211service.com
Jak mózg szuka przyjemności i unika bólu
Neurolog Kay Tye zajmuje się fizycznymi podstawami emocji i zachowań. 27 czerwca 2017 r.
joshua mateusz
Jako dziecko Kay Tye była pogrążona w życiu nauki. Dorastałam w laboratorium mojej mamy, mówi. W wieku pięciu lub sześciu lat zarobiła 25 centów na pudełku za uzupełnianie zamówionych hurtowo końcówek do pipet w pudełkach do sterylizacji, gdy jej matka, uznana biochemik z Cornell University, badała genetykę drożdży. (Ojciec Tye jest fizykiem teoretykiem znanym ze swojej pracy nad kosmiczną inflacją i teorią superstrun).
Dziś Tye prowadzi własne laboratorium neurobiologiczne w MIT. Pod dużymi czarnymi światłami przypominającymi sesję modową, ona i jej zespół w Instytucie Uczenia się i Pamięci Picower mogą obserwować, jak myszy zachowują się, gdy poszczególne obwody mózgu są włączane lub wyłączane. W pobliżu mogą rejestrować aktywność neuronową myszy, gdy zwierzęta poruszają się w kierunku określonego bodźca, takiego jak woda z cukrem, lub oddalają się, jeśli przechodzą przez podłogę, która dostarcza łagodnych wstrząsów elektrycznych. Gdzie indziej tworzą wycinki mózgu do testowania in vitro, ponieważ próbki te zachowują swoją aktywność fizjologiczną, nawet poza ciałem, nawet przez osiem godzin.
Tye był liderem w wysiłkach mających na celu zidentyfikowanie źródeł lęku i innych emocji w mózgu, analizując, w jaki sposób grupy neuronów współpracują w obwodach w celu przetwarzania informacji. W szczególności jej praca przyczyniła się do głębokiej zmiany w zrozumieniu przez naukowców ciała migdałowatego, obszaru mózgu, który uważany jest za kluczowy dla reakcji na strach: odkryła, że sygnalizacja w ciele migdałowatym może w rzeczywistości zmniejszyć lęk, a także zwiększyć to. Aby uzyskać takie spostrzeżenia, dokonała również istotnych postępów w technice zwanej optogenetyką, która pozwala naukowcom aktywować lub tłumić określone obwody neuronalne u zwierząt laboratoryjnych za pomocą światła. Optogenetyka została opracowana przez neurobiologa i psychiatrę ze Stanforda Karla Deisserotha i stanowiła przełom w wysiłkach zmierzających do określenia roli określonych części mózgu. Podczas gdy Tye pracował w swoim laboratorium jako postdoktor, po raz pierwszy zademonstrowała, że można wskazać i kontrolować określone grupy neuronów, które wysyłają sygnały do określonych neuronów docelowych.
To precyzyjne podejście jest ważne, ponieważ leki, które leczą stany takie jak lęk, nie działają obecnie na określone obwody, nie mówiąc już o poszczególnych neuronach; raczej działają w całym mózgu, co często prowadzi do niepożądanych skutków ubocznych. Badania Tye mogą ostatecznie pomóc otworzyć drzwi dla leków, które wpływają tylko na określone obwody nerwowe, zmniejszając lęk przy mniejszej liczbie skutków ubocznych.
Taka praca przyniosła formalne wyróżnienia, w tym nagrodę Presidential Early Career Award dla naukowców i inżynierów od prezydenta Obamy, nagrodę Freedman w dziedzinie neuronauki oraz nagrodę TR35, przyznawaną wybitnym naukowcom w wieku poniżej 35 lat. jej dziedzinie, którzy podziwiają twórczą rozpiętość jej ambicji. Nie boi się zadawać najbardziej fundamentalnych pytań, od których unika większość innych naukowców, mówi Sheena Josselyn z University of Toronto i Hospital for Sick Children Research Institute.
Pytania, które podejmuje, dotyczą emocji i zjawisk, które mają duże znaczenie w ludzkim doświadczeniu, takich jak poszukiwanie nagrody, samotność i kompulsywne objadanie się. Jej celem jest zrozumienie ich podstaw neuronowych — wypełnienie luki między mózgiem, w rozumieniu neurologów, a umysłem, pojmowanym bardziej ekspansywnie przez psychiatrów, psychologów i innych badaczy ludzkich zachowań.
Niedoszły powieściopisarz
Choć może się wydawać, że Tye urodziła się, by być naukowcem, mówi, że jej wybór kariery nie był nieunikniony. W liceum miała ambiwalentny stosunek do nauki i zamiast tego skłaniała się ku pisaniu; pisała sztuki teatralne, opowiadania i wiersze. W myślach miałam zostać powieściopisarzem, wspomina.
Mimo to, starając się o przyjęcie do college'u, umieściła MIT na swojej liście, częściowo po to, by zadowolić swoich rodziców, Bik-Kwoon Tye i Henry Tye, obaj zdobyli tam doktoraty w 1974 roku. A kiedy otrzymała list akceptacyjny, jej ojciec go znalazł. trudno było ukryć jego uczucia, gdy jego oczy napełniły się łzami. Nigdy w życiu nie widziałam płaczącego taty, mówi. Zdecydowała, że powinna bardziej poświęcić się nauce naukowej. Przekonała się również (z zachętą rodziców), że skupienie się na świecie przyrody dałoby jej więcej do pisania w przyszłości.
Jako student pierwszego roku w MIT Tye dołączył do laboratorium Suzanne Corkin, która pracowała z H.M., jednym z najsłynniejszych pacjentów w historii neuronauki. H.M., którego nazwisko ujawniono jako Henry Molaison po jego śmierci w 2008 roku, cierpiał na głęboką amnezję po lobotomii w celu leczenia napadów; badanie jego stanu pozwoliło naukowcom zbadać neuronalne podstawy pamięci. Jedną z ról Tye w grupie było stworzenie H.M. na obiad kanapkę z masłem orzechowym i galaretką. Zjadał ją, a chwilę później, z okruchami wciąż na twarzy, pytał: Czy jedliśmy już obiad?
Naukowcy rozwiązują problemy z pudełkami behawioralnymi, w których myszy uczą się tworzyć pozytywne i negatywne skojarzenia z dźwiękami.
To sprawiło, że doceniłam, że te podstawowe funkcje, takie jak pamięć, które są tak kluczowe dla tego, kim jesteśmy, mają biologiczne substraty w mózgu – mówi. Dodaje, że neuronauka może być onieśmielająca i pełna żargonu. Ale doświadczenie z H.M., wraz z inspirującymi wstępnymi zajęciami z psychologii prowadzonymi przez Stevena Pinkera, sprawiły, że warto było przedzierać się przez całą noc, aby zrozumieć biologiczne mechanizmy stojące za konstruktami psychologicznymi.
Mimo to, po ukończeniu studiów, Tye chciał się upewnić, że się rozgląda, myśląc o tym, kim jest i kim chce być. Spędziła więc rok z plecakiem w Australii, gdzie pracowała na farmie, mieszkała w aśramie jogi, uczyła jogi, biwakowała na plaży i pracowała nad powieścią. Odkryła, że pisanie było trudne i samotne. Lubiła uczyć jogi, ale nie uważała tego za satysfakcjonującą ścieżkę kariery.
Wyszłam z tego roku zaskakująco gotowa do pójścia do szkoły średniej, mówi. Wracając do świata akademickiego, początkowo miała trudności ze znalezieniem laboratorium, które by ją zaakceptowało i prawie porzuciła naukę po pierwszym roku. Ale mentora znalazła w osobie Patricii Janak, która została jej doradczynią i w 2008 roku uzyskała doktorat z neurologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco.
Niespodzianka w ciele migdałowatym
W 2009 roku Tye dołączył do laboratorium Deisserotha w Stanford. Deisseroth opracował już optogenetykę, która dała naukowcom znacznie dokładniejszy sposób identyfikowania wkładu poszczególnych neuronów w obwodzie. Wraz z innymi w laboratorium Tye wykorzystał optogenetykę, aby zbadać połączenie między dwiema częściami ciała migdałowatego, obszaru w kształcie migdała, który jest kluczowy dla lęku i strachu. Najpierw zidentyfikowała neurony w jednym obszarze (znanym jako podstawno-boczne ciało migdałowate), które tworzyły połączenia z neuronami w innym obszarze ciała migdałowatego (znanym jako jądro centralne), wysyłając wypustki włókien nerwowych. Kiedy stymulowała te neurony podstawno-boczne ciała migdałowatego, była w stanie zmniejszyć niepokój u myszy. Oznacza to, że może sprawić, że zwierzęta będą spędzać więcej czasu na otwartej przestrzeni, a mniej na bok. Było to zaskakujące, ponieważ kiedy naukowcy stymulowali ciało migdałowate jako całość, zachowanie myszy stawało się bardziej niespokojne.
Na początku wszyscy pytali: Czy na pewno używasz narzędzia właściwie? Co się dzieje? wspomina. Ale po drobiazgowej walidacji, w 2011 roku Tye i grupa opublikowali swoje wyniki w: Natura , pokazując, że niektóre obwody w ciele migdałowatym pomagają uspokoić zwierzęta. Praca ta stanowiła również przełom w technice optogenetycznej. Po raz pierwszy naukowcom udało się skupić i manipulować określoną częścią obwodu mózgu: określonymi grupami neuronów komunikujących się ze znanymi neuronami docelowymi. Technika ta, znana jako optogenetyczna manipulacja specyficzna dla projekcji, jest obecnie uważana za jedno z kluczowych narzędzi neuronauki.
W 2012 roku Tye przyjechała do MIT jako adiunkt nauk o mózgu i kognitywistyce w Picower, kontynuując swoją pracę nad lękiem. Podczas zakładania laboratorium celowała w neurony w ciele migdałowatym, które wydawały się mieć odwrotny wpływ na niepokój myszy, powodując jego nasilenie. Te komórki mózgowe są również zlokalizowane w podstawno-bocznym ciele migdałowatym, ale wysyłają projekcje do pobliskiego regionu zwanego brzusznym hipokampem. Kiedy Tye stymulował ten obwód za pomocą optogenetyki, myszy unikały otwartych przestrzeni, najwyraźniej cierpiąc na niepokój. (Kiedy powstrzymała tworzenie się połączeń, zwierzęta znów wisiały na otwartej przestrzeni, ich niepokój wydawał się złagodzony). .
Absolwenci laboratorium Tye Chris Leppla i Caitlin Vander Weele oraz doktoranci Praneeth Namburi i Stephen Allsop.
Zagrożenia i nagrody
W tamtym czasie większość badaczy zajmujących się ciałem migdałowatym nadal koncentrowała się głównie na jego roli w strachu. Jednak Tye podejrzewał, że aktywność w tej części mózgu może kodować bodziec jako nagradzający lub zagrażający, dobry lub zły, pomagając jednostkom zdecydować, jak zareagować. W naszym codziennym życiu napotykamy wiele niejednoznacznych bodźców, mówi Conor Liston z Instytutu Badań nad Mózgiem i Umysłem w Weill Cornell. Na przykład interakcja społeczna może być groźna lub satysfakcjonująca, a my potrzebujemy obwodów mózgowych poświęconych rozróżnianiu, które jest które.
Patrząc na względną siłę prądów przechodzących przez dwa receptory glutaminianu, o których wiadomo, że wskazują na siłę synaptyczną, Tye odkrył, że różne połączenia nerwowe u myszy są wzmacniane w zależności od tego, czy dany bodziec był powiązany z nagrodą, czy z zagrożeniem. Kiedy myszy nauczyły się kojarzyć dźwięk z przysmakiem cukru, odkryła silniejszy sygnał synaptyczny do neuronów w podstawno-bocznym ciele migdałowatym, które wysyłały informacje do jądra półleżącego, które jest częścią mózgu obwodu nagrody. Z drugiej strony, gdy myszy nauczyły się kojarzyć dźwięk z łagodnymi wstrząsami elektrycznymi na ich stopach, sygnały wejściowe wzmocniły się w obwodach prowadzących od podstawno-bocznego ciała migdałowatego do środkowo-przyśrodkowego ciała migdałowatego, które jest zaangażowane w ból i strach. Ponadto zademonstrowała kompromis: kiedy jeden z tych obwodów stawał się bardziej aktywny, drugi stawał się mniej aktywny. Innymi słowy, odkryła, w jaki sposób mózg koduje informacje, które pozwalają myszom odróżnić bodźce, które dają satysfakcję, od tych, które są potencjalnie szkodliwe. Wyniki opublikowano w Natura w 2015 roku.
W ostatnich pracach Tye zbadał również obwody zaangażowane w podejmowanie decyzji w ułamku sekundy, gdy zarówno groźne, jak i nagradzające wskazówki są obecne w tym samym czasie. Tym razem ona i jej zespół skupili się na połączeniach między ciałem migdałowatym a korą przedczołową, obszarem odpowiedzialnym za myślenie wyższego rzędu. (W szczególności zbadali interakcje między podstawno-bocznym ciałem migdałowatym a przedlimbową przyśrodkową korą przedczołową.) Używając optogenetyki i innych technik, wykazali, że ten obwód był aktywny, gdy zwierzęta były jednocześnie wystawione na potencjalny cukrowy przysmak i potencjalny wstrząs elektryczny i musiały podjąć decyzję, jak się zachować. Jej wyniki, które pojawiły się w kwietniu w Neuronauka przyrody , pomóż wyjaśnić, w jaki sposób zwierzęta wymyślają, co zrobić w obliczu złożonych, a czasem sprzecznych sygnałów.
Absolwentka Caitlin Vander Weele bada powiększone obrazy wycinków mózgu, aby sprawdzić, czy czujnik wapnia celuje w określony typ neuronu.
Zachcianki i kompulsje
Jako doktorantka Tye pracowała z naukowcami zajmującymi się uzależnieniami, ale bardziej interesowały ją naturalne nagrody, takie jak cukier, niż substancje, które są regularnie nadużywane. W 2012 roku burmistrz Nowego Jorku Michael Bloomberg ogłosił plan ograniczenia wielkości porcji napojów gazowanych sprzedawanych w kinach, na stadionach i w restauracjach typu fast-food. Tye zaczęła się zastanawiać, co dokładnie na poziomie mózgu powoduje, że ludzie pragną słodyczy, wykraczając poza normalne pragnienie zaspokojenia głodu.
Więc zagłębiła się w obwody neuronowe. W artykule opublikowanym w 2015 r. w Komórka , ona i jej zespół skupili się na neuronach w podwzgórzu bocznym (LH), obszarze mózgu zaangażowanym w popędy takie jak głód, i zbadali ich projekcje do innego regionu, zwanego brzusznym obszarem nakrywki (VTA), o którym wiadomo, że odgrywa rolę w obu motywacjach i uzależnienie. Korzystając z optogenetyki, ona i jej zespół wykazali, że włączenie określonych połączeń LH-VTA spowodowało, że myszy obżerały się cukrem, a wyłączenie ich zmniejszyło kompulsywne przejadanie się.
Na swoim pulpicie Tye ładuje pokaz wideo przedstawiający mysz z kablem do transmisji światła podłączonym do jej mózgu. Film pokazuje mysz poruszającą się, początkowo swobodnie. Następnie, gdy włącza się światło lasera, aby aktywować określone neurony w obwodzie LH-VTA, zwierzę zaczyna szaleć, biega i liże podłogę. Niedługo potem podnosi puste łapy do ust i wykonuje pantomimę degustacji i podgryzania. Angażuje się w tę skomplikowaną sekwencję motoryczną i udaje, że je, co jest szalone, ponieważ nie ma jedzenia, mówi Tye. Innymi słowy, włączenie obwodu powoduje, że zwierzę zachowuje się kompulsywnie. Wyłączenie ma odwrotny skutek.
Co najważniejsze, chociaż wyłączenie tego obwodu zapobiega kompulsywnym zachowaniom, nie wpływa to na normalne odżywianie. Oznacza to, że możliwe jest zdefiniowanie opartej na mózgu różnicy między przynajmniej niektórymi zdrowymi i niezdrowymi skłonnościami do jedzenia. Sugeruje to, że możliwe byłoby opracowanie leków celowanych, a nawet jakiejś formy biofeedbacku, która pewnego dnia może pomóc ludziom zmniejszyć niezdrowe łaknienie bez blokowania zwykłego głodu.
Kolejne niedawne odkrycie, dotyczące samotności, pochodzi nieoczekiwanie z projektu, który podoktorska Gillian Matthews rozpoczęła jako absolwentka Imperial College London z Markiem Unglessem. Matthews zauważył, że myszy, które były izolowane przez 24 godziny podczas eksperymentów, wykazywały silniejszą sygnalizację neuronalną w rdzeniowym jądrze szwu mózgu, które uczestniczy w sygnalizacji nagrody – i aktywnie szukały towarzystwa innych myszy. Po tym, jak przeniosła się do laboratorium Tye w MIT, Matthews i Tye opracowali teorię, że zwierzęta pragną interakcji. W dalszych eksperymentach wykorzystali optogenetykę do wyłączenia ścieżki sygnałowej w grzbietowym jądrze szwu. Myszy poddane temu leczeniu wydawały się nie szukać dodatkowych interakcji społecznych po czasie same.
Ostatecznie Tye ma nadzieję, że ona i jej zespół będą w stanie odpowiedzieć na podstawowe ludzkie pytania, na przykład dlaczego niektórzy ludzie wolą spędzać więcej czasu w samotności, podczas gdy inni pragną większego kontaktu społecznego.
Laboratorium bez dramatu
Chociaż laboratorium Tye'a interesuje się pochodzeniem zjawisk, takich jak strach i przymus, wyróżnia się brakiem napięć i konfliktów. Stephen Allsop, postdoc, który pracował z nią przez pięć lat (z których kilka spędziła jako doktorantka), mówi, że podkreśla ścisłą współpracę między członkami zespołu i nadzoruje optymistyczną, wspierającą kulturę: To niesamowite, jak mało dramatu mamy w to laboratorium.
Oprócz naukowej uczciwości, pozytywna, oparta na współpracy, otwarta kultura mojej grupy badawczej – i szczęście jej członków – jest moim najwyższym priorytetem, mówi Tye. Doskonałość naukowa jest na drugim miejscu. Dodaje, że silne relacje z profesorami i mentorami są częścią losowania nauki.
Rzeczywiście, mówi, ustępują tylko więziom między rodzicami a dziećmi. W 2013 roku Tye i jej mąż, programista Jim Wagner, mieli córkę Keevę, która towarzyszyła jej już na konferencjach na całym świecie. Ich syn, Jet, urodził się w zeszłym roku. A dzieci znalazły miejsce w jej laboratorium, podobnie jak ona znalazła niszę w laboratorium swojej matki (choć jeszcze nie zapracowały na płatne stanowiska). Jak powiedziała Natura kiedy Keeva była jeszcze niemowlęciem: Jeśli nagle moja córka musi zostać odebrana, zabieram ją na spotkanie w laboratorium lub spotykam się z ludźmi, gdy ją podskakuję. Jeśli ma totalne załamanie, czasami muszę się wycofać i sprawdzić później.
Ale chociaż może być niefrasobliwa jako rodzic i kierownik laboratorium, Tye znajduje wiele dramatów w samej neuronauce i wciąż wraca do głównych pytań, ponieważ są one tak kuszące. Chociaż mówi, że czyta teraz mniej powieści niż kiedyś, wciąż wydaje się być zmuszona do tego, jakie tajemnice może badać pisarz: Dlaczego bohater wyrusza w podróż? Dlaczego paplanina w jego głowie idzie na opak i prowadzi do ponurego monologu lub niespokojnego samo-sabotażu? Niczym powieściopisarka wykazuje się ogromną kreatywnością. Mówi, że jest coś wyjątkowego w nauce. Twoja nowa praca opiera się na tym, co robiłeś wcześniej. A jeśli masz szczęście, możesz pomóc w kształtowaniu przyszłości.