Cosa succede quando siamo di fronte a una sorpresa?

Secondo un nuovo studio del MIT, quando il cervello ha bisogno di prestare attenzione a qualcosa di importante o sorprendente, uno dei modi che utilizza per riuscirci è inviare una scarica di noradrenalina.

Questo neuromodulatore, prodotto da una struttura profonda del cervello chiamata locus coeruleus, può avere effetti diffusi in tutto il cervello. E, in uno studio condotto sui topi, il team del MIT ha scoperto che un ruolo chiave della noradrenalina, nota anche come norepinefrina, è proprio quello di aiutare il cervello a imparare da risultati sorprendenti.

“Questo lavoro dimostra che il locus coeruleus codifica gli eventi inattesi e che prestare attenzione a questi eventi sorprendenti è fondamentale per il cervello per fare il punto sull’ambiente“, spiega Mriganka Sur, professore di neuroscienze presso il Dipartimento di Scienze cerebrali e cognitive del MIT, membro del Picower Institute for Learning and Memory del MIT e direttore del Simons Center for the Social Brain. Oltre al suo ruolo nel segnalare la sorpresa, i ricercatori hanno anche scoperto che la noradrenalina aiuta a stimolare il comportamento che porta a una ricompensa, in particolare in situazioni di incertezza.

Come cambiamo i nostri comportamenti

La noradrenalina è uno dei numerosi neuromodulatori che influenzano il cervello, insieme a dopamina, serotonina e acetilcolina. A differenza dei neurotrasmettitori, che consentono la comunicazione da cellula a cellula, i neuromodulatori vengono rilasciati in ampie zone del cervello, consentendo loro di esercitare effetti più generali.

“Si pensa che le sostanze neuromodulatrici diffondano in vaste aree del cervello e quindi alterino la spinta eccitatoria o inibitoria che i neuroni ricevono in modo più puntuale“, spiega Sur. “Questo suggerisce che devono avere funzioni cruciali a livello cerebrale, importanti per la sopravvivenza e per la regolazione dello stato cerebrale”.

Sebbene gli scienziati abbiano già imparato molto sul ruolo della dopamina nella motivazione e nella ricerca della ricompensa, si sa meno degli altri neuromodulatori, tra cui la noradrenalina, che è stata piuttosto collegata all’eccitazione e all’aumento della vigilanza. Un eccesso di noradrenalina può però portare all’ansia.

Studi precedenti sul locus coeruleus, la principale fonte di noradrenalina del cervello, hanno dimostrato che riceve input da molte parti del cervello e invia i suoi segnali in molte aree. Nel nuovo studio, il team del MIT si è proposto di studiare il suo ruolo in un tipo specifico di apprendimento chiamato apprendimento per rinforzo, o apprendimento per tentativi ed errori.

Il test

Per questo studio, i ricercatori hanno addestrato i topi a premere una leva quando sentivano un tono ad alta frequenza, ma non quando sentivano un tono a bassa frequenza. Quando i topi rispondevano correttamente al tono ad alta frequenza, ricevevano acqua, ma se spingevano la leva quando sentivano un tono a bassa frequenza, ricevevano uno sgradevole soffio d’aria.

I topi hanno anche imparato a spingere più forte la leva quando i toni erano più forti. Quando il volume era più basso, erano più incerti se spingere o meno. Inoltre, quando i ricercatori hanno inibito l’attività del locus coeruleus, i topi hanno esitato molto di più a spingere la leva quando hanno sentito toni a basso volume, suggerendo che la noradrenalina favorisce il rischio di ottenere una ricompensa in situazioni in cui il guadagno è incerto.

“L’animale spinge perché vuole una ricompensa, e il locus coeruleus fornisce segnali critici per dire: spingi ora, perché la ricompensa arriverà“, affermano i ricercatori, che hanno ora anche scoperto che i neuroni che generano questo segnale di noradrenalina sembrano inviare la maggior parte della loro produzione alla corteccia motoria, il che dimostra che questo segnale stimola gli animali ad agire.

Il segnale di sorpresa

Sebbene la scarica iniziale di noradrenalina sembri stimolare le cavie ad agire, i ricercatori hanno anche scoperto che una seconda scarica si verifica spesso al termine della prova. Insomma, quando i topi ricevevano una ricompensa attesa, queste scariche erano piccole, ma quando l’esito della prova era una sorpresa, le scariche erano molto più grandi. Per esempio, quando un topo riceveva un soffio d’aria invece della ricompensa attesa, il locus coeruleus inviava una scarica di noradrenalina di proporzioni maggiori.

Nelle prove successive, il topo era molto meno propenso a premere la leva quando non era certo di ricevere una ricompensa. “L’animale regola costantemente il suo comportamento“, spiega Sur. “Anche se ha già imparato il compito, regola il suo comportamento in base a ciò che ha appena fatto”.

I topi hanno anche mostrato esplosioni di noradrenalina nelle prove in cui ricevevano una ricompensa inaspettata. Queste esplosioni sembravano diffondere la noradrenalina in molte parti del cervello, compresa la corteccia prefrontale, dove avvengono la pianificazione e altre funzioni cognitive superiori.

“La funzione di codifica della sorpresa del locus coeruleus sembra essere molto più diffusa nel cervello, e questo può avere senso perché tutto ciò che facciamo è moderato dalla sorpresa“, dice Sur.

I ricercatori naturalmente non intendono fermarsi qui e, nei prossimi studi, desiderano esplorare la possibile sinergia tra la noradrenalina e altri neuromodulatori, in particolare la dopamina, che risponde anch’essa alle ricompense inaspettate. Sperano così di saperne di più su come la corteccia prefrontale immagazzina la memoria a breve termine degli input provenienti dal locus coeruleus, per aiutare gli animali a migliorare le loro prestazioni nelle prove future.