Elektrochemische en elektrofysiologische studie

Disfunctie in neurotransmissie en neurofysiologie kan resulteren in een reeks psychiatrische aandoeningen, waaronder depressie, angst, chronische pijn, verslavingsstoornissen en problemen met aandacht (Attention Deficit Disorder) en opwinding (narcolepsie). Ondanks het duidelijke belang van deze neuromodulerende systemen, is er praktisch niets bekend over hoe deze systemen in realtime (op een tijdschaal van minder dan een seconde) in het menselijk brein werken. Deze temporele resolutie is belangrijk gebleken in fundamenteel onderzoek in knaagdiermodelorganismen, waar is aangetoond dat de extracellulaire concentratie van neurotransmitters en neurale elektrofysiologie verandert binnen 100 seconden van milliseconden na interactie met relevante stimuli terwijl het navigeren door moment-tot-moment veranderingen in de omgeving. Metingen met dit soort precisie zijn nodig om te kunnen onderzoeken hoe snelle veranderingen in elk van deze signalen de hersenfunctie, cognitie, leren, stemming en gedrag bij mensen moduleren.

Cognitieve verwerking vindt zeer snel plaats via functioneel georganiseerde netwerken die over meerdere hersengebieden kunnen worden verdeeld. Bijgevolg vereist het begrijpen van dergelijke complexe functies het vermogen om neuronale activiteit in kaart te brengen met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie. Helaas hebben de meeste niet-invasieve methoden voor het opnemen van neuronale activiteit een hoge ruimtelijke of temporele resolutie, maar niet beide. Elektrocorticografie (ECoG) biedt echter het unieke vermogen om neuronale activiteit vast te leggen met zowel een hoge ruimtelijke resolutie (eencellige activiteit) als een hoge temporele resolutie (tijdschaal van minder dan een milliseconde).

Bovendien zijn bepaalde gedragingen uniek menselijk, waaronder complexe motorische controle, executieve functies, taalverwerking en spraakgeneratie. Veel van deze gedragingen en hun neurale onderbouwing zijn onmogelijk te bestuderen bij andere soorten. Als we behandelingen voor menselijke neurologische en psychiatrische aandoeningen willen verbeteren, is het van cruciaal belang om ze rechtstreeks bij mensen te bestuderen. Patiënten die al neurologische chirurgie ondergaan voor functionele hersenkartering (fase II-epilepsiemonitoring) bieden de zeldzame mogelijkheid om de neurale onderbouwing van dit unieke menselijke gedrag te testen via directe neurofysiologische opnames. Bovendien bieden ECoG en MER de mogelijkheid om vanuit meerdere corticale en subcorticale regio's te stimuleren en op te nemen. Microstimulatie maakt een meer volledige beoordeling mogelijk van zowel de functionele connectiviteit tussen geïsoleerde hersengebieden als de oorzakelijke rol(len) van deze regio's in cognitie en gedrag.

Hier stellen de onderzoekers voor om een ​​nieuw opnameprotocol in te zetten in combinatie met een door de FDA goedgekeurde microsensorassemblage die gelijktijdige metingen van dopamine-, serotonine- en noradrenaline-microfluctuaties met subseconde temporele resolutie in het menselijk brein mogelijk maakt. Indien succesvol, zou het voorgestelde werk een aanzienlijke technologische vooruitgang kunnen betekenen voor neurowetenschappelijk onderzoek naar de functie en het gedrag van de menselijke hersenen, met potentiële translationele impact op gebieden als neurochirurgie, neurologie en psychiatrie.

Het klinische belang van het onderzoeken van de werking van de neurotransmitters dopamine, serotonine en noradrenaline wordt misschien het best benadrukt door de geneesmiddelen die worden gebruikt voor de behandeling van ernstige psychiatrische aandoeningen zoals depressie, angststoornissen, chronische pijn, aandachtstekortstoornissen en nicotineverslaving. Selectieve serotonineheropnameremmers (SSRI's) worden gebruikt om depressie en angst te behandelen; Noradrenaline- en serotonineheropnameremmers (NSRI's) worden gebruikt om depressie en chronische pijn te behandelen; Noradrenaline- en dopamineheropnameremmers worden gebruikt voor de behandeling van depressie, aandachtstekortstoornissen en zijn gebruikt als hulpmiddel bij het stoppen met roken; en norepinefrineheropnameremmers (NRI's) zijn gebruikt voor de behandeling van depressie, narcolepsie, aandachtstekortstoornis met hyperactiviteit, als hulpmiddel bij gewichtsverlies en angststoornissen die worden gekenmerkt door lage opwinding. Bovendien is bekend dat misbruikte stoffen (bijvoorbeeld cocaïne, nicotine, alcohol en opiaten) de subtiele balans tussen de afgifte en heropname van neurotransmitters in modelorganismen veranderen.

Vanuit een fundamenteel wetenschappelijk perspectief zijn de onderzoekers van mening dat dopamine cruciaal is voor beloningsverwerking en gemotiveerd gedrag, serotonine voor het verwerken van aversieve stimuli en stemmingsregulatie, en noradrenaline voor het reguleren van opwinding en aandacht. Deze neurotransmitters worden afgegeven door neuronen in de hersenstam (serotonine en noradrenaline) en de middenhersenen (dopamine), waarvan de axonuiteinden deze signalen verspreiden en uitzenden door de hersenen, inclusief doelen door de cortex (dopamine, serotonine en norepinefrine), basale ganglia (dopamine en serotonine), hippocampus (dopamine en serotonine) en amygdala (dopamine, serotonine en noradrenaline). Hoewel het duidelijk is dat deze systemen cruciaal zijn, is het meeste van wat bekend is afkomstig van onderzoek naar modelorganismen op tijdschalen die te traag zijn om te begrijpen hoe snelle, real-time fluctuaties in deze signalen bijdragen aan een gezonde menselijke cognitie, besluitvorming en gedrag.

Ook is er een zeer beperkt begrip van hoe dopamine-, serotonine- en noradrenalinesystemen op elkaar inwerken. In elk hersengebied kan worden verwacht dat er één, twee of alle drie deze neurotransmittersystemen zijn die bijdragen aan de lokale neurale informatieverwerking. In het menselijk brein (en niet-menselijke primatenhersenen) weten we weinig over hoe de dichtheid van release-sites of de dynamiek van release verandert met psychiatrische aandoeningen of de medicijnen die worden gebruikt om ze te behandelen. Dit gebrek aan kennis komt niet voort uit een gebrek aan interesse in de disciplines neurowetenschappen, neurologie, psychiatrie of neurochirurgie; de noodzakelijke technologie en het onderzoeksparadigma waren eerder niet beschikbaar. Dit voorstel beoogt de eerste stappen in de ontwikkeling te zetten.