Исследователи Массачусетского технологического института разработали способ гораздо более точного измерения дофамина в мозге, чем это было возможно ранее, что должно позволить ученым получить представление о роли дофамина в обучении, памяти и эмоциях.
Дофамин – один из многих нейромедиаторов, которые нейроны мозга используют для связи друг с другом. Предыдущие системы измерения этих нейротрансмиттеров были ограничены в том, как долго они обеспечивают точные показания и какую часть мозга они могут покрыть. Новое устройство MIT, состоящее из крошечных угольных электродов, преодолевает оба этих препятствия.
"Никто на самом деле не измерял поведение нейротрансмиттера в этом пространственном и временном масштабе. Наличие такого инструмента позволит нам исследовать потенциально любые заболевания, связанные с нейротрансмиттерами," говорит Майкл Сима, Дэвид Х. Кох, профессор инженерных наук факультета материаловедения и инженерии, член Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института имени Коха и старший автор исследования.
Кроме того, поскольку массив настолько крошечный, он может в конечном итоге быть адаптирован для использования на людях, чтобы контролировать, успешны ли методы лечения, направленные на повышение уровня дофамина. Многие заболевания головного мозга человека, в первую очередь болезнь Паркинсона, связаны с нарушением регуляции дофамина.
"Прямо сейчас глубокая стимуляция мозга используется для лечения болезни Паркинсона, и мы предполагаем, что эта стимуляция каким-то образом пополняет мозг дофамином, но никто на самом деле не измерил это," говорит Хелен Швердт, постдок Института Коха и ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Lab on a Chip.
Изучение полосатого тела
Для этого проекта лаборатория Cima объединилась с Дэвидом Х. Профессор Института Коха Роберт Лангер, имеющий долгую историю исследований в области доставки лекарств, и профессор института Энн Грейбил, десятилетиями изучающая роль дофамина в мозге, уделяя особое внимание области мозга, называемой полосатым телом. Клетки, продуцирующие дофамин в полосатом теле, имеют решающее значение для формирования привычки и обучения с поощрением.
До сих пор нейробиологи использовали угольные электроды с диаметром стержня около 100 микрон для измерения дофамина в головном мозге. Однако их можно надежно использовать только в течение примерно дня, потому что они образуют рубцовую ткань, которая мешает способности электродов взаимодействовать с дофамином, а другие типы мешающих пленок также могут образовываться на поверхности электрода с течением времени. Кроме того, вероятность того, что один электрод окажется в месте, где есть измеримый дофамин, составляет всего около 50 процентов, говорит Швердт.
Команда Массачусетского технологического института разработала электроды диаметром всего 10 микрон и объединила их в массивы из восьми электродов. Эти хрупкие электроды затем оборачиваются жестким полимером под названием ПЭГ, который защищает их и не дает им отклоняться при попадании в ткань мозга. Однако во время введения ПЭГ растворяется, поэтому он не попадает в мозг.
Эти крошечные электроды измеряют дофамин так же, как и более крупные электроды. Исследователи применяют колебательное напряжение через электроды, и когда напряжение достигает определенной точки, любой дофамин в непосредственной близости подвергается электрохимической реакции, которая производит измеримый электрический ток. Используя этот метод, можно отслеживать присутствие дофамина в миллисекундных временных масштабах.
Используя эти массивы, исследователи продемонстрировали, что они могут контролировать уровень дофамина во многих частях полосатого тела одновременно.
"Что побудило нас заняться этим массивом высокой плотности, так это тот факт, что теперь у нас есть больше шансов измерить дофамин в полосатом теле, потому что теперь у нас есть восемь или 16 датчиков в полосатом теле, а не один," Швердт говорит.
Исследователи обнаружили, что уровни дофамина сильно различаются в полосатом теле. Это не было удивительно, потому что они не ожидали, что весь регион будет постоянно купаться в дофамине, но это изменение было трудно продемонстрировать, потому что предыдущие методы измеряли только одну область за раз.
Как происходит обучение
В настоящее время исследователи проводят испытания, чтобы увидеть, как долго эти электроды могут продолжать подавать измеримый сигнал, и до сих пор устройство продолжало работать до двух месяцев. Благодаря такому долгосрочному зондированию ученые должны иметь возможность отслеживать изменения дофамина в течение длительных периодов времени по мере формирования привычек или освоения новых навыков.
"Мы и другие люди изо всех сил пытались получить хорошие долгосрочные результаты," – говорит Грейбил, член Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте. "Нам необходимо выяснить, что происходит с дофамином, например, на мышиных моделях заболеваний мозга, или что происходит с дофамином, когда животные чему-то учатся."
Она также надеется узнать больше о роли структур полосатого тела, известных как стриосомы. Эти скопления клеток, обнаруженные Грейбиелем много лет назад, распределены по всему стриатуму. Недавняя работа из ее лаборатории предполагает, что стриосомы участвуют в принятии решений, вызывающих беспокойство.
Это исследование является частью более широкого сотрудничества лабораторий Cima и Graybiel, которое также включает в себя усилия по разработке устройств для доставки инъекционных лекарств для лечения заболеваний головного мозга.
"Все эти исследования объединяет то, что мы пытаемся найти способ химического взаимодействия с мозгом," Швердт говорит. "Если мы сможем химически взаимодействовать с мозгом, это сделает наше лечение или наши измерения намного более целенаправленными и избирательными, и мы сможем лучше понять, что происходит."