Lärande och avläsning att frukta: Noradrenalinens två ansikten (2017)

Noradrenalin är ett hormon och en neurotransmittor som får våra kroppar och sinne redo för handling. I kroppen ingår detta i det sympatiska nervsystemet som att öka hjärtfrekvensen, blodtrycket och blodflödet till musklerna. I hjärna, noradrenalin hjälper oss att hålla oss alert och fokusera vår uppmärksamhet, men är också viktiga för känslomässigt lärande, särskilt när det gäller rädsla och ångest. Även om forskare länge trodde att alla noradrenerga neuroner i locus coeruleus skicka samma signaler till resten av hjärnan genom en enda, homogen population av celler, något lagde inte upp till laget på RIKEN.

Som lagledare Joshua Johansen förklarar, ”locus coeruleus fungerar i många beteenden, inklusive emotionellt lärande och kognitiv och beteendemässig flexibilitet. Vi undrade hur ett homogent system kunde reglera dessa till synes motsatta aspekter av beteendet. Överraskande var svaret att systemet inte är homogent. ”

Laget nådde denna slutsats genom att undersöka två typer av lärande. Den första var rädd för att lära sig, i vilket ett djur lär sig att associera ett ljud med en rädsla händelse. Denna typ av lärande är känt för att involvera ökningar av noradrenalin i en del av hjärnan som kallas amygdala. Den andra var utrotning av rädslelärning där associeringen mellan ljudet och händelsen är olarmad genom upprepning av ljudet utan den rädda händelsen. Denna typ av flexibelt lärande innebär ökningar av noradrenalin i en del av hjärnan som kallas medial prefrontal cortex.

Experiment visade att de flesta noradrenerga neuroner under rädslärning aktiverades av den intensiva aversiva situationen. Men som rädslesvar förändras under utrotning var en grupp av locus coeruleus neuroner aktiva tidigt när de lärde sig när rädsla reaktioner fortfarande var höga, medan en annan grupp började reagera eftersom föreningen var olindrad och de emotionella reaktionerna undertrycktes.

Ytterligare experiment avslöjade att den noradrenerga cellgruppen aktiv under rädda stater skickade prognoser till amygdala, medan den aktiva gruppen under utrotning projicerade till den mediala prefrontala cortexen.

Funktionerna hos dessa två separata utsprång blev tydliga när laget använde optogenetik att hämma den ena eller den andra under de olika inlärningstillstånden. Att hämma projiceringen till amygdala under rädsla lärde hindra djur från att associera ljudet med den rädda händelsen, samtidigt som den hämmade den under utrotning underlättade en återgång till normalt, flexibelt beteende. I motsats härtill hade inhibering av prefrontal projicering ingen effekt på rädsla att lära sig, men i stället reducerade utrotningsinlärning, vilket resulterade i djur som fortsatte att bete sig som om de var rädda för ljudet, även om det inte längre förutsagde den rädda händelsen.

"Även om alla noradrenerga celler svarade starkt under intensiv rädslelärning, fann vi att under utrotningsinlärning när känslomässiga reaktioner behöver undertryckas, är mindre populationer av noradrenalinceller engagerade vid olika tidpunkter", berättade Johansen. “Specifikt skiftar aktivering från amygdala-projicerande celler som försöker upprätthålla rädsla svar, till de prefrontala cortexprojektiva cellerna som är viktiga för att överväga dessa känslomässiga svar. Det här gör det möjligt för ett skifte från reflexiv emotionella svar till normalt, flexibelt beteende. ”

Eftersom droger som riktar sig mot noradrenalinsystemet för närvarande är under utveckling för behandling av ångestsjukdomar, kan dessa resultat påverka framtida läkemedelsupptäckt.

”Genom att förstå de detaljerade kretslopp som ligger till grund för fruktansinlärning och säkerhetsinlärning”, säger Johansen, ”antyder vår studie det noradrenalin-baserade behandlingsmetoder skulle dra nytta av mer specifik inriktning och differentiell reglering av dessa pro-rädsla och anti-rädsla populationer av noradrenerga celler. ”

Labbet undersöker nu de molekylära skillnaderna mellan dessa olika cellpopulationer i hopp om att utveckla bättre drogbehandlingar för ångestsjukdomar.

Utforska vidare: Vuxnahjärnor producerar nya celler i tidigare oupptäckta områden

Mer information: Modulär organisation av hjärnstammen noradrenalinsystemet koordinerar motsatta lärande stater, Nature Neuroscience (2017). DOI: 10.1038 / nn.4642