Elektrochemische und elektrophysiologische Studie

Funktionsstörungen in der Neurotransmission und Neurophysiologie können zu einer Reihe von psychiatrischen Erkrankungen führen, darunter Depressionen, Angstzustände, chronische Schmerzen, Suchterkrankungen und Probleme mit Aufmerksamkeit (Aufmerksamkeitsdefizitstörung) und Erregung (Narkolepsie). Trotz der klaren Bedeutung dieser neuromodulatorischen Systeme ist praktisch nichts darüber bekannt, wie diese Systeme in Echtzeit (im Sekundenbereich) im menschlichen Gehirn agieren. Diese zeitliche Auflösung hat sich in der Grundlagenforschung an Modellorganismen von Nagetieren als wichtig erwiesen, wo gezeigt wurde, dass sich die extrazelluläre Konzentration von Neurotransmittern und die neurale Elektrophysiologie innerhalb von Hunderten von Millisekunden nach der Interaktion mit relevanten Stimuli ändert, während sie durch Moment-zu-Moment-Änderungen navigiert Umfeld. Messungen mit dieser Art von Präzision sind notwendig, um untersuchen zu können, wie schnelle Änderungen in jedem dieser Signale Gehirnfunktion, Kognition, Lernen, Stimmung und Verhalten beim Menschen modulieren.

Die kognitive Verarbeitung erfolgt sehr schnell über funktional organisierte Netzwerke, die auf mehrere Gehirnareale verteilt sein können. Folglich erfordert das Verständnis solch komplexer Funktionen die Fähigkeit, neuronale Aktivität mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abzubilden. Leider haben die meisten nicht-invasiven Methoden zur Aufzeichnung neuronaler Aktivität entweder eine hohe räumliche oder zeitliche Auflösung, aber nicht beides. Die Elektrokortikographie (ECoG) bietet jedoch die einzigartige Möglichkeit, neuronale Aktivität sowohl mit hoher räumlicher Auflösung (Einzelzellaktivität) als auch mit hoher zeitlicher Auflösung (Sub-Millisekunden-Zeitskala) aufzuzeichnen.

Darüber hinaus sind bestimmte Verhaltensweisen einzigartig menschlich, einschließlich komplexer motorischer Kontrolle, exekutiver Funktionen, Sprachverarbeitung und Spracherzeugung. Viele dieser Verhaltensweisen und ihre neuronalen Grundlagen lassen sich bei anderen Arten nicht untersuchen. Wenn wir Behandlungen für menschliche neurologische und psychiatrische Erkrankungen verbessern wollen, ist es entscheidend, sie direkt am Menschen zu untersuchen. Patienten, die sich bereits einer neurologischen Operation zur funktionellen Hirnkartierung (Phase-II-Epilepsieüberwachung) unterziehen, bieten die seltene Gelegenheit, die neuralen Grundlagen dieser einzigartigen menschlichen Verhaltensweisen über direkte neurophysiologische Aufzeichnungen zu testen. Darüber hinaus bieten ECoG und MER die Möglichkeit, mehrere kortikale und subkortikale Regionen zu stimulieren und aufzuzeichnen. Die Mikrostimulation ermöglicht eine vollständigere Beurteilung sowohl der funktionellen Konnektivität zwischen isolierten Gehirnregionen als auch der kausalen Rolle(n) dieser Regionen in Kognition und Verhalten.

Hier schlagen die Forscher vor, ein neues Aufzeichnungsprotokoll in Kombination mit einer von der FDA zugelassenen Mikrosensoranordnung einzusetzen, die gleichzeitige Messungen von Dopamin-, Serotonin- und Noradrenalin-Mikrofluktuationen mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer Sekunde im menschlichen Gehirn ermöglichen wird. Bei Erfolg könnte die vorgeschlagene Arbeit einen bedeutenden technologischen Fortschritt für die neurowissenschaftliche Forschung in Bezug auf Funktion und Verhalten des menschlichen Gehirns darstellen, mit potenzieller translationaler Wirkung in Bereichen wie Neurochirurgie, Neurologie und Psychiatrie.

Die klinische Bedeutung der Untersuchung der Wirkung der Neurotransmitter Dopamin, Serotonin und Noradrenalin wird vielleicht am besten durch die Arzneimittel hervorgehoben, die zur Behandlung schwerer psychiatrischer Erkrankungen wie Depressionen, Angststörungen, chronischen Schmerzen, Aufmerksamkeitsdefizitstörungen und Nikotinsucht verwendet werden. Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRIs) werden zur Behandlung von Depressionen und Angstzuständen eingesetzt; Noradrenalin- und Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (NSRIs) werden zur Behandlung von Depressionen und chronischen Schmerzen eingesetzt; Noradrenalin- und Dopamin-Wiederaufnahmehemmer werden zur Behandlung von Depressionen, Aufmerksamkeitsdefizitstörungen und als Hilfsmittel zur Raucherentwöhnung eingesetzt; und Noradrenalin-Wiederaufnahmehemmer (NRIs) wurden zur Behandlung von Depressionen, Narkolepsie, Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung, als Hilfsmittel zur Gewichtsabnahme und Angststörungen, die durch geringe Erregung gekennzeichnet sind, verwendet. Darüber hinaus ist bekannt, dass missbräuchliche Substanzen (z. B. Kokain, Nikotin, Alkohol und Opiate) das subtile Gleichgewicht zwischen Freisetzung und Wiederaufnahme von Neurotransmittern in Modellorganismen verändern.

Aus grundlagenwissenschaftlicher Sicht glauben die Forscher, dass Dopamin entscheidend für die Belohnungsverarbeitung und motiviertes Verhalten ist, Serotonin für die Verarbeitung aversiver Reize und die Stimmungsregulierung und Noradrenalin für die Regulierung von Erregungs- und Aufmerksamkeitszuständen. Diese Neurotransmitter werden von Neuronen freigesetzt, die sich im Hirnstamm (Serotonin und Noradrenalin) und im Mittelhirn (Dopamin) befinden, deren Axonterminals diese Signale im gesamten Gehirn verteilen und aussenden, einschließlich Zielen im gesamten Kortex (Dopamin, Serotonin und Noradrenalin), den Basalganglien (Dopamin und Serotonin), Hippocampus (Dopamin und Serotonin) und Amygdala (Dopamin, Serotonin und Noradrenalin). Obwohl klar ist, dass diese Systeme von entscheidender Bedeutung sind, stammen die meisten Erkenntnisse aus der Forschung an Modellorganismen in Zeitskalen, die zu langsam sind, um zu verstehen, wie schnelle Echtzeitschwankungen dieser Signale zu einer gesunden menschlichen Wahrnehmung, Entscheidungsfindung und Verhalten beitragen.

Außerdem gibt es ein sehr begrenztes Verständnis darüber, wie Dopamin-, Serotonin- und Noradrenalinsysteme interagieren. Es kann erwartet werden, dass in jeder gegebenen Gehirnregion eines, zwei oder alle drei dieser Neurotransmittersysteme zur lokalen neuralen Informationsverarbeitung beitragen. Im menschlichen Gehirn (und nichtmenschlichen Primatengehirn) wissen wir wenig darüber, wie sich die Dichte der Freisetzungsorte oder die Dynamik der Freisetzung bei psychiatrischen Erkrankungen oder den zu ihrer Behandlung verwendeten Medikamenten ändert. Dieser Mangel an Wissen rührt nicht von mangelndem Interesse an den Disziplinen Neurowissenschaften, Neurologie, Psychiatrie oder Neurochirurgie her; vielmehr standen die notwendige Technologie und das Forschungsparadigma nicht zur Verfügung. Dieser Vorschlag versucht, die ersten Schritte in der Entwicklung zu machen.