Ученые из Медицинского центра Джорджтаунского университета выявили ключевой механизм, регулирующий способность мозга к обучению: он связан с активностью определенного белка. Их исследование демонстрирует, что интенсивность связей между внешними стимулами и вознаграждающими результатами может усиливаться или ослабляться в зависимости от уровня активности этого белка. Данный процесс имеет решающее значение для определения того, как мозг реагирует на сигналы, ведущие к полезному поведению, или же игнорирует триггеры, связанные с вредными привычками, включая никотиновую зависимость.
Алексей Остроумов, доктор философии, доцент кафедры фармакологии и физиологии Медицинской школы Джорджтаунского университета и старший автор исследования, отмечает: «Наша способность связывать определенные сигналы или стимулы с позитивным или вознаграждающим опытом является базовым мозговым процессом, который нарушается при многих состояниях, таких как зависимость, депрессия и шизофрения. Например, злоупотребление наркотиками может вызывать изменения в белке KCC2, который критически важен для нормального обучения. Вмешиваясь в этот механизм, аддиктивные вещества могут “захватывать” процесс обучения».
Исследование, поддержанное Национальными институтами здравоохранения (NIH), было опубликовано 9 декабря в журнале Nature Communications.
Группа ученых установила, что изменения в обучении происходят при сдвигах в уровнях белка KCC2. Снижение уровня KCC2 приводит к более быстрой активации дофаминовых нейронов, что, в свою очередь, способствует формированию новых вознаграждающих ассоциаций. Эти нейроны продуцируют и высвобождают дофамин – нейромедиатор, необходимый для мотивации, обработки вознаграждения и двигательного контроля.
Для углубленного понимания этой взаимосвязи исследователи изучали ткани мозга грызунов и наблюдали за поведением крыс во время павловских тестов «стимул-вознаграждение». В этих классических экспериментах короткий звук предупреждал крыс о скором получении кусочка сахара. Помимо анализа влияния KCC2 на скорость нейронной активации, ученые обнаружили удивительный факт: нейроны, активирующиеся скоординировано, могут значительно усиливать дофаминовую активность. Короткие всплески дофамина, по всей видимости, служат мощными обучающими сигналами, помогающими мозгу придавать смысл и ценность общему опыту.
«Наши открытия помогают объяснить, почему мощные и нежелательные ассоциации формируются так легко, например, когда курильщик, который всегда сочетает утренний кофе с сигаретой, позднее обнаруживает, что просто питье кофе вызывает сильное желание закурить», – объясняет Остроумов. – «Предотвращение даже относительно безвредных, вызванных наркотиками, ассоциаций с ситуациями или местами, или восстановление здоровых механизмов обучения, может помочь в разработке более эффективных методов лечения зависимостей и связанных с ними расстройств».
Исследователи также изучили, могут ли препараты, воздействующие на специфические клеточные рецепторы, включая бензодиазепины, такие как диазепам, изменять процессы обучения. Более ранние работы показали, что сдвиги в производстве KCC2 и, следовательно, в нейронной активности, могут менять то, как диазепам (валиум) оказывает свое успокаивающее действие в мозге. Текущее исследование добавляет еще один уровень понимания, демонстрируя, что нейроны не просто увеличивают или уменьшают активность. Они могут координировать свои паттерны активации, и когда такая координация происходит, они передают информацию более эффективно. Команда обнаружила, что диазепам может поддерживать эту скоординированную активность в их экспериментах.
Джойс Ву, аспирантка лаборатории Остроумова и первый автор исследования, подчеркивает: «Для достижения наших выводов мы объединили множество экспериментальных подходов, включая электрофизиологию, фармакологию, волоконную фотометрию, поведенческие тесты, вычислительное моделирование и молекулярный анализ». Крысы были выбраны для поведенческой части исследования, поскольку они обычно демонстрируют более стабильные результаты по сравнению с мышами при выполнении более длительных и сложных задач. Их надежность в экспериментах по обучению вознаграждению позволила исследовательской группе собрать более стабильные и информативные данные.
«Мы верим, что эти открытия выходят за рамки базовых исследований обучения», – говорит Остроумов. – «Они раскрывают новые пути регуляции связей между нейронами в мозге. Поскольку эта связь может нарушаться при различных расстройствах мозга, наша надежда заключается в том, что, предотвращая эти нарушения или восстанавливая нормальную связь при ее сбое, мы сможем разработать лучшие методы лечения широкого спектра мозговых расстройств».
Среди других соавторов из Джорджтаунского университета – Аджай Апрети, Дэниел Рид, Ирен Чанг, Аелон Кетема Самуэль, Хелена де Карвалью Шух и Кэролайн К. Свейн. Авторы исследования не сообщают о наличии личных финансовых интересов, связанных с работой. Данное исследование было поддержано грантами NIH MH125996, DA048134, NS139517, DA061493, а также грантами от Brain & Behavior Research Foundation, Whitehall Foundation и Brain Research Foundation.
