Striatal interneuron microcircuits gate reinforcement to stabilize adaptive choice

Elke dag maken we talloze kleine keuzes, van het beslissen welke route we naar het werk nemen tot het kiezen van een maaltijd van een menu. Sommige van deze keuzes leren we door middel van vallen en opstaan, een proces waarbij onze hersenen het succes of falen van een handeling afwegen tegen de resulterende uitkomst. Dit leren vindt plaats in een specifiek deel van de hersenen genaamd het striatum, een diepe structuur die fungeert als een knooppunt voor het verwerken van informatie over beloningen en straffen. Binnen dit knooppunt fungeert een type zenuwcel, bekend als een spiny projection neuron, als de belangrijkste boodschapper die signalen stuurt die ons gedrag voortstuwen. Wetenschappers begrijpen al lang dat deze boodschappercellen worden aangestuurd door exciterende input, maar de rol van de lokale inhibitoire cellen — die fungeren als remmen of filters binnen het striatum zelf — bleef een mysterie. Het begrijpen van hoe deze lokale remmen werken is cruciaal, omdat ze de sleutel kunnen zijn tot hoe we onze gewoonten aanpassen wanneer de regels van de wereld veranderen, waarbij we overschakelen van een succesvolle strategie naar een nieuwe wanneer onze oude manieren niet meer werken.

Een team van onderzoekers richtte zich onlangs op het dorsomediale striatum om te ontdekken hoe deze lokale inhibitoire circuits het leren beïnvloeden. Ze concentreerden zich op een specifieke soort leertaak waarbij een dier een hendel moest indrukken of trekken om een beloning te krijgen, maar waarbij de regels van het spel af en toe omdraaiden. Soms was drukken de juiste zet, en soms was dat trekken, en het dier moest de verandering ontdekken op basis van het wel of niet ontvangen van een beloning. Door de activiteit van verschillende inhibitoire zenuwcellen tijdens dit proces te observeren, ontdekten de wetenschappers een precies intern circuit dat de directe uitkomst van een enkele trial verbindt met de bredere strategie die het dier gebruikt om keuzes te maken. Ze ontdekten dat twee specifieke typen inhibitoire cellen, die van elkaar verschillen door de eiwitten die ze bevatten, tegengesteld reageren op dezelfde gebeurtenissen. Het ene type, dat een eiwit genaamd somatostatine bevat, wordt actief wanneer een trial misgaat of wanneer een beloning onverwacht komt. Het andere type, dat tyrosinehydroxylase bevat, doet het tegenovergestelde: het wordt stil wanneer een trial faalt en komt in actie wanneer een beloning wordt ontvangen.

De onderzoekers brachten vervolgens in kaart hoe deze twee celtypen met elkaar communiceren en met de belangrijkste boodschapperscellen. Ze ontdekten dat wanneer de tyrosinehydroxylase-cellen actief zijn, ze de somatostatine-cellen onderdrukken. Deze onderdrukking verwijdert een rem, waardoor de hoofdboodschapperscellen vrijer kunnen vuren. Deze keten van gebeurtenissen creëert een pad waarbij een goede uitkomst een specifieke sequentie triggert die de activiteit van de cellen die verantwoordelijk zijn voor het aansturen van actie versterkt. Om te testen of dit circuit daadwerkelijk noodzakelijk was voor het leren, schakelden de wetenschappers deze cellen tijdelijk uit bij levende dieren. Wanneer ze de somatostatine-cellen stopzetten, begonnen de dieren herhaaldelijk de verkeerde keuze te maken, waarbij ze vasthielden aan een suboptimale strategie zelfs toen deze niet langer belonend was. Omgekeerd hadden de dieren, wanneer ze de tyrosinehydroxylase-cellen uitschakelden, moeite met leren van positieve beloningen, waardoor ze er niet in slaagden het juiste gedrag te versterken. Deze experimenten toonden aan dat dit specifieke microcircuit fungeert als een poort, die beslist of de hersenen hun gedrag moeten bijstellen op basis van de uitkomst van een enkele trial.

De studie onderzocht ook wat er binnen de cellen gebeurt nadat deze gedragsveranderingen hebben plaatsgevonden. Wanneer de somatostatine-cellen werden geremd, observeerden de onderzoekers dat de verbindingen tussen de exciterende input en de hoofdboodschapperscellen in de loop van de tijd sterker werden. Deze versterking suggereert een fysieke verandering in de bedrading van de hersenen die zou kunnen verklaren waarom de dieren dezelfde verkeerde keuze bleven maken lang nadat het experiment was geëindigd. De bevindingen wijzen erop dat dit disinhibitoire circuit meer doet dan alleen reageren op een enkele gebeurtenis; het transformeert het directe resultaat van een trial in een blijvende verandering van beleid. Door de stroom van versterking via dit specifieke lokale circuit te reguleren, kunnen de hersenen adaptieve keuzes stabiliseren, wat ervoor zorgt dat we leren van onze successen en mislukkingen op een manier die onze toekomstige acties stuurt.