211service.com
Kā smadzenes meklē prieku un izvairās no sāpēm
Neirozinātnieks Kay Tye risina emociju un uzvedības fizisko pamatu. 2017. gada 27. jūnijs
Džošua Mathews
Bērnībā Kay Tye bija iegrimusi zinātnes dzīvē. Es uzaugu savas mammas laboratorijā, viņa saka. Piecu vai sešu gadu vecumā viņa nopelnīja 25 centus par kastīti, lai papildinātu vairumā pasūtīto pipešu uzgaļus sterilizācijas kastēs, kad viņas māte, atzītā bioķīmiķe Kornela Universitātē, pētīja rauga ģenētiku. (Tye tēvs ir teorētiskais fiziķis, kas pazīstams ar savu darbu pie kosmiskās inflācijas un superstīgu teorijas.)
Mūsdienās Tye pārvalda pati savu neirozinātņu laboratoriju MIT. Zem lielām melnām gaismām, kas atgādina modes fotografēšanu, viņa un viņas komanda Pikovera Mācību un atmiņas institūtā var novērot, kā peles uzvedas, kad tiek ieslēgtas vai izslēgtas noteiktas smadzeņu ķēdes. Tuvumā viņi var reģistrēt peļu nervu darbību, kad dzīvnieki virzās uz noteiktu stimulu, piemēram, cukurūdeni, vai prom, ja tie šķērso grīdu, kas rada vieglus elektriskās strāvas triecienus. Citur viņi izveido smadzeņu šķēles, lai pārbaudītu in vitro, jo šie paraugi saglabā savu fizioloģisko aktivitāti pat ārpus ķermeņa līdz astoņām stundām.
Tye ir bijis priekšgalā centienos precīzi noteikt trauksmes un citu emociju avotus smadzenēs, analizējot, kā neironu grupas darbojas kopā ķēdēs, lai apstrādātu informāciju. Jo īpaši viņas darbs ir veicinājis dziļas izmaiņas pētnieku izpratnē par amigdalu, smadzeņu zonu, kas tiek uzskatīta par galveno baiļu reakciju: viņa ir atklājusi, ka signālu pārraide amigdalā faktiski var mazināt trauksmi, kā arī palielināt. to. Lai gūtu šādu ieskatu, viņa ir arī panākusi būtisku progresu tehnikā, ko sauc par optoģenētiku, kas ļauj pētniekiem aktivizēt vai nomākt noteiktas neironu ķēdes laboratorijas dzīvniekiem, izmantojot gaismu. Optoģenētiku izstrādāja Stenfordas neirozinātnieks un psihiatrs Karls Deisserots, un tas bija izrāviens centienos noteikt noteiktu smadzeņu daļu lomu. Kamēr Tye strādāja savā laboratorijā kā pēcdoktore, viņa pirmo reizi parādīja, ka ir iespējams precīzi noteikt un kontrolēt noteiktas neironu grupas, kas sūta signālus konkrētiem mērķa neironiem.
Šī smalkā pieeja ir svarīga, jo zāles, kas ārstē tādus apstākļus kā trauksme, pašlaik nav vērstas uz specifiskām ķēdēm, nemaz nerunājot par atsevišķiem neironiem; drīzāk tie darbojas visā smadzenēs, kas bieži izraisa nevēlamas blakusparādības. Tye pētījumi galu galā var palīdzēt atvērt durvis zālēm, kas ietekmē tikai noteiktas nervu ķēdes, samazinot trauksmi ar mazākām blakusparādībām.
Šāds darbs ir izpelnījies formālu atzinību, tostarp prezidenta Obamas piešķirto prezidenta agrīnās karjeras balvu zinātniekiem un inženieriem, Frīdmena balvu neirozinātnēs un TR35 balvu, ar ko tiek atzīti izcili pētnieki, kas jaunāki par 35 gadiem. Tye ir ieguvis arī augstu atzinību no citiem šajā valstī. viņas jomā, kas apbrīno viņas ambīciju radošo plašumu. Viņa nebaidās uzdot visbūtiskākos jautājumus, no tiem, no kuriem lielākā daļa zinātnieku vairās, saka Šīna Josselīna no Toronto Universitātes un Slimu bērnu slimnīcas pētniecības institūta.
Viņas uzdotie jautājumi ir saistīti ar emocijām un parādībām, kas ir lielas cilvēka pieredzē, piemēram, atlīdzības meklējumi, vientulība un piespiedu pārēšanās. Viņas mērķis ir izprast to nervu bāzi — pārvarēt plaisu starp smadzenēm, kā to saprot neirozinātnieki, un prātu, ko plašāk iztēlojuši psihiatri, psihologi un citi cilvēku uzvedības pētnieki.
Topošais romānists
Lai gan varētu šķist, ka Tajs ir dzimis zinātniecei, viņa saka, ka viņas karjeras izvēle bija nekas cits kā neizbēgama. Vidusskolā viņa bija pretrunīga par zinātni un tā vietā pievērsās rakstīšanai; viņa rakstīja lugas, noveles un dzeju. Manā prātā es grasījos būt romānists, viņa atceras.
Tomēr, piesakoties koledžā, viņa iekļāva MIT savā sarakstā, daļēji tāpēc, lai izjustu savus vecākus Bik-Kwoon Tye un Henry Tye, kuri abi bija ieguvuši doktora grādu 1974. gadā. Kad viņa saņēma apstiprinājuma vēstuli, viņas tēvs to atrada. grūti noslēpt savas jūtas, jo acīs sariesās asaras. Es nekad mūžā nebiju redzējusi savu tēvu raudam, viņa saka. Viņa nolēma, ka viņai vajadzētu mērķtiecīgāk izmēģināt zinātnisko mācīšanos. Viņa arī pārliecināja sevi (ar vecāku iedrošinājumu), ka, koncentrējoties uz dabisko pasauli, viņai būs vairāk par ko rakstīt.
Būdams MIT pirmkursnieks, Tye pievienojās Sūzenas Korkinas laboratorijai, kura strādāja ar H.M., vienu no slavenākajiem pacientiem neirozinātnes vēsturē. H.M., kura vārds tika atklāts kā Henrijs Moleisons pēc viņa nāves 2008. gadā, cieta no dziļas amnēzijas pēc lobotomijas, lai ārstētu krampjus; viņa stāvokļa izpēte ļāva pētniekiem izpētīt atmiņas nervu pamatus. Viena no Tai lomām grupā bija H.M. pusdienās zemesriekstu sviesta un želejas sviestmaize. Viņš to apēda un tad, mirkli vēlāk, ar drupačām uz sejas, jautāja: vai mēs jau paēdām pusdienas?
Pētnieki novērš uzvedības kastes, kurās peles mācās veidot pozitīvas un negatīvas asociācijas ar skaņām.
Tas man lika saprast, ka šīm pamatfunkcijām, piemēram, atmiņai, kas ir tik svarīgas mūsu būtībai, smadzenēs ir bioloģiski substrāti, viņa saka. Viņa piebilst, ka neirozinātne var būt biedējoša un piepildīta ar žargonu. Taču pieredze ar H.M., kā arī iedvesmojoša ievada psiholoģijas nodarbība, ko pasniedza Stīvens Pinkers, šķita, ka ir vērts slaistīties visu nakti, lai izprastu psiholoģisko konstrukciju bioloģiskos mehānismus.
Tomēr pēc skolas beigšanas Taja vēlējās pārliecināties, vai viņa skatās apkārt, domā par to, kas viņa ir un kas vēlas būt. Tāpēc viņa pavadīja gadu mugursomā Austrālijā, kur strādāja fermā, dzīvoja jogas ašramā, mācīja jogu, apmetās pludmalē un strādāja pie romāna. Viņa atklāja, ka rakstīt ir grūti un vientuļi. Viņai patika mācīt jogu, taču viņa to neuzskatīja par apmierinošu karjeras ceļu.
Es izgāju no tā gada pārsteidzoši gatava doties uz pamatskolu, viņa saka. Ienirstot atpakaļ akadēmiskajā pasaulē, viņa sākotnēji cīnījās, lai atrastu laboratoriju, kas viņu pieņemtu, un gandrīz pameta studijas pēc pirmā kursa. Bet viņa atrada mentoru Patrīcijai Janakai, kura kļuva par viņas padomdevēju, un 2008. gadā Kalifornijas Universitātē Sanfrancisko ieguva doktora grādu neirozinātnēs.
Pārsteigums amigdalā
2009. gadā Tye pievienojās Deisserota laboratorijai Stenfordā. Deisseroth jau bija izstrādājis optoģenētiku, kas deva pētniekiem daudz precīzāku veidu, kā noteikt atsevišķu neironu ieguldījumu ķēdē. Kopā ar citiem laboratorijas darbiniekiem Tye izmantoja optoģenētiku, lai pārbaudītu saikni starp divām amigdalas daļām, kas ir mandeļu formas reģions, kas ir ļoti svarīgs trauksmei un bailēm. Viņa vispirms identificēja neironus vienā apgabalā (pazīstama kā bazolaterālā amigdala), kas veidoja savienojumus ar neironiem citā amigdalārā apgabalā (pazīstams kā centrālais kodols), izsūtot nervu šķiedru projekcijas. Kad viņa stimulēja šos bazolaterālos amigdala neironus, viņa spēja samazināt trauksmi pelēm. Tas nozīmē, ka viņa varētu likt dzīvniekiem pavadīt vairāk laika atklātās vietās un mazāk laika noliecoties uz sāniem. Tas bija pārsteidzoši, jo, kad pētnieki stimulēja amigdalu kopumā, peļu uzvedība kļuva nemierīgāka.
Sākumā visi jautāja: vai esat pārliecināts, ka izmantojat rīku pareizi? Kas notiek? viņa atceras. Taču pēc rūpīgas apstiprināšanas 2011. gadā Tye un grupa savus rezultātus publicēja Daba , kas parāda, ka dažas amigdalā esošās shēmas palīdz nomierināt dzīvniekus. Šis raksts bija arī izrāviens optoģenētiskajā tehnikā. Pirmo reizi pētnieki varēja noteikt un manipulēt ar noteiktu smadzeņu ķēdes daļu: noteiktām neironu grupām, kas sazinās ar zināmiem mērķa neironiem. Metode, kas pazīstama kā optoģenētiskās projekcijas specifiska manipulācija, tagad tiek uzskatīta par vienu no galvenajiem neirozinātnes instrumentiem.
2012. gadā Tye ieradās MIT kā smadzeņu un kognitīvo zinātņu docente Picower, turpinot darbu pie trauksmes. Iekārtojot savu laboratoriju, viņa mērķēja uz amigdalā esošajiem neironiem, kuriem, šķiet, bija pretēja ietekme uz peles trauksmi, izraisot tās palielināšanos. Šīs smadzeņu šūnas atrodas arī bazolaterālajā amigdalā, taču tās nosūta projekcijas uz tuvējo reģionu, kas pazīstams kā ventrālais hipokamps. Kad Tye stimulēja šo ķēdi, izmantojot optoģenētiku, peles izvairījās no atklātām telpām, acīmredzot ciešot no trauksmes. (Kad viņa kavēja savienojumu veidošanos, dzīvnieki atkal palika brīvā dabā, viņu trauksme šķietami mazinājās.) Tye ierosināja, ka blakus esošajiem neironiem amigdalā var būt pretēja ietekme uz dzīvnieku uzvedību atkarībā no mērķiem, kuriem tie sūta signālus. .
Laboratorijas studenti Kriss Leppla un Keitlina Vandera Vīle, kā arī pēcdoktori Pranīts Namburi un Stīvens Allsops.
Draudi un atlīdzības
Tajā laikā lielākā daļa pētnieku, kas pētīja amigdalu, joprojām galvenokārt koncentrējās uz tās lomu bailēs. Tomēr Taijam bija aizdomas, ka darbība šajā smadzeņu daļā varētu iekodēt stimulu kā atalgojošu vai draudošu, labu vai sliktu, palīdzot indivīdiem izlemt, kā reaģēt. Ikdienā mēs sastopamies ar daudziem stimuliem, kas nav viennozīmīgi, saka Konors Listons no Veila Kornela Smadzeņu un prāta pētniecības institūta. Piemēram, sociālā mijiedarbība var būt vai nu apdraudoša, vai atalgojoša, un mums ir vajadzīgas smadzeņu ķēdes, kas veltītas, lai atšķirtu, kurš ir kurš.
Aplūkojot to strāvu relatīvo stiprumu, kas iet caur diviem glutamāta receptoriem, kas, kā zināms, norāda uz sinaptisko spēku, Tye atklāja, ka dažādi nervu savienojumi pelēm tika pastiprināti atkarībā no tā, vai konkrēts stimuls bija saistīts ar atlīdzību vai draudiem. Kad peles iemācījās saistīt skaņu ar cukuru, viņa atklāja spēcīgāku sinaptisko ievadi bazolaterālās amigdalas neironiem, kas sūtīja informāciju uz kodolu, kas ir daļa no smadzeņu atalgojuma shēmas. No otras puses, kad peles iemācījās saistīt skaņu ar viegliem elektrošokiem pie kājām, ieejas signāli kļuva spēcīgāki ķēdēs, kas ved no bazolaterālās amigdalas uz centromediālo amigdalu, kas ir saistīta ar sāpēm un bailēm. Turklāt viņa demonstrēja kompromisu: kad viena no šīm ķēdēm kļuva aktīvāka, otra kļuva mazāk aktīvāka. Citiem vārdiem sakot, viņa bija atklājusi, kā smadzenes kodē informāciju, kas ļauj pelēm atšķirt stimulus, kas ir atalgojoši, no tiem, kas ir potenciāli kaitīgi. Rezultāti tika publicēti Daba 2015. gadā.
Nesenajā darbā Tye arī pārbaudīja shēmas, kas saistītas ar lēmumu pieņemšanu sekundes daļā, kad vienlaikus ir gan draudoši, gan atalgojoši norādījumi. Viņa un viņas komanda šoreiz koncentrējās uz savienojumiem starp amigdalu un prefrontālo garozu, jomu, kas ir atbildīga par augstākas pakāpes domāšanu. (Konkrēti, viņi pētīja mijiedarbību starp bazolaterālo amigdalu un prelimbisko mediālo prefrontālo garozu.) Izmantojot optoģenētiku un citus paņēmienus, viņi parādīja, ka šī shēma bija aktīva, kad dzīvnieki vienlaikus tika pakļauti potenciālam cukura gardumam un iespējamam elektriskās strāvas triecienam un bija pieņemt lēmumu par to, kā uzvesties. Viņas rezultāti, kas parādījās aprīlī Dabas neirozinātne , palīdziet izgaismot, kā dzīvnieki izdomā, ko darīt, saskaroties ar sarežģītām un dažkārt pretrunīgām norādēm.
Grad students Caitlin Vander Weele pārbauda palielinātus smadzeņu šķēlumu attēlus, lai pārliecinātos, ka kalcija sensors ir vērsts uz noteikta veida neironu.
Alkas un piespiešanās
Būdama maģistrante, Tye bija strādājusi ar pētniekiem, kas koncentrējās uz atkarību, taču viņu vairāk interesēja dabiskas priekšrocības, piemēram, cukurs, nevis vielas, kuras tiek regulāri lietotas. 2012. gadā Ņujorkas mērs Maikls Blūmbergs paziņoja par plānu ierobežot gāzēto dzērienu porciju lielumu, ko pārdod kinoteātros, stadionos un ātrās ēdināšanas restorānos. Taja prātoja, kas tieši smadzeņu līmenī izraisa cilvēku kāri pēc saldiem gardumiem, kas pārsniedz parasto vēlmi remdēt izsalkumu.
Tāpēc viņa iedziļinājās nervu shēmā. Rakstā, kas publicēts 2015. gadā Šūna , viņa un viņas komanda koncentrējās uz neironiem sānu hipotalāmā (LH), kas ir smadzeņu apgabals, kas saistīts ar tādiem stimuliem kā izsalkums, un pētīja to projekcijas citā reģionā, ko sauc par ventrālo tegmentālo zonu (VTA), kam, kā zināms, ir nozīme gan motivācijā. un atkarību. Izmantojot optoģenētiku, viņa un viņas komanda parādīja, ka, ieslēdzot īpašus LH-VTA savienojumus, pelēm tika uzņemts cukurs, savukārt to izslēgšana samazina kompulsīvo pārēšanās.
Savā darbvirsmā Taija ielādē video demonstrāciju, kurā attēlota pele, kuras smadzenēm ir pievienots gaismas pārraides kabelis. Video redzams, kā pele kustas, sākumā nejauši. Tad, kad tiek ieslēgta lāzera gaisma, lai aktivizētu noteiktus neironus LH-VTA ķēdē, dzīvnieks kļūst traks, skrien un laiza grīdu. Drīz pēc tam tas paceļ tukšās ķepas līdz mutei un bauda un knibina pantomīmu. Tas iesaistās šajā sarežģītajā motoru secībā un izliekas ēdam, kas ir traki, jo nav ēdiena, saka Tye. Citiem vārdiem sakot, ķēdes ieslēgšana liek dzīvniekam uzvesties piespiedu kārtā. Izslēdzot to, ir pretējs efekts.
Tomēr, lai gan šīs ķēdes izslēgšana novērš kompulsīvu uzvedību, tas neietekmē normālu ēšanu. Tas ir, ir iespējams definēt uz smadzenēm balstītu atšķirību starp vismaz dažiem veselīgiem un neveselīgiem tieksmi ēst. Tas liek domāt, ka varētu būt iespējams izstrādāt mērķtiecīgas zāles vai pat kādu bioloģisko atgriezenisko saiti, kas kādreiz varētu palīdzēt cilvēkiem samazināt neveselīgo tieksmi, nebloķējot parasto badu.
Vēl viens nesens atklājums par vientulību radās neprātīgi no projekta, ko pēcdoktore Džiliana Metjūsa bija uzsākusi kā maģistrants Londonas Imperiālajā koledžā kopā ar Marku Unglessu. Metjūss pamanīja, ka pelēm, kuras eksperimentu laikā bija izolētas 24 stundas, smadzeņu dorsālajā raphe kodolā, kas piedalās atalgojuma signalizācijā, bija spēcīgāka neironu signālu pārraide, un aktīvi meklēja citu peļu uzņēmumu. Pēc tam, kad viņa pārcēlās uz Taijas laboratoriju MIT, Metjūss un Taijs izstrādāja teoriju, ka dzīvnieki alkst mijiedarbības. Turpmākajos eksperimentos viņi izmantoja optoģenētiku, lai izslēgtu signālu ceļu dorsālā raphe kodolā. Šķiet, ka peles, kurām tika veikta šāda ārstēšana, pašas pēc tam nemeklēja papildu sociālo mijiedarbību.
Galu galā Tye cer, ka viņa un viņas komanda var runāt par fundamentāliem cilvēciskiem jautājumiem, piemēram, kāpēc daži cilvēki dod priekšroku vairāk laika pavadīt vienatnē, bet citi alkst pēc lielāka sociālā kontakta.
Laboratorija bez drāmas
Lai gan Tye laboratorija interesējas par tādu parādību izcelsmi kā bailes un piespiešana, tā ir ievērojama ar spriedzes un konfliktu trūkumu. Stīvens Allsops, postdoktors, kurš ar viņu strādājis piecus gadus (vairākus no tiem pavadīja kā maģistrantu), saka, ka viņa uzsver ciešu sadarbību starp komandas locekļiem un pārrauga optimistisku, atbalstošu kultūru: Tas ir pārsteidzoši, cik maz mums ir drāma. šī laboratorija.
Līdzās zinātniskajai integritātei es par savu galveno prioritāti izvirzu savas pētniecības grupas pozitīvo, uz sadarbību vērsto, atvērto kultūru un tajā esošo indivīdu laimi, saka Tye. Zinātniskā izcilība ir tuvu otrajai vietai. Spēcīgas attiecības ar profesoriem un mentoriem ir daļa no zinātnes piesaistes, viņa piebilst.
Patiešām, viņa saka, ka tie ir otrajā vietā pēc saiknēm starp vecākiem un bērniem. 2013. gadā Tajai un viņas vīram, programmatūras izstrādātājam Džimam Vāgneram, piedzima meita Keeva, kura jau ir pavadījusi viņu uz konferencēm visā pasaulē. Viņu dēls Džets piedzima pagājušajā gadā. Un bērni ir atraduši vietu viņas laboratorijā, tāpat kā viņa atrada nišu savas mātes (lai gan viņiem vēl ir jānopelna algoti amati). Kā viņa stāstīja Daba kad Kēva vēl bija zīdaiņa vecumā: ja pēkšņi manu meitu vajag paņemt līdzi, es viņu atvedu uz savu laboratorijas sanāksmi vai tiekos ar cilvēkiem, kamēr es viņu atlecu. Ja viņai ir pilnīga sabrukums, tad dažreiz man ir jāatbrīvojas un jāseko vēlāk.
Bet, lai gan viņa var būt viegla kā vecāks un laboratorijas vadītāja, Taja atrod daudz drāmas pašā neirozinātnē, un viņa turpina atgriezties pie tās galvenajiem jautājumiem, jo tie ir tik vilinoši. Lai gan viņa saka, ka tagad lasa mazāk romānu nekā agrāk, šķiet, ka viņu joprojām piespiež dažādi noslēpumi, ko rakstnieks varētu izpētīt: Kāpēc varonis dodas ceļojumā? Kāpēc pļāpāšana viņa galvā kļūst nepareiza un noved pie drūmas vienrunas vai nemierīgas pašsabotāžas? Tāpat kā romānists, viņa demonstrē milzīgu radošo plašumu. Zinātnē ir kaut kas īpašs, viņa saka. Jūsu jaunais darbs ir balstīts uz to, ko darījāt iepriekš. Un, ja jums paveicas, jūs varat palīdzēt veidot nākotni.