Elektrochemické a elektrofyziologické studium

Dysfunkce v neurotransmisi a neurofyziologii může mít za následek řadu psychiatrických stavů včetně deprese, úzkosti, chronické bolesti, poruch závislosti a problémů s pozorností (porucha pozornosti) a vzrušením (narkolepsie). Navzdory jasné důležitosti těchto neuromodulačních systémů není prakticky nic známo o tom, jak tyto systémy působí v lidském mozku v reálném čase (v subsekundových časových intervalech). Toto časové rozlišení se ukázalo být důležité v základním výzkumu na modelových organismech hlodavců, kde bylo prokázáno, že extracelulární koncentrace neurotransmiterů a nervová elektrofyziologie se mění během 100 milisekund po interakci s relevantními podněty, zatímco se pohybují okamžité změny v životní prostředí. Měření s tímto druhem přesnosti jsou nezbytná k tomu, abychom mohli zkoumat, jak rychlé změny v každém z těchto signálů modulují mozkovou funkci, kognici, učení, náladu a chování u lidí.

Kognitivní zpracování probíhá velmi rychle přes funkčně organizované sítě, které mohou být distribuovány mezi více oblastí mozku. V důsledku toho pochopení takových komplexních funkcí vyžaduje schopnost mapovat neuronální aktivitu s vysokým prostorovým a časovým rozlišením. Bohužel většina neinvazivních metod pro záznam neuronální aktivity má buď vysoké prostorové nebo časové rozlišení, ale ne obojí. Elektrokortikografie (ECoG) však nabízí jedinečnou schopnost zaznamenat aktivitu neuronů jak s vysokým prostorovým rozlišením (aktivita jedné buňky), tak s vysokým časovým rozlišením (časové měřítko submilisekundy).

Navíc určitá chování jsou jedinečně lidská, včetně komplexního řízení motoriky, výkonných funkcí, zpracování jazyka a generování řeči. Mnohé z těchto chování a jejich nervové základy nelze studovat u jiných druhů. Máme-li zlepšit léčbu lidských neurologických a psychiatrických stavů, je zásadní je studovat přímo na lidech. Pacienti, kteří již podstupují neurologickou operaci za účelem funkčního mapování mozku (monitorování epilepsie fáze II), nabízejí vzácnou příležitost otestovat neurální základy tohoto jedinečně lidského chování prostřednictvím přímých neurofyziologických záznamů. ECoG a MER navíc nabízejí možnost stimulace a záznamu z více kortikálních a subkortikálních oblastí. Mikrostimulace umožňuje úplnější posouzení jak funkční konektivity mezi izolovanými oblastmi mozku, tak kauzální role (úloh) těchto oblastí v kognici a chování.

Zde výzkumníci navrhují nasadit nový protokol záznamu v kombinaci se sestavou mikrosenzorů schválenou FDA, která umožní simultánní měření mikrofluktuací dopaminu, serotoninu a norepinefrinu se subsekundovým časovým rozlišením v lidském mozku. Pokud bude navrhovaná práce úspěšná, mohla by poskytnout významný technologický pokrok pro neurovědecký výzkum funkce a chování lidského mozku s potenciálním translačním dopadem v oblastech včetně neurochirurgie, neurologie a psychiatrie.

Klinický význam zkoumání účinku neurotransmiterů dopaminu, serotoninu a norepinefrinu je možná nejlépe zdůrazněn léčivy používanými k léčbě závažných psychiatrických stavů, jako je deprese, úzkostné poruchy, chronická bolest, poruchy pozornosti a závislost na nikotinu. Selektivní inhibitory zpětného vychytávání serotoninu (SSRI) se používají k léčbě deprese a úzkosti; Inhibitory zpětného vychytávání norepinefrinu a serotoninu (NSRI) se používají k léčbě deprese a chronické bolesti; Inhibitory zpětného vychytávání norepinefrinu a dopaminu se používají k léčbě deprese, poruch pozornosti a byly použity jako pomůcka při odvykání kouření; a inhibitory zpětného vychytávání norepinefrinu (NRI) byly použity k léčbě deprese, narkolepsie, poruchy pozornosti s hyperaktivitou, jako pomoc při hubnutí a úzkostných poruch charakterizovaných nízkým vzrušením. Navíc je známo, že zneužívané látky (např. kokain, nikotin, alkohol a opiáty) mění jemnou rovnováhu mezi uvolňováním neurotransmiterů a jejich zpětným vychytáváním v modelových organismech.

Z pohledu základní vědy se výzkumníci domnívají, že dopamin je kritický pro zpracování odměn a motivované chování, serotonin pro zpracování averzivních podnětů a regulaci nálady a norepinefrin pro regulaci stavů vzrušení a pozornosti. Tyto neurotransmitery jsou uvolňovány z neuronů umístěných v mozkovém kmeni (serotonin a norepinefrin) a středním mozku (dopamin), jejichž axonové terminály distribuují a vysílají tyto signály do celého mozku včetně cílů v celé kůře (dopamin, serotonin a norepinefrin), bazálních gangliích (dopamin). a serotonin), hippocampus (dopamin a serotonin) a amygdala (dopamin, serotonin a norepinefrin). I když je jasné, že tyto systémy jsou kritické, většina toho, co je známo, pochází z výzkumu modelových organismů v časových měřítcích příliš pomalých na to, abychom pochopili, jak rychlé fluktuace těchto signálů v reálném čase přispívají ke zdravému lidskému poznání, rozhodování a chování.

Existuje také velmi omezené chápání toho, jak interagují systémy dopaminu, serotoninu a norepinefrinu. V jakékoli dané oblasti mozku lze očekávat, že existuje jeden, dva nebo všechny tři tyto neurotransmiterové systémy přispívající k místnímu zpracování nervových informací. V lidském mozku (a mozku primátů jiného než lidského původu) víme jen málo o tom, jak se hustota míst uvolňování nebo dynamika uvolňování mění s psychiatrickými stavy nebo s léky používanými k jejich léčbě. Tento nedostatek znalostí nevyplývá z nedostatku zájmu o obory neurovědy, neurologie, psychiatrie nebo neurochirurgie; spíše není k dispozici potřebná technologie a výzkumné paradigma. Tento návrh se snaží učinit první kroky ve vývoji.