The midbrain origin of audotory predictive processing and how dopamine modulates early perception of surprising sounds

Abstract

[EN] The predictive processing framework comprises neurobiologically-informed models of cortical function. These models consist of hierarchical neural networks arranged in several levels of processing. Higher-order levels develop expectations that try to predict and inhibit the input from lower-order levels. In turn, lower-order levels signal prediction errors to higher levels when their expectations about incoming input are not met. The main aim of this thesis is to demonstrate that predictive processing in the auditory system does not begin at the level of the cerebral cortex, but as deep as in the midbrain. Auditory oddball paradigms, in combination with no-repetition controls, were presented to anesthetized rats and awake mice while performing extracellular recordings in the inferior colliculus, in order to find traces of prediction error signaling that could not be accounted for by sheer stimulus-specific adaptation. In addition, dopaminergic agonists and antagonists were applied by means of microiontophoresis in order to test how D2-like receptors mediate the modulation of surprise responses in the neurons of the cortex of the inferior colliculus. Results confirmed that auditory midbrain neurons generate genuine prediction error signals, which expected precision is encoded by dopaminergic projections from the subparafascicular nucleus of the thalamus to the cortex of the inferior colliculus. Hence, the inferior colliculus is the first station capable of implementing predictive processing in the ascending auditory pathway.

[ES]¿Por qué algunos sonidos nos sorprenden y atrapan nuestra percepción mientras que otros nos pasan desapercibidos? La neurociencia cognitiva moderna ha perseguido la respuesta a esta pregunta durante al menos medio siglo, abordando la cuestión desde una óptica predominantemente corticocéntrica. Tras 4 años de intenso análisis científico y diversas publicaciones en la materia (Carbajal & Malmierca, 2018a, 2020, 2018b; Casado-Román, Carbajal, et al., 2020; Malmierca, Carbajal & Escera, 2019; Parras et al., 2017; Pérez-González et al., 2020; Valdés-Baizabal, Carbajal, et al., 2020), esta tesis aspira a cambiar la visión establecida acerca de cómo el cerebro identifica la novedad en lo que oímos. Para ello, habremos de apartar el foco de la corteza cerebral para colocarlo sobre los núcleos subcorticales, cuya contribución es sistemáticamente subestimada. Concretamente, este trabajo explorará la función de los colículos inferiores (IC) del mesencéfalo, un par de protuberancias situada en la parte dorsal alta del tronco encefálico, cuyo rol ha sido tradicionalmente reducido a la de mero relé o centro organizador de reflejos. Además, esta tesis involucra a la dopamina en ese proceso que confiere la cualidad de ‘sorprendente’ a determinadas percepciones auditivas, lo cual contribuirá a expandir la interpretación clásica de la función dopaminérgica, siempre descrita en términos hedónicos de placer y recompensa. Todas estas aspiraciones serán sustanciadas bajo la noción neokantiana del procesamiento predictivo (Friston, 2005; Rao & Ballard, 1999), un marco teórico nacido de la teoría cibernética (Ashby, 1960) que entiende el cerebro como una máquina de Helmholtz (Dayan et al., 1995), movida por la necesidad de generar la representación más precisa posible del mundo exterior por medio de inferencia bayesiana (Clark, 2016; Friston et al., 2006; Hohwy, 2013)