STUDIU. Creierul poate modifica percepția vizuală atunci când ne este foame

• Într-un articol publicat în ianuarie în Neuron, neuroștiințiștii din laboratorul lui Nathalie Rochefort de la Universitatea din Edinburgh au dezvăluit o strategie de economisire a energiei în sistemul vizual al șoarecilor.
• Deoarece neuronii din modul cu putere redusă au procesat semnalele vizuale cu mai puțină precizie, șoarecii cu restricții alimentare au avut performanțe mai slabe la o sarcină vizuală dificilă.
• În mod similar, studiile de imagistică pe oameni au descoperit că imaginile cu mâncare evocă răspunsuri mai puternice în unele zone ale creierului atunci când subiecții sunt înfometați, comparativ cu după ce au mâncat.

Când telefoanele și computerele noastre rămân fără energie, ecranele lor luminoase se întunecă și suferă un fel de moarte digitală. Dar, dacă le trecem în modul de consum redus de energie, acestea reduc operațiunile de prisos pentru a menține procesele de bază în funcțiune până când bateriile lor pot fi reîncărcate.

Și creierul nostru, care consumă multă energie, trebuie să rămână „aprins”. Celulele cerebrale depind în primul rând de livrările constante de zahăr glucoză, pe care îl transformă în adenozin trifosfat (ATP) pentru a alimenta procesarea informațiilor.

Atunci când ne este puțin foame, creierul nostru nu-și modifică de obicei prea mult consumul de energie, scrie Wired. Dar, având în vedere că oamenii și alte animale s-au confruntat din punct de vedere istoric cu amenințarea unor perioade lungi de înfometare, uneori în mod sezonier, oamenii de știință s-au întrebat dacă nu cumva creierul ar putea avea propriul lui „mod de consum redus” pentru situații de urgență.

Studii pe șoareci

Într-un articol publicat în ianuarie în Neuron, neuroștiințiștii din laboratorul lui Nathalie Rochefort de la Universitatea din Edinburgh au dezvăluit o strategie de economisire a energiei în sistemul vizual al șoarecilor. Aceștia au descoperit că, atunci când șoarecii au fost privați de hrană suficientă timp de mai multe săptămâni – suficient de mult timp pentru ca aceștia să piardă între 15 și 20 % din greutatea lor sănătoasă tipică – neuronii din cortexul vizual au redus cantitatea de ATP utilizată la sinapsele lor cu un procent considerabil de 29 %.

Dar noul mod de procesare a venit cu un cost pentru percepție: Acesta a afectat modul în care șoarecii vedeau detaliile lumii. Deoarece neuronii din modul cu putere redusă au procesat semnalele vizuale cu mai puțină precizie, șoarecii cu restricții alimentare au avut performanțe mai slabe la o sarcină vizuală dificilă.

„Ceea ce obțineți în acest mod de putere redusă este mai mult o imagine de rezoluție redusă a lumii”, a declarat Zahid Padamsey, primul autor al noului studiu.

Noua lucrare s-a bucurat de un interes larg și a fost lăudată de neuroștiințiști, inclusiv de cei care studiază procesele senzoriale și cognitive care nu au legătură cu vederea și care ar putea fi modificate în mod similar de privarea de energie. Aceasta ar putea avea implicații importante pentru înțelegerea modului în care malnutriția sau chiar unele forme de dietă ar putea afecta percepția oamenilor asupra lumii. De asemenea, ridică întrebări cu privire la utilizarea pe scară largă a restricției alimentare pentru a motiva animalele în studiile de neuroștiință și la posibilitatea ca înțelegerea percepției și a comportamentului de către cercetători să fi fost distorsionată de studiile asupra neuronilor într-o stare suboptimală, cu putere mai mică.

Mâncarea puțină reduce precizia

Dacă ați simțit vreodată că nu vă puteți concentra asupra unei sarcini atunci când vă este foame – sau că nu vă puteți gândi decât la mâncare – dovezile neuronale vă susțin. Lucrările de acum câțiva ani au confirmat faptul că foamea pe termen scurt poate schimba procesarea neuronală și ne poate devia atenția în moduri care ne pot ajuta să găsim mai repede mâncare.

În 2016, Christian Burgess, un cercetător în neuroștiințe de la Universitatea din Michigan, și colegii săi au descoperit că, atunci când șoarecii au vizualizat o imagine pe care o asociau cu mâncarea, o zonă a cortexului lor vizual a prezentat mai multă activitate neuronală dacă le era foame; după ce au mâncat, această activitate a scăzut. În mod similar, studiile de imagistică pe oameni au descoperit că imaginile cu mâncare evocă răspunsuri mai puternice în unele zone ale creierului atunci când subiecții sunt înfometați, comparativ cu după ce au mâncat.

Indiferent dacă vă este foame sau nu, „fotonii care vă lovesc retina sunt aceiași”, a spus Burgess. „Dar reprezentarea din creierul tău este foarte diferită, deoarece ai acest obiectiv de care corpul tău știe că ai nevoie, iar acesta direcționează atenția într-un mod care va ajuta la satisfacerea acestuia”.

Dar ce se întâmplă după mai mult de câteva ore de foame? Cercetătorii și-au dat seama că creierul ar putea avea modalități de economisire a energiei prin reducerea proceselor sale cele mai consumatoare de energie.

Studii pe creierul muștelor

Prima dovadă concretă că așa stau lucrurile a fost obținută în 2013 de la creierul mic al muștelor. Pierre-Yves Plaçais și Thomas Preat, de la Centrul Național Francez pentru Cercetare Științifică și ESPCI Paris, au descoperit că, atunci când muștele mor de foame, o cale cerebrală necesară pentru a forma un tip de memorie pe termen lung costisitoare din punct de vedere energetic se oprește. Atunci când au forțat această cale să se activeze și să formeze amintiri, muștele înfometate au murit mult mai repede – ceea ce sugerează că oprirea acestui proces a conservat energia și le-a păstrat viața.

Cu toate acestea, nu se știa dacă creierul, mult mai mare și mai avansat din punct de vedere cognitiv, al mamiferelor a făcut ceva similar. De asemenea, nu era clar dacă vreun mod de economisire a energiei ar fi intrat în funcțiune înainte ca animalele să fie înfometate, așa cum au fost muștele.

Noua lucrare oferă o perspectivă nouă asupra modului în care creierul se adaptează pentru a economisi energie odată ce hrana a fost rară, dar nu inexistentă, pentru o perioadă lungă de timp.

Cum s-a desfășurat studiul

Pe o perioadă de trei săptămâni, cercetătorii au restricționat cantitatea de hrană disponibilă unui grup de șoareci până când aceștia au pierdut 15% din greutatea corporală. Șoarecii nu au fost înfometați: De fapt, cercetătorii au hrănit șoarecii chiar înainte de experimente pentru a preveni modificările neuronale dependente de foame pe termen scurt observate de Burgess și de alte grupuri de cercetare. Dar, de asemenea, șoarecii nu primeau atât de multă energie cât aveau nevoie.

Cercetătorii au început apoi să tragă cu urechea la conversațiile dintre neuronii șoarecilor. Ei au măsurat numărul de vârfuri de tensiune – semnalele electrice pe care le folosesc neuronii pentru a comunica – emise de o mână de neuroni din cortexul vizual atunci când șoarecii au văzut imagini cu bare negre orientate în unghiuri diferite. Neuronii din cortexul vizual primar răspund la liniile cu orientări preferate. De exemplu, dacă orientarea preferată a unui neuron este de 90 de grade, atunci acesta va trimite vârfuri mai frecvente atunci când un stimul vizual are elemente cu un unghi de 90 de grade sau aproape de 90 de grade, dar rata scade considerabil pe măsură ce unghiul devine mult mai mare sau mai mic.

Neuronii pot trimite un vârf doar atunci când tensiunea lor internă atinge un prag critic, pe care îl ating prin pomparea ionilor de sodiu încărcați pozitiv în celulă. Dar, după ce se produce vârful, neuronii trebuie să pompeze toți ionii de sodiu înapoi, o sarcină despre care neuroștiințele au descoperit în 2001 că este unul dintre cele mai consumatoare de energie din creier.

Creierul se programează singur

Autorii au studiat acest proces costisitor pentru a găsi dovezi ale unor trucuri de economisire a energiei, și s-a dovedit a fi locul potrivit pentru a căuta. Neuronii din șoarecii lipsiți de hrană au scăzut curenții electrici care se mișcă prin membranele lor – și numărul de ioni de sodiu care intră – astfel încât nu au trebuit să cheltuiască atât de multă energie pentru a pompa ionii de sodiu înapoi după ce au fost atinși de un vârf. Lăsând să intre mai puțin sodiu s-ar putea aștepta să rezulte mai puține vârfuri, dar cumva șoarecii privați de hrană au menținut o rată similară de vârfuri în neuronii corticali vizuali ca șoarecii bine hrăniți. Astfel, cercetătorii au căutat procesele compensatorii care mențin rata de vârfuri.

Ei au găsit două modificări, ambele făcând ca un neuron să genereze mai ușor vârfuri. În primul rând, neuronii și-au mărit rezistența de intrare, ceea ce a redus curenții la sinapsele lor. De asemenea, aceștia și-au ridicat potențialul de membrană în repaus, astfel încât acesta era deja aproape de pragul necesar pentru a trimite un vârf.

„Se pare că creierul face eforturi mari pentru a menține ratele de declanșare”, a declarat Anton Arkhipov, cercetător în neuroștiințe computaționale la Allen Institute for Brain Science din Seattle. „Iar acest lucru ne spune ceva fundamental despre cât de importantă este menținerea acestor rate de declanșare”. La urma urmei, creierele ar fi putut la fel de bine să economisească energie prin lansarea mai puține vârfuri.

Dar menținerea aceleiași rate de vârfuri a însemnat un alt sacrificiu: neuronii corticali vizuali de la șoareci nu au putut fi la fel de selectivi în ceea ce privește orientările liniilor care îi făceau să tragă, astfel încât răspunsurile lor au devenit mai puțin precise.

Pentru a verifica dacă percepția vizuală a fost afectată de precizia redusă a neuronilor, cercetătorii au pus șoarecii într-o cameră subacvatică cu două coridoare, fiecare marcat de o imagine diferită de bare negre înclinate pe un fundal alb. Unul dintre coridoare avea o platformă ascunsă pe care șoarecii o puteau folosi pentru a ieși din apă. Șoarecii au învățat să asocieze platforma ascunsă cu o imagine a barelor la un anumit unghi, dar cercetătorii ar putea îngreuna alegerea coridorului corect dacă ar face ca unghiurile ilustrate să fie mai asemănătoare.

Șoarecii lipsiți de hrană au găsit cu ușurință platforma atunci când diferența dintre imaginea corectă și cea greșită era mare. Dar atunci când diferența dintre unghiurile ilustrate era mai mică de 10 grade, brusc, șoarecii lipsiți de hrană nu mai puteau să facă distincția între ele cu aceeași precizie ca șoarecii bine hrăniți. Consecința economisirii de energie a fost o vedere a lumii cu o rezoluție ușor mai mică.

Rezultatele cercetării

Rezultatele sugerează că creierul prioritizează funcțiile care sunt cele mai importante pentru supraviețuire. A fi capabil să vezi o diferență de 10 grade în orientarea barelor probabil că nu este esențial pentru a găsi fructe în apropiere sau pentru a repera un prădător care se apropie.

Faptul că aceste deficiențe de percepție au apărut cu mult înainte ca animalul să intre în foamete reală a fost neașteptat. Acest lucru a fost „absolut surprinzător pentru mine”, a declarat Lindsey Glickfeld, un cercetător în neuroștiințe care studiază vederea la Universitatea Duke. „Cumva, sistemul [de vedere] și-a dat seama de această modalitate de a diminua masiv consumul de energie cu doar această schimbare relativ subtilă în capacitatea animalului de a îndeplini sarcina de percepție”.

Deocamdată, studiul ne spune doar cu certitudine că mamiferele pot activa un mecanism de economisire a energiei în neuronii corticali vizuali. „Este încă posibil ca ceea ce am arătat să nu se aplice, de exemplu, pentru simțurile olfactive”, a spus Rochefort. Dar ea și colegii ei suspectează că este probabil să apară în grade diferite și în alte zone corticale.

Schimbările nu sunt permanente

Din fericire, orice neclaritate care apare nu este permanentă. Când cercetătorii au administrat șoarecilor o doză de hormon leptină, pe care organismul îl folosește pentru a-și regla echilibrul energetic și nivelul de foame, au găsit comutatorul care activează și dezactivează modul de consum redus de energie. Neuronii au revenit să răspundă cu mare precizie la orientările lor preferate și, pur și simplu, deficitele de percepție au dispărut – toate acestea fără ca șoarecii să fi ingerat o bucățică de mâncare.

„Când furnizăm leptină, putem păcăli creierul până la punctul în care restabilim funcția corticală”, a declarat Rochefort.

Distorsionarea neuroștiinței?

O implicație semnificativă a noilor descoperiri este că o mare parte din ceea ce știm despre modul în care funcționează creierul și neuronii ar fi putut fi învățat de la creiere pe care cercetătorii le-au pus, fără să vrea, în mod involuntar, în modul de putere redusă. Este extrem de frecventă restricționarea cantității de hrană la dispoziția șoarecilor și a altor animale de laborator timp de câteva săptămâni înainte și în timpul studiilor de neuroștiință pentru a-i motiva să îndeplinească sarcini în schimbul unei recompense alimentare. (În caz contrar, animalele ar prefera adesea să stea degeaba).

„Un impact cu adevărat profund este că arată în mod clar că restricția alimentară are un impact asupra funcției cerebrale”, a declarat Rochefort. Modificările observate în fluxul de ioni încărcați ar putea fi deosebit de semnificative pentru procesele de învățare și de memorie, a sugerat ea, deoarece acestea se bazează pe schimbări specifice care au loc la nivelul sinapselor.

Rezultatele deschid, de asemenea, noi întrebări cu privire la modul în care alte stări fiziologice și semnale hormonale ar putea afecta creierul și dacă nivelurile diferite de hormoni din sânge ar putea determina indivizii să vadă lumea în mod ușor diferit.

Dar, de asemenea, până în prezent nu există niciun motiv pentru a crede că modul de putere redusă promulgat de neuronii corticali vizuali de la șoareci și impactul său asupra percepției nu va fi același la oameni și la alte mamifere.