Alkoholizm może być spowodowany dynamicznym brakiem równowagi dopaminy
10 marca 2017 r.
Międzynarodowa grupa badawcza zidentyfikowała potencjalne mechanizmy alkoholizmu związane ze zmienioną odpowiedzią neuronów dopaminergicznych na złożoną dynamikę neuronów kory przedczołowej wpływających na uwalnianie dopaminy.
Oddziałujące na siebie populacje neuronów w korze mózgowej generują impulsy elektryczne (zwane potencjałami czynnościowymi), które charakteryzują się specyficznymi przestrzennymi i czasowymi wzorcami wyładowań neuronalnych (lub złożoną dynamiką neuronalną). Te wzorce wyładowań zależą od wewnętrznych właściwości poszczególnych neuronów, od połączeń sieci neuronowych oraz sygnałów wejściowych do tych obwodów. Podstawą niniejszego badania obliczeniowego są dowody eksperymentalne na istnienie specyficznej populacji neuronów kory przedczołowej, która łączy się poprzez synapsy pobudzające z neuronami dopaminergicznymi i hamującymi brzusznego obszaru nakrywki (VTA). Zatem struktura wyładowań neuronalnych w korze przedczołowej może bezpośrednio wpływać na odpowiedź komórek dopaminowych i uwalnianie dopaminy.
Boris Gutkin kieruje Theoretical Neuroscience Group w HSE Center for Cognition and Decision Making. Jeden z obszarów badawczych grupy koncentruje się na procesach neurobiologicznych prowadzących do nadużywania i uzależnienia od substancji - w szczególności na wykrywaniu powiązań między neurobiologicznymi mechanizmami działania leku a obserwowalnymi reakcjami behawioralnymi. W szczególności naukowcy wykorzystują modelowanie matematyczne do badania specyficznych cech wzorców odpalania neuronów dopaminergicznych i dynamiki, które mogą prowadzić do uzależnienia.
Dopamina, neuroprzekaźnik uwalniany przez neurony dopaminergiczne w mózgu, jest substancją chemiczną, która odgrywa kluczową rolę w wewnętrznym systemie nagradzania mózgu, który napędza uczenie się zmotywowanych zachowań. Działając w ramach systemów nagrody w mózgu (np. Brzuszny obszar nakrywkowy znajdujący się głęboko w śródmózgowiu; prążkowie, odpowiedzialne za wybór prawidłowych działań i kora przedczołowa kontrolująca dobrowolne cele i zachowania), sygnalizuje nieoczekiwaną nagrodę lub oczekiwanie nagrody wynikającej z określonego działania lub wydarzenia. Zatem dopamina zapewnia pozytywne wzmocnienie zachowań, które prowadzą do tych nagród, powodując ich powtarzanie. I odwrotnie, gdy konkretne działanie nie przynosi oczekiwanego pozytywnego efektu lub następuje nieprzyjemne zdarzenie, uwalnianie dopaminy gwałtownie maleje, co prowadzi do frustracji i niechęci do powtarzania tego zachowania.
Wiele neuronów dopaminowych wytwarza te sygnały uczenia się, emitując gwałtowne wybuchy kolców, gdy zwierzę otrzymuje więcej nagród niż oczekiwano lub wstrzymuje się, gdy jest mniej niż oczekiwano. Aby prawidłowo rządzić uczeniem się, liczba wybuchów (i uwolnionej dopaminy) musi być proporcjonalna do rozbieżności między otrzymaną a oczekiwaną nagrodą (na przykład, jeśli spodziewa się uzyskać 50 euro za swoją pracę, ale dostaje 100; aktywność dopaminy powinna być proporcjonalna do 50, gdy oczekuje się 50, ale dostaje 500, aktywność powinna sygnalizować liczbę proporcjonalną do 450). Stąd im większe niedopasowanie, tym silniejsza odpowiedź. Jeszcze inna podgrupa neuronów dopaminowych po prostu sygnalizuje, kiedy bodźce są ważne dla zachowania lub nie dają binarnych odpowiedzi all-or-none. Te sygnały binarne kierują następnie orientację lub podejście do ważnych zachowań. Tak więc dwie populacje komórek dopaminowych mają różne tryby odpowiedzi: analogowy sygnał uczenia się lub alert o znaczeniu „wszystko albo nic”.
Dwa tryby aktywności neuronów
Najnowsze badania grupy Gutkina, przeprowadzone wspólnie z naukowcami z Uniwersytetu Indiana i Instytutu Fizyki Stosowanej RAN, sugerują potencjalne mechanizmy wpływu alkoholu na aktywność neuronów dopaminergicznych. Ich artykuł zatytułowany „Neurony dopaminowe zmieniają rodzaj pobudliwości w odpowiedzi na bodźce”, opublikowany w czasopiśmie PLOS One , przedstawia obliczeniowy model aktywności neuronów dopaminowych (DA), opisując ich kluczowe właściwości i wykazując, że tryb reakcji neuronów DA może się zmieniać w zależności od wzorca bodźców synaptycznych (w tym pochodzących z kory przedczołowej).
W pierwszym trybie ilość dopaminy uwalnianej przez neurony DA odzwierciedla sygnał uczenia proporcjonalny do różnicy między tym, czego oczekuje zwierzę lub człowiek, a tym, co faktycznie otrzymuje w wyniku określonego działania. W drugim trybie neuronów DA uwalnianie dopaminy służy jako referencyjny sygnał binarny wskazujący, czy dane zdarzenie jest istotne. Zatem wyniki badania obliczeniowego sugerują, że neurony dopaminowe mogą nie stanowić dwóch odrębnych populacji, lecz są zdolne do elastycznego przełączania się z jednego trybu reakcji na drugi, w zależności od charakteru odbieranych sygnałów.
W powiązanym badaniu „Wkład synchronized GABAergic neurons do dopaminergic neuron firing and bursting”, opublikowanym w Journal of Neurophysiology , ta sama grupa sugeruje, że oprócz bezpośrednich połączeń między neuronami DA i kory przedczołowej, należy wziąć pod uwagę pośrednie sygnały nerwowe z kory przedczołowej poprzez hamujące (GABAergiczne) neurony VTA. W szczególności naukowcy odkryli, że sygnały z kory przedczołowej mogą powodować synchronizację neuronów GABAergicznych, wywołując silny efekt hamujący na neurony DA. Badanie wykazało, że w niektórych przypadkach takie efekty hamujące mogą prowadzić do paradoksalnych rezultatów — zamiast tłumić wyładowania neuronów DA i tym samym zmniejszać uwalnianie dopaminy, mogą one zwielokrotnić częstotliwość wyładowań DA, co prowadzi do wyższego uwalniania dopaminy i pozytywnego wzmocnienia.
Co to oznacza dla naszego zrozumienia alkoholizmu
Dowody doświadczalne sugerują, że alkohol jest zdolny do modyfikowania wzorców wystrzeliwania neuronów DA, zarówno pośrednio przez korę przedczołową, jak i hamujące neurony VTA, i bezpośrednio przez działanie na neurony DA jako takie. Opierając się na obecnych odkryciach, naukowcy postawili hipotezę, jakie mechanizmy mogą być zaangażowane.
VTA ma neurony DA 20,000 u osoby bezalkoholowej. Niektóre z nich służą do sygnalizowania, że określony bodziec ma znaczenie, podczas gdy reszta przekazuje sygnał błędu. Pewna równowaga między dwoma typami sygnałów ma zasadnicze znaczenie dla dobrego osądu i właściwego zachowania. Alkohol zakłóca równowagę poprzez zmianę zarówno wzorca aktywności neuronalnej w korze przedczołowej, jak i właściwości neuronów DA. Ta zmiana może zniekształcić więcej neuronów, aby sygnalizować znaczenie, w przeciwieństwie do błędu. Tak więc pod wpływem alkoholu, każdy bodziec związany z alkoholem jest traktowany przez neurony DA jako mający znaczenie behawioralne i motywacyjne, niezależnie od tego, czy pasuje do oczekiwanego wyniku, podczas gdy przy braku alkoholu, odpalanie neuronowe byłoby normalnie zgodne z oczekiwane i otrzymane posiłki.
Ten efekt może być powodem, dla którego alkoholicy mogą ostatecznie rozwinąć węższy niż normalnie zakres reakcji behawioralnych, motywując ich do poszukiwania alkoholu. Czyniąc tak, albo nie są świadomi potencjalnych konsekwencji swoich działań, albo, nawet jeśli potrafią przewidzieć takie konsekwencje, ta świadomość ma niewielki lub żaden wpływ na ich zachowanie. Według badań, większość alkoholików rozumie, że może stracić dom i rodzinę, a nawet umrzeć z powodu upijania się, ale to rzadko ich powstrzymuje. Aby prawidłowo ocenić konsekwencje picia, ich kora przedczołowa musi zintegrować i nauczyć się prawidłowo reprezentować negatywne oczekiwania wynikające z tego zachowania, wspierane przez sygnały wzmacniające uczenia się z neuronów DA. Może się to jednak nie zdarzyć, ponieważ alkohol (podobnie jak inne substancje zmieniające nastrój) może wpływać zarówno na aktywność neuronalną w korze przedczołowej uzależnionego , jak i bezpośrednio na jego neurony DA, blokując uczenie się.
Znalezienie sposobu na zrównoważenie funkcji dopaminy w uzależnionym mózgu i wywołanie odpowiednich reakcji neuronalnych na bodźce środowiskowe, nawet pod wpływem, może dać nadzieję osobom z problemami z nadużywaniem substancji.
Dowiedz się więcej: Zestresowane szczury spożywają więcej alkoholu, co ujawnia powiązaną z tym chemię mózgu
Więcej informacji: Ekaterina O. Morozova i in., Neurony dopaminowe zmieniają rodzaj pobudliwości w odpowiedzi na bodźce, PLOS Computational Biology (2016). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005233
Ekaterina O. Morozova i in. Udział zsynchronizowanych neuronów GABA-ergicznych w aktywacji i wybuchach neuronów dopaminergicznych, Journal of Neurophysiology (2016). DOI: 10.1152/jn.00232.2016
Odniesienie do czasopisma: PLoS ONE Journal of Neurophysiology PLoS Computational Biology
Dostarczone przez: Narodowy Uniwersytet Badawczy Wyższa Szkoła Ekonomiczna
Przeczytaj więcej na: https://medicalxpress.com/news/2017-03-alcoholism-dynamical-dopamine-imbalance.html#jCp