Songbirds destacam o papel da dopamina na aprendizagem

Muitas habilidades diárias, como a fala, não são inatas. Eles são aprendidos por tentativa e erro. Agora, analisando jovens pássaros canoros ensaiando as músicas de seus pais, os pesquisadores do Instituto Zuckerman de Columbia testemunharam pela primeira vez o papel que as máquinas de recompensa do cérebro desempenham à medida que o cérebro aprende naturalmente ao longo do tempo na prática.

Os cientistas detalharam suas descobertas em um artigo, “o comportamento natural é aprendido por meio de reforço mediado por dopamina”, publicado em Natureza.

“Compreender o processo de aprendizado por tentativa e erro é essencial para entender como adquirimos muitas de nossas habilidades mais importantes”, disse Jonathan Kasdin, co-líder do estudo e estudante de graduação no laboratório de Vikram Gadagkar, Ph.D. “E entender como o aprendizado funciona no cérebro saudável é fundamental para entender como o aprendizado dá errado em vários distúrbios cerebrais”.

As novas descobertas lembram uma anedota para o Dr. Gadagkar, autor sênior do estudo e um investigador principal do Instituto Zuckerman de Columbia. Começa com um pedestre em Nova York perguntando a um músico: “Como você chega ao Carnegie Hall?” A linha do músico é o músico respondendo “Prática”.

“Queríamos saber como você melhora com a prática. Quando você consegue o que está praticando certo, como seu cérebro sabe que você está correto?” disse o Dr. Gadagkar, que também é professor assistente de neurociência no Columbia Faculdade de Médicos e Cirurgiões de Columbia.

Décadas de pesquisa sugeriram que a dopamina, uma molécula cerebral ligada ao comportamento motivado pela recompensa, desempenha um papel essencial nesse processo de tentativa e erro. A idéia é que a dopamina serve como esse sinal de avaliação. Quando você acertar, a dopamina deve subir. Quando você errar, a dopamina deve cair.

No entanto, experimentos anteriores que sugeriram uma ligação entre dopamina e aprendizado frequentemente envolviam situações artificiais nas quais os animais de laboratório receberam uma recompensa para aprender uma tarefa simples. Esses cenários podem não refletir o processo típico pelo qual o cérebro aprende comportamentos naturais.

“Quando se trata da maioria das habilidades complexas que aprendemos, não as aprendemos para recompensas externas, como comida ou suco”, disse Gadagkar. “Temos um objetivo interno que estamos tentando alcançar”.

Neste estudo, os pesquisadores estudaram um animal com um impulso inato para adquirir uma habilidade específica: finches masculinos de zebra, que precisam cantar bem para o namoro. Esses homens aprendem a cantar memorizando e ensaiando as músicas de seus pais.

“Os tentilhões de zebra são um dos poucos organismos que conhecemos que adquirem habilidades vocais de maneira semelhante aos humanos”, disse o co-autor do estudo Nathan Nadler, um estudante de graduação no laboratório de Gadagkar. “Eles nos apresentam uma oportunidade única de estudar o aprendizado natural em ação”.

Os pesquisadores gravaram seis jovens tentilhões de zebra por 40 dias, analisando como suas músicas mudaram com a prática ao longo do tempo. “Isso é muitos dados – milhares e milhares de interpretações das sílabas em músicas por dia”, disse Nadler.

Com a ajuda de um sistema de inteligência artificial, ao longo de seis a sete meses, os cientistas identificaram todas essas sílabas e verificaram se cada uma estava mais próxima da versão final do adulto do que as sílabas que a haviam precedendo. Em seguida, eles queriam ver como essas mudanças se alinham com os níveis de dopamina no Finch da Zebra.

Os cientistas detectaram quanto dopamina foi lançada em uma parte ligada a música de seus cérebros chamada Area X ao longo de semanas. Eles encontraram tentativa guiada por dopamina e aprendizado de erros nessas aves. As interpretações de sílabas que eram mais semelhantes às versões adultas levaram a uma onda de dopamina e as representações que eram menos semelhantes à produção de dopamina suprimida.

“Estamos escutando o papel da dopamina em um processo de aprendizado completamente natural”, disse Kasdin.

Pesquisas que produzem insights sobre dopamina “também podem lançar luz sobre distúrbios relacionados à dopamina, como a doença de Parkinson, dependência de drogas e esquizofrenia”, acrescentou Kasdin.

Essa pesquisa fundamental sobre o cérebro pode, em última análise, beneficiar a área de inteligência artificial. Um grande problema no campo é como absorver um novo pouco de informação pode liderar um sistema de IA para esquecer catastroficamente o que aprendeu de antemão.

“Os cérebros naturais são capazes de acumular continuamente novos conhecimentos ao longo de uma vida inteira”, disse o co-autor do estudo, Kimberly Stachenfeld, Ph.D., professor assistente adjunto de neurociência no Centro de Neurociência Teórica do Zuckerman Institute.

“Esta nova pesquisa pode informar como projetamos a IA”.