Sähkökemiallinen ja sähköfysiologinen tutkimus

Neurotransmission ja neurofysiologian toimintahäiriöt voivat johtaa erilaisiin psykiatrisiin tiloihin, mukaan lukien masennus, ahdistuneisuus, krooninen kipu, riippuvuushäiriöt ja huomiohäiriöt (tarkkailuhäiriö) ja kiihottumisongelmat (narkolepsia). Huolimatta näiden neuromodulatoristen järjestelmien selkeästä tärkeydestä, käytännössä mitään ei tiedetä siitä, kuinka nämä järjestelmät toimivat reaaliajassa (sekuntia pienemmällä aikaskaalalla) ihmisen aivoissa. Tämä ajallinen erottelukyky on osoittautunut tärkeäksi jyrsijämalliorganismien perustutkimuksessa, jossa on osoitettu, että välittäjäaineiden solunulkoinen pitoisuus ja hermoston elektrofysiologia muuttuvat 100 sekunnin sisällä vuorovaikutuksesta asiaankuuluvien ärsykkeiden kanssa samalla kun navigoidaan hetkestä hetkeen tapahtuvissa muutoksissa. ympäristöön. Tämän kaltaiset mittaukset ovat tarpeen, jotta voidaan tutkia, kuinka nopeat muutokset kussakin näistä signaaleista moduloivat aivojen toimintaa, kognitiota, oppimista, mielialaa ja käyttäytymistä ihmisillä.

Kognitiivinen prosessointi tapahtuu erittäin nopeasti toiminnallisesti organisoitujen verkkojen kautta, jotka voidaan jakaa useille aivoalueille. Näin ollen tällaisten monimutkaisten toimintojen ymmärtäminen vaatii kykyä kartoittaa hermosolujen aktiivisuutta korkealla spatiaalisella ja ajallisella resoluutiolla. Valitettavasti useimmilla ei-invasiivisilla menetelmillä hermosolujen aktiivisuuden rekisteröimiseksi on joko korkea spatiaalinen tai ajallinen resoluutio, mutta ei molempia. Elektrokortikografia (ECoG) tarjoaa kuitenkin ainutlaatuisen mahdollisuuden tallentaa hermosolujen aktiivisuutta sekä korkealla spatiaalisella resoluutiolla (yksisoluinen aktiivisuus) että korkealla ajallisella resoluutiolla (submillisekunnin aika-asteikko).

Lisäksi tietyt käytökset ovat ainutlaatuisia inhimillisiä, mukaan lukien monimutkainen motorinen ohjaus, toimeenpanotoiminto, kielenkäsittely ja puheen tuottaminen. Monia näistä käyttäytymismalleista ja niiden hermoperustaista on mahdotonta tutkia muissa lajeissa. Jos haluamme parantaa ihmisten neurologisten ja psykiatristen sairauksien hoitoja, on tärkeää tutkia niitä suoraan ihmisillä. Potilaat, joille jo tehdään neurologinen leikkaus funktionaalisten aivojen kartoittamista varten (vaiheen II epilepsian seuranta), tarjoavat harvinaisen mahdollisuuden testata näiden ainutlaatuisten inhimillisten käyttäytymisten hermostoa suorien neurofysiologisten tallenteiden avulla. Lisäksi ECoG ja MER tarjoavat mahdollisuuden stimuloida ja tallentaa useilta aivokuoren ja aivokuoren alueilta. Mikrostimulaatio mahdollistaa täydellisemmän arvioinnin sekä eristyneiden aivoalueiden välisestä toiminnallisesta yhteydestä että näiden alueiden kausaalisesta roolista kognitiossa ja käyttäytymisessä.

Tässä tutkijat ehdottavat uuden tallennusprotokollan käyttöönottoa yhdessä FDA:n hyväksymän mikrosensorikokoonpanon kanssa, joka mahdollistaa samanaikaisen dopamiinin, serotoniinin ja norepinefriinin mikroheilahtelujen mittaamisen ihmisen aivoissa sekuntia pienemmällä aikaresoluutiolla. Jos ehdotettu työ onnistuu, se voisi tarjota merkittävän teknologisen edistyksen ihmisen aivojen toimintaan ja käyttäytymiseen liittyvässä neurotieteen tutkimuksessa, ja sillä voi olla translaatiovaikutuksia muun muassa neurokirurgian, neurologian ja psykiatrian aloilla.

Välittäjäaineiden dopamiinin, serotoniinin ja norepinefriinin toiminnan tutkimisen kliinistä merkitystä korostavat ehkä parhaiten lääkkeet, joita käytetään tärkeiden psykiatristen sairauksien, kuten masennuksen, ahdistuneisuushäiriöiden, kroonisen kivun, tarkkaavaisuushäiriöiden ja nikotiiniriippuvuuden hoitoon. Selektiivisiä serotoniinin takaisinoton estäjiä (SSRI) käytetään masennuksen ja ahdistuksen hoitoon; Norepinefriinin ja serotoniinin takaisinoton estäjiä (NSRI) käytetään masennuksen ja kroonisen kivun hoitoon; Norepinefriinin ja dopamiinin takaisinoton estäjiä käytetään masennuksen ja tarkkaavaisuushäiriöiden hoitoon, ja niitä on käytetty apuna tupakoinnin lopettamisessa; ja noradrenaliinin takaisinoton estäjiä (NRI:t) on käytetty masennuksen, narkolepsian, tarkkaavaisuushäiriön ja yliaktiivisuushäiriön apuna painonpudotuksen sekä ahdistuneisuushäiriöiden hoidossa, joille on ominaista alhainen kiihottumiskyky. Lisäksi väärinkäytettyjen aineiden (esim. kokaiini, nikotiini, alkoholi ja opiaatit) tiedetään muuttavan hermovälittäjäaineiden vapautumisen ja takaisinoton välistä hienovaraista tasapainoa malliorganismeissa.

Perustieteen näkökulmasta tutkijat uskovat, että dopamiini on kriittinen palkitsemisen ja motivoidun käyttäytymisen kannalta, serotoniini on vastenmielisten ärsykkeiden ja mielialan säätelyn prosessoinnissa ja norepinefriini kiihottumis- ja huomiotilojen säätelyssä. Näitä välittäjäaineita vapautuu aivorungossa (serotoniini ja norepinefriini) ja väliaivoissa (dopamiini) sijaitsevista neuroneista, joiden aksonipäät jakavat ja lähettävät näitä signaaleja kaikkialla aivoissa, mukaan lukien kohteet koko aivokuoressa (dopamiini, serotoniini ja norepinefriini), tyvihermot (dopamiini). ja serotoniini), hippokampus (dopamiini ja serotoniini) ja amygdala (dopamiini, serotoniini ja norepinefriini). Vaikka on selvää, että nämä järjestelmät ovat kriittisiä, suurin osa siitä, mitä tiedetään, on peräisin malliorganismien tutkimuksesta, joka on liian hidas, jotta voidaan ymmärtää, kuinka nopeat, reaaliaikaiset vaihtelut näissä signaaleissa edistävät ihmisen tervettä kognitiota, päätöksentekoa ja käyttäytymistä.

Lisäksi on hyvin rajallinen käsitys dopamiini-, serotoniini- ja norepinefriinijärjestelmien vuorovaikutuksesta. Millä tahansa tietyllä aivoalueella voidaan odottaa, että yksi, kaksi tai kaikki kolme näistä välittäjäainejärjestelmistä osallistuvat paikalliseen hermoinformaation käsittelyyn. Ihmisaivoissa (ja kädellisten aivoissa) tiedetään vähän siitä, kuinka vapautumiskohtien tiheys tai vapautumisdynamiikka muuttuvat psykiatristen sairauksien tai niiden hoitoon käytettävien lääkkeiden mukaan. Tämä tiedon puute ei johdu kiinnostuksen puutteesta neurotieteen, neurologian, psykiatrian tai neurokirurgian tieteenaloja kohtaan; sen sijaan tarvittavaa teknologiaa ja tutkimusparadigmaa ei ole ollut saatavilla. Tällä ehdotuksella pyritään ottamaan ensimmäiset askeleet kehityksessä.