Μεταξύ των νευροδιαβιβαστών του εγκεφάλου, η ντοπαμίνη έχει αποκτήσει μια σχεδόν μυθική θέση. Δεκαετίες έρευνας έχουν αποδείξει τη συμβολή του σε πολλές φαινομενικά άσχετες εγκεφαλικές λειτουργίες, όπως η μάθηση, τα κίνητρα και η κίνηση. Αυτό έχει το ερώτημα πώς ένας μόνο νευροδιαβιβαστής παίζει τόσους πολλούς διαφορετικούς ρόλους.
Το ξεμπέρδεμα των διαφορετικών λειτουργιών της ντοπαμίνης είναι πρόκληση, εν μέρει επειδή ο προηγμένος εγκέφαλος των ανθρώπων και άλλων θηλαστικών περιέχει διαφορετικά είδη νευρώνων ντοπαμίνης, όλοι ενσωματωμένοι σε εξαιρετικά πολύπλοκα κυκλώματα. Σε μια νέα μελέτη, η Vanessa Ruta από το Πανεπιστήμιο Ροκφέλερ και η ομάδα της βούτηξαν βαθιά στην ερώτηση κοιτάζοντας τον πολύ απλούστερο εγκέφαλο της φρουτόμυγας, της οποίας οι νευρώνες και οι συνδέσεις τους είναι καλά χαρτογραφημένοι.
Όπως και στους ανθρώπους, οι νευρώνες ντοπαμίνης μιας μύγας παρέχουν ένα σήμα για μάθηση, βοηθώντας τους να συνδέσουν μια συγκεκριμένη μυρωδιά με ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα. Η εκμάθηση ότι, για παράδειγμα, το μηλόξυδο περιέχει ζάχαρη, διαμορφώνει τη μελλοντική συμπεριφορά των ζώων στην επόμενη συνάντησή τους με αυτή τη μυρωδιά.
Αλλά η ομάδα της Ruta ανακάλυψε ότι οι ίδιοι νευρώνες ντοπαμίνης συσχετίζονται επίσης ισχυρά με τη συνεχιζόμενη συμπεριφορά του ζώου. Η δραστηριότητα αυτών των νευρώνων ντοπαμίνης δεν κωδικοποιεί απλώς τη μηχανική της κίνησης, αλλά μάλλον φαίνεται να αντικατοπτρίζει το κίνητρο ή τον στόχο που κρύβεται πίσω από τις ενέργειες της μύγας σε πραγματικό χρόνο. Με άλλα λόγια, οι ίδιοι νευρώνες ντοπαμίνης που διδάσκουν στα ζώα μακροπρόθεσμα μαθήματα παρέχουν επίσης ενίσχυση από στιγμή σε στιγμή, ενθαρρύνοντας τις μύγες να συνεχίσουν σε μια δράση. «Φαίνεται να υπάρχει μια στενή σύνδεση μεταξύ μάθησης και κινήτρων, δύο διαφορετικές πτυχές του τι κάνει η ντοπαμίνη», λέει η Ruta, η οποία δημοσίευσε τα ευρήματα στο Nature Neuroscience.
Συνεχής μάθηση
Οι μυρωδιές είναι σημαντικές για τις μύγες. Ένα κέντρο εγκεφάλου για την οσφρητική μάθηση, που ονομάζεται “σώμα των μανιταριών”, είναι υπεύθυνο για τη διδασκαλία των μυγών ότι οι μυρωδιές υποδηλώνουν νόστιμη ζάχαρη. Εκεί συνδυάζονται τρεις τύποι νευρώνων: τα κύτταρα Kenyon που ανταποκρίνονται στις οσμές, οι νευρώνες εξόδου που στέλνουν σήματα στον υπόλοιπο εγκέφαλο και οι νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη. Όταν η μύγα συναντά μια οσμή και στη συνέχεια παίρνει μια ανταμοιβή ζάχαρης, μια γρήγορη απελευθέρωση ντοπαμίνης αλλάζει τη δύναμη των συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων του “σώματος μανιταριού”, βοηθώντας ουσιαστικά τη μύγα να κάνει νέους συσχετισμούς και να αλλάξει τη μελλοντική της απόκριση σε αυτή τη μυρωδιά.
Αλλά η Ruta και οι συνάδελφοί της έχουν παρατηρήσει συνεχή σηματοδότηση ντοπαμίνης ακόμη και χωρίς ανταμοιβές. Οι ίδιοι νευρώνες που βοήθησαν τις μύγες να μάθουν συσχετισμούς πυροβολούσαν επίσης συχνά καθώς το ζώο κινούνταν. Αυτό έθεσε το ερώτημα, αυτοί οι νευρώνες αντιπροσωπεύουν συγκεκριμένες πτυχές της κίνησης, όπως το πώς το ζώο κινεί τα πόδια του, ή σχετίζονται με κάτι άλλο, όπως τον στόχο του ζώου;
Για να το ανακαλύψει, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας στο οποίο οι μύγες των φρούτων μπορούν να περιηγηθούν σε ένα οσφρητικό περιβάλλον, περπατώντας σε μια μπάλα που μοιάζει με διάδρομο ενώ η εγκεφαλική τους δραστηριότητα παρακολουθείται από ένα μικροσκόπιο πάνω από το κεφάλι τους. Ένα ρεύμα αέρα μεταφέρει τις οσμές μέσω ενός μικρού σωλήνα. Όταν η μύγα παίρνει μια ελκυστική μυρωδιά, όπως το μηλόξυδο, αναπροσανατολίζεται και αρχίζει να κινείται αντίθετα προς τον άνεμο, προς την πηγή. Χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα, οι ερευνητές μπόρεσαν να εξετάσουν την εγκεφαλική δραστηριότητα της μύγας υπό διαφορετικές συνθήκες. Διαπίστωσαν ότι η δραστηριότητα των νευρώνων ντοπαμίνης αντανακλά στενά τις κινήσεις όπως συνέβαιναν, αλλά μόνο όταν οι μύγες ασχολούνται με σκόπιμη παρακολούθηση και όχι όταν απλώς περιπλανώνται.
Όταν οι ερευνητές κατέστειλαν τη δραστηριότητα των νευρώνων ντοπαμίνης, τα ζώα μείωσαν την παρακολούθηση της μυρωδιάς τους, ακόμη και όταν λιμοκτονούσαν και επομένως είχαν αυξημένο ενδιαφέρον για τις μυρωδιές που σχετίζονται με τα τρόφιμα. Αντίθετα, η ενεργοποίηση των νευρώνων στις αδιάφορες για τα τρόφιμα, πλήρως ταϊσμένες μύγες, τις ώθησε στην ενεργό αναζήτηση της μυρωδιάς.
Μαζί, τα ευρήματα αποκαλύπτουν πώς ένα μονοπάτι ντοπαμίνης μπορεί να εκτελέσει δύο λειτουργίες: να μεταφέρει κίνητρα για να διαμορφώσει γρήγορα συνεχείς συμπεριφορές, ενώ παρέχει επίσης διδακτικά σήματα για να καθοδηγήσει τη μελλοντική συμπεριφορά μέσω της μάθησης. «Μας δίνει μια βαθύτερη κατανόηση του πώς ένα μονοπάτι μπορεί να δημιουργήσει διαφορετικές μορφές ευέλικτης συμπεριφοράς», λέει η Ruta.
Το επόμενο βήμα είναι να καταλάβουμε πώς οι άλλοι νευρώνες γνωρίζουν τι σημαίνει μια έκρηξη ντοπαμίνης ανά πάσα στιγμή. Μια πιθανότητα, λέει η Ruta, είναι ότι η μάθηση είναι μια πιο συνεχής, δυναμική διαδικασία από ό,τι πιστεύεται συχνά: Σε σύντομες χρονικές κλίμακες, τα ζώα αξιολογούν συνεχώς τη συμπεριφορά τους σε κάθε βήμα, μαθαίνοντας όχι μόνο τις τελικές συσχετίσεις, αλλά και τις ενέργειες που τα οδηγούν εκεί.
