В ходе первых в своем роде наблюдений за человеческим мозгом международная группа исследователей обнаружила, что два хорошо известных нейрохимических вещества – дофамин и серотонин – действуют с субсекундной скоростью, чтобы сформировать то, как люди воспринимают мир, сообщает портал Medicalxpress.com.
Открытие показывает, что исследователи могут непрерывно и одновременно измерять активность как дофамина, так и серотонина, рецепторы и участки захвата которых являются терапевтическими мишенями для различных заболеваний, от депрессии до болезни Паркинсона, в человеческом мозге. Кроме того, нейрохимические вещества объединяют восприятие мира людьми с их действиями, что указывает на то, что дофамин и серотонин играют гораздо более важную роль в нервной системе человека, чем это было известно ранее.
Дофамин и серотонин, известные как нейромодуляторы, традиционно связывают с обработкой вознаграждения – насколько хорошо или плохо люди воспринимают результат после совершения действия. Новое исследование в журнале Neuron открывает дверь к более глубокому пониманию возросшей роли этих систем и их роли в здоровье человека.
«Огромное количество людей во всем мире принимают фармацевтические соединения, чтобы нарушить работу систем передачи дофамина и серотонина, чтобы изменить свое поведение и психическое здоровье», – сказал П. Рид Монтегю, старший автор исследования, профессор и директор Центра исследований в области нейробиологии человека и лаборатории нейровизуализации человека в Биомедицинском научно-исследовательском институте Фралина при Технологическом институте штата Вирджиния. «Впервые мгновенная активность этих систем была измерена и определена как вовлеченная в восприятие и когнитивные способности. Эти нейротрансмиттеры – дофамин и серотонин – одновременно действуют и интегрируют активность в совершенно разных временных и пространственных масштабах, чем кто-либо ожидал».
По словам исследователей, лучшее понимание основных действий дофамина и серотонина во время восприятия и принятия решений может дать важную информацию о психических и неврологических расстройствах. «Каждый выбор, который кто-то выполняет, включает в себя получение информации, ее интерпретацию и принятие решений о том, что они воспринимают», – сказал Кеннет Кишида, автор исследования и доцент кафедры физиологии, фармакологии и нейрохирургии в медшколе Уэйк Форест. «Есть целый ряд психических состояний и неврологических расстройств, при которых этот процесс изменяется у пациентов, а дофамин и серотонин являются главными подозреваемыми».
По словам Монтегю, почетного профессора в университетском колледже Лондона и профессора физики в Технологическом институте Вирджинии, отсутствие химически специфических методов для изучения нейромодуляции у людей в быстрых временных масштабах затрудняет понимание этих систем. Но теперь ученые впервые использовали электрохимический метод под названием «циклическая вольтамперометрия с быстрым сканированием», в котором используется небольшой микроэлектрод из углеродного волокна, на который подается низкое напряжение, для определения активности дофамина и серотонина в реальном времени.
В ходе исследования ученые зарегистрировали колебания дофамина и серотонина с помощью специально разработанных электродов у пяти пациентов, перенесших операцию по имплантации электродов для глубокой стимуляции мозга для лечения эссенциального тремора или болезни Паркинсона. Пациенты бодрствовали во время операции, играя в компьютерную игру, предназначенную для количественной оценки аспектов мышления и поведения во время проведения измерений.
В каждом раунде игры пациенты кратко рассматривали облако точек, и их просили оценить направление, в котором они движутся. Метод, разработанный автором-корреспондентом Дэном Бангом, научным сотрудником сэра Генри Уэллкома, и Стивом Флемингом, членом Королевского общества сэра Генри Дейла (оба работают в Центре нейровизуализации человека Wellcome при Университетском колледже Лондона), помог выявить, что дофамин и серотонин участвуют в принятии простых решений, связанных с восприятием, вне традиционного контекста вознаграждений и потерь.
«Эти нейромодуляторы играют гораздо более широкую роль в поддержке человеческого поведения и мышления, и, в частности, они участвуют в том, как мы обрабатываем внешний мир», – сказал Банг. «Например, если вы двигаетесь по комнате и выключен свет, вы двигаетесь иначе, потому что не уверены в том, где находятся объекты. Наша работа предполагает, что эти нейромодуляторы, в частности серотонин, играют роль в том, насколько мы не уверены во внешней среде».
Монтегю и Кишида вместе с Терри Лоренцем, доцентом-исследователем, и Джейсоном Уайтом, старшим научным сотрудником (оба работают в Институте биомедицинских исследований Фралина), начали работать над новым статистическим подходом для определения сигналов дофамина и серотонина, еще находясь в Бэйлоре, в медколледже в Хьюстоне, штат Техас.
«Кен принял вызов – провести быструю нейрохимию у людей во время активного познания», – сказал Монтегю. «Множество других хороших групп ученых не смогли сделать этого. Помимо вычисления огромных объемов данных, есть сложные проблемы, которые необходимо решить, включая большие фундаментальные алгоритмические задачи». До недавнего времени только медленные методы, такие как ПЭТ-сканирование, могли измерить влияние нейротрансмиттеров, но они были далеки от частоты или объема посекундных измерений циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием. Измерения в новом исследовании проводились в Баптистском медицинском центре Уэйк Форест с участием нейрохирургических бригад под руководством Адриана В. Лакстона и Стивена Б. Таттера.
«Энтузиазм нейрохирургов по поводу этого исследования вызван теми же причинами, которые побудили их стать врачами – в первую очередь, они хотят делать все возможное для своих пациентов, и у них есть настоящая страсть к пониманию того, как работает мозг», – сказал Кишида, который наблюдал за сбором данных в операционной во время операций. «Оба являются совместными учеными вместе с Чарльзом Бранчем, главой отделения нейрохирургии в Уэйк Форест, который был сторонником этой работы».
Точно так же Монтегю сказал: «Вы не можете сделать это без того, чтобы хирурги были настоящими партнерами, плечом к плечу, и, конечно, не без людей, которые позволяют вам делать записи из своего мозга, пока им имплантируют электроды, чтобы облегчить симптомы неврологического расстройства».
Монтегю прочитал исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences, которое побудило его обратиться к своим коллегам Бангу и Флемингу из Университетского колледжа Лондона, чтобы они разработали для пациентов задачу, выполняемую во время операции. Также нужно было, чтобы задача помогла выявить субсекундную передачу сигналов дофамина и серотонина в реальном времени, а временные выводы о внешнем мире – отдельно от их часто упоминаемых ролей в процессах, связанных с вознаграждением.
«Я сказал, что у меня есть этот новый метод измерения дофамина и серотонина, но мне нужно, чтобы вы помогли с этой задачей», – сказал Монтегю. «Они попали в исследование. Для получения этих результатов исследование действительно потребовало много тяжелой работы и объединения усилий нескольких людей».
Исследование финансировалось за счет грантов различных исследователей из Wellcome Trust, Национальных институтов здравоохранения, включая Национальный институт злоупотребления наркотиками, Национальный институт психического здоровья, Национальный институт неврологических расстройств и инсульта.
