Striatal interneuron microcircuits gate reinforcement to stabilize adaptive choice

Jeden Tag treffen wir unzählige kleine Entscheidungen, von der Wahl des Arbeitswegs bis hin zur Auswahl einer Mahlzeit von einer Speisekarte. Einige dieser Entscheidungen lernen wir durch Versuch und Irrtum, ein Prozess, bei dem unser Gehirn den Erfolg oder Misserfolg einer Handlung gegen das erzielte Ergebnis abwägt. Dieses Lernen findet in einer spezifischen Region des Gehirns statt, dem Striatum, einer tief liegenden Struktur, die als Knotenpunkt für die Verarbeitung von Informationen über Belohnungen und Bestrafungen fungiert. Innerhalb dieses Knotenspunkts dient ein Typ von Nervenzellen, bekannt als Spiny-Projection-Neuronen, als Hauptbotschafter, der Signale sendet, die unser Verhalten vorantreiben. Wissenschaftler wissen seit langem, dass diese Botschafterzellen durch exzitatorische Inputs gesteuert werden, aber die Rolle der lokalen inhibitorischen Zellen – jener, die innerhalb des Striatums selbst als Bremsen oder Filter wirken – blieb ein Rätsel. Das Verständnis darüber, wie diese lokalen Bremsen funktionieren, ist entscheidend, da sie der Schlüssel dazu sein könnten, wie wir unsere Gewohnheiten anpassen, wenn sich die Regeln der Welt ändern und wir von einer erfolgreichen Strategie zu einer neuen wechseln, wenn unsere alten Wege nicht mehr funktionieren.

Ein Forschungsteam wandte seine Aufmerksamkeit kürzlich dem dorsomedialen Striatum zu, um zu untersuchen, wie diese lokalen inhibitorischen Schaltkreise das Lernen beeinflussen. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art von Lernaufgabe, bei der ein Tier einen Hebel drücken oder ziehen musste, um eine Belohnung zu erhalten, wobei sich die Regeln des Spiels gelegentlich änderten. Manchmal war das Drücken die richtige Bewegung, manchmal das Ziehen, und das Tier musste die Änderung basierend darauf erkennen, ob es eine Belohnung erhielt oder nicht. Durch die Beobachtung der Aktivität verschiedener inhibitorischer Nervenzellen während dieses Prozesses entdeckten die Wissenschaftler einen präzisen internen Schaltkreis, der das unmittelbare Ergebnis eines einzelnen Versuchs mit der breiteren Strategie verknüpft, die das Tier bei seinen Entscheidungen anwendet. Sie fanden heraus, dass zwei spezifische Typen von inhibitorischen Zellen, die sich durch die Proteine unterscheiden, die sie enthalten, entgegengesetzt auf dieselben Ereignisse reagieren. Ein Typ, der ein Protein namens Somatostatin enthält, wird aktiv, wenn ein Versuch misslingt oder wenn eine Belohnung unerwartet eintritt. Der andere Typ, der das Protein Tyrosinhydroxylase enthält, macht das Gegenteil: Er wird ruhig, wenn ein Versuch fehlschlägt, und springt in Aktion, wenn eine Belohnung empfangen wird.

Die Forscher kartierten daraufhin, wie diese beiden Zelltypen miteinander und mit den Hauptbotschafterzellen kommunizieren. Sie fanden heraus, dass die Tyrosinhydroxylase-Zellen aktiv sind, unterdrücken sie die Somatostatin-Zellen. Diese Unterdrückung entfernt eine Bremse und ermöglicht es den Hauptbotschafterzellen, freier zu feuern. Diese Kette von Ereignissen schafft einen Pfad, bei dem ein gutes Ergebnis eine spezifische Sequenz auslöst, die die Aktivität der Zellen verstärkt, die für das Antreiben von Handlungen verantwortlich sind. Um zu testen, ob dieser Schaltkreis tatsächlich für das Lernen notwendig war, stillten die Wissenschaftler diese Zellen in lebenden Tieren vorübergehend. Als sie die Somatostatin-Zellen daran hinderten, zu arbeiten, trafen die Tiere wiederholt die falsche Wahl und hielten an einer suboptimalen Strategie fest, selbst als diese nicht mehr lohnte. Umgekehrt hatten die Tiere, als sie die Tyrosinhydroxylase-Zellen stilllegten, Schwierigkeiten, aus positiven Belohnungen zu lernen, wodurch sie die korrekte Verhaltensweise nicht verstärken konnten. Diese Experimente zeigten, dass dieser spezifische Mikroschaltkreis als Tor fungiert, das entscheidet, ob das Gehirn sein Verhalten basierend auf dem Ergebnis eines einzelnen Versuchs aktualisieren sollte.

Die Studie untersuchte auch, was innerhalb der Zellen geschieht, nachdem diese Verhaltensänderungen aufgetreten sind. Als die Somatostatin-Zellen gehemmt wurden, beobachteten die Forscher, dass die Verbindungen zwischen den exzitatorischen Inputs und den Hauptbotschafterzellen im Laufe der Zeit stärker wurden. Diese Verstärkung deutet auf eine physische Veränderung in der Verschaltung des Gehirns hin, die erklären könnte, warum die Tiere noch lange nach dem Experiment dieselbe falsche Entscheidung trafen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser disinhibitorische Schaltkreis mehr tut, als nur auf ein einzelnes Ereignis zu reagieren; er transformiert das unmittelbare Ergebnis eines Versuchs in eine dauerhafte Änderung der Strategie. Indem er den Fluss der Verstärkung durch diesen spezifischen lokalen Regelkreis steuert, kann das Gehirn adaptive Entscheidungen stabilisieren und so sicherstellen, dass wir aus unseren Erfolgen und Misserfolgen lernen, um unsere zukünftigen Handlungen zu leiten.