Используя мышей, ученые из Окинавского института науки и технологий (OIST) и их коллеги из Медицинской школы Университета Кейо изучили основной источник серотонина в мозге — дорсальное ядро рафа (DRN). Впервые изучив, как активация «серотонинового центра» мозга влияет на бодрствующих животных, они обнаружили, что серотонин из DRN активирует области мозга, которые влияют на поведение и мотивацию.
«Изучение серотониновой системы мозга может помочь нам понять, как мы адаптируем наше поведение и как работают лекарства для терапии настроения. Но было трудно изучить, как серотонин из DRN влияет на весь мозг. Во-первых, потому что электрическая стимуляция DRN также может активировать нейроны, которые не используют серотонин для общения друг с другом, а во-вторых, использование лекарств может повлиять на другие серотонины в мозге», — объяснил доктор Хироаки Хамада, бывший аспирант отдела нейронных вычислений OIST.
Доктор Хамада является ведущим автором статьи об этом исследовании, опубликованной в журнале Nature Communications.
Предыдущие исследования, проведенные учеными из Neural Computation Unit, показали, что серотониновые нейроны в DRN способствуют адаптивному поведению у мышей, связанному с будущим вознаграждением. Доктор Хамада и его коллеги хотели понять механизмы в мозге, которые вызывают это адаптивное поведение.
«Мы знали, что активация серотонина DRN оказывает сильное влияние на поведение, но мы не знали, как эта активация серотонина влияет на различные части мозга», — заявил профессор Кенджи Дойя, руководитель отдела нейронных вычислений.
Для решения этого вопроса исследователи использовали новую технику, называемую оптико-функциональной МРТ. Они использовали метод, называемый оптогенетикой, для селективной активации серотониновых нейронов в DRN с помощью света и наблюдали за реакцией всего мозга с помощью функциональной МРТ (магнитно-резонансной томографии).
Они использовали новейший МРТ-сканер с сильным магнитным полем для достижения высокого разрешения, необходимого для изучения маленького мозга мышей. Мышей поместили в МРТ-сканер и стимулировали серотониновые нейроны через равные промежутки времени, чтобы увидеть, как это повлияет на весь мозг.
Ученые обнаружили, что стимуляция серотонином DRN вызывает активацию коры головного мозга и базальных ганглиев — областей мозга, участвующих во многих когнитивных функциях. Этот результат сильно отличался от предыдущего исследования, проведенного под наркозом. Кроме того, реакция мозга на серотониновую стимуляцию тесно связана с распределением серотониновых рецепторов (белков, активируемых серотонином) и паттернами связи серотониновых нейронов DRN.
«Мы ясно видим на высокопольных МРТ-изображениях, какие области мозга активируются и деактивируются во время бодрствования и под наркозом, когда мы активируем серотониновые нейроны в DRN», — сказал доктор Хамада. «Предыдущее исследование показало, что кора головного мозга и базальные ганглии были в основном дезактивированы под наркозом, что мы также наблюдали. Однако в бодрствующих состояниях эти области значительно активизируются».
Кора головного мозга и базальные ганглии являются частями мозга, критически важными для многих когнитивных процессов, включая двигательную активность и поведение, направленное на получение вознаграждения, такого как еда и вода. Таким образом, активация серотониновых нейронов DNR может привести к изменениям в мотивации и поведении. Сочетание новой техники высокопольной МРТ и оптогенетики создало множество препятствий, которые доктору Хамаде пришлось преодолеть.
«Мы внедрили и адаптировали метод, ранее использовавшийся нашими сотрудниками, и установили много новых процедур в OIST. Для меня главной проблемой в то время было использование нового аппарата МРТ, поэтому мне нужно было набраться терпения и стимулировать свой собственный серотонин. После этого я начал много тренироваться», — сказал он.
Впервые увидев активации в DRN, доктор Хамада стал выдающимся моментом. Вначале он использовал ту же интенсивность света, что и его коллеги, но она была слишком слабой, чтобы увидеть реакцию мозга на МРТ. Затем он использовал оптические волокна большего размера и увеличил интенсивность для стимуляции DRN.
Профессор Дойя отметил, что следующей важной вехой, которую необходимо достичь, является понимание того, как именно происходит эта активация серотонина в масштабах всего мозга. Важно выяснить, каков фактический молекулярный механизм, обеспечивающий эту активацию в нашем мозге. Людям, которые хотели бы лучше корректировать свое поведение и мышление в различных ситуациях, также было бы полезно узнать больше о том, как серотонин помогает контролировать наше настроение.