Cómo responde el cerebro a eventos inesperados, según científicos del MIT

Cuando el cerebro necesita que prestemos atención a algo importante, una forma en que puede hacerlo es enviando una ráfaga de noradrenalina, según un nuevo estudio del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), que se publicó en la revista científica Nature.

Este neuromodulador, producido por una estructura profunda en el cerebro llamada locus coeruleus, puede tener efectos generalizados en todo el cerebro. En un estudio con ratones, el equipo del MIT descubrió que una función clave de la noradrenalina, también conocida como norepinefrina, es ayudar al cerebro a aprender de resultados sorprendentes.

“Lo que muestra este trabajo es que el locus coeruleus codifica eventos inesperados, y prestar atención a esos eventos sorprendentes es crucial para que el cerebro haga un balance de su entorno”, dice Mriganka Sur, catedrática de neurociencia en el Departamento de Ciencias Cognitivas y del Cerebro del MIT, miembro del Instituto Picower de Aprendizaje y Memoria del MIT y directora del Centro Simons para el Cerebro Social.

Además de su papel en la señalización de sorpresa, los investigadores también descubrieron que la noradrenalina ayuda a estimular el comportamiento que conduce a una recompensa, particularmente en situaciones en las que existe incertidumbre sobre si se ofrecerá una recompensa.

Comportamiento modulador

La noradrenalina es uno de varios neuromoduladores que influyen en el cerebro, junto con la dopamina, la serotonina y la acetilcolina. A diferencia de los neurotransmisores, que permiten la comunicación de célula a célula, los neuromoduladores se liberan en grandes porciones del cerebro, lo que les permite ejercer efectos más generales.

“Se cree que las sustancias neuromoduladoras perfunden grandes áreas del cerebro y, por lo tanto, alteran el impulso excitatorio o inhibidor que las neuronas reciben de una manera más puntual”, explica Sur. “Esto sugiere que deben tener funciones cerebrales muy importantes que son importantes para la supervivencia y la regulación del estado cerebral”.

Si bien los científicos han aprendido mucho sobre el papel de la dopamina en la motivación y la búsqueda de recompensas, se sabe menos sobre los otros neuromoduladores, incluida la noradrenalina. Se ha relacionado con la excitación y el aumento del estado de alerta, pero demasiada noradrenalina puede provocar ansiedad.

Estudios previos del locus coeruleus, la principal fuente de noradrenalina del cerebro, han demostrado que recibe información de muchas partes del cerebro y también envía sus señales por todas partes. En el nuevo estudio, el equipo del MIT se propuso estudiar su papel en un tipo específico de aprendizaje llamado aprendizaje por refuerzo, o aprendizaje por ensayo y error.

Para este estudio, los investigadores entrenaron ratones para empujar una palanca cuando escuchaban un tono de alta frecuencia, pero no cuando escuchaban un tono de baja frecuencia. Cuando los ratones respondían correctamente al tono de alta frecuencia, recibían agua, pero si empujaban la palanca cuando escuchaban un tono de baja frecuencia, recibían una desagradable bocanada de aire.

Los ratones también aprendieron a empujar la palanca con más fuerza cuando los tonos eran más fuertes. Cuando el volumen era más bajo, tenían más dudas sobre si debían empujar o no. Y, cuando los investigadores inhibieron la actividad del locus coeruleus, los ratones dudaron mucho más en empujar la palanca cuando escucharon tonos de volumen bajo, lo que sugiere que la noradrenalina promueve la posibilidad de obtener una recompensa en situaciones en las que la recompensa es incierta.

“El animal empuja porque quiere una recompensa, y el locus coeruleus proporciona señales críticas para decir, empuja ahora, porque la recompensa llegará”, dice Sur.

Los investigadores también encontraron que las neuronas que generan esta señal de noradrenalina parecen enviar la mayor parte de su producción a la corteza motora, lo que ofrece más evidencia de que esta señal estimula a los animales a actuar.

Sorpresa de señalización

Si bien esa ráfaga inicial de noradrenalina parece estimular a los ratones para que actúen, los investigadores también descubrieron que a menudo se produce una segunda ráfaga una vez finalizada la prueba. Cuando los ratones recibían una recompensa esperada, estas explosiones eran pequeñas. Sin embargo, cuando el resultado de la prueba era una sorpresa, las explosiones eran mucho mayores. Por ejemplo, cuando un ratón recibía una bocanada de aire en lugar de la recompensa que esperaba, el locus coeruleus enviaba una gran ráfaga de noradrenalina.

En los ensayos posteriores, ese ratón era mucho menos propenso a empujar la palanca cuando no estaba seguro de recibir una recompensa. “El animal ajusta constantemente su comportamiento”, detalla Sur. “Aunque ya haya aprendido la tarea, está ajustando su comportamiento en función de lo que acaba de hacer”.

Los ratones también mostraron ráfagas de noradrenalina en los ensayos cuando recibían una recompensa inesperada. Estas ráfagas parecían extender la noradrenalina a muchas partes del cerebro, incluido el córtex prefrontal, donde se producen la planificación y otras funciones cognitivas superiores. “La función de codificación de la sorpresa del locus coeruleus parece estar mucho más extendida en el cerebro, y eso puede tener sentido porque todo lo que hacemos está moderado por la sorpresa”, añade el experto.

Los investigadores planean ahora explorar la posible sinergia entre la noradrenalina y otros neuromoduladores, especialmente la dopamina, que también responde a las recompensas inesperadas. También esperan aprender más sobre cómo la corteza prefrontal almacena la memoria a corto plazo de la entrada del locus coeruleus para ayudar a los animales a mejorar su rendimiento en futuros ensayos.

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