Dlaczego robimy to, co robimy

Wiele z naszego zdrowia i szczęścia jest zakorzenionych w naszych własnych zachowaniach: czy właściwie ćwiczymy i odżywiamy się, czy dokonujemy wyborów jako optymiści czy pesymiści, czy pozostajemy zmotywowani do osiągania naszych celów, czy trzymamy się status quo. Ale nawet najlepsze świadome intencje nie zawsze przekładają się na pożądane zachowanie. Coraz częściej neuronaukowcy zaczynają dostrzegać, a nawet manipulować, aktywnością mózgu odpowiedzialną za przekształcanie myśli i uczuć w działania. Ta praca podnosi kuszącą możliwość, że moglibyśmy znaleźć bardziej precyzyjne terapie na takie stany, jak zaburzenia nastroju i lęki, zachowania kompulsywne i uzależnienia.

Profesor Instytutu, dr Ann Graybiel, dr ’71, znajduje się na czele tych badań, poświęcając znaczną część swojej kariery w swojej piątej dekadzie, aby zrozumieć pozornie skromny zestaw struktur mózgowych zwanych jądrami podstawnymi. Kiedyś znany tylko z tego, że pomagał kontrolować ruch, uważa się, że ten obszar głęboko w mózgu odgrywa fundamentalną rolę w tym, jak uczymy się, przetwarzamy emocje, podejmujemy decyzje i przyjmujemy nawyki. A ta zmiana w myśleniu wynika w dużej mierze z badań przeprowadzonych w laboratorium Graybiela.

Jej praca już dostarczyła wglądu we wzorce aktywności mózgu związane z zaburzeniami ruchu i chorobami psychicznymi. Ostatnie badania wykorzystujące światło do kontrolowania poszczególnych komórek mózgowych pokazują, na przykład, w jaki sposób wyłączenie części tej aktywności może kontrolować powstawanie nawyków lub pesymistyczne podejmowanie decyzji. Chociaż ta technika, znana jako optogenetyka, jest nadal tylko narzędziem badawczym, jest przekonana, że ​​takie postępy technologiczne niosą za sobą obietnicę terapeutyczną – i że poznanie tych głębokich wzorców w mózgu będzie również ważne dla każdego, kto zastanawia się: co sprawia, że ​​robię co Robię?

Jest to naprawdę ważne dla codziennego życia i jest naprawdę ważne na poziomie społecznym i społecznym, mówi Graybiel, badacz z MIT McGovern Institute for Brain Research i członek Departamentu Nauk o Mózgu i Kognitywnych. My, ludzie, musimy zrozumieć te rzeczy o nas samych.

Nowa architektura mózgu
Badania nad mózgiem od dawna utrudniała skąpość dostępnych technik rozwiązywania wielkich pytań o naturę myśli, wspomnień i decyzji. Obecnie dziedzina przeżywa renesans napędzany przez technologie, które oferują nowe sposoby badania wzorców komunikacji między komórkami i regionami mózgu. Zapewnia oszałamiające przełomy w umiejętności manipulowania złożonymi zachowaniami. Wczesne fundamentalne spostrzeżenia Graybiela na temat podstawowej architektury mózgu były jednymi z tych, które położyły podwaliny pod te przełomowe odkrycia.

Graybiel urodziła się w Bostonie w 1942 roku, ale wychowała się w Pensacola na Florydzie, gdzie dziewiąte klasy jej czasów uczyły się szycia, ale nie nauk ścisłych. Po ukończeniu szkoły z internatem w Waszyngtonie, studiowała chemię i biologię na Harvardzie i poszła na MIT, którego wydział psychologii prowadzony przez Hansa-Lukasa Teubera był magnesem dla pionierów w dziedzinie neuronauki.

Do tego czasu – pod koniec lat sześćdziesiątych – naukowcy przeprowadzali przełomowe eksperymenty, które zaczęły mapować, w jaki sposób systemy rządzące wzrokiem i dotykiem zostały zorganizowane w mózgu. Było tak mało technik badania mózgu, mówi Graybiel, ale to był bardzo ekscytujący czas. Naukowcy zaczęli mierzyć sygnały elektryczne w komórkach mózgowych zwierząt, aby odwzorować organizację kory nowej, pofałdowanej zewnętrznej warstwy mózgu, która jest siedzibą wyższych funkcji, takich jak percepcja i świadome myślenie.

Kiedy dołączyła do wydziału MIT dwa lata po otrzymaniu doktoratu w 1971 roku, Graybiel specjalizował się w badaniu anatomii mózgu. Była dobrze przygotowana do tego zadania dzięki szkoleniu u wielkiego neuroanatomisty Walle Nauty, który opracował specjalne barwniki, które można było nakładać na ludzką lub zwierzęcą tkankę mózgową, aby śledzić, w jaki sposób są połączone włókna mózgowe. To była estetyczna praca, mówi. Mózg jest po prostu bardzo piękny. Nie musi tak być, ale jest po prostu niezwykle piękny.

Większość barwników została zaprojektowana tak, aby pokazać fizyczne właściwości komórek, ale Graybiel opracował nowe barwniki, które ujawniły lokalizację substancji chemicznych, których komórki używają do komunikacji, tworząc mapę aktywności chemicznej.

Ta strategia okazała się przydatna w ujawnieniu organizacji mózgu. W niektórych obszarach tę organizację łatwo było dostrzec: na przykład kora nowa była fascynująca, ponieważ zawierała ciasto warstwowe precyzyjnie uporządkowanych neuronów, które wskazywały na złożoność jej funkcji. Ale na pierwszy rzut oka inne regiony wydawały się chaotyczne. To po prostu bajeczne, mówi Graybiel o korze nowej. Potem zaglądasz pod to, a tam jest ta ogromna kula neuronów, które najwyraźniej nie są elegancko zorganizowane; wygląda bardzo skromnie, ale jest ogromny. Ta gigantyczna bryłka tkanki mózgowej była prążkowiem, częścią jąder podstawnych, postrzeganą jako bardziej prymitywny obszar mózgu.

Kiedy jednak nałożyła swoje chemiczne plamy na pozornie jednorodną masę prążkowia, nagle pojawiła się zasada porządkująca. Komórki prążkowia zostały ułożone w chemicznie odrębne przedziały, które Graybiel nazwał striosomami. Ten wgląd ujawnił nowy sposób zrozumienia anatomii mózgu: poprzez chemię, a nie kształt lub orientację komórek. Paul Glimcher, neurobiolog z New York University, który zainspirował się jej pracą, nazywa badanie Graybiela struktury prążkowia ostatnim z heroicznych projektów neuroanatomicznych w klasycznej anatomii mózgu.

Rozszyfrowanie mozaiki
Prążkowie okazało się o wiele bardziej interesujące, niż ludzie myśleli, a Graybiel spędziła swoją karierę, próbując zrozumieć je i obwody neuronowe, dla których służy jako centrum. Kiedy zaczęła swoje badania, prążkowie było znane z tego, że bierze udział w zaburzeniach ruchowych, takich jak choroba Parkinsona, która jest spowodowana śmiercią komórek mózgowych dostarczających dopaminę do tej części mózgu. Od tego czasu jest powiązany z fascynującym szeregiem funkcji mózgu, w tym motywacją, nagrodą, tworzeniem nawyków i podejmowaniem decyzji.

Dla Graybiel organizacja, którą odkryła w prążkowiu, jest kluczem do zrozumienia, jak to działa. Gdybyś mógł sobie wyobrazić najpiękniejszą mozaikę… takie jest prążkowie, mówi, tylko że jest w 3D. Kafelki tej mozaiki są chemicznie odrębnymi striosomami. Poszczególne striosomy i otaczające je matryce komórek wydają się tworzyć oddzielne grupy płytek lub modułów połączonych z różnymi częściami mózgu.

Jasne jest, że prążkowie zawiera węzły informacyjne łączące obszary znajdujące się nad nim, w korze nowej, z regionami leżącymi pod nią, które rządzą emocjami i nastrojem. W ostatnich latach laboratorium Graybiela dokonało kluczowych ustaleń, które wyjaśniają komunikację między tymi regionami i rolę, jaką ta komunikacja odgrywa w określaniu zachowania. Uważa, że ​​modułowa architektura prążkowia jest zupełnie innym sposobem organizowania informacji niż ta obserwowana w korze warstwowej. Zaczęła postrzegać go jako narzędzie do uczenia się: gromadzi informacje z innych obszarów mózgu, abyśmy mogli szybko nauczyć się wybierać zachowania, które należy wykonać, w końcu działać instynktownie.

Niektóre części prążkowia są zaangażowane w uczenie się, planowanie, przewidywanie nagród i ocenianie, czy coś jest pozytywne, czy negatywne. Inne części pozwalają nam wyrobić nawyki. Wydaje się, że wiąże się to z innym rodzajem funkcjonowania mózgu, w którym nie oczekujemy aktywnie i nie osądzamy, ale automatycznie odtwarzamy wcześniej wyuczony scenariusz.

Badania w laboratorium Graybiela badają oba te procesy i ich interakcje. Jeden, prowadzony przez naukowca Ken-ichi Amemori, zbadał obszar kory, który wydaje się komunikować z prążkowiem i jest powiązany z lękiem i depresją. Kiedy zwierzęta stanęły przed zadaniem, które przyniosło kombinację negatywnych i pozytywnych wyników (irytujący powiew powietrza i nagroda w postaci jedzenia), stymulacja tego obszaru sprawiała, że ​​były bardziej skłonne do uniknięcia negatywnego wyniku, nawet jeśli oznaczało to utratę nagrody, co odzwierciedla tendencję podejmować pesymistyczne decyzje. Naukowcom udało się zablokować tę tendencję za pomocą leku przeciwlękowego. Amemori Badania Sugeruje, że niezależny obwód mózgu rządzi tym pesymistycznym podejmowaniem decyzji, a teraz bada inny obwód, który może kontrolować decyzje podejmowane przy założeniu pozytywnego wyniku, kwestionując konwencjonalny pogląd, że szacowanie kosztów i korzyści to jeden ujednolicony proces.

Graybiel uważa, że ​​takie odkrycia mogą zidentyfikować obwody mózgu, które obsługują wysoce emocjonalne decyzje, które zależą od osądów, czy wynik będzie dobry, czy zły. Wiele z naszego życia emocjonalnego jest bardzo bogatych, ale musimy podejmować decyzje, które czasami są decyzjami „odczuwającymi to w instynkcie”, mówi. Innymi słowy, złożone emocje i percepcje muszą się połączyć w proste tak lub nie. Chce zrozumieć, co motywuje podejmowanie tej decyzji i dlaczego ta ocena emocjonalna idzie nie tak w przypadku niektórych zaburzeń psychicznych.

Inne badanie ujawnili rolę, jaką dopamina odgrywa w przewidywaniu, jak daleko jesteśmy od odległych nagród. Badając szczury biegające po labiryncie, doktorant Mark Howe, dr ’13, odkrył, że ilość dopaminy uwalnianej w prążkowiu powoli rosła, gdy szczury zbliżały się do celu. Te rampy dopaminy były bardziej strome, gdy oczekiwano większej nagrody lub gdy cel był dalej; mogą pomóc w utrzymaniu motywacji do osiągnięcia celu.

Od decyzji do nawyków
Cele, motywacje i wartości pomagają nam wybierać zachowania, ale zachowania nawykowe są zasadniczo różne. Graybiel mówi, że za pierwszym razem, gdy ktoś pali papierosa, wszystko jest bardzo dobrowolne – próbują tego. Ale jeśli stanie się to nawykiem, każdy krok palenia — wysunięcie papierosa z opakowania, zapalenie go i zaciąganie się — staje się zakorzeniony. Nawet jeśli naprawdę nie chcesz, trudno tego nie zrobić, mówi.

To samo zjawisko występuje u zwierząt laboratoryjnych. Jej zespół szkoli szczury, jak biegają po prostym labiryncie w kształcie litery T, nagradzając je, gdy skręcają w prawo lub w lewo w odpowiedzi na jeden z dwóch słyszalnych tonów. W końcu czynność ta staje się nawykowa: szczury skręcają w prawo lub w lewo, nawet jeśli nagroda zostanie odebrana lub stanie się nieprzyjemna (czekoladowy przysmak, który zwykle je wita, jest doprawiony niesmacznym środkiem chemicznym). Kiedy szczury po raz pierwszy poznają labirynt, neurony w prążkowiu działają przez cały bieg. Ale gdy trasa staje się nawykiem, wzorzec się zmienia, a aktywność neuronów wzrasta głównie na początku i na końcu zadania. Ten wskazuje że nawyki są połączonymi sekwencjami zachowań, przechowywanymi jako łatwo dostępne fragmenty, które można wykonywać bez zastanawiania się nad każdym krokiem.

Laboratorium Graybiela znalazło się również w czołówce badań, które wykorzystują optogenetykę do badania złożonych zachowań. Dzięki tej technice naukowcy mogą wykorzystać ekspozycję na światło do precyzyjnego odcinania lub stymulowania części mózgu swobodnie poruszających się zwierząt, otwierając nowe sposoby badania zachowań. Jako postdoktor Kyle Smith, który jest obecnie adiunktem w Dartmouth College, prowadził badania wykazujące, że mógłby przełamać nawyk biegania po labiryncie u szczurów, jeśli wyłączyłby część mózgu zwaną korą podrąbkową – jeden z obszarów kora, która rozmawia z prążkowiem — tak jak biegały szczury. ten badanie sugeruje, że nawet najbardziej automatyczne zadania znajdują się pod bezpośrednią kontrolą ośrodków decyzyjnych w mózgu. Nowszy badanie Smith i Graybiel odkryli, że odcięcie kory infralimbicznej może przede wszystkim uniemożliwić szczurom przyjęcie nawyku.

DO badanie że Graybiel i jego współpracownicy opublikowali w zeszłym roku w „Science” negatywną stronę powstawania nawyków: zachowania kompulsywne. Zespół kierowany przez postdoca Erica Burguiere'a zbadał zwierzęcy model zaburzeń obsesyjno-kompulsywnych na myszach skonstruowanych tak, aby nie posiadały genu zaangażowanego w komunikację komórkową w prążkowiu. Wielokrotnie podążając za tonem z kroplą wody na twarzy, która sprawia, że ​​myszy odruchowo się myją, przygotowywali myszy do czyszczenia za każdym razem, gdy słyszą ten ton. Zarówno zmodyfikowane myszy, jak i normalne myszy przyjęły zwyczaj pielęgnacji po sygnale, ale normalne myszy nauczyły się czekać, aż kropla wody faktycznie uderzy, podczas gdy myszy kompulsywne zaczęły się pieścić, gdy tylko to usłyszały. Kiedy naukowcy wykorzystali optogenetykę do wyciszenia światłoczułych komórek w korze mózgowej, które komunikują się z prążkowiem, myszy z OCD przestały kompulsywnie pielęgnować zęby, oszczędziły wysiłku, dopóki kropla wody ich nie dotknęła.

Teraz, mówi Graybiel, chcemy wiedzieć, co inicjuje ten proces powtarzania. Wierzy, że możliwe będzie opracowanie nowych sposobów leczenia zaburzeń w tych układach mózgowych. Na przykład urządzenia używane obecnie do głębokiej stymulacji mózgu można by udoskonalić i połączyć z urządzeniami uwalniającymi leki lub można by zastosować podejście takie jak optogenetyka do bezpiecznego modulowania określonych obwodów mózgowych.

Ambitny program
Graybiel otrzymał najwyższe wyróżnienia w nauce – w tym Narodowy Medal Nauki 2001, najwyższą w kraju nagrodę naukową i technologiczną – i podzielił Nagrodę Kavli 2012 w dziedzinie neuronauki. W 2002 roku otrzymała nagrodę MIT's James R. Killian Faculty Achievement Award, która jest uznawana za niezwykłe osiągnięcia zawodowe członków wydziału. Została również doceniona za badania nad chorobą Parkinsona; w 2006 roku otrzymała tytuł Harolda S. Diamond Professor przez National Parkinson Foundation.

Dekady po jej przełomowych odkryciach dotyczących anatomii mózgu, teraz znajduje się w czołówce badań łączących aktywność mózgu z zachowaniem. Szukała współpracowników, takich jak Karl Deisseroth, bioinżynier ze Stanford University, który był pionierem optogenetyki, aby opanować nowe narzędzia. Deisseroth mówi, że jej badania z wykorzystaniem optogenetyki do badania zachowań są przełomowe i pomagają zdefiniować dziedzinę.

Większość laboratoriów specjalizuje się w ograniczonym zestawie technik — niektóre wykorzystują biologię molekularną i genetykę, niektóre obrazują, niektóre analizują fale mózgowe, inne rejestrują sygnały elektryczne w mózgu. Graybiel i jej koledzy zrobili to wszystko, realizując wyjątkowo różnorodne projekty badawcze. Zawsze odkrywa siebie na nowo, mówi Glimcher z NYU. Mówi, że jej wyprawa w fizjologię zwierząt, która łączy aktywność mózgu z określonymi zachowaniami, jest niezwykle ambitna jak na osobę w połowie kariery; to gorzko trudna dyscyplina, która wymaga trzymania zwierząt i trenowania ich do wykonywania złożonych zadań, inżynierii bardzo czułych urządzeń do nagrywania elektrycznego i analizowania stosów danych. Ale Graybiel, dodaje ze śmiechem, po prostu nie jest normalną osobą.

Ambicja Graybiel jest siłą napędową w jej dużym i aktywnym laboratorium, ale znana jest również z przyziemnego ciepła. Glimcher wspomina, że ​​po raz pierwszy został wymieniony jako równy z Graybielem i kilkoma innymi zawodnikami wagi ciężkiej w programie konferencji neuronaukowej, chociaż był młodszy i czuł się trochę jak zespół rozgrzewający. Pozostali mówcy, jak mówi, byli powściągliwi, ale położyła mu rękę na ramieniu i powiedziała: „Po prostu uwielbiam twoje papiery”. Usiądźmy razem przy obiedzie i porozmawiajmy o neuronauce.

Podczas gdy jej wcześniejsze prace nad badaniem piękna i logiki anatomii mózgu były satysfakcjonujące, najbardziej ekscytuje ją perspektywa rzeczywistego pomagania ludziom. (Ten rodzaj pracy wydaje się być wykonywany w jej rodzinie: jej ojciec był zarówno kardiologiem, jak i naukowcem, a jej brat jest również lekarzem). mieć bezpośredni, pomocny wpływ w klinice, mówi. A współpraca między jej laboratorium a badaczami z Nowej Zelandii i Japonii, na przykład, podczas sekcji zwłok stwierdziła, że ​​mózgi osób z chorobą Huntingtona, które cierpiały na zaburzenia nastroju, mają niezwykle poważną degenerację w striosomach, co sugeruje bezpośredni związek między tymi strukturami a regulacją nastroju . A rozwikłanie różnych etapów powstawania nawyków może doprowadzić do nowych sposobów leczenia OCD lub zachowań kompulsywnych, które czasami towarzyszą autyzmowi.

Chociaż ma więcej niż swój udział w laurach, na których może spoczywać, Graybiel jest bardziej skłonny patrzeć w przyszłość. Przez część mojego czasu myślę o tym, co robimy teraz, ale przez część mojego czasu myślę: „Och, moglibyśmy to zrobić” – mówi. Czuję, że dopiero zaczynamy.

ukryć