Elektrokemisk og elektrofysiologisk undersøgelse

Dysfunktion i neurotransmission og neurofysiologi kan resultere i en række psykiatriske tilstande, herunder depression, angst, kroniske smerter, afhængighedsforstyrrelser og problemer med opmærksomhed (attention deficit disorder) og ophidselse (narkolepsi). På trods af den klare betydning af disse neuromodulatoriske systemer, vides praktisk talt intet om, hvordan disse systemer virker i realtid (på sub-sekund tidsskalaer) i den menneskelige hjerne. Denne tidsmæssige opløsning har vist sig at være vigtig i grundforskning i gnavermodelorganismer, hvor det har vist sig, at den ekstracellulære koncentration af neurotransmittere og neurale elektrofysiologi ændres inden for 100-vis af millisekunder efter interaktion med relevante stimuli, mens man navigerer øjeblik-til-øjeblik ændringer i miljø. Målinger med denne form for præcision er nødvendige for at kunne undersøge, hvordan hurtige ændringer i hvert af disse signaler modulerer hjernefunktion, kognition, indlæring, humør og adfærd hos mennesker.

Kognitiv bearbejdning sker meget hurtigt over funktionelt organiserede netværk, der kan fordeles mellem flere hjerneområder. Forståelse af sådanne komplekse funktioner kræver derfor evnen til at kortlægge neuronal aktivitet med høj rumlig og tidsmæssig opløsning. Desværre har de fleste ikke-invasive metoder til registrering af neuronal aktivitet enten høj rumlig eller tidsmæssig opløsning, men ikke begge dele. Imidlertid tilbyder elektrokortikografi (ECoG) den unikke evne til at registrere neuronal aktivitet med både høj rumlig opløsning (enkeltcelleaktivitet) og høj tidsmæssig opløsning (under millisekunders tidsskala).

Derudover er visse adfærd unikke menneskelige, herunder kompleks motorisk kontrol, eksekutiv funktion, sprogbehandling og talegenerering. Mange af disse adfærd og deres neurale fundament er umulige at studere hos andre arter. Hvis vi skal forbedre behandlinger af menneskelige neurologiske og psykiatriske tilstande, er det afgørende at studere dem direkte hos mennesker. Patienter, der allerede gennemgår neurologisk kirurgi til funktionel hjernekortlægning (fase II epilepsimonitorering), giver den sjældne mulighed for at teste den neurale underbygning af disse unikke menneskelige adfærd via direkte neurofysiologiske optagelser. Desuden tilbyder ECoG og MER evnen til at stimulere og optage fra flere kortikale og subkortikale regioner. Mikrostimulering giver mulighed for en mere fuldstændig vurdering af både den funktionelle forbindelse mellem isolerede hjerneregioner og disse regioners årsagsrolle i kognition og adfærd.

Her foreslår efterforskerne at implementere en ny optagelsesprotokol i kombination med en FDA-godkendt mikrosensorsamling, der vil muliggøre samtidige målinger af dopamin-, serotonin- og noradrenalin-mikrofluktuationer med subsecond tidsmæssig opløsning i den menneskelige hjerne. Hvis det lykkes, kan det foreslåede arbejde give et betydeligt teknologisk fremskridt for neurovidenskabelig forskning i menneskelig hjernefunktion og adfærd, med potentiel translationel indvirkning på områder, herunder inden for neurokirurgi, neurologi og psykiatri.

Den kliniske betydning af at undersøge virkningen af ​​neurotransmitterne dopamin, serotonin og noradrenalin fremhæves måske bedst af de lægemidler, der bruges til at behandle større psykiatriske tilstande som depression, angstlidelser, kroniske smerter, opmærksomhedsforstyrrelser og nikotinafhængighed. Selektive serotoningenoptagelseshæmmere (SSRI'er) bruges til at behandle depression og angst; Norepinephrin og Serotonin genoptagelseshæmmere (NSRI'er) bruges til at behandle depression og kroniske smerter; Noradrenalin- og dopamingenoptagelseshæmmere bruges til at behandle depression, opmærksomhedsforstyrrelser og er blevet brugt som en hjælp til rygestop; og Norepinephrin-genoptagelseshæmmere (NRI'er) er blevet brugt til at behandle depression, narkolepsi, opmærksomhedsunderskud hyperaktivitetsforstyrrelse, som en hjælp til vægttab og angstlidelser karakteriseret ved lav ophidselse. Desuden er misbrugte stoffer (f.eks. kokain, nikotin, alkohol og opiater) kendt for at ændre den subtile balance mellem neurotransmitterfrigivelse og genoptagelse i modelorganismer.

Fra et grundlæggende videnskabeligt perspektiv mener efterforskerne, at dopamin er afgørende for belønningsbehandling og motiveret adfærd, serotonin til behandling af aversive stimuli og humørregulering, og noradrenalin til at regulere tilstande af ophidselse og opmærksomhed. Disse neurotransmittere frigives fra neuroner placeret i hjernestammen (serotonin og noradrenalin) og mellemhjernen (dopamin), hvis axonterminaler distribuerer og udsender disse signaler i hele hjernen, herunder mål i hele cortex (dopamin, serotonin og noradrenalin), basalganglier (dopamin). og serotonin), hippocampus (dopamin og serotonin) og amygdala (dopamin, serotonin og noradrenalin). Selvom det er klart, at disse systemer er kritiske, kommer det meste af det kendte fra modelorganismeforskning på tidsskalaer, der er for langsomme til at forstå, hvordan hurtige realtidsudsving i disse signaler bidrager til sund menneskelig kognition, beslutningstagning og adfærd.

Der er også en meget begrænset forståelse af, hvordan dopamin-, serotonin- og noradrenalin-systemer interagerer. I en given hjerneregion kan det forventes, at der er et, to eller alle tre af disse neurotransmittersystemer, der bidrager til den lokale neurale informationsbehandling. I den menneskelige hjerne (og ikke-menneskelige primathjerne) ved vi lidt om, hvordan tætheden af ​​frigivelsessteder eller frigivelsesdynamikken ændrer sig med psykiatriske tilstande eller den medicin, der bruges til at behandle dem. Denne mangel på viden stammer ikke fra manglende interesse for neurovidenskab, neurologi, psykiatri eller neurokirurgi; snarere har det nødvendige teknologi- og forskningsparadigme ikke været tilgængeligt. Dette forslag søger at tage de første skridt i udviklingen.