SiNAPSA, torek, 21. november 2017

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Kako se naši možgani soočajo z obdelavo in združitvijo različnih virov informacij?

Nina Purg

Ljudje smo izpostavljeni velikemu številu dražljajev, ki prihajajo iz zunanjega sveta ali iz notranjosti našega telesa. Možgani so poglavitni organ, ki zaznava in obdeluje različne dražljaje v obliki živčnih signalov. Naloga možganov je, da na podlagi informacij iz okolja in telesa oblikujejo odločitve in dejanja tako, da zadovoljijo fiziološke, mentalne in čustvene potrebe posameznika. Vendar morajo zaradi velike količine informacij možgani presoditi, katere in koliko informacij je pomembnih in potrebnih v določenem trenutku1. Razumevanje, kako naši možgani obdelujejo in združujejo različne vire informacij, je eden izmed glavnih izzivov današnjih nevroznanstvenikov. V nadaljevanju članka predstavljam koncept živčnega ojačenja (angl. neural gain) kot možnega nevrobiološkega mehanizma za aktivno obdelavo informacij.

Naši možgani pridobivajo informacije o trenutnem stanju okolja in telesa s pomočjo zaznavnih čutil, ki različne dražljaje spremenijo v živčne signale in jih po živcih prenesejo do možganov. Možgani tako sprejemajo in obdelujejo velike količine informacij iz različnih virov, zato morajo imeti mehanizme, kako določiti, katere informacije obravnavati kot pomembne in prenos le-teh povečati, ter katere informacije so manj pomembne in prenos le-teh zmanjšati. Stopnja, do katere je aktivnost nevronov in posledično prenos informacij povečan ali zmanjšan, se imenuje živčno ojačenje. Živčno ojačenje si lahko predstavljamo tudi kot kontrast med različno aktivnimi nevroni, kjer višji kontrast pomeni, da samo najaktivnejši nevroni vplivajo na aktivnost možganov in je obdelava osredotočena na najbolj reprezentativne informacije, ki se prenašajo po najaktivnejših nevronih2. Po drugi strani pa nižji kontrast omogoča široko obdelavo in združitev različnih virov informacij, ki se prenašajo tako po močno aktivnih, kot tudi nizko aktivnih nevronih2. Regulacija živčnega ojačenja predstavlja enega izmed predlaganih mehanizmov, kako možgani določajo širino obdelanih informacij in nadzorujejo vpliv posameznih informacij na možgansko aktivnost2.

Kot regulatorja živčnega ojačenja v možganih sta bila predlagana predvsem živčna prenašalca noradrenalin in dopamin. To teorijo podpirajo številne empirične ugotovitve, in sicer omenjena živčna prenašalca nastajata v živčnih jedrih v srednjih možganih (noradrenalin: locus coeruleus; dopamin: ventralno tegmentalno področje in substantia nigra) in se izločata v številnih predelih možganske skorje in ostalih možganskih struktur1. Prav tako oba živčna prenašalca kažeta počasne modulacijske učinke v možganih, ki uravnavajo vzburjevalne in zaviralne učinke drugih živčnih prenašalcev3. In nazadnje, številne študije so pokazale, da sta noradrenalin in dopamin pomembna za normalno delovanje kognitivnih procesov in sta povezana s kognitivnimi simptomi pri različnih nevroloških in psihiatričnih obolenjih, kot so recimo shizofrenija, depresija, motnja hiperaktivnosti itd. 1 4.

Študije, ki so uporabile koncept živčnega ojačenja za razložitev kognitivnih procesov in obnašanja, so se osredotočile predvsem na noradrenalin, ki se izloča iz locusa coeruleusa (LC). Kot primer, Aston-Jones in sodelavci5 so v svoji študiji invazivno merili električno aktivnost noradrenalinskih LC-nevronov pri opicah, medtem ko so izvajale preprosto signalno-zaznavno nalogo. Rezultati študije so pokazali, da je večja aktivnost LC-nevronov povezana z boljšo pozornostjo na nalogo in boljšo izvedbo, medtem ko je manjša aktivnost LC-nevronov povezana z nepozornim obnašanjem in slabo izvedbo5. Razlaga rezultatov je bila, da noradrenalinski LC-sistem uravnava živčno ojačenje v možganih tako, da večja aktivnost v LC-nevronih povzroči višje ojačenje in s tem osredotočene kognitivne procese in obnašanje, medtem ko nižja aktivnost v LC-nevronih povzroči nižje ojačenje, ter s tem fleksibilne kognitivne procese in nepozorno obnašanje4.

Do podobnih ugotovitev so prišli tudi v študijah z ljudmi, v katerih so udeleženci izvajali različne kognitivne naloge in so aktivnost noradrenalinskega LC-sistema merili neinvazivno preko sprememb v velikosti zenice2 6 7. Večja aktivnost noradrenalinskih živcev v LC-sistemu namreč povzroči razširitev zenice, medtem ko je nižja aktivnost povezana z zožitvijo zenice2. Tako so recimo Eldar in sodelavci2 opazili, da je razširitev zenic povezana z osredotočeno obdelavo informacij in večjo pozornostjo na nalogo, medtem ko je bila zoožitev zenic povezana s širšo obdelavo informacij in nepozornim obnašanjem.

Aston-Jones in Cohen 4 sta predlagala, da uravnavanje živčnega ojačenja določa ravnotežje med različnimi razsežnostmi obdelave informacij, kar je pomembno za prilagoditev kognitivnih procesov in obnašanja na okolijske in telesne potrebe posameznika. Tako bi naj višje ojačenje osredotočilo kognitivne procese in vzpodbudilo izvedbo preizkušenih dejanj, ki bi vodila do znanih virov dobrin4. Po drugi strani pa bi naj nižje ojačenje omogočilo fleksibilne kognitivne procese in dovolilo raziskovanje alternativnih načinov obnašanja ter iskanje novih virov dobrin4.

Koncept živčnega ojačenja se vse pogosteje uporablja za razlaganje različnih kognitivnih procesov in obnašanja, vendar pa so nevrobiološki mehanizmi živčnega ojačenja še precej slabo raziskani. Noradrenalin in dopamin sta pomembna živčna prenašalca za številne kognitivne funkcije, vendar je vsekakor potrebnih več eksperimentalnih raziskav za boljše razumevanje njune vloge pri uravnavanju živčnega ojačenja. Noradrenalin in dopamin imata pomembno vlogo tudi v različnih nevroloških in psihiatričnih boleznih, zato bi bilo boljše razumevanje njunih fizioloških in mentalnih učinkov pomembno za opredelitev zanesljivih diagnostičnih kriterijev in razvoj učinkovitega zdravljenja.

    ___
  1. Hauser, T. U., Fiore, V. G., Moutoussis, M. & Dolan, R. J. Computational Psychiatry of ADHD: Neural Gain Impairments across Marrian Levels of Analysis. Trends Neurosci. 39, 63–73 (2016). 

  2. Eldar, E., Cohen, J. D. & Niv, Y. The effects of neural gain on attention and learning. Nat. Neurosci. 16, 1146–53 (2013). 

  3. Servan-Schreiber, D., Printz, H. & Cohen, J. D. A network model of catecholamine effects: gain, signal-to-noise ratio, and behavior. Science 249, 892–895 (1990). 

  4. Aston-Jones, G. & Cohen, J. D. An integrative theory of locus coeruleus-norepinephrine function: Adaptive gain and optimal performance. Annu. Rev. Neurosci. 28, 403–450 (2005). 

  5. Aston-Jones, G., Rajkowski, J., Kubiak, P. & Alexinsky, T. Locus Coeruleus Neurons in Monkey Are Selectively Activated by Attended Cues in a Vigilance Task. J. Neurosci. 14, 4467–4480 (1994). 

  6. Gilzenrat, M. S., Nieuwenhuis, S., Jepma, M. & Cohen, J. D. Pupil diameter tracks changes in control state predicted by the adaptive gain theory of locus coeruleus function. Cogn. Affect. Behav. Neurosci. 10, 252–69 (2010). 

  7. Jepma, M. & Nieuwenhuis, S. Pupil diameter predicts changes in the exploration-exploitation trade-off: evidence for the adaptive gain theory. J. Cogn. Neurosci. 23, 1587–1596 (2011). 

Nina Purg, MSc Neuroscience