Электрохимическое и электрофизиологическое исследование

Дисфункция нейротрансмиссии и нейрофизиологии может привести к целому ряду психических состояний, включая депрессию, тревогу, хроническую боль, расстройства зависимости и проблемы с вниманием (синдром дефицита внимания) и возбуждением (нарколепсия). Несмотря на очевидную важность этих нейромодулирующих систем, практически ничего не известно о том, как эти системы действуют в реальном времени (с точностью до секунды) в человеческом мозге. Это временное разрешение оказалось важным в фундаментальных исследованиях на модельных организмах грызунов, где было показано, что внеклеточная концентрация нейротрансмиттеров и нейронная электрофизиология изменяются в течение 100 миллисекунд после взаимодействия с соответствующими стимулами, при навигации от момента к моменту изменений в мозге. среда. Измерения с такой точностью необходимы, чтобы иметь возможность исследовать, как быстрые изменения в каждом из этих сигналов модулируют функцию мозга, познание, обучение, настроение и поведение у людей.

Когнитивная обработка происходит очень быстро в функционально организованных сетях, которые могут быть распределены между несколькими областями мозга. Следовательно, для понимания таких сложных функций требуется способность отображать активность нейронов с высоким пространственным и временным разрешением. К сожалению, большинство неинвазивных методов регистрации активности нейронов имеют либо высокое пространственное, либо временное разрешение, но не то и другое одновременно. Однако электрокортикография (ЭКоГ) предлагает уникальную возможность регистрировать активность нейронов как с высоким пространственным разрешением (активность одиночных клеток), так и с высоким временным разрешением (субмиллисекундная временная шкала).

Кроме того, некоторые виды поведения являются уникальными для человека, включая сложный контроль моторики, исполнительные функции, обработку речи и генерацию речи. Многие из этих видов поведения и их нейронные основы невозможно изучить у других видов. Если мы хотим улучшить методы лечения неврологических и психических состояний человека, крайне важно изучить их непосредственно на людях. Пациенты, перенесшие неврологическую операцию по функциональному картированию мозга (мониторинг эпилепсии фазы II), предлагают редкую возможность проверить нейронные основы этого уникального человеческого поведения с помощью прямых нейрофизиологических записей. Более того, ЭКоГ и МЭР дают возможность стимулировать и записывать данные из нескольких корковых и подкорковых областей. Микростимуляция позволяет более полно оценить как функциональную связь между изолированными областями мозга, так и причинную роль (роли) этих областей в познании и поведении.

Здесь исследователи предлагают развернуть новый протокол записи в сочетании с микродатчиком, одобренным FDA, который позволит одновременно измерять микрофлуктуации дофамина, серотонина и норадреналина с временным разрешением в доли секунды в человеческом мозгу. В случае успеха предлагаемая работа может обеспечить значительный технологический прогресс в нейробиологических исследованиях функций и поведения человеческого мозга с потенциальным трансляционным воздействием в таких областях, как нейрохирургия, неврология и психиатрия.

Клиническая важность исследования действия нейротрансмиттеров дофамина, серотонина и норадреналина, пожалуй, лучше всего подчеркивается фармацевтическими препаратами, используемыми для лечения основных психических состояний, таких как депрессия, тревожные расстройства, хроническая боль, синдром дефицита внимания и никотиновая зависимость. Селективные ингибиторы обратного захвата серотонина (СИОЗС) используются для лечения депрессии и тревоги; Ингибиторы обратного захвата норадреналина и серотонина (NSRIs) используются для лечения депрессии и хронической боли; Ингибиторы обратного захвата норэпинефрина и дофамина используются для лечения депрессии, синдрома дефицита внимания, а также в качестве вспомогательного средства при отказе от курения; и ингибиторы обратного захвата норадреналина (NRI) использовались для лечения депрессии, нарколепсии, синдрома дефицита внимания и гиперактивности, в качестве средства для снижения веса и тревожных расстройств, характеризующихся низким уровнем возбуждения. Кроме того, известно, что вещества, которыми злоупотребляют (например, кокаин, никотин, алкоголь и опиаты), изменяют тонкий баланс между высвобождением и обратным захватом нейротрансмиттеров у модельных организмов.

С точки зрения фундаментальной науки исследователи считают, что дофамин имеет решающее значение для обработки вознаграждения и мотивированного поведения, серотонин — для обработки аверсивных стимулов и регуляции настроения, а норадреналин — для регуляции состояний возбуждения и внимания. Эти нейротрансмиттеры высвобождаются нейронами, расположенными в стволе головного мозга (серотонин и норадреналин) и среднем мозге (дофамин), окончания аксонов которых распределяют и транслируют эти сигналы по всему мозгу, включая мишени по всей коре (дофамин, серотонин и норадреналин), базальные ганглии (дофамин). и серотонин), гиппокамп (дофамин и серотонин) и миндалевидное тело (дофамин, серотонин и норадреналин). Хотя ясно, что эти системы имеют решающее значение, большая часть того, что известно, получено в результате исследований модельных организмов в масштабах времени, слишком медленных, чтобы понять, как быстрые колебания этих сигналов в реальном времени способствуют здоровому человеческому познанию, принятию решений и поведению.

Кроме того, существует очень ограниченное понимание того, как взаимодействуют системы дофамина, серотонина и норадреналина. Можно ожидать, что в любой данной области мозга есть одна, две или все три из этих нейротрансмиттерных систем, вносящих вклад в локальную обработку нейронной информации. В человеческом мозге (и мозге нечеловеческих приматов) мы мало знаем о том, как плотность мест высвобождения или динамика высвобождения меняются в зависимости от психических состояний или лекарств, используемых для их лечения. Этот недостаток знаний не связан с отсутствием интереса к неврологии, неврологии, психиатрии или нейрохирургии; скорее, необходимые технологии и исследовательская парадигма не были доступны. Это предложение направлено на то, чтобы сделать первые шаги в разработке.