В ходе первых в своем роде наблюдений за человеческим мозгом международная группа исследователей обнаружила, что два хорошо известных нейрохимических вещества-дофамин и серотонин-работают на субсекундных скоростях, формируя то, как люди воспринимают мир и предпринимают действия, основанные на их восприятии.

Это открытие показывает, что исследователи могут постоянно и одновременно измерять активность как дофамина, так и серотонина—чьи рецепторы и участки поглощения являются терапевтическими мишенями для расстройств, начиная от депрессии и заканчивая болезнью Паркинсона—в человеческом мозге.

Кроме того, нейрохимические вещества, по-видимому, интегрируют восприятие мира людьми с их действиями, что указывает на то, что дофамин и серотонин играют гораздо более обширную роль в нервной системе человека, чем это было известно ранее.

Известные как нейромодуляторы, дофамин и серотонин традиционно были связаны с обработкой вознаграждения—насколько хорошим или плохим люди воспринимают Результат после совершения действия.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Neuron, открывает путь к более глубокому пониманию расширенной роли этих систем и их роли в здоровье человека.

"Огромное количество людей во всем мире принимают фармацевтические соединения, чтобы нарушить работу систем передатчиков дофамина и серотонина, чтобы изменить свое поведение и психическое здоровье", - сказал П. Рид Монтегю, старший автор исследования, профессор и директор Центра исследований неврологии человека и лаборатории нейровизуализации человека в Институте биомедицинских исследований Fralin Biomedical Research Institute в Virginia Tech Carilion. "Впервые была измерена и определена мгновенная активность в этих системах, которая связана с восприятием и когнитивными способностями. Эти нейротрансмиттеры одновременно действуют и интегрируют активность в совершенно разных временных и пространственных масштабах, чем кто-либо ожидал."

По словам исследователей, более глубокое понимание основных действий дофамина и серотонина во время восприятия и принятия решений может дать важную информацию о психиатрических и неврологических расстройствах.

"Каждый выбор, который кто-то выполняет, включает в себя получение информации, интерпретацию этой информации и принятие решений о том, что они воспринимают", - сказал Кеннет Кишида, соответствующий автор исследования и доцент кафедры физиологии, фармакологии и нейрохирургии в Медицинской школе Уэйк-Форест. - Существует целый ряд психиатрических состояний и неврологических расстройств, при которых этот процесс изменяется у пациентов, и допамин и серотонин являются главными подозреваемыми."

По словам Монтегю, который является почетным профессором Центра нейровизуализации человека Wellcome Center for Human Neuroimaging в Университетском колледже Лондона и профессором физики в техническом колледже Вирджинии, отсутствие химически специфических методов для изучения нейромодуляции у людей в быстрых временных масштабах препятствует пониманию этих систем.

Но теперь, в первых в истории измерениях, ученые использовали электрохимический метод, называемый "быстрой сканирующей циклической вольтамперометрией", который использует небольшой микроэлектрод из углеродного волокна, который имеет низкие напряжения, направленные через него для обнаружения активности допамина и серотонина в реальном времени.

В ходе исследования исследователи регистрировали колебания уровня дофамина и серотонина с помощью специально разработанных электродов у пяти пациентов, перенесших операцию по имплантации электродов глубокой стимуляции мозга для лечения эссенциального тремора или болезни Паркинсона. Пациенты бодрствовали во время операции, играя в компьютерную игру, предназначенную для количественной оценки аспектов мышления и поведения во время проведения измерений.

В каждом раунде игры пациенты кратко рассматривали облако точек и просили оценить направление, в котором они двигались. Метод, разработанный автором, дан взрыва, сэр Генри Wellcome постдокторанта, и Стив Флеминг, сэр Генри Дейл/Королевского общества соплеменников, как на Велком Центр человеческого нейровизуализации при Университетском колледже Лондона, помогли указывают на то, что допамин и серотонин участвуют в простых перцептивных решений, вне традиционного контекста, наград и убытков.

"Эти нейромодуляторы играют гораздо более широкую роль в поддержке человеческого поведения и мышления, и в частности они участвуют в том, как мы обрабатываем внешний мир", - сказал Банг. - Например, если вы идете по комнате и свет выключен, вы двигаетесь по-другому, потому что вы не уверены в том, где находятся объекты. Наша работа предполагает, что эти нейромодуляторы—в частности, серотонин— играют определенную роль в сигнале о том, насколько мы неуверенны во внешней среде."

Монтегю и Кисида вместе с Терри Лоренцем, ассистентом-исследователем, и Джейсоном Уайтом, старшим научным сотрудником, теперь оба работают в Институте биомедицинских исследований Фралина, начали работать над новым статистическим подходом для идентификации сигналов допамина и серотонина еще в медицинском колледже Бейлора в Хьюстоне, штат Техас.

"Кен встал перед проблемой быстрого проведения нейрохимии у людей во время активного познания", - сказал Монтегю. "Многие другие хорошие группы ученых не смогли этого сделать. Помимо вычисления огромных объемов данных, существуют сложные задачи, требующие решения, в том числе большие, фундаментальные алгоритмические задачи."

До недавнего времени только медленные методы, такие как ПЭТ-сканирование, могли измерить воздействие нейромедиаторов, но они не были близки к частоте или объему секундных измерений циклической вольтамперометрии быстрого сканирования.

Измерения в новом исследовании проводились в баптистском медицинском центре Уэйк-Форест с участием нейрохирургических бригад под руководством Адриана У. Лакстона и Стивена Б. Таттера.

"Энтузиазм нейрохирургов в отношении этого исследования проистекает из тех же причин, которые заставили их стать врачами—прежде всего, они хотят сделать все возможное для своих пациентов, И у них есть настоящая страсть к пониманию того, как работает мозг для улучшения результатов лечения пациентов", - сказал Кишида, который наблюдал за сбором данных в операционной во время операций. "Оба являются совместными учеными вместе с Чарльзом Бранчем, заведующим отделением нейрохирургии в Уэйк-Форесте, который был удивительным сторонником этой работы."

Точно так же Монтегю сказал: "Вы не можете сделать это без того, чтобы хирурги были настоящими, плечом к плечу партнерами, и, конечно же, не без людей, которые позволяют вам делать записи из их мозга, когда им имплантируют электроды, чтобы облегчить симптомы неврологического расстройства."

Монтегю прочитал в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences исследование, которое побудило его обратиться к коллегам Бангу и Флемингу из Лондонского Университетского колледжа с просьбой разработать для пациентов во время операции задачу, которая позволила бы выявить субсекундные сигналы допамина и серотонина в реальном времени для вывода о внешнем мире-отдельно от их часто упоминаемой роли в процессах, связанных с вознаграждением.

- Я сказал, что у меня есть новый метод измерения дофамина и серотонина, но мне нужна ваша помощь, - сказал Монтегю. - Они оказались в кабинете. Исследование действительно заняло много тяжелой работы и объединило целую плеяду людей, чтобы получить эти результаты."

Исследование финансировалось за счет грантов различных исследователей из фонда Wellcome Trust, Национальных институтов здравоохранения, включая Национальный институт по борьбе со злоупотреблением наркотиками, Национальный институт психического здоровья, Национальный институт неврологических расстройств и инсульта.