В исследовании, опубликованном в журнале Nature Human Behavior , ученые погружаются в мир химических нейромодуляторов человеческого мозга, в частности дофамина и серотонина, чтобы раскрыть их роль в социальном поведении.
Исследование, проведенное на пациентах с болезнью Паркинсона, перенесших операцию на головном мозге во время бодрствования, сосредоточилось на черной субстанции мозга, важной области, связанной с контролем движений и обработкой вознаграждения.
Международная группа под руководством специалиста по вычислительной нейробиологии Технологического института Вирджинии Рида Монтегю выявила ранее неизвестный нейрохимический механизм известной человеческой склонности принимать решения на основе социального контекста: люди с большей вероятностью принимают предложения от компьютеров, одновременно отвергая идентичные предложения от игроков-людей.
Выводы из ультиматумной игры
В ходе исследования четыре пациента, перенесшие операцию по глубокой стимуляции мозга по поводу болезни Паркинсона, были погружены в ультимативную игру «бери или уходи» — сценарий, в котором им приходилось принимать или отвергать различные доли в 20 долларов, полученные как от людей, так и от компьютерных игроков. Например, один игрок может предложить оставить себе 16 долларов, а пациент получит оставшиеся 4 доллара. Если пациент отвергает раскол, то ни один из них ничего не получает.
«В таких играх можно научить людей тому, что им следует делать — они должны принимать даже небольшие вознаграждения, а не вообще не получать никаких вознаграждений», — сказал Монтегю, профессор Технологического института штата Вирджиния Карилион Маунткасл из Института биомедицинских исследований Фралина при VTC и старший автор исследования.
«Когда люди знают, что играют в компьютер, они играют превосходно, как и экономисты-математики — они делают то, что должны делать. Но когда они играют в человека, они не могут себе помочь. предложение, отклонив его».
Танец дофамина и серотонина
Идея о том, что люди принимают решения на основе социального контекста, не нова в нейронных экономических играх. Но теперь исследователи впервые показывают, что влияние социального контекста может быть результатом динамического взаимодействия дофамина и серотонина.
Когда люди принимают решения, дофамин, похоже, внимательно следит и реагирует на то, является ли текущее предложение лучше или хуже предыдущего, как если бы это была система непрерывного отслеживания. Между тем, серотонин, судя по всему, фокусируется только на текущей ценности конкретного предложения, что предполагает более индивидуальную оценку.
Этот быстрый танец происходит на более медленном фоне, где уровень дофамина в целом выше, когда люди играют других людей — другими словами, когда в игру вступает справедливость. Вместе эти сигналы способствуют общей оценке нашим мозгом ценности социальных взаимодействий.
«Мы освещаем различные когнитивные процессы и, наконец, получаем ответы на вопросы в более тонких биологических деталях», — сказал первый автор исследования Дэн Банг, доцент кафедры клинической медицины и научный сотрудник Фонда Лундбека в Орхусском университете в Дании, а также адъюнкт-профессор в Университете Орхуса в Дании. Фралинский биомедицинский научно-исследовательский институт.
Сет Баттен, научный сотрудник Института биомедицинских исследований Фралина, сконструировал электроды, используемые для записи танца дофамина и сератонина. Фото: Клейтон Мец/Технический институт Вирджинии.
«Уровень дофамина выше, когда люди взаимодействуют с другим человеком, а не с компьютером», — сказал Банг. «И здесь было важно, чтобы мы также измерили серотонин, чтобы дать нам уверенность в том, что общая реакция на социальный контекст специфична для дофамина».
Сет Баттен, старший научный сотрудник лаборатории Монтегю и один из первых авторов исследования, изготовил электроды из углеродного волокна, которые были имплантированы пациентам, перенесшим операцию по глубокой стимуляции мозга, и помог собрать данные в системе здравоохранения Mount Sinai в Нью-Йорке.
«Уникальность нашего метода заключается в том, что он позволяет нам измерять более одного нейромедиатора одновременно — влияние этого не должно быть потеряно», — сказал Баттен. «Мы видели эти сигнальные молекулы раньше, но мы впервые видим, как они танцуют. Никто никогда раньше не видел этого танца дофамина и серотонина в социальном контексте».
Выяснение значения электрохимических сигналов, записанных у пациентов в хирургии, было серьезной задачей, на решение которой ушли годы.
«Необработанные данные, которые мы собираем от пациентов, не относятся к дофамину, серотонину или норэпинефрину — это их смесь», — сказал Кен Кишида, соавтор исследования и доцент кафедры трансляционной нейробиологии и нейрохирургии. , в Медицинской школе Университета Уэйк Форест. «По сути, мы используем инструменты машинного обучения, чтобы отделить необработанные данные, понять сигнатуру и расшифровать, что происходит с дофамином и серотонином».
В исследовании Nature Human Behavior исследователи показали, как повышение и снижение уровня дофамина и серотонина переплетаются с когнитивными способностями и поведением человека.
«В мире модельных организмов есть кондитерская, полная фантастических методов, с помощью которых можно задавать биологические вопросы, но труднее задавать вопросы о том, что делает вас вами», — сказал Монтегю, который также является директором Центра исследований нейробиологии человека. и Лаборатория нейровизуализации человека Института биомедицинских исследований Фралина.
Борьба с болезнью Паркинсона
«В какой-то момент, после того как мы обследуем достаточное количество людей, мы сможем справиться с патологией болезни Паркинсона, которая дала нам это окно возможностей», — сказал Монтегю, который также является профессором Технологического колледжа Вирджинии.
При болезни Паркинсона значительная потеря нейронов, продуцирующих дофамин, в стволе мозга является ключевой характеристикой, которая обычно совпадает с появлением симптомов.
Эта потеря влияет на полосатое тело — область мозга, на которую сильно влияет дофамин. По мере снижения дофамина терминали серотонина начинают прорастать, обнаруживая сложное взаимодействие, как это наблюдалось на моделях грызунов.
Рид Монтегю, возглавлявший исследовательскую группу, которая зафиксировала химические основы принятия социальных решений, рассказывает о важнейших элементах того, что делает нас людьми. Фото: Клейтон Мец/Технический институт Вирджинии.
«Уже есть доклинические доказательства того, что истощение дофаминовой системы говорит серотониновой системе: «Эй, нам нужно что-то сделать». Но мы никогда не могли наблюдать за динамикой», — сказал Монтегю. «То, что мы делаем сейчас, — это первый шаг, но можно надеяться, что, как только мы доберемся до сотен пациентов, мы сможем связать это с симптоматикой и сделать некоторые клинические заявления о патологии Паркинсона».
В связи с этим исследователи заявили, что открывается окно для изучения широкого спектра заболеваний головного мозга.
«Человеческий мозг подобен черному ящику», — сказал Кишида. «Мы разработали еще один способ заглянуть внутрь и понять, как работают эти системы и как на них влияют различные клинические состояния».
Майкл Фридлендер, исполнительный директор Института биомедицинских исследований Фралина и нейробиолог, не принимавший участия в исследовании, сказал: «Эта работа меняет всю область нейробиологии и нашу способность исследовать человеческий разум и мозг — с помощью технологии, которая была просто не мог себе представить это еще много лет назад».
По его словам, психиатрия является примером области медицины, которая могла бы извлечь выгоду из такого подхода.
«В мире огромное количество людей страдают от различных психических заболеваний, и во многих случаях фармакологические решения не работают», — сказал Фридлендер, который также является вице-президентом Технологического института штата Вирджиния по медицинским наукам и здравоохранению. технологии.
«Дофамин, серотонин и другие нейротрансмиттеры в некотором смысле тесно связаны с этими расстройствами. Эта попытка добавляет реальную точность и количественный анализ для понимания этих проблем. будущее за разработкой методов лечения».
Более десяти лет в разработке
Попытки измерить нейротрансмиттеры в человеческом мозге в режиме реального времени начались более 12 лет назад, когда Монтегю собрал команду экспертов, которые «много думают о мышлении».
В ходе первых в своем роде наблюдений за человеческим мозгом, опубликованных учеными в журнале Neuron в 2020 году, исследователи обнаружили, что дофамин и серотонин действуют с долей секунды, формируя то, как люди воспринимают мир и действуют на основе своего восприятия.
Совсем недавно, в исследовании, опубликованном в октябре в журнале Current Biology , исследователи использовали свой метод регистрации химических изменений у бодрствующих людей , чтобы получить представление о норадреналиновой системе мозга, которая долгое время была мишенью для лекарств для лечения психических расстройств.
А в декабре в журнале Science Advances команда показала, что быстрые изменения уровня дофамина отражают конкретные вычисления, связанные с тем, как люди учатся с помощью вознаграждений и наказаний.
«Мы несколько раз проводили активные измерения нейротрансмиттеров в разных областях мозга и теперь достигли момента, когда мы касаемся важнейших элементов того, что делает нас людьми», — сказал Монтегю.
