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Las neuronas basales del prosencéfalo que expresan parvalbúmina median el aprendizaje a partir de experiencias negativas Resumen Se propuso que las neuronas GABAérgicas del prosencéfalo basal (BFPVN) que expresan parvalbúmina (PV) sirvieran como un sistema de excitación rápido y transitorio, pero su papel exacto en los comportamientos vigiles aún no está claro. Realizamos mediciones de calcio en masa y electrofisiología con etiquetado optogenético desde la rama horizontal de la banda diagonal de Broca (HDB) mientras los ratones macho realizaban una tarea de aprendizaje asociativo. Los BFPVN respondieron con una activación fásica distintiva al castigo, pero mostraron respuestas más lentas y retrasadas a los estímulos de recompensa y predicción de resultados. La inhibición optogenética durante el castigo afectó la formación de asociaciones señal-resultado, lo que sugiere un papel causal de los BFPVN en el aprendizaje asociativo. Los BFPVN recibieron fuertes aportes del hipotálamo, el complejo septal y la región media del rafe, mientras hacían sinapsis con diversos tipos de células en estructuras límbicas clave, donde transmitían información sobre estímulos aversivos. Proponemos que el efecto excitante de los BFPVN es reclutado por estímulos aversivos para cumplir funciones cruciales de aprendizaje asociativo. |
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"No volveré a hacer esto", solemos decir cuando nos enfrentamos a comentarios negativos, efectos adversos o resultados decepcionantes. Por tanto, intentamos aprender de esas experiencias negativas. Este principio es también una piedra angular de nuestro sistema educativo: reprobar un examen debería animar a los estudiantes a hacerlo mejor la próxima vez.
Circuitos cerebrales que subyacen al aprendizaje a partir de experiencias negativas.
¿Cómo logra el cerebro este tipo de aprendizaje?
El refuerzo positivo y negativo aparecen como dos caras de la misma moneda en partes del sistema de valoración del cerebro. En particular, algunas neuronas que liberan el neuromodulador "dopamina" representan resultados mejores o peores de lo esperado con un aumento o disminución de su actividad, respectivamente. Al mismo tiempo, la amplia evidencia acumulada sugiere que otras partes del cerebro manejan lo "negativo" y lo "positivo" de manera fundamentalmente diferente.
Las experiencias negativas, cuando las encontramos, a menudo tienen un efecto excitante: no nos dejan indiferentes ni descuidados. Más allá de esta activación general, se activan partes específicas de la neocorteza que nos permiten prestar atención a características relevantes y, eventualmente, sacar consecuencias y aprender (un concepto a veces llamado "atención para aprender"). Cuando nos centramos en el lado negativo de las cosas, podemos acuñar esta "atención al aprendizaje aversivo".
Un equipo de neurocientíficos del Instituto de Medicina Experimental HUN-REN de Budapest, Hungría, dirigido por el investigador principal Balazs Hangya MD PhD, se preguntó qué regiones del cerebro y tipos de neuronas podrían ser responsables de la "atención para el aprendizaje aversivo". En un nuevo estudio publicado en Nature Communications, el equipo informa que las neuronas inhibidoras de proyección de largo alcance que expresan la proteína de unión al calcio parvalbúmina (PV), conocida por sus capacidades de actividad muy rápida, ubicadas en un núcleo cerebral profundo llamado 'horizontal' La extremidad de la banda diagonal de Broca' o HDB juega un papel clave en este proceso.
Se ha demostrado previamente que estas neuronas HDB-PV transmiten efectos excitantes a la neocorteza en escalas de tiempo tanto a corto como a largo plazo, y controlan ondas cerebrales corticales rápidas llamadas oscilaciones gamma, importantes para los procesos cognitivos. Por lo tanto, aparecieron como buenos candidatos para mediar la "atención para el aprendizaje aversivo". El equipo de Hangya demostró que estas neuronas son efectivamente reclutadas por eventos aversivos en ratones experimentales, como una inesperada bocanada de aire en la cara que los ratones se esfuerzan por evitar, o el olor de un depredador.
Estos eventos aversivos son obviamente relevantes tanto para humanos como para animales y, por lo tanto, activan una serie de vías que evocan una serie de consecuencias en el cerebro. En primer lugar, y tal vez más importante, estos eventos pueden representar una posibilidad de impacto negativo duradero o incluso un peligro inmediato, cuya probabilidad debería mitigarse mediante conductas de evitación. De hecho, se descubrió que muchas de las vías neuronales reclutadas por estímulos aversivos impulsan la evitación activa.
En segundo lugar, los eventos aversivos inesperados deberían aumentar la excitación y la atención activando partes relevantes del neocórtex, reclutando así recursos que permitan afrontar la situación.
En tercer lugar, y crucial para la supervivencia a largo plazo, los eventos aversivos deberían inducir el aprendizaje para ayudar a evitar o reducir el impacto de escenarios similares en el futuro. 'Aprender de las experiencias negativas es una antigua y profundamente arraigada estrategia de supervivencia. Es tan fuerte que a veces podemos experimentarlo nosotros mismos, e incluso puede anular el efecto del refuerzo positivo», añade Panna Hegedüs, primer autor del estudio.
El equipo de Hangya utilizó una tecnología llamada optogenética, que puede hacer que tipos de células específicas, en este caso las neuronas HDB-PV, sean sensibles a la luz. Estas técnicas permiten la activación o supresión precisa de la actividad de las neuronas mediante el suministro cronometrado de luz al tejido cerebral a través de pequeñas fibras ópticas. Descubrieron que la activación de las neuronas HDB-PV no causaba un comportamiento de evitación en ratones, lo que sugiere que esta vía no está involucrada en la evitación activa como buscar refugio, sino que más probablemente media en aspectos de atención y/o aprendizaje inducidos por estímulos aversivos. De hecho, cuando bloquearon optogenéticamente las respuestas de las neuronas a las bocanadas de aire faciales, los ratones no lograron aprender a discriminar estímulos auditivos predictivos que pronosticaran bocanadas de aire probables o improbables. Este experimento demostró que las neuronas HDB-PV son necesarias para aprender de estímulos aversivos.
Los axones que expresan parvalbúmina de la banda diagonal de Broca contactan con una neurona colinérgica
¿Qué circuito cerebral media este efecto de aprendizaje?
Las neuronas no actúan de forma aislada sino que forman parte de circuitos complejos con diversas vías de entrada y salida. El equipo de Hangya, junto con Gabor Nyiri y compañeros de trabajo del mismo instituto, mapearon las entradas y salidas de las neuronas HDB-PV. Descubrieron que estas células integran múltiples fuentes de información aversiva, incluidas vías prominentes del hipotálamo y los núcleos del rafe del tronco encefálico. A su vez, transmiten información integrada al llamado sistema límbico, ampliamente responsable de las respuestas conductuales y emocionales, incluido el sistema septohipocampal, importante para almacenar y recordar recuerdos episódicos. Además, las células HDB-PV inhibidoras se dirigen principalmente a otras neuronas inhibidoras en estas regiones, lo que probablemente alivia la inhibición de las células excitadoras, permitiéndoles ser más activas, un mecanismo cerebral omnipresente llamado desinhibición.
En resumen, el estudio sugiere que las neuronas HDB-PV inhibidoras de largo alcance son reclutadas por estímulos aversivos para cumplir funciones cruciales de aprendizaje asociativo mediante el aumento de la excitabilidad cortical en áreas objetivo específicas, probablemente mediante desinhibición. Por tanto, al menos para estímulos aversivos, las neuronas HDB-PV podrían ser el sustrato físico del concepto de "atención para aprender". «La desregulación del procesamiento de la valencia positiva y negativa se puede observar en diferentes trastornos psiquiátricos, como la ansiedad y la depresión. Por tanto, es fundamental comprender cómo se codifica la valencia negativa en el cerebro y cómo contribuye al aprendizaje», concluye Panna Hegedüs.
Referencia: Hegedüs, P., et al. (2024). Parvalbumin-expressing basal forebrain neurons mediate learning from negative experience. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-024-48755-7.