Новости России и Мира

7 февраля






Рейтинг@Mail.ru


При формировании зависимостей усиливаются связи между нейронами орбитофронтальной коры и полосатого тела

Рис. 1. Схема расположения оптических волокон для самостимуляции мышей. VTA (ventral tegmental area) — вентральная область покрышки, ChR2-eYFP — рецептор (ченнелродопсин-2), активируемый светом с длиной волны 470 нм, и связанный с ним желтый флуоресцентный белок. В центре: дофаминергические нейроны, несущие ChR2-eYFP, на продольном срезе головного мозга мыши окрашены в светло-зеленый благодаря наличию флуоресцентного белка. Справа: поперечный срез через место введения оптических волокон (показаны пунктиром), окраска тирозингидроксилазой — ферментом, выявляющим дофамин (бело-розовый). В — брегма, центральная точка на черепе, указано расстояние от нее в миллиметрах, то есть срез проведен на 3,08 мм позади брегмы. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

До сих пор мало известно о том, как происходит формирование зависимостей на клеточном уровне. Нейробиологи из Женевского университета провели серию экспериментов с применением оптогенетической стимуляции нейронов мозга мышей. Животные могли сами стимулировать свой мозг — так у них формировалась зависимость, которую затем пытались снять, введя негативный стимул (удары током). Отслеживание происходящих при этом изменений в мозге показало, что при устойчивой аддикции усиливаются связи между нейронами орбитофронтальной коры и дорсальной части полосатого тела (стриатума). Интересно, что больше половины подопытных животных с трудом отказываются от самостимуляции клеток «центров удовольствия», даже если за такую стимуляцию их сильно бьют током — и от генетики устойчивость их влечений будто бы не зависит.

Нервная система нужна животным, чтобы должным образом реагировать на стимулы из внешнего мира: игнорировать то, что не очень опасно для выживания, и делать то, что повысит вероятность долгой безбедной жизни. Запомнить, что и как искать, как поступать, помогают эмоции. То, что вызывает отрицательные эмоции, в норме стараются не повторять, а то, что влечет за собой положительные эмоции, ищут или делают вновь и вновь.

Положительные эмоции млекопитающим обеспечивает комплекс структур мозга под названием «система вознаграждения» (или «система внутреннего подкрепления»). В нее входят, в частности, парабрахиальные (parabrachial nuclei) и прилежащие ядра (эти структуры парные, по одной в каждой половине мозга), вентральная область покрышки (ventral tegmental area, VTA), а также вентральный паллидум, орбитофронтальная и островковая (инсулярная) кора и ряд других регионов.

Большую роль в «системе вознаграждения» играет нейромедиатор дофамин. Он выделяется ее нейронами, когда с животным происходит что-то приятное. Многие наркотики, например кокаин, по химической структуре сходны с дофамином и имитируют его действие, попадая в организм. Как правило, они сильнее самого дофамина и порой прочнее связываются с рецепторами к нему, в результате чего «естественный» нейромедиатор практически перестает появляться. Формируется зависимость.

Избавиться от зависимости — как наркотической, так и других — в теории можно, если создать ассоциацию некогда приятного стимула с резко неприятным. Тяга к нему перестанет быть адаптивной и поэтому пропадет. Скажем, экспериментальных животных можно сначала приучить к самовведению кокаина или метамфетамина: мышь или крыса нажимает на педаль или рычаг, и устройство вводит ей в вену по заранее вставленной игле дозу наркотика (см., например, E. K. Kmiotek et al., 2012. Methods for Intravenous Self Administration in a Mouse Model). Когда грызун научится это делать и станет совершать инъекции с завидным постоянством, к решетчатому полу клетки можно подвести напряжение и бить животное током каждый раз, когда оно введет себе определенное вещество.

После нескольких ежедневных сеансов такого битья большинство перестает «колоться». Однако 20% подопытных продолжает вводить наркотик несмотря на то, что за этим каждый раз следует сильная боль. Подобные состояния мы дальше будем называть устойчивой зависимостью или устойчивой аддикцией. Хотя подобные зависимости далеко не редкость, об их нейронных коррелятах известно мало. Понятно, что в формировании устойчивой зависимости задействованы дофаминергические (образующие дофамин) нейроны «системы вознаграждения», но какие именно и как они работают, точно не известно.

Исследователи из Женевского университета провели несколько серий экспериментов, и они позволили получить первые ответы на некоторые из указанных вопросов. Поскольку очень трудно сделать несколько абсолютно одинаковых по дозе инъекций наркотика, нейробиологи вместо них использовали оптогенетическую стимуляцию нейронов вентральной области покрышки (основы этого метода описаны, к примеру, в статье Оптогенетика. Как управлять нейроном с помощью света). Сначала в VTA ввели вирусные векторы, содержащие ген ченнелродопсина-2 (ChR2, см. Channelrhodopsin), соединенный с геном желтого флуоресцентного белка (YFP) (рис. 1). Флуоресцентный белок нужен для выявления клеток, «заражение» которых геном ченнелродопсина прошло успешно: такие нейроны светятся желтым, так как в них образуется YFP. Затем туда же подвели волокно для оптической стимуляции клеток, получивших способность активироваться в ответ на свет с длиной волны около 470–480 нм. Вентральную область покрышки в качестве мишени выбрали еще и потому, что больше половины нейронов в ней выделяют дофамин (см.: В «системе вознаграждения» найдены нейроны, возбуждающиеся от хороших предчувствий, «Элементы», 10.02.2012).

Мышей научили с помощью рычага самостоятельно стимулировать дофаминергические нейроны VTA. Нажатие на один из двух рычагов активировало серию лазерных импульсов — 30 пачек по 5 сигналов длительностью 4 мс каждый, частота сигналов в пачке составляла 20 Герц. Второй рычаг не был связан с лазером и использовался в качестве контроля. Этого хватало, чтобы активировать дофаминергические нейроны, содержащие ченнелродопсин. Сначала для запуска стимуляции требовалось одно нажатие на рычаг, через несколько дней — два, а чуть позже — и вовсе три. Все 109 животных, участвовавших в эксперименте, за 15 дней обучились трижды нажимать на рычаг, притом только в те моменты, когда в экспериментальной камере загорался свет. Вспышки света длились по секунде и, если животное нажимало на рычаг после десяти вспышек, лазер не активировался. Исследователи измеряли время (грубо говоря, количество вспышек света), через которое мышь заключительный раз нажмет на рычаг. Чем быстрее грызун это делал, тем более сильной считалась его мотивация к самостимуляции.

Сколько бы мышь ни нажимала на рычаг, во время обучения за сутки можно было получить оптогенетическую стимуляцию только 80 раз. Затем это число снижали до 40 на три дня, а после в течение четырех дней подавали на решетчатый пол экспериментальной камеры ток силой 0,25 мА и длительностью 500 мс каждый третий раз, когда мышь нажимала на рычаг, — то есть непосредственно перед получением награды (рис. 2). Этого хватает, чтобы отбить у животных тягу нажимать на педаль ради получения питательного и приятного на вкус раствора сахарозы.