Las moscas de la fruta ofrecen pistas sobre cómo el cerebro toma decisiones basadas en recompensas

El cuñado de Fitzgerald está haciendo un cálculo: sopesando los resultados probables para guiar su comportamiento. Su tienda de discos favorita lo recompensa con más frecuencia, por lo que es la que más visita. Es menos probable que la tienda de segundo nivel lo recompense, por lo que visita esa tienda sólo ocasionalmente.

Glenn Turner, quien al igual que Fitzgerald es neurocientífico y líder de grupo en el Campus de Investigación Janelia del HHMI, dice que este hábito de “buscar registros” es un ejemplo perfecto de un tipo de comportamiento llamado emparejamiento que es omnipresente en el reino animal. En lugar de vinilo, animales no hipster como ratones y moscas buscan comida, utilizando señales sensoriales como olores para evaluar la calidad de los alimentos a distancia.

Pero, si bien se ha observado coincidencia en todo, desde palomas hasta ratones y humanos, no estaba claro cómo el cerebro lleva a cabo esta toma de decisiones basada en valores. Los investigadores habían propuesto previamente una teoría sobre cómo podría suceder eso, pero la idea no había sido probada en el mundo real.

Ahora, un equipo de investigadores de Janelia que incluye a Fitzgerald, Turner, la académica graduada de Janelia Adithya Rajagopalan, el ex becario de Janelia Ran Darshan y la especialista en investigación Karen Hibbard han confirmado que la teoría propuesta funciona. Los experimentos de Rajagopalan demostraron que, al igual que el cuñado de Fitzgerald, las moscas de la fruta pueden tomar decisiones basadas en sus expectativas sobre la probabilidad de una recompensa. El equipo también identificó el sitio en el cerebro de la mosca donde se realizan estos ajustes de valores, lo que les permitió probar directamente esta teoría a nivel de los circuitos neuronales.

“Descubrimos que las moscas utilizan las expectativas para asignar valor a su mundo”, dice Turner. “También se conecta muy bien con este trabajo teórico que fue tan elegante y explica este fenómeno generalizado”.

Descubrir cómo el cerebro de la mosca lleva a cabo este comportamiento ubicuo podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo ocurre una toma de decisiones similar en el cerebro de animales más grandes, incluidos los humanos. La toma de decisiones sale mal en enfermedades como la adicción, por lo que comprender cómo funciona este proceso en cerebros más simples tiene un gran valor, según los investigadores.

“Los tipos de ideas y el marco teórico que hemos identificado en este artículo se sienten como una semilla para que la evolución se desarrolle en organismos más grandes, donde se agregan más capas para permitir comportamientos más complejos”, dice Rajagopalan, el primer autor de un Nuevo artículo que describe el trabajo.

Investigar el comportamiento coincidente

Las moscas de la fruta, cuyos cerebros han sido bien estudiados y mapeados, fueron una opción atractiva para examinar el emparejamiento y sus mecanismos subyacentes. Pero primero, el equipo tuvo que diseñar una forma de observar las decisiones de las moscas de la fruta.

Rajagopalan, que llegó al Turner Lab a través de un programa de posgrado conjunto con la Universidad Johns Hopkins, encabezó el proyecto. Diseñó un experimento en el que una sola mosca entra en un brazo de una arena simétrica en forma de Y. Los olores se bombean a los otros dos brazos de la Y. La mosca elige seguir un olor u otro y es recompensada (en este caso activando sus neuronas sensibles al azúcar), pero con diferentes probabilidades: un olor podría traducirse en una recompensa el 80 por ciento de las veces, mientras que el otro olor podría generar una recompensa el 20 por ciento de las veces.

Los investigadores descubrieron que la mosca aprendió a esperar las recompensas en las mismas proporciones en que se las presentaban y luego tomó su decisión basándose en esas expectativas. Estas acciones dan nombre al comportamiento de emparejamiento: el 80 por ciento de las veces, la mosca elige el olor que proporciona el 80 por ciento de las recompensas. Y el 20 por ciento de las veces, eligió el olor que genera el 20 por ciento de las recompensas.

El equipo rastreó el comportamiento hasta sinapsis específicas en el cuerpo del hongo, una región del cerebro de la mosca responsable del aprendizaje y la memoria. Esto les permitió crear un modelo de cómo el cerebro lleva a cabo este comportamiento, basado en la teoría del emparejamiento. En esta teoría, los valores asociados con diferentes elecciones se aprenden a través de cambios en la fuerza sináptica: las conexiones sinápticas se fortalecen o debilitan en proporción a la diferencia entre la recompensa esperada y la recibida. El modelo del equipo basado en esta teoría y el comportamiento de la mosca les permitió demostrar cómo las sinapsis individuales están cambiando para permitir la toma de decisiones basada en valores.

El nuevo trabajo enfatiza la importante interacción entre experimento y teoría, convergiendo en una descripción de las reglas que rigen cómo aprende un animal, un resultado que, según los investigadores, es satisfactorio tanto a nivel conceptual como mecanicista.

“Poder ver que se pueden tomar estas decisiones económicas sofisticadas a través de esta simple explicación mecanicista sobre cómo están cambiando las sinapsis es una gran ilustración de lo que puede significar la neurociencia cognitiva mecanicista”, dice Fitzgerald. “Estamos tomando esta propiedad universal y utilizando las fortalezas de estos pequeños animales para lograrla de manera mecánica”.