Исследование нейробиологов из Института обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института помогает объяснить, как мозг регулирует возбуждение.
Новости MIT
Настал большой день: вы сдаете экзамен по вождению, чтобы получить водительские права. Когда вы заводите машину своей мамы с суровым оценщиком на пассажирском сиденье, вы знаете, что вам нужно быть настороже, но не настолько взволнованными, чтобы совершать ошибки. Даже если вы одновременно недосыпаете и полны нервной энергии, ваш мозг должен сдерживать уровень вашего возбуждения, чтобы вы делали все возможное.
Теперь новое исследование, проведенное нейробиологами из Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте, может помочь объяснить, как мозг достигает этого баланса.
«Люди работают оптимально на промежуточном уровне бдительности и возбуждения, когда они обращают внимание на соответствующие стимулы, а не на тревогу или сонливость», - говорит Мригангка Сур, профессор Пола и Лайлы Э. Ньютон. на кафедре мозга и когнитивных наук. «Но как это происходит?»
Постдоктор Винсент Бретон-Провеншер задал этот вопрос в лабораторию и возглавил исследование, опубликованное 14 января в журнале Nature Neuroscience. В серии экспериментов на мышах он показывает, как соединения вокруг мозга млекопитающих стимулируют два ключевых типа клеток в области, называемой locus coeruleus (LC), для смягчения возбуждения двумя разными способами. Область, особенно участвующая в оказании одного из средств этого успокаивающего воздействия, префронтальная кора, является центром исполнительной функции, что позволяет предположить, что в мозгу действительно может быть цепь, пытающаяся сознательно контролировать возбуждение.
«Мы знаем, и мыши тоже знают, что для противодействия тревоге или чрезмерному возбуждению требуется когнитивный вклад более высокого уровня», - говорит Сур, старший автор исследования.
Рассказав больше о том, как мозг контролирует возбуждение, сказал Сур, исследование может также дать представление о нервных механизмах, способствующих тревоге или хроническому стрессу, при которых возбуждение кажется недостаточно контролируемым. Это также может обеспечить более глубокое механистическое понимание того, почему когнитивно-поведенческая терапия может помочь пациентам справиться с тревогой, добавляет Сур.
Важнейшие персонажи этой истории - нейроны, высвобождающие нейротрансмиттер ГАМК, оказывающий тормозящее действие на активность принимающих нейронов. До этого исследования, по словам Бретона-Провенчера и Сура, никто никогда не изучал расположение и функцию этих нейронов в LC, какие нейроны с ними связаны и как они могут подавлять возбуждение. Но поскольку Бретон-Провенчер пришел в лабораторию Sur, интересуясь тем, как осуществляется управление возбуждением, ему суждено было многое узнать о нейронах LC-GABA.
Одна из первых вещей, которую он заметил, заключалась в том, что нейроны LC-GABA были расположены в LC в непосредственной близости от нейронов, которые выделяют норадреналин (NA), который стимулирует возбуждение. Он также смог показать, что нейроны LC-GABA соединяются с нейронами LC-NA. Это говорит о том, что ГАМК может ингибировать высвобождение НА.
Бретон-Провеншер проверил это непосредственно, проведя серию измерений на мышах. Наблюдая за работой LC под двухфотонным микроскопом, он заметил, как и ожидалось, что активность нейронов LC-NA предшествует возбуждению, на что указывал размер зрачка мышей - чем больше возбуждена мышь, тем шире зрачок. Он даже смог взять на себя прямой контроль над этим, спроектировав клетки LC-NA, чтобы они управлялись импульсами света, метод, называемый оптогенетикой. Таким же образом он задействовал нейроны LC-GABA и заметил, что если он активирует их, то сможет подавить возбуждение и, следовательно, размер зрачка.
Следующий вопрос заключался в том, какие клетки и в каких областях мозга обеспечивают ввод данных для этих LC-клеток. Используя методы отслеживания нейронных цепей, Бретон-Провенчер увидел, что клетки почти в 50 областях связаны с клетками LC, и большинство из них связаны как с нейронами LC-NA, так и с нейронами LC-GABA. Но были различия в степени перекрытия, которые оказались решающими.
Breton-Provencher продолжил свою работу, подвергая мышей воздействию звуковых сигналов, вызывающих возбуждение, в то время как он наблюдал за активностью клеток в LC. Проведя подробные измерения корреляции между нейронной активностью и возбуждением, он смог увидеть, что LC на самом деле является домом для двух разных видов тормозного контроля.
Один тип возник из-за тех входных сигналов - например, от сенсорных цепей обработки - которые одновременно подключались к нейронам LC-GABA и LC-NA. В этом случае оптогенетически индуцируемая активность LC-GABA смягчила бы реакцию расширения зрачка мыши на громкость стимулирующего звукового сигнала. Другой тип возник из-за входов, в частности, из префронтальной коры, которые соединялись только с LC-GABA, но не с LC-NA нейронами. В этом случае активность LC-GABA коррелировала с общим снижением степени возбуждения, независимо от того, насколько пугающими были отдельные звуковые сигналы.
Другими словами, ввод данных в нейроны LC-NA и LC-GABA посредством одновременных соединений контролировал возбуждение во время определенного стимула, в то время как ввод только в нейроны LC-GABA поддерживал более общий уровень спокойствия..
В новом исследовании Сур и Бретон-Провенчер говорят, что они заинтересованы в изучении активности клеток LC-NA в других поведенческих ситуациях. Им также любопытно узнать, влияет ли стресс в раннем возрасте у мышей на развитие схемы контроля возбуждения LC, так что люди могут подвергаться большему риску хронического стресса во взрослом возрасте.
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения, стипендией Фонда научных исследований Квебека, Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады и Фондом JPB.
Перепечатано с разрешения MIT News