211service.com
Kaip smegenys siekia malonumo ir vengia skausmo
Neurologė Kay Tye sprendžia fizinį emocijų ir elgesio pagrindą. 2017 m. birželio 27 d
Joshua Mathewsas
Vaikystėje Kay Tye buvo pasinėrusi į mokslo gyvenimą. Aš užaugau savo mamos laboratorijoje, sako ji. Būdama penkerių ar šešerių metų, ji uždirbo 25 centus už dėžutę, skirtą masiškai užsakytų pipetės antgalių atsargoms papildyti sterilizacijai skirtas dėžutes, kai jos mama, pripažinta biochemikė Kornelio universitete, tyrė mielių genetiką. (Tye tėvas yra teorinis fizikas, žinomas dėl savo darbų apie kosminę infliaciją ir superstygų teoriją.)
Šiandien Tye vadovauja savo neurologijos laboratorijai MIT. Po didelėmis juodomis šviesomis, primenančiomis mados filmavimą, ji ir jos komanda Picower mokymosi ir atminties institute gali stebėti, kaip pelės elgiasi, kai įjungiamos arba išjungiamos tam tikros smegenų grandinės. Netoliese jie gali įrašyti pelių nervinį aktyvumą, kai gyvūnai juda link tam tikro dirgiklio, pavyzdžiui, cukraus vandens, arba tolyn, jei jie kerta grindis, sukeliančias nestiprų elektros smūgį. Kitur jie sukuria smegenų gabalėlius, kad galėtų išbandyti in vitro, nes šie mėginiai išlaiko savo fiziologinį aktyvumą net už kūno ribų iki aštuonių valandų.
Tye buvo priešakyje, siekiant tiksliai nustatyti nerimo ir kitų emocijų šaltinius smegenyse, analizuodamas, kaip neuronų grupės veikia kartu grandinėse, kad apdorotų informaciją. Visų pirma, jos darbas prisidėjo prie to, kad mokslininkai suprastų migdolinį kūną, smegenų sritį, kuri, kaip manoma, yra pagrindinė baimės reakcija: ji nustatė, kad signalizacija migdoliniame kūne iš tikrųjų gali sumažinti nerimą ir padidinti nerimą. tai. Siekdama įgyti tokių įžvalgų, ji taip pat padarė didelę pažangą technikoje, vadinamoje optogenetika, kuri leidžia tyrėjams suaktyvinti arba slopinti tam tikras laboratorinių gyvūnų neuronines grandines naudojant šviesą. Optogenetiką sukūrė Stanfordo neuromokslininkas ir psichiatras Karlas Deisserothas, ir tai buvo proveržis, siekiant nustatyti konkrečių smegenų dalių vaidmenį. Kai Tye dirbo savo laboratorijoje postdoc, ji pirmą kartą pademonstravo, kad galima tiksliai nustatyti ir kontroliuoti konkrečias neuronų grupes, kurios siunčia signalus į konkrečius tikslinius neuronus.
Šis smulkus požiūris yra svarbus, nes vaistai, kuriais gydomos tokios sąlygos kaip nerimas, šiuo metu nėra nukreiptos į konkrečias grandines, jau nekalbant apie atskirus neuronus; veikiau veikia visose smegenyse, o tai dažnai sukelia nepageidaujamą šalutinį poveikį. Tye tyrimai galiausiai gali padėti atverti duris vaistams, kurie veikia tik konkrečias nervų grandines, sumažindami nerimą ir sumažindami šalutinį poveikį.
Toks darbas pelnė oficialius įvertinimus, įskaitant prezidento Obamos prezidento ankstyvosios karjeros apdovanojimą mokslininkams ir inžinieriams, Freedmano premiją už neuromokslą ir TR35 apdovanojimą, kuriuo pripažįstami išskirtiniai mokslininkai iki 35 metų amžiaus. Tye taip pat pelnė aukštą pagyrimą iš kitų. kurie žavisi jos ambicijų kūrybine platybe. Ji nebijo užduoti svarbiausių klausimų, kurių vengia dauguma kitų mokslininkų, sako Sheena Josselyn iš Toronto universiteto ir Ligonių ligonių tyrimų instituto.
Klausimai, kuriuos ji imasi, yra susiję su emocijomis ir reiškiniais, kurie yra labai svarbūs žmogaus patirtyje, pavyzdžiui, atlygio siekimas, vienatvė ir priverstinis persivalgymas. Jos tikslas yra suprasti jų nervinį pagrindą – įveikti atotrūkį tarp smegenų, kaip supranta neurologai, ir proto, kaip plačiau suvokia psichiatrai, psichologai ir kiti žmogaus elgesio tyrinėtojai.
Būsimas romanistas
Nors gali atrodyti, kad Tye gimė būti mokslininku, ji sako, kad jos karjeros pasirinkimas buvo nebent neišvengiamas. Vidurinėje mokykloje ji dviprasmiškai vertino mokslus ir verčiau domėjosi rašymu; ji rašė pjeses, apsakymus ir poeziją. Mano mintyse ketinau būti romaniste, prisimena ji.
Vis dėlto, teikdama paraišką į koledžą, ji įtraukė MIT į savo sąrašą, iš dalies siekdama sujudinti savo tėvus Bik-Kwoon Tye ir Henry Tye, kurie abu čia 1974 m. įgijo daktaro laipsnius. Ir kai ji gavo priėmimo laišką, tėvas jį rado. sunku užmaskuoti savo jausmus, nes akys apsipylė ašaromis. Niekada gyvenime nemačiau savo tėčio verkiančio, sako ji. Ji nusprendė, kad turėtų labiau pabandyti mokslinį mokymąsi. Ji taip pat įtikino save (tėvų skatinama), kad susitelkdama į gamtos pasaulį jai bus daugiau apie ką rašyti.
Būdamas pirmakursis MIT, Tye prisijungė prie Suzanne Corkin laboratorijos, kuri dirbo su H.M., vienu garsiausių pacientų neurologijos istorijoje. H.M., kurio vardas buvo Henry'is Molaisonas, jam mirus 2008 m., patyrė didelę amneziją po lobotomijos, skirtos priepuoliams gydyti; jo būklės tyrimas leido tyrėjams ištirti neuroninius atminties pagrindus. Vienas iš Tye vaidmenų grupėje buvo sukurti H.M. pietums sumuštinis su žemės riešutų sviestu ir želė. Jis suvalgydavo, o po kelių akimirkų, su trupiniais ant veido, paklausdavo: ar jau pietavome?
Tyrėjai šalina elgesio dėžutes, kuriose pelės mokosi kurti teigiamas ir neigiamas asociacijas su garsais.
Ji privertė mane suprasti, kad šios pagrindinės funkcijos, tokios kaip atmintis, kurios yra labai svarbios mums, turi biologinių substratų smegenyse, sako ji. Ji priduria, kad neuromokslai gali bauginti ir užpildyti žargonu. Tačiau patirtis su H. M. ir įkvepianti įvadinė psichologijos pamoka, kurią vedė Stevenas Pinkeris, leido suprasti, kad verta visą naktį slampinėti, kad suprastume psichologinių konstrukcijų biologinius mechanizmus.
Vis dėlto, baigusi studijas, Tye norėjo įsitikinti, ar ji apsižvalgo, galvoja, kas ji tokia ir kuo nori būti. Taigi ji praleido metus kuprine Australijoje, kur dirbo ūkyje, gyveno jogos ašrame, mokė jogos, stovyklavo paplūdimyje ir kūrė romaną. Ji suprato, kad rašyti buvo sunku ir vieniša. Jai patiko mokyti jogos, bet nemanė, kad tai yra pasitenkinimo teikiantis karjeros kelias.
Iš tų metų išėjau stebėtinai pasiruošusi eiti į vidurinę mokyklą, sako ji. Grįžusi į akademinį pasaulį, ji iš pradžių sunkiai ieškojo laboratorijos, kuri ją priimtų, ir po pirmųjų kursų beveik metė studijas. Tačiau ji susirado mentorių Patricia Janak, kuri tapo jos patarėja, ir 2008 m. Kalifornijos universitete San Franciske įgijo neurologijos mokslų daktaro laipsnį.
Staigmena migdoliniame kūne
2009 m. Tye prisijungė prie Deisseroth laboratorijos Stanforde. Deisserothas jau sukūrė optogenetiką, kuri suteikė mokslininkams daug tikslesnį būdą nustatyti atskirų neuronų indėlį grandinėje. Tye kartu su kitais laboratorijos darbuotojais naudojo optogenetiką, kad ištirtų ryšį tarp dviejų migdolinio kūno dalių – migdolo formos regiono, kuris yra labai svarbus nerimui ir baimei. Pirmiausia ji nustatė neuronus vienoje srityje (žinoma kaip bazolaterinė migdolinė dalis), kurie sudarė ryšius su neuronais kitoje migdolinio smegenų srityje (žinoma kaip centrinis branduolys), siųsdami nervinių skaidulų projekcijas. Kai ji stimuliavo tuos bazolaterinius migdolinio kūno neuronus, ji sugebėjo sumažinti pelių nerimą. Tai reiškia, kad ji gali priversti gyvūnus praleisti daugiau laiko atvirose erdvėse ir mažiau laiko lenktis į šoną. Tai nustebino, nes kai mokslininkai stimuliavo migdolinį kūną kaip visumą, pelių elgesys tapo nerimastingesnis.
Iš pradžių visi klausė: ar tikrai teisingai naudojate įrankį? Kas vyksta? ji prisimena. Tačiau po kruopštaus patvirtinimo 2011 m. Tye ir grupė paskelbė savo rezultatus Gamta , rodantis, kad kai kurios migdolinio kūno grandinės padeda nuraminti gyvūnus. Šis dokumentas taip pat buvo optogenetinės technikos proveržis. Pirmą kartą mokslininkai sugebėjo nustatyti ir manipuliuoti tam tikra smegenų grandinės dalimi: tam tikromis neuronų grupėmis, bendraujančiomis su žinomais tiksliniais neuronais. Metodas, žinomas kaip optogenetinės projekcijos specifinis manipuliavimas, dabar laikomas vienu iš pagrindinių neurologijos priemonių.
2012 m. Tye atvyko į MIT kaip smegenų ir pažinimo mokslų docentė Picower universitete ir tęsė savo darbą nerimo srityje. Kurdama savo laboratoriją ji taikėsi į migdolinio kūno neuronus, kurie, atrodo, turėjo priešingą poveikį pelių nerimui, todėl jis padidėjo. Šios smegenų ląstelės taip pat yra bazolateralinėje migdolinėje dalyje, tačiau jos siunčia projekcijas į netoliese esantį regioną, vadinamą ventraliniu hipokampu. Kai Tye stimuliavo šią grandinę naudodamas optogenetiką, pelės vengė atvirų erdvių, matyt, kentėjo nuo nerimo. (Kai ji sutrukdė susiformuoti ryšiams, gyvūnai vėl sėdėjo lauke, atrodė, kad jų nerimas sumažėjo.) Tye pasiūlė, kad migdolinio kūno gretimi neuronai gali turėti priešingą poveikį gyvūnų elgesiui, priklausomai nuo taikinių, kuriems jie siunčia signalus. .
Tye laboratorijos absolventai Chrisas Leppla ir Caitlin Vander Weele bei postdocs Praneeth Namburi ir Stephenas Allsopas.
Grėsmės ir apdovanojimai
Tuo metu dauguma migdolinį kūną tyrinėjančių mokslininkų vis dar daugiausia dėmesio skyrė jos vaidmeniui baimėje. Vis dėlto Tye'as įtarė, kad veikla šioje smegenų dalyje gali užkoduoti stimulą kaip naudingą arba grėsmingą, gerą ar blogą, padedantį žmonėms nuspręsti, kaip reaguoti. Kasdieniame gyvenime susiduriame su daugybe dirgiklių, kurie yra dviprasmiški, sako Conoras Listonas iš Weill Cornell Smegenų ir proto tyrimų instituto. Pavyzdžiui, socialinė sąveika gali būti grėsminga arba naudinga, todėl mums reikia smegenų grandinių, skirtų atskirti, kuris yra kuris.
Žvelgdamas į santykinį srovių, einančių per du glutamato receptorius, kurie, kaip žinoma, rodo sinapsinę jėgą, stiprumą, Tye atrado, kad skirtingi nervų ryšiai pelėse buvo sustiprinti priklausomai nuo to, ar konkretus stimulas buvo susijęs su atlygiu ar grėsme. Kai pelės išmoko susieti garsą su cukraus skanėstu, ji nustatė stipresnį sinapsinį įvestį į bazolaterinio migdolinio kūno neuronus, kurie siunčia informaciją į nucleus accumbens, o tai yra smegenų atlygio grandinės dalis. Kita vertus, kai pelės išmoko susieti garsą su lengvu elektros smūgiu į kojas, įvesties signalai stiprėjo grandinėse, vedančiose nuo bazolateralinės migdolinės dalies iki centromedialinės migdolinės dalies, kuri yra susijusi su skausmu ir baime. Be to, ji pademonstravo kompromisą: kai viena iš šių grandinių suaktyvėjo, kita – mažiau. Kitaip tariant, ji atrado, kaip smegenys užkoduoja informaciją, leidžiančią pelėms atskirti stimulus, kurie teikia pasitenkinimą, ir tuos, kurie gali būti žalingi. Rezultatai buvo paskelbti m Gamta 2015 metais.
Paskutiniame darbe Tye taip pat ištyrė schemą, susijusią su sprendimų priėmimu per sekundės dalį, kai tuo pačiu metu yra ir grėsmingų, ir apdovanojančių ženklų. Ji ir jos komanda šį kartą sutelkė dėmesį į ryšius tarp migdolinio kūno ir prefrontalinės žievės – srities, atsakingos už aukštesnės eilės mąstymą. (Konkrečiai, jie ištyrė bazolaterinės migdolinės dalies ir prelimbinės medialinės priekinės žievės sąveiką.) Naudodami optogenetiką ir kitus metodus, jie parodė, kad ši grandinė buvo aktyvi, kai gyvūnai vienu metu buvo veikiami galimo cukraus poveikio ir galimo elektros šoko ir turėjo priimti sprendimą, kaip elgtis. Jos rezultatai, kurie pasirodė balandžio mėn Gamtos neuromokslai , padės išsiaiškinti, kaip gyvūnai sugalvoja, ką daryti, gavę sudėtingų ir kartais prieštaringų užuominų.
Kurso studentė Caitlin Vander Weele tiria padidintus smegenų pjūvių vaizdus, norėdami patikrinti, ar kalcio jutiklis yra nukreiptas į tam tikro tipo neuroną.
Potraukis ir prievartos
Būdama magistrantūros studentė Tye dirbo su tyrėjais, daugiausia dėmesio skiriančiais priklausomybei, tačiau ją labiau domino natūralus atlygis, pavyzdžiui, cukrus, o ne nuolat piktnaudžiaujama medžiaga. 2012 m. Niujorko meras Michaelas Bloombergas paskelbė apie planą apriboti gaiviųjų gėrimų, parduodamų kino teatruose, stadionuose ir greito maisto restoranuose, porcijų dydį. Tye susimąstė, kas būtent smegenų lygmeniu sukelia žmonėms potraukį saldžių skanėstų, viršijančių įprastą norą numalšinti alkį.
Taigi ji gilinosi į nervų grandinę. Straipsnyje, paskelbtame 2015 m Ląstelė , ji ir jos komanda daugiausia dėmesio skyrė neuronams šoniniame pagumburyje (LH), smegenų srityje, susijusioje su tokiais potraukiais kaip alkis, ir ištyrė jų projekcijas į kitą regioną, vadinamą ventraline tegmentine sritimi (VTA), kuri, kaip žinoma, vaidina tiek motyvaciją. ir priklausomybę. Naudodama optogenetiką, ji ir jos komanda parodė, kad įjungus konkrečias LH-VTA jungtis pelės prisigėrė cukraus, o jų išjungimas sumažino kompulsinį persivalgymą.
Savo darbalaukyje Tye įkelia vaizdo demonstraciją, kurioje yra pelė su šviesos perdavimo kabeliu, pritvirtintu prie jos smegenų. Vaizdo įraše matoma, kaip pelė iš pradžių atsainiai juda. Tada, kai įjungiama lazerio šviesa, kad aktyvuotų specifinius neuronus LH-VTA grandinėje, gyvūnas pasiutęs, laksto ir laižo grindis. Netrukus po to jis prikelia tuščias letenas prie burnos ir ragauja bei kramto pantomimą. Jis įsitraukia į šią sudėtingą motorinę seką ir apsimeta, kad valgo, o tai yra beprotiška, nes nėra maisto, sako Tye. Kitaip tariant, įjungus grandinę gyvūnas elgiasi priverstinai. Jo išjungimas turi priešingą efektą.
Tačiau labai svarbu, kad nors šios grandinės išjungimas apsaugo nuo kompulsinio elgesio, tai neturi įtakos normaliam valgymui. Tai yra, galima apibrėžti smegenimis pagrįstą skirtumą tarp bent kai kurių sveikų ir nesveikų potraukių valgyti. Tai rodo, kad gali būti įmanoma sukurti tikslinius vaistus ar net tam tikrą biologinio grįžtamojo ryšio formą, kuri kažkada padėtų žmonėms sumažinti nesveiką potraukį neužblokuojant įprasto alkio.
Kitas neseniai pastebėtas atradimas apie vienatvę netikėtai atsirado dėl projekto, kurį postdoc Gillian Matthews pradėjo būdamas Londono imperatoriškojo koledžo magistrantūros studentas kartu su Marku Unglessu. Matthewsas pastebėjo, kad 24 valandas eksperimentų metu izoliuotos pelės rodė stipresnį nervinį signalą smegenų nugariniame raphe branduolyje, kuris dalyvauja signalizuojant atlygį, ir aktyviai ieškojo kitų pelių draugijos. Po to, kai ji persikėlė į Tye laboratoriją MIT, Matthews ir Tye sukūrė teoriją, kad gyvūnai trokšta sąveikos. Tolesniuose eksperimentuose jie naudojo optogenetiką, kad išjungtų signalizacijos kelią dorsaliniame raphe branduolyje. Panašu, kad pelės, kurioms buvo taikytas toks gydymas, pačios neieškojo papildomos socialinės sąveikos.
Galiausiai Tye tikisi, kad ji ir jos komanda gali kalbėti apie esminius žmogaus klausimus, pavyzdžiui, kodėl kai kurie žmonės nori daugiau laiko praleisti vieni, o kiti trokšta didesnio socialinio kontakto.
Laboratorija be dramos
Nors Tye laboratorija domisi tokių reiškinių kaip baimė ir prievarta ištakomis, ji išsiskiria tuo, kad jai trūksta įtampos ir konfliktų. Stephenas Allsopas, postdoc, dirbęs su ja penkerius metus (kelerius iš jų praleido kaip magistrantūros studentas), sako, kad ji pabrėžia glaudų komandos narių bendradarbiavimą ir prižiūri optimistišką, palaikančią kultūrą: Nuostabu, kiek mažai dramos turime ši laboratorija.
Tye sako, kad kartu su moksliniu vientisumu skiriu teigiamą, bendradarbiaujančią, atvirą savo tyrimų grupės kultūrą ir joje esančių asmenų laimę. Mokslinė kompetencija yra antroje vietoje. Ji priduria, kad tvirti santykiai su profesoriais ir mentoriais yra mokslo traukos dalis.
Iš tiesų, anot jos, jie nusileidžia tik tėvų ir vaikų ryšiams. 2013 metais Tye su vyru Jimu Wagneriu, programinės įrangos kūrėju, susilaukė dukters Keeva, kuri jau lydėjo ją į konferencijas visame pasaulyje. Jų sūnus Jetas gimė pernai. Ir vaikai rado vietą jos laboratorijoje, lygiai taip pat, kaip ji rado nišą savo mamos (nors dar turi užsidirbti apmokamų pareigų). Kaip ji pasakojo Gamta kai Keeva dar buvo kūdikė: jei mano dukrą staiga reikia pasiimti, aš atsinešu ją į savo laboratorijos susitikimą arba susitinku su žmonėmis, kol ją atmušu. Jei ji visiškai žlunga, kartais aš turiu užstatą ir vėliau sekti.
Tačiau nors Tye gali būti lengvabūdiška kaip tėvas ir laboratorijos vadovė, Tye randa daug dramos pačiame neuromoksle ir vis grįžta prie pagrindinių jos klausimų, nes jie tokie viliojantys. Nors ji sako, kad dabar skaito mažiau romanų nei anksčiau, ji vis tiek atrodo verčiama paslapčių, kurias rašytojas gali tirti: kodėl herojus leidžiasi į kelionę? Kodėl plepalai jo galvoje pakrypsta netvarkingai ir sukelia niūrų vienkalbį ar nerimą keliantį savęs sabotažą? Kaip ir romanistė, ji demonstruoja didžiulę kūrybinę erdvę. Ji sako, kad moksle yra kažkas ypatingo. Jūsų naujas darbas pagrįstas tuo, ką darėte anksčiau. Ir jei jums pasiseks, galite padėti formuoti ateitį.