Результаты могут иметь широкое значение не только для болезни Паркинсона, но и для других неврологических и психических расстройств, включая депрессию и зависимость.
Исследователи обнаружили изменения уровня дофамина в тысячу раз быстрее, чем это было ранее зарегистрировано у людей. Эти быстрые измерения в сочетании с повышенной химической специфичностью привели ученых к открытию, что дофамин — важный нейромедиатор, участвующий в обучении и принятии решений, — играет гораздо более сложную роль, чем считалось ранее.
Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Более 20 лет исследований нечеловеческих модельных организмов нарисовали очень конкретную картину предполагаемой роли дофамина в управлении человеческим поведением», — сказал Рид Монтегю, директор лаборатории нейровизуализации человека в Исследовательском институте Карилиона Вирджинии и старший автор книги бумага. "И теперь, с этими первыми в своем роде измерениями, сделанными непосредственно на людях, мы обнаружили, что эта картина была ужасно неполной."
Монтегю и его команда работали нейрохирургами в Медицинском университете Уэйк-Форест — Стивеном Таттером, Адрианом Лакстоном и покойным Томасом Эллисом — для измерения сигналов дофамина у пациентов с болезнью Паркинсона, перенесших операцию по имплантации электродов для стимуляции глубокого мозга. Было показано, что стимуляция глубокого мозга облегчает симптомы болезни Паркинсона.
Семнадцать пациентов вызвались позволить команде Монтегю записывать их дофаминовые сигналы во время операции по имплантации.
«Мы изучаем систему, которая разваливается в их мозгах», — сказал Кен Кишида, первый автор статьи и научный сотрудник Исследовательского института Карилиона в Вирджинии. «Болезнь Паркинсона характеризуется гибелью нейронов, высвобождающих дофамин, и мы пытаемся понять основные механизмы процесса болезни."
Кишида и Монтегю отметили щедрость пациентов, которые вызвались участвовать в исследовании.
«Этот тип доступа для измерения сигналов дофамина бесценен», — сказал Кишида. "И мы провели эти измерения у 17 человек — это на 17 больше, чем когда-либо прежде."
Чтобы улавливать дофаминовые сигналы, особенно у людей с более низкой активностью дофамина, исследователям пришлось разработать чрезвычайно чувствительные методы.
Они модифицировали электрод из углеродного волокна, который ранее использовался для измерения колебаний дофамина у грызунов, чтобы он соответствовал хирургическим потребностям клинической процедуры у людей, чтобы уменьшить риски и время хирургического вмешательства для пациентов. Хирурги помещали электрод в полосатое тело каждого пациента, недалеко от центра мозга.
Исследователи снимали показания сверхбыстрых импульсов дофамина, пока находящиеся в сознании пациенты играли в инвестиционную игру. Они ожидали увидеть реакцию дофамина в прямой зависимости от ожидаемых вознаграждений и фактических результатов.
Они не.
«Мы проанализировали набор данных примерно из тысячи импульсов дофамина, и он оказался плоским», — сказал Монтегю, который также является профессором физики в Технологическом колледже штата Вирджиния и директором отделения вычислительной психиатрии Исследовательского института карилиона Вирджинии. «Сигналы не различали положительную реакцию и отрицательную."
Ученые использовали циклическую вольтамперометрию с быстрым сканированием для измерения импульсов дофамина в мозгу пациентов. Этот электрохимический метод позволяет практически непрерывно измерять химическую активность в головном мозге.
В этом случае он использовался для измерения передачи дофамина 10 раз в секунду в течение нескольких минут, пока пациенты принимали финансово рискованные решения.
"Это было технически очень сложно", — сказал Кишида. "Но в результате мы смогли измерить изменения в нейрохимических веществах, которые важны для обучения, пока люди принимают решения."
После того, как исследователи провели измерения, они начали анализировать, о чем на самом деле сигнализировал дофамин.
Они использовали новые методы машинного обучения, которые используют несколько вычислительных инструментов, которые помогают ученым глубже погружаться в данные и получать более подробную информацию.
«Мы обнаружили, что дофамин отслеживает два фактора — то, что произошло, и то, что могло произойти», — сказал Монтегю. «Наши дофаминовые нейроны, кажется, отслеживают, могло ли быть что-то лучше или хуже, и эта информация кодируется быстрыми изменениями в выбросе дофамина.
Эти результаты могут начать раскрывать в вычислительном плане то, чего не хватает дофаминовой системе у пациентов с болезнью Паркинсона."
На открытие результатов ушло более 20 лет, с тех пор как Монтегю провел первые вычислительные исследования механизмов передачи сигналов дофамина.
«Дофамин кодирует так называемые ошибки предсказания вознаграждения — постоянную разницу между ожидаемым вознаграждением и фактическим вознаграждением», — сказал Монтегю. "По сигналам дофамина мы можем увидеть, когда человек ожидает вознаграждения и получает ли он вознаграждение. Но в нашем последнем исследовании мы обнаружили, что эта ранняя модель ошибки предсказания вознаграждения является неполной. Скорее всего, импульсы дофамина, по-видимому, объединяют информацию о том, что могло произойти, с информацией о том, что произошло на самом деле.
Это совершенно новый взгляд на роль дофаминовой передачи сигналов в человеческом мозге."
Идея о том, что «то, что могло быть» является частью того, как люди оценивают фактические результаты, не нова.
Но никто не ожидал, что дофамин будет объединять эту информацию в человеческом мозгу.
«Мы соединили две известные вычислительные модели во что-то новое, — сказал Монтегю.
«При этом мы обнаружили, что дофамин отслеживает и объединяет два потока информации в один химический импульс."
Теперь, когда исследователи измерили множественный вклад в отдельные сигналы дофамина, у них есть еще больше возможностей для изучения систем обучения человеческого мозга в вопросах здоровья и болезней.
«Авторы этого исследования сочетают редкую возможность сбора данных непосредственно из глубины мозга у бодрствующих людей со сложными методами извлечения нейрохимического сигнала», — сказал Майкл Франк, доцент кафедры когнитивных, лингвистических и психологических наук. Брауновский институт мозговых исследований при Брауновском университете.
Фрэнк не участвовал в этом исследовании.
По словам Фрэнка, результаты исследования также имеют значение для понимания других нарушений дофаминовой системы.
«Результаты меняют наше представление о принятии решений, основанных на вознаграждении, поскольку они позволяют сигналу обучения быть более информированным о том, что« могло »быть», — сказал Фрэнк. "Это понимание потенциально может привести к более эффективному совершенствованию решений в будущем."
Монтегю и его коллеги работают над тем, чтобы понять, применимо ли их открытие к людям, не страдающим болезнью Паркинсона. Предыдущее исследование ученых с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии показало, что новая модель должна быть верной и для здоровых людей.
Однако предыдущей работе не хватало точности новых измерений команды.
«Возможность проводить такие измерения — это прорыв», — сказал Монтегю, отметив, что не использует это слово легкомысленно. "Эти точные измерения в реальном времени событий, закодированных дофамином, в живом человеческом мозгу помогут нам понять механизмы принятия решений в отношении здоровья и болезней."