Как дофамин управляет мозговой активностью

Используя специализированный датчик магнитно-резонансной томографии (МРТ), нейробиологи из Массачусетского технологического института обнаружили, как допамин, высвобождаемый глубоко внутри мозга, влияет как на близлежащие, так и на отдаленные области мозга.

Дофамин играет много функций в мозге, в первую очередь связанных с движением, мотивацией и усилением поведения. Однако до сих пор было трудно точно изучить, как поток дофамина влияет на нервную деятельность по всему мозгу. Используя новую технику, команда MIT обнаружила, что дофамин, по-видимому, оказывает существенное влияние на две области коры головного мозга, включая моторную кору.

«Была проделана большая работа по непосредственным клеточным последствиям высвобождения дофамина, но здесь мы рассматриваем последствия того, что дофамин делает на более широком уровне мозга», — говорит Алан Джасанов, профессор MIT биологическая инженерия, мозг и когнитивные науки, ядерная наука и техника. Ясанов также является ассоциированным членом Института исследований мозга Макговерна при MIT и старшим автором исследования.

Команда MIT обнаружила, что в дополнение к моторной коре удаленной областью мозга, наиболее подверженной дофамину, является островковая кора. Эта область является критической для многих когнитивных функций, связанных с восприятием внутренних состояний организма, включая физические и эмоциональные состояния.

MIT postdoc Nan Li является ведущим автором исследования, которое появляется сегодня в природе .

Отслеживание дофамина

Как и другие нейромедиаторы, дофамин помогает нейронам общаться друг с другом на коротких расстояниях. Дофамин представляет особый интерес для нейробиологов из-за его роли в мотивации, зависимости и некоторых нейродегенеративных расстройствах, включая болезнь Паркинсона. Большая часть дофамина мозга вырабатывается в среднем мозге нейронами, которые соединяются с полосатым телом, где высвобождается дофамин.

В течение многих лет лаборатория Ясанова разрабатывала инструменты для изучения того, как молекулярные явления, такие как высвобождение нейротрансмиттера, влияют на функции всего мозга. В молекулярном масштабе существующие методы могут показать, как дофамин влияет на отдельные клетки, а в масштабе всего мозга функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ) может показать, насколько активна конкретная область мозга. Однако нейробиологам было трудно определить, как связаны активность отдельных клеток и функция мозга.

«Было проведено очень мало исследований по всему мозгу дофаминергической функции или действительно любой нейрохимической функции, в значительной степени потому, что инструментов нет», — говорит Джасанов. «Мы пытаемся заполнить пробелы».

Около 10 лет назад в его лаборатории были разработаны МРТ-датчики, которые состоят из магнитных белков, которые могут связываться с дофамином. Когда это связывание происходит, магнитные взаимодействия датчиков с окружающей тканью ослабевают, ослабляя сигнал МРТ ткани. Это позволяет исследователям постоянно контролировать уровни дофамина в определенной части мозга.

В своем новом исследовании Li и Jasanoff намеревались проанализировать, как допамин, высвобождаемый в стриатуме крыс, влияет на нервную функцию как локально, так и в других областях мозга. Во-первых, они вводили свои дофаминовые датчики в стриатум, который расположен глубоко внутри мозга и играет важную роль в управлении движением. Затем они электрически стимулировали часть мозга, называемую латеральным гипоталамусом, который является обычной экспериментальной техникой для поощрения поведения и побуждения мозга продуцировать дофамин.

Затем исследователи использовали датчик допамина для измерения уровня дофамина в стриатуме. Они также выполнили традиционную МРТ для измерения нервной активности в каждой части полосатого тела. К их удивлению, они обнаружили, что высокие концентрации дофамина не делают нейроны более активными. Тем не менее, более высокий уровень дофамина заставлял нейроны оставаться активными в течение более длительного периода времени.

«Когда допамин был выпущен, активность была более длительной, что говорит о более длительной реакции на вознаграждение», — говорит Джасанов. «Это может иметь какое-то отношение к тому, как дофамин способствует обучению, что является одной из его ключевых функций».

Дальнодействующие эффекты

После анализа высвобождения дофамина в полосатом теле исследователи решили определить, что этот допамин может влиять на более отдаленные участки мозга. Для этого они выполнили традиционную МРТ-визуализацию мозга, а также картировали выброс дофамина в полосатом теле. «Комбинируя эти методы, мы могли бы исследовать эти явления так, как это не было раньше», — говорит Джасанов.

Области, которые показали самые большие всплески активности в ответ на допамин, были моторной корой и островковой корой. Если результаты подтвердятся в дополнительных исследованиях, результаты могут помочь исследователям понять влияние дофамина на мозг человека, включая его роль в зависимости и обучении.

«Наши результаты могут привести к появлению биомаркеров, которые можно увидеть в данных МРТ, и эти корреляты дофаминергической функции могут быть полезны для анализа МРТ животных и человека», — говорит Джасанофф.

Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения и Исследовательским сообществом Стэнли Фана из Фонда Болезни Паркинсона.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом . Оригинал написан Энн Трафтон. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Нэн Ли, Алан Ясанов. Локальные и глобальные последствия вызванного наградами высвобождения дофамина в полосатом теле . Природа , 2020; DOI: 10.1038 / s41586-020-2158-3