyjrzeli się obszarom mózgu ptaków słuchowych po tym parowaniu dźwięk-wideo, używając markera genowego, o którym wiadomo, że ulega ekspresji, gdy neuron przechodzi przez zmianę lub plastyczność. „Odkryliśmy ten bardzo interesujący wzrost ekspresji genów w lewej półkuli, brzusznej części obszaru słuchowego, w neuronach z ekspresją receptora dopaminy, odzwierciedlający proces uczenia się i równoległą lateralizację ludzkiego mózgu w celu uczenia się mowy” – mówi Macedo-Lima.
Aby pokazać wpływ dopaminy na podstawową sygnalizację neuronów, naukowcy wykorzystali technikę patch clamp całej komórki, kontrolując i mierząc prądy otrzymywane przez neurony. Odkryli w naczyniu, że aktywacja dopaminy zmniejsza hamowanie i zwiększa pobudzenie.
„Ten jeden modulator dostraja system w sposób, który zmniejsza sygnały zatrzymania i zwiększa sygnały startu”, wyjaśnia Remage-Healey. „To prosty, ale potężny mechanizm kontroli tego, jak zwierzęta potencjalnie kodują dźwięk. To neurochemiczna dźwignia, która może zmienić sposób rejestrowania i przekazywania bodźców w tej części mózgu”.
Zespół następnie bezboleśnie zbadał komórki mózgowe żywych ptaków. „To, co się stało, gdy dostarczyliśmy dopaminę, było dokładnie takie, jak przewidywaliśmy na podstawie danych z całej komórki” – mówi Macedo-Lima. „Widzieliśmy, że hamujące neurony działały mniej, gdy podaliśmy agonistę dopaminy, podczas gdy pobudzające neurony działały bardziej”.
Ten sam efekt wystąpił, gdy ptakom odtwarzano śpiew innych ptaków śpiewających – neurony pobudzające reagowały bardziej, a neurony hamujące reagowały mniej, gdy wystąpiła aktywacja dopaminy. „Byliśmy szczęśliwi mogąc odtworzyć to, co widzieliśmy w naczyniu u żywego zwierzęcia, słuchając rzeczywistych dźwięków” – mówi Macedo-Lima.
Aktywacja dopaminy również uniemożliwiła tym neuronom przystosowanie się do nowych piosenek prezentowanych zwierzęciu, co silnie potwierdza hipotezę o roli dopaminy w uczeniu się zmysłów. „Obecnie nie wiemy, jak dopamina wpływa na uczenie się zmysłów u większości zwierząt”, mówi Macedo-Lima, „ale te badania dostarczają wielu wskazówek na temat tego, jak ten mechanizm może działać u kręgowców, które muszą uczyć się złożonych dźwięków, takich jak ludzie”.
