(L) Forntida system i hjärnan driver mänskliga begär (2013)

Den neurotransmittor dopamin fungerar dess genom en form av omedvetet lärande

Upplagt: Jan 2, 2013 10: 33 AM ET

Neurovetenskap är den nya svarta när det gäller mode i vetenskaplig forskning.

"Genen var den centrala frågan i biologin under 20-talet", säger Nobelpristagaren Dr. Eric Kandel, neurovetenskapare vid Columbia University i en intervju i Toronto nyligen. "Sinnet är den viktigaste frågan för biologin under 21-talet."

"Och säkert om du tänker på folkhälsokonsekvenser, sjukdomar, smärta, schizofreni, depression, manisk depressiv sjukdom, posttraumatisk stressstörning, vet Gud vad, så många människors elände kommer från psykiatriska och neurologiska störningar", tillade Kandel.

Tillbaka på 1960-talet, när Kandel började sitt Nobelprisvinnande arbete för att söka efter den biologiska källan till minne, var neurovetenskap ett ensamt fält. ”Det intresserade inte många biologer. Anatomi ansågs tråkig och elektrofysiologi var för tekniskt komplicerat för de flesta forskare att vara uppmärksam på, sade han.

Richard Beninger är en beteendevetenskaplig forskare vid Queen's University, som påminner om att han som student studerade hjärnan som en samling delar. "Du kunde se vit materia och mörk materia och massor av fina detaljer, ända ner till neuronnivån, men det var allt morfologi, struktur," sa han.

”Men allt detta förändrades när forskare en gång började förstå de kemiska vägarna i hjärnan. Morfologin finns kvar, men nu vet vi vad sändarsystemen är. Så vi har en helt ny hjärna bara de senaste 40 åren att arbeta med, säger Beninger.

Dagens teknik gör det möjligt för forskare att sätta levande, andande människor i en magnetisk resonansbildningsmaskin, be dem att tänka på något och se när de biologiska tankespåren dyker upp och försvinner i färgglada skurar, mätt genom förändringar i blodets syrenivåer. Det betyder att forskare nu kan utforska det neurala landskapet i realtid och kartlägga de kognitiva krafter som har format vår art från våra tidigaste dagar.

När de undersöker detta neurala underland undersöker forskarna själva kärnan i det som gör oss mänskliga. Det är som om de lyfter upp mänsklighetens huva och tippar med ledningarna för att hitta hur det som får oss att göra det vi gör. Och de upptäcker att hemligheten med allt vi gör, tänker eller känner ligger i den ledningen, ett ständigt föränderligt nätverk av neuronala anslutningar skulpterade av evolution och avfyrade av elektriska och kemiska interaktioner.

Sinnet är det väsentliga ämnet för biologi i det 21-talet, säger nobelpristagare Dr. Eric Kandel.Sinnet är det väsentliga ämnet för biologi i det 21-talet, säger nobelpristagare Dr. Eric Kandel. (Lucas Jackson / Reuters)Dr. Kandel kallar det den mest komplexa organisationsstrukturen i universum. "Så vi är långt ifrån att förstå det helt, väldigt långt, men början har varit ganska dramatisk", säger han.

"Det är verkligen extraordinärt, hela vår upplevelse av livet, alla våra mentala upplevelser, om de alla härrör från kemins aktivitet i hjärnan, aktiviteten hos neurotransmittorer och neurokretsar, är det fantastiskt", sa Beninger.

Dopamin nyckel till beteende

För Beninger är dopamin den mest fascinerande neurotransmittorn, vilket gör att vi kan interagera med vår miljö och skicka oss på jakt efter de saker vi behöver för att överleva. "Något som är biologiskt värdefullt, mat, till exempel vatten, sexpartner, socialt följeslagare, socialt samarbete, det är saker som aktiverar dopaminsystemet", säger han.

"Dessa system är gamla, du vet, fruktflugor har liknande system och maskar", säger han. "De finns i fiskar och alla ryggradsdjur, de är väldigt gamla, dessa dopaminneuroner," sa Beninger.

Det betyder att samma kemiska impulser som leder en fruktfluga för att dyka in i ditt vinglas gör att du når till flaskan och häll det andra glaset.

"När dopaminneuroner aktiveras får allt som påträffas vid den tiden en starkare förmåga att locka i framtiden", säger Beninger. "Så för ett djur i naturen, livsmedelsrelaterade stimuli, saker som signalerar mat, som en viss plats, ett visst objekt, förvärvar sedan förmågan att rita djuret i framtiden."

När vissa utsatta människor äter mat som fylls med socker, salt och fett, visar de beteende som liknar andra missbrukare, säger Caroline Davis.När vissa utsatta människor äter mat fyllda med socker, salt och fett, uppvisar de beteenden som liknar andra missbrukare, säger Caroline Davis. (CBC)Dopamin gör sitt arbete genom en form av omedvetet lärande och lär hjärnan att känna igen miljömässiga signaler, syn på ljud, dofter, känslor som leder tillbaka till det som först upphetsade belöningsvägen, även om den "saken" är farlig. "Så droger som missbrukas av människor, alla aktiverar dopaminsystemet", förklarar Beninger.

Allt fler forskare tror också att mat kan kapa hjärnans belöningssystem. Vid York University studerar professor Caroline Davis den biologiska grunden för matberoende. Hon säger att hjärnans belöningssystem kan vara särskilt känsligt för mycket bearbetad mat med kombinationer av salt, socker, fett och smaker som inte finns någonstans i naturen.

Hjärnan och matberoende

"Eftersom de är så välsmakande tenderar vi att äta många av dem och de ger oss en större dopaminförstärkning än broccoli gör", sa Davis. ”De saker som är fyllda med socker, laddade med fett, salt, i kombination är de väldigt, mycket svåra att motstå och det finns bevis för att om du äter tillräckligt av dessa livsmedel, hos vissa utsatta människor, uppvisar de beteenden som liknar beteende som vi ser hos andra missbrukare. ”

När laboratorieråttor får tillgång till sockerhaltig mat, bockar de, och när sockret tas bort visar de fysiska abstinenssystem som liknar djurets tillbakadragande från heroin. Forskning har visat att dopamin är en av de vägar som aktiveras i dessa sockerberoende möss.

En råtta i Richard Benings laboratorium stannar fortfarande när forskare ger det ett läkemedel som blockerar dopaminrespons. (Courtesy Richard Beninger)En råtta i Richard Beningers laboratorium förblir still när forskare ger den ett läkemedel som blockerar dopaminrespons. (Courtesy Richard Beninger)Caroline Davis har upptäckt en dopaminlänk hos livsmedelberoende människor, en genetisk profil som är förknippad med starkare dopaminsignalering, och hon tror att dessa gener kan göra vissa människor mer utsatta för dopamins signaler.

”Människor som tenderar att vara mycket känsliga för belöning, tyder våra uppgifter på, det kan vara svårare för dem i denna miljö. I en annan era, skulle det ha varit ganska anpassningsbart eftersom de skulle ha fått ett stort nöje ur maten och de skulle ha varit de som packade på punden och överlevde längre. Men det fungerar inte så bra i den här miljön. ”

Dopamin kopplad till motivation

Tillbaka vid Queen's University i Kingston, Ont., Tittar Richard Beninger på en serie videor av laboratorieråttor på en hakstång, tagna av sina studenter. När en vanlig råtta placeras på baren, faller den omedelbart. Men något fantastiskt händer när forskare ger djuret ett läkemedel som blockerar dopaminreceptorerna. Nu stannar råttan på hakan upp, längre och längre efter varje dos.

”Djuret kommer bara att sitta där om deras dopamin blockeras. Det är inte så att de inte kan röra sig, de är bara inte motiverade att flytta, säger Beninger. "Det verkar som om du behöver dopamin för att engagera dig i miljön."

”Jag kämpar fortfarande med att förstå konsekvenserna av detta tillstånd,” katalepsi ”, sa han. Men han kallar det ett spännande resultat. "Jag tror att det finns ny, värdefull information i detta fenomen."

”Jag tror att ledtrådarna som finns runt oss, de saker vi interagerar med varje dag, allt vi kan svara på, plocka upp och hantera, allt som kräver en viss nivå av dopamin. Och om vi upprepade gånger utsätts för stimuli, med minskad dopamin, förlorar vi vår förmåga att svara på just dessa stimuli. Det verkar som om dopamin ger dig en anledning att röra dig, gå av baren, agera på stimuli och utan den har du inget intresse av att reagera stimuli eller miljö. ”

Beninger säger att det liknar rörelsestörningar hos personer med Parkinsons sjukdom, som är förknippad med minskad dopaminaktivitet, något han också studerar i sitt laboratorium.

Dopamins roll i relationer

Beninger studerar också hur dopamin bildar våra relationer. Det verkar som att när någon är snäll mot oss kommer vår dopamin att dra oss tillbaka till den personen.

"Så när jag interagerar samarbetsvilligt med någon annan och de interagerar samarbetsvilligt med mig, får den personen, som är en representation i min hjärna, genom dopaminens verkan en ökad förmåga att locka mig i framtiden", säger Beninger. "Så dopaminen skulpterar vårt sociala landskap."

Jag tycker att det är ett absolut underverk, man kan bara förundras mer när man börjar lära sig mer om hjärnans kemiska neuroanatomi, säger Beninger. ”Det är allt detta som arbetar tillsammans som skapar min mentala upplevelse, hela mitt liv. Det är ett absolut under. ”

Om de förstår hjärnkemi tror neurologer att de kommer att kunna erbjuda terapier för att bekämpa psykisk sjukdom och förbättra hela människors erfarenhet. Och Dr. Eric Kandel säger att upptäckter är oundvikliga, delvis för att det nu finns så många forskare på området.

”När jag var medicinstudent ville jag ta ett valfag i hjärncellsvetenskap, men det fanns bara ett laboratorium i New York City som hade en bra person jag kunde arbeta med. Det var okänt. Nu går du på gatan och varje annan person du möter gör hjärnvetenskap. ”

”Jag arbetade i ett laboratorium för första gången 1955. År 1969 hade ett samhälle bildats i Nordamerika, kallat Society of Neuroscience, och det hade 600 medlemmar. Nu har den 35,000 XNUMX medlemmar. Antalet människor som nu arbetar inom hjärnvetenskap har ökat enormt. Det har gått från en galen disciplin. Nu är det ett av de mest spännande, om inte det mest spännande områdena inom biologin. ”

Detta är del två av en fyrdelarserie som heter Inside Your Brain on CBC: s The National, World at Six och CBC.ca som utforskar hur modern neurovetenskap förändrar vårt sätt att tänka på hur vi tänker. I del tre upptäcker Kelly Crowe att våra hjärnor är mycket aktiva även när vi uppfattar dem som lediga och den lediga hjärnan kan vara nyckeln till medvetenhet. Forskningen för denna serie finansierades av en kanadensisk journalistutmärkelse för Canadian Institutes of Health Research.