Badanie elektrochemiczne i elektrofizjologiczne

Dysfunkcja neuroprzekaźnictwa i neurofizjologii może skutkować szeregiem stanów psychiatrycznych, w tym depresją, lękiem, przewlekłym bólem, zaburzeniami uzależnień oraz problemami z uwagą (zaburzenia deficytu uwagi) i pobudzeniem (narkolepsja). Pomimo wyraźnego znaczenia tych systemów neuromodulacyjnych, praktycznie nic nie wiadomo o tym, jak te systemy działają w czasie rzeczywistym (w skalach czasowych poniżej sekundy) w ludzkim mózgu. Ta rozdzielczość czasowa okazała się ważna w badaniach podstawowych na organizmach modelowych gryzoni, gdzie wykazano, że zewnątrzkomórkowe stężenie neuroprzekaźników i elektrofizjologia neuronów zmieniają się w ciągu 100 milisekund interakcji z odpowiednimi bodźcami podczas nawigacji z chwili na chwilę zmian w środowisko. Pomiary z taką precyzją są niezbędne, aby móc zbadać, w jaki sposób szybkie zmiany w każdym z tych sygnałów modulują funkcje mózgu, funkcje poznawcze, uczenie się, nastrój i zachowanie u ludzi.

Przetwarzanie poznawcze zachodzi bardzo szybko w funkcjonalnie zorganizowanych sieciach, które można rozmieścić w wielu obszarach mózgu. W związku z tym zrozumienie tak złożonych funkcji wymaga umiejętności mapowania aktywności neuronów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową. Niestety, większość nieinwazyjnych metod rejestrowania aktywności neuronów ma wysoką rozdzielczość przestrzenną lub czasową, ale nie obie. Jednak elektrokortykografia (ECoG) oferuje wyjątkową zdolność rejestrowania aktywności neuronów zarówno z wysoką rozdzielczością przestrzenną (aktywność pojedynczej komórki), jak i wysoką rozdzielczością czasową (skala czasowa poniżej milisekundy).

Ponadto niektóre zachowania są wyjątkowo ludzkie, w tym złożona kontrola motoryczna, funkcje wykonawcze, przetwarzanie języka i generowanie mowy. Wiele z tych zachowań i ich neuronalnych podstaw jest niemożliwych do zbadania u innych gatunków. Jeśli mamy udoskonalić metody leczenia schorzeń neurologicznych i psychiatrycznych u ludzi, bardzo ważne jest, aby badać je bezpośrednio na ludziach. Pacjenci już poddawani operacji neurologicznej w celu funkcjonalnego mapowania mózgu (monitorowanie padaczki fazy II) oferują rzadką możliwość przetestowania neuronalnych podstaw tych unikalnych ludzkich zachowań poprzez bezpośrednie zapisy neurofizjologiczne. Ponadto ECoG i MER oferują możliwość stymulacji i zapisu z wielu obszarów korowych i podkorowych. Mikrostymulacja pozwala na pełniejszą ocenę zarówno funkcjonalnej łączności między izolowanymi regionami mózgu, jak i przyczynowej roli (roli) tych regionów w poznaniu i zachowaniu.

W tym przypadku badacze proponują wdrożenie nowego protokołu zapisu w połączeniu z zatwierdzonym przez FDA zespołem mikroczujników, który umożliwi jednoczesne pomiary mikrofluktuacji dopaminy, serotoniny i norepinefryny z rozdzielczością czasową poniżej sekundy w ludzkim mózgu. Jeśli się powiedzie, proponowane prace mogą zapewnić znaczący postęp technologiczny w badaniach neurologicznych nad funkcjami i zachowaniem ludzkiego mózgu, z potencjalnym wpływem na translację w obszarach, w tym w neurochirurgii, neurologii i psychiatrii.

Kliniczne znaczenie badania działania neuroprzekaźników dopaminy, serotoniny i norepinefryny jest prawdopodobnie najlepiej podkreślane przez farmaceutyki stosowane w leczeniu poważnych schorzeń psychicznych, takich jak depresja, zaburzenia lękowe, przewlekły ból, zaburzenia uwagi i uzależnienie od nikotyny. Selektywne inhibitory wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI) są stosowane w leczeniu depresji i lęku; Inhibitory wychwytu zwrotnego norepinefryny i serotoniny (NSRI) są stosowane w leczeniu depresji i przewlekłego bólu; Inhibitory wychwytu zwrotnego noradrenaliny i dopaminy są stosowane w leczeniu depresji, zaburzeń uwagi i były stosowane jako pomoc w rzucaniu palenia; oraz inhibitory wychwytu zwrotnego noradrenaliny (NRI) stosowano w leczeniu depresji, narkolepsji, zespołu nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi, jako pomoc w utracie wagi i zaburzeń lękowych charakteryzujących się niskim pobudzeniem. Ponadto wiadomo, że nadużywane substancje (np. Kokaina, nikotyna, alkohol i opiaty) zmieniają subtelną równowagę między uwalnianiem a wychwytem neuroprzekaźników w organizmach modelowych.

Z naukowego punktu widzenia badacze uważają, że dopamina ma kluczowe znaczenie dla przetwarzania nagrody i zachowań motywowanych, serotonina dla przetwarzania bodźców awersyjnych i regulacji nastroju, a norepinefryna dla regulacji stanów pobudzenia i uwagi. Te neuroprzekaźniki są uwalniane z neuronów znajdujących się w pniu mózgu (serotonina i noradrenalina) i śródmózgowiu (dopamina), których zakończenia aksonów rozprowadzają i przekazują te sygnały w całym mózgu, w tym w korze mózgowej (dopamina, serotonina i norepinefryna), zwojach podstawy mózgu (dopamina i serotonina), hipokamp (dopamina i serotonina) i ciało migdałowate (dopamina, serotonina i norepinefryna). Chociaż jasne jest, że te systemy są krytyczne, większość tego, co wiadomo, pochodzi z badań organizmów modelowych w skalach czasowych zbyt wolnych, aby zrozumieć, w jaki sposób szybkie fluktuacje tych sygnałów w czasie rzeczywistym przyczyniają się do zdrowego ludzkiego poznania, podejmowania decyzji i zachowania.

Ponadto istnieje bardzo ograniczone zrozumienie interakcji między układami dopaminy, serotoniny i noradrenaliny. W dowolnym regionie mózgu można oczekiwać, że jeden, dwa lub wszystkie trzy z tych systemów neuroprzekaźników uczestniczą w lokalnym przetwarzaniu informacji neuronowych. W ludzkim mózgu (i mózgu naczelnych innych niż człowiek) niewiele wiemy o tym, jak gęstość miejsc uwalniania lub dynamika uwalniania zmienia się wraz ze stanami psychicznymi lub lekami stosowanymi do ich leczenia. Ten brak wiedzy nie wynika z braku zainteresowania dyscyplinami neuronauki, neurologii, psychiatrii czy neurochirurgii; raczej nie było dostępnej niezbędnej technologii i paradygmatu badawczego. Niniejszy wniosek ma na celu podjęcie pierwszych kroków w rozwoju.