При формуванні залежностей посилюються зв’язки між нейронами орбітофронтальної кори і смугастого тіла

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 70

Ріс. 1. Схема розташування оптичних волокон для самостімуляції мишей. VTA (ventral tegmental area) — вентральна область покришки, ChR2-eYFP — рецептор (ченнелродопсин-2), активований світлом з довжиною хвилі 470 нм, і пов’язаний з ним жовтий флуоресцентний білок. У центрі: дофамінергічні нейрони, що несуть ChR2-eYFP, на поздовжньому зрізі головного мозку миші пофарбовані у світло-зелений завдяки наявності флуоресцентного білка. Праворуч: поперечний зріз через місце введення оптичних волокон (показані пунктиром), забарвлення тирозингідроксилазою — ферментом, що виявляє дофамін (біло-рожевий). В — брегма, центральна точка на черепі, вказана відстань від неї в міліметрах, тобто зріз проведено на 3,08 мм позаду брегми. Зображення з обговорюваної статті в Nature

Досі мало відомо про те, як відбувається формування залежностей на клітинному рівні. Нейробіологи з Женевського університету провели серію експериментів із застосуванням оптогенетичної стимуляції нейронів мозку мишей. Тварини могли самі стимулювати свій мозок — так у них формувалася залежність, яку потім намагалися зняти, ввівши негативний стимул (удари струмом). Відстеження змін у мозку показало, що при стійкій аддикції посилюються зв’язки між нейронами орбітофронтальної кори і дорсальної частини смугастого тіла (стріатума). Цікаво, що більше половини піддослідних тварин насилу відмовляються від самостімуляції клітин «центрів задоволення», навіть якщо за таку стимуляцію їх сильно б’ють струмом — і від генетики стійкість їх потягів ніби не залежить.

Нервова система потрібна тваринам, щоб належним чином реагувати на стимули із зовнішнього світу: ігнорувати те, що не дуже небезпечно для виживання, і робити те, що підвищить ймовірність довгого безбідного життя. Запам’ятати, що і як шукати, як чинити, допомагають емоції. Те, що викликає негативні емоції, в нормі намагаються не повторювати, а те, що тягне за собою позитивні емоції, шукають або роблять знову і знову.

Позитивні емоції ссавцям забезпечує комплекс структур мозку під назвою «система винагороди» (або «система внутрішнього підкріплення»). До неї входять, зокрема, парабрахіальні (parabrachial nuclei) і прилеглі ядра (ці структури парні, по одній в кожній половині мозку), вентральна область покришки (ventral tegmental area, VTA), а також вентральний палідум, орбітофронтальна і острівкова (інсулярна) кора і ряд інших регіонів.

Велику роль у «системі винагороди» відіграє нейромедіатор дофамін. Він виділяється її нейронами, коли з твариною відбувається щось приємне. Ряд наркотиків по хімічній структурі схожі з дофаміном та іншими моноамінами і впливають на переміщення «справжніх» нейромедіаторів в організмі. Як правило, вони сильніше самого дофаміну і часом міцніше зв’язуються з рецепторами до нього, в результаті чого «природний» нейромедіатор практично перестає з’являтися. Формується залежність.

Позбутися залежності — як наркотичної, так і інших — теорії можна, якщо створити асоціацію колись приємного стимулу з різко неприємним. Тяга до нього перестане бути адаптивною і тому пропаде. Скажімо, експериментальних тварин можна спочатку привчити до самовведення кокаїну або метамфетаміну: миша або щур натискає на педаль або важіль, і пристрій вводить її у вену за заздалегідь вставленою голкою дозу наркотику (див., наприклад, E. Kmiotek et al., 2012. Methods for Intravenous Self Administration in a Mouse Model). Коли гризун навчиться це робити і стане здійснювати ін’єкції із завидною сталістю, до решітчастої підлоги клітини можна підвести напругу і бити тварину струмом щоразу, коли вона введе собі певну речовину.

Після декількох щоденних сеансів такого биття більшість перестає «колотися». Однак 20% піддослідних продовжує вводити наркотик незважаючи на те, що за цим кожен раз слідує сильний біль. Подібні стани ми далі будемо називати стійкою залежністю або стійкою аддикцією. Хоча подібні залежності далеко не рідкість, про їх нейронних корелятів відомо мало. Зрозуміло, що у формуванні стійкої залежності задіяні дофамінергічні (утворюючі дофамін) нейрони «системи винагороди», але які саме і як вони працюють, точно не відомо.

Дослідники з Женевського університету провели кілька серій експериментів, і вони дозволили отримати перші відповіді на деякі з зазначених питань. Оскільки дуже важко зробити кілька абсолютно однакових за дозою ін’єкцій наркотику, нейробіологи замість них використовували оптогенетичну стимуляцію нейронів вентральної області покришки (основи цього методу описані, наприклад, у статті Оптогенетика. Як керувати нейроном за допомогою світла). Спочатку у VTA ввели вірусні вектори, що містять ген ченнелродопсина-2 (ChR2, див. Channelrhodopsin), поєднаний з геном жовтого флуоресцентного білка (YFP) (рис. 1). Флуоресцентний білок потрібен для виявлення клітин, «зараження» яких геном ченнелродопсина пройшло успішно: такі нейрони світяться жовтим, оскільки в них утворюється YFP. Потім туди ж підвели волокно для оптичної стимуляції клітин, які отримали здатність активуватися у відповідь на світло з довжиною хвилі близько 470-480 нм. Вентральну область покришки в якості мішені вибрали ще й тому, що більше половини нейронів в ній виділяють дофамін (див.:У «системі винагороди» знайдено нейрони, що збуджуються від хороших передчуттів, «Елементи», 10.02.2012).

Мишей навчили за допомогою важеля самостійно стимулювати дофамінергічні нейрони VTA. Натискання на один з двох важелів активувало серію лазерних імпульсів — 30 пачок по 5 сигналів тривалістю 4 мс кожен, частота сигналів у пачці становила 20 Герц. Другий важіль не був пов’язаний з лазером і використовувався в якості контролю. Цього вистачало, щоб активувати дофамінергічні нейрони, що містять ченнелродопсин. Спочатку для запуску стимуляції було потрібно одне натискання на важіль, через кілька днів — два, а трохи пізніше — і зовсім три. Всі 109 тварин, які брали участь в експерименті, за 15 днів навчилися тричі натискати на важіль, притому тільки в ті моменти, коли в експериментальній камері загорялося світло. Спалахи світла тривали по секунді і, якщо тварина натискала на важіль після десяти спалахів, лазер не активувався. Дослідники вимірювали час (грубо кажучи, кількість спалахів світла), через яку миша заключний раз натисне на важіль. Чим швидше гризун це робив, тим сильнішою вважалася його мотивація до самостімуляції.

Скільки б миша не натискала на важіль, під час навчання за добу можна було отримати оптогенетичну стимуляцію тільки 80 разів. Потім це число знижували до 40 на три дні, а після протягом чотирьох днів подавали на решітчасту стать експериментальної камери струм силою 0,25 мА і тривалістю 500 мс кожен третій раз, коли миша натискала на важіль, — тобто безпосередньо перед отриманням нагороди (рис. 2). Цього вистачає, щоб відбити у тварин тягу натискати на педаль заради отримання поживного і приємного на смак розчину цукрози.

Ріс. 2. Протоколи стимуляції лазером і електричними імпульсами. Ліворуч — під час навчання оптогенетичній самостімуляції дофамінергічних нейронів VTA, праворуч — після періоду навчання. У цьому випадку, коли світло загорявся втретє (тобто з’являвся сигнал, що треба ще раз натиснути на важіль), мишу било струмом (foot shock). LS — laser stimulation, стимуляція лазером. Time-out — час, протягом якого натискання на важіль не призводило до стимуляції лазером. Cue light — спалахи світла, що служать сигналом, що пора натискати на важіль. Час вказано у секундах. Зображення з обговорюваної статті в Nature

Удари струмом знизили у всіх тварин бажання натискати на важіль втретє: час від першого спалаху до натискання збільшився, а деякі взагалі перестали його виробляти. Однак значний відсоток особин продовжував з частотою не нижче 60% від початкової натискати на важіль і третій раз незважаючи на електрошок. Таких «наполегливих» виявилося 62,9% серед самок і 57,4% серед самців. У них сформувалася стійка залежність від оптогенетичної стимуляції дофамінергічних нейронів VTA. За швидкістю навчання неможливо було передбачити, у кого така залежність проявиться.

Наступним кроком вчені картували нейронні зв’язки, що забезпечують це явище. З попередніх досліджень було відомо, що приємні стимули підвищують концентрацію дофаміну і в орбітофронтальній корі (OFC), тому вчені ввели групі мишей в цю область мозку барвник — ченнелродопсин Chrimson з червоним флуоресцентним білком tdTomato, здатний поширюватися по відростках нейронів в тому ж напрямку, що і зміна мембранного (потенційного) сигналу. При оптогенетичній стимуляції VTA частина барвника переміщалася з орбітофронтальної кори на нейрони дорсального стріатуму — хоча безпосередньо ці клітини не були пов’язані з вентральною областю покришки (рис. 3).

Ріс. 3. Відстеження зв’язків орбітофронтальної кори, що забезпечують стійку залежність від оптогенетичної стимуляції VTA. DS — дорсальний стріатум (дорсальна частина смугастого тіла). tdTomato + — миші з барвником tdTomato, tdTomat^o _ — без нього. Інші позначення як на рис. 1. Зображення з обговорюваної статті в Nature

Після виявлення зв’язків, що потенційно забезпечують стійку аддикцію, нейробіологи зробили зрізи головного мозку мишей так, щоб на них були присутні і клітини OFC, і нейрони дорсального стріатуму. Відомо, що на їхніх мембранах є рецептори до нейромедіатора глутамату, який у дорослих ссавців найчастіше відіграє роль збуджуючого. Два типи глутаматних рецепторів, AMPA і NMDA, відіграють важливу роль у синаптичній пластичності — зміні збудженості нейронів у відповідь на різні стимули залежно від попередніх подій і контексту. Співвідношення AMPA- і NMDA-рецепторів у клітинах орбітофронтальної кори і дорсального стріатуму могло впливати на стійкість залежностей у мишей.

Виявилося, що до навчання самостимуляції співвідношення двох типів рецепторів до глутамату у мишей не відрізняється. Те ж вірно і для тварин, яким стимулювали VTA і били лапи струмом, але не пов’язували ці дві процедури. Потім частка AMPA-рецепторів виростала у гризунів, які сформували стійку залежність від оптогенетичної активації VTA. Крім того, експерименти, в яких в дорсальну частину смугастого тіла або в орбітофронтальну кору вводили інгібітори рецепторів до глутамату, показали: без роботи AMPA- і NMDA-рецепторів в цих областях мозку стійка залежність взагалі не формується. А додаткова активація глутаматергічних клітин в тих же регіонах призводила до зворотного результату: аддикція вироблялася швидше і була сильнішою, тобто струм майже не заважав мишам себе стимулювати.

Таким чином, з’ясувалося, що за формування стійкої аддикції — принаймні, до прямої стимуляції дофамінергічних нейронів VTA, однієї з найважливіших структур «системи винагороди», — відповідають зв’язки орбітофронтальної кори і дорсального стріатуму. Їх силу визначає співвідношення двох типів рецепторів — AMPA і NMDA — до глутамату, але воно змінюється вже після того, як тварині пред’явили стимул для вироблення залежності, а заздалегідь ймовірність формування такої залежності передбачити не виходить.

Описані результати не в усьому узгоджуються з отриманими раніше відомостями з досліджень із застосуванням кокаїну. Зокрема, до кокаїну аддикція, при якій тварина продовжує стимулювати себе незважаючи на сильний біль, формується в 20% випадків, а при оптогенетичній стимуляції вентральної області покришки, як ми тепер бачимо, — приблизно в 60%. З високою часткою ймовірності це пов’язано з тим, що кокаїн і безпосередня активація нейронів діють на метаболізм дофаміну неоднаково. Тим не менш, вплив дофаміну в даному випадку навряд чи прямий: нейронні зв’язки стріатуму і VTA слабкі, тому дуже низька ймовірність, що оптогенетична стимуляція VTA викликала сильний викид дофаміну в області зв’язків смугастого тіла і орбітофронтальної кори.

Але якщо несподівано високий відсоток тих, хто пристрастився до оптогенетичної самостімуляції, можна пояснити відмінностями в методиці, то причину поділу мишей на дві групи за силою їх аддикції таким чином знайти не виходить. Всі піддослідні були вкрай близькі генетично і походили з однієї лінії, в якій більше десяти поколінь поспіль проводили схрещування тільки з особинами певного генотипу. Автори пропонують тільки одне, притому вельми розмите, пояснення відмінностей у реакції залежних гризунів на біль — особливо враховуючи, що за больовою чутливістю ці миші не відрізнялися. Це так звана стохастична індивідуальність — відмінності в поведінці організмів, які неможливо заздалегідь передбачити на основі вимірюваних параметрів (див.: K. Honegger & B. De Bivort, 2018. Stochasticity, individuality and behavior).

Вважається, що такі відмінності викликаються зовнішнім середовищем і являють собою, по суті, неоднакову реакцію на різні події ззовні. Для нас особливо важливо, що вони не успадковуються, а значить, шукати гени більш і менш стійких до залежностей марно — принаймні, у випадку, описаному в статті. З точки зору біомедичної етики це добре: виходить, немає вроджених наркоманів — і немає приводу для дискримінації. З точки зору біомедицини — не надто: неможливо заздалегідь передбачити, хто вилікується від залежності, нехай би навіть і шоковим методом.

Джерело: Vincent Pascoli, Agnès Hiver, Ruud Van Zessen, Michaël Loureiro, Ridouane Achargui, Masaya Harada, Jérôme Flakowski & Christian Lüscher. Stochastic synaptic plasticity underlying compulsion in a model of addiction // Nature. 2018. V. 564. P. 366–371. DOI: 10.1038/s41586-018-0789-4.

Див. також додаткові дані до статті, що обговорюється:

Christian Lüscher. Stochastic synaptic plasticity underlying compulsion in an addiction model

Світлана Ястребова