Специализированный датчик МРТ показывает влияние нейротрансмиттера на нервную активность во всем головном мозге

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

Дофамин играет в мозгу множество ролей, в первую очередь связанных с движением, мотивацией и подкреплением поведения. Однако до сих пор было трудно точно изучить, как поток дофамина влияет на нейронную активность во всем головном мозге. Используя свою новую технику, команда Массачусетского технологического института обнаружила, что дофамин, по-видимому, оказывает существенное влияние на две области коры головного мозга, включая моторную кору.

"Было проведено много работы над непосредственными клеточными последствиями выброса дофамина, но здесь мы смотрим на последствия того, что дофамин делает на более широком уровне мозга," говорит Алан Джасанофф, профессор биологической инженерии, мозга и когнитивных наук, а также ядерных наук и инженерии Массачусетского технологического института. Джасанофф также является ассоциированным членом Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте и старшим автором исследования.

Команда Массачусетского технологического института обнаружила, что помимо моторной коры, удаленной областью мозга, наиболее подверженной воздействию дофамина, является кора островка. Эта область имеет решающее значение для многих когнитивных функций, связанных с восприятием внутренних состояний тела, включая физические и эмоциональные состояния.

Постдок из Массачусетского технологического института Нан ​​Ли – ведущий автор исследования, которое сегодня публикуется в журнале Nature.

Отслеживание дофамина

Как и другие нейротрансмиттеры, дофамин помогает нейронам общаться друг с другом на небольших расстояниях. Дофамин представляет особый интерес для нейробиологов из-за его роли в мотивации, зависимости и некоторых нейродегенеративных расстройствах, включая болезнь Паркинсона. Большая часть дофамина в головном мозге 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 нейромедиаторов, влияют на функции всего мозга. На молекулярном уровне существующие методы могут показать, как дофамин влияет на отдельные клетки, а в масштабе всего мозга функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) может показать, насколько активна конкретная область мозга. Однако нейробиологам было трудно определить, как связаны активность отдельных клеток и функция всего мозга.

"Было проведено очень мало исследований дофаминергической функции или какой-либо нейрохимической функции в масштабе всего мозга, в значительной степени из-за отсутствия инструментов," Ясанов говорит. "Мы пытаемся заполнить пробелы."

Около 10 лет назад в его лаборатории были разработаны датчики МРТ, которые состоят из магнитных белков, которые могут связываться с дофамином. Когда происходит это связывание, магнитное взаимодействие датчиков с окружающей тканью ослабевает, уменьшая сигнал МРТ ткани. Это позволяет исследователям постоянно контролировать уровень дофамина в определенной части мозга.

В своем новом исследовании Ли и Ясанофф намеревались проанализировать, как дофамин, выделяемый в полосатом теле крыс, влияет на нервную функцию как локально, так и в других областях мозга. Во-первых, они ввели свои дофаминовые датчики в полосатое тело, которое расположено глубоко внутри мозга и играет важную роль в управлении движением. Затем они электрически стимулировали часть мозга, называемую боковым гипоталамусом, что является обычным экспериментальным методом для поощрения поведения и побуждения мозга к выработке дофамина.

Затем исследователи использовали датчик дофамина для измерения уровня дофамина в полосатом теле. Они также выполнили традиционную фМРТ для измерения нервной активности в каждой части полосатого тела. К своему удивлению, они обнаружили, что высокие концентрации дофамина не делают нейроны более активными. Однако более высокий уровень дофамина заставлял нейроны оставаться активными в течение более длительного периода времени.

"Когда был выпущен дофамин, активность была более продолжительной, что предполагает более длительную реакцию на вознаграждение," Ясанов говорит. "Это может иметь какое-то отношение к тому, как дофамин способствует обучению, что является одной из его ключевых функций."

Эффекты дальнего действия

Проанализировав выброс дофамина в полосатом теле, исследователи решили определить, что дофамин может влиять на более отдаленные участки мозга. Для этого они выполнили традиционную фМРТ головного мозга, а также составили карту высвобождения дофамина в полосатом теле. "Комбинируя эти методы, мы могли бы исследовать эти явления способом, которого раньше не делали," Ясанов говорит.

Регионами, в которых наблюдались самые большие всплески активности в ответ на дофамин, были моторная кора и кора островка. В случае подтверждения в дополнительных исследованиях результаты могут помочь исследователям понять влияние дофамина на мозг человека, в том числе его роль в формировании зависимости и обучении.

"Наши результаты могут привести к появлению биомаркеров, которые можно увидеть в данных фМРТ, и эти корреляты дофаминергической функции могут быть полезны для анализа фМРТ животных и человека," Ясанов говорит.

Блог Фенома