Исследователи продемонстрировали на мышах, что прямой стимуляции менее двух десятков нервных клеток или нейронов, связанных с социальным взаимодействием, было достаточно, чтобы подавить стремление животных к самообслуживанию – открытие, имеющее потенциальное клиническое значение для понимания и лечения расстройств пищевого поведения, таких как анорексия.
Исследователи сделали эти выводы, разработав методику разделения отдельных, но тесно связанных между собой наборов нейронов в головном мозге.
Документ с подробным описанием результатов и методов их получения будет опубликован в Интернете в январе.
16 в природе. Старший автор – Карл Дайссерот, доктор медицинских наук, доктор медицинских наук.ЧАС.
Чен, профессор биоинженерии, психиатрии и поведенческих наук, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. Ведущее авторство разделяют постдокторанты Джошуа Дженнингс, доктор философии, и Кристина Ким, доктор философии, а также штатный научный сотрудник Джеймс Маршел, доктор философии.
Социальные ограничения пищевого поведения
«Мы знаем, что социальные ситуации могут подавить желание поесть», – сказал Дейссерот. "Одним из примеров является поведение людей на разных уровнях доминирования в социальной иерархии.
Вы не собираетесь нырнуть в эту тарелку ребер, когда обедаете в присутствии королевской семьи."
Еще один пример – анорексия. «Люди, страдающие анорексией, сообщают, что в начале расстройства мощной движущей силой была обратная связь от других, указывающая на то, что они будут вознаграждены за ограничение приема пищи», – сказал Дейссерот.
По его словам, практически ничего не известно о нейронной основе этого торможения. «Мы стремились понять на уровне отдельных нейронов, как эти потенциально конкурирующие побуждения могут взаимодействовать друг с другом, и как могут взаимодействовать мозговые цепи, связанные с кормлением в сравнении с социальным поведением."
Группа Деиссерота сосредоточилась на части мозга, называемой орбитофронтальной корой, слоем клеток, который, как у мышей, так и у людей, лежит на внешней поверхности мозга по направлению к передней части органа.
Эта область мозга, схожая у двух видов, была показана в исследованиях с использованием изображений людей, которые активны, когда субъекты хотят, ищут, получают и потребляют пищу, или когда они социально вовлечены.
Изучение взаимодействия кормления и социальных влечений было непростым делом.
«Это не значит, что есть кластер« питающих »нейронов и еще один кластер« социальных »нейронов, сидящих в двух аккуратно помеченных сгустках в орбитофронтальной коре, поэтому вы можете просто расположить электрод в одном или другом кластере и выяснить все, что вам нужно знать ", – сказал Дейссерот. Нейроны, управляющие этими различными действиями и отвечающие на них, вкраплены, редки и разбросаны по орбитофронтальной коре, как брызги на кексе. Кроме того, все они выглядят почти одинаково.
Поэтому исследователи разработали сложную систему для одновременной стимуляции и мониторинга активности нескольких назначенных нейронов.
Это позволяло им определять, какие нейроны орбитофронтальной коры были активны во время связанной с кормлением или социальной активности, или того и другого, или ни того, ни другого. Технология также позволяла им стимулировать порядка 20 нейронов, идентифицированных как предназначенные для той или иной активности, и наблюдать, какое поведение в результате.
За последние полтора десятилетия Дейссерот был пионером в разработке экспериментального подхода, называемого оптогенетикой, в котором ген светочувствительного белка, называемого опсином, вставляется в нейроны, чтобы они могли быть активированы импульсами лазерного света, достигающими их через имплантированное оптическое волокно. Недавние достижения в его лаборатории позволили оптимизировать один такой опсин до такой степени, что его команда может стимулировать множество выбранных нейронов, классифицированных по поведенческим категориям, одновременно у млекопитающего.
«Это исследование основано на нашей первоначальной демонстрации у млекопитающих контроля отдельных клеток с помощью оптогенетики в 2012 году, но теперь знаменует собой первую демонстрацию контроля над поведением млекопитающих путем манипулирования множеством индивидуально заданных нейронов», – сказал он.
Ученые вставили ген этого улучшенного опсина в орбитофронтальную кору мышей вместе с другим геном, который заставляет нейроны флуоресцировать пропорционально их активности. Крошечная линза на конце оптического волокна почти одновременно направляла свет через множество целевых нейронов, заставляя до двух десятков назначенных нейронов срабатывать вместе.
Еда vs. друзья
Во время последующих экспериментов мышей удерживали с помощью устройства, которое удерживало их головы на месте. В одной серии экспериментов мышей подвергали воздействию носика, из которого иногда выделялась капля высококалорийного раствора, который можно было легко слизывать. Для каждой мыши коллеги Дейсерота записали, какие нейроны орбитофронтальной коры среди нескольких сотен в их поле зрения загорелись во время этой активности.
Оптогенетическая стимуляция всего 20 нейронов, реагирующих на кормление, усиливала лизательную активность мышей в присутствии высококалорийного раствора, причинно связывая эти нейроны с пищевым поведением.
Чтобы идентифицировать социально-ответные нейроны в орбитофронтальной коре мышей, ученые представили молодых мышей, которых более старые мыши воспринимают как не представляющих угрозы потенциальных друзей и приступают к обнюхиванию, и отслеживали уровни активности нейронов в поле зрения. Они смогли идентифицировать конкретные нейроны, реагирующие на исследовательское социальное взаимодействие.
Оптогенетическая стимуляция социально-ответных орбитофронтальных нейронов в присутствии калорийной награды сокращает время, которое мыши проводят, облизывая раствор.
То же самое и с эквивалентом естественной стимуляции: контактом с молодыми мышами. Чем больше социальное взаимодействие, тем меньше интерес к калориям.
Хотя мыши в этом исследовании не были моделью болезни, Дейссерот отметил потенциальную клиническую значимость результатов.
«Мы смогли точно определить иначе неразличимые нейроны орбитофронтальной коры, участвующие в питании и состояниях социального влечения», – сказал он. "Ключевой целью было узнать, какие нейроны действительно влияют на поведение. Теперь, когда мы это делаем, мы можем изучить их более внимательно, чтобы найти, скажем, маркеры поверхностных белков или различия в проводке, которые отличают их друг от друга.
Если есть какие-либо подобные различия, это углубит наше понимание того, как конкурирующие побуждения согласовываются между типами нейронных клеток в коре головного мозга – и может даже привести к фармацевтическим вмешательствам, которые уменьшают социальное подавление потребления пищи среди людей с анорексией."
Дейссерот является членом Стэнфордского института нейронаук Ву Цай и Стэнфордского института биологических исследований.
Другие соавторы исследования – аспирант Миша Раффи; докторант Ли Е, PhD; старший инженер по вычислительным и оптическим системам Шон Квирин, PhD; специалист по медико-биологическим исследованиям Салли Пак; и ассистент по естественным наукам Чару Рамакришнан.
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения (гранты R37DA035377, R37MH075957 и R01MH086373), HHMI, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны, Национальным научным фондом, Фондом семьи Вигерсов, Фондом Нэнси и Джеймса Гросфельд, Фондом Сэма и Бетси Ривз.
Фонд и H.L. Фонд Снайдера.