Негативную эмоциональную реакцию на боль объяснили работой миндалевидного тела
Американские биологи провели эксперимент на мышах и обнаружили в одной из частей миндалевидного тела — небольшого участка мозга, отвечающего за обработку неприятных эмоциональных стимулов, — популяцию нейронов, которая отвечает за неприятные ощущения, вызванные воздействием болевого стимула. Статья опубликована в журнале Science.
Физиологически боль обычно описывают как активность ноцицепторов — чувствительных нейронов в периферийной нервной системе под воздействием болевых раздражителей (тех, которые могут повредить ткани организма). Активность этих нейронов (в основном, они расположены в коже) передает сигнал об опасности стимула центральной нервной системе (через спинной мозг — в головной). Работу ноцицепторной системы организма можно представить через реакцию человека, который прикоснулся к раскаленной плите: нейроны кожи реагируют на раздражитель и посылают болевой сигнал мозгу, после чего мозг передает сигнал об опасности обратно — и человек одергивает руку.
Боль, однако, — чувство не только физиологическое, но и аффективное, то есть эмоциональное. Именно эмоциональная реакция на болевое ощущение предотвращает стремление к повторной «встрече» с раздражающим стимулом. Тем не менее, физиологическая и аффективная реакция на болевой стимул — вещи разные, и если механизм первого изучен достаточно хорошо, то о втором известно очень мало.
Ученые под руководством Грегори Кордера (Gregory Corder) из Медицинской школы Стэнфордского университета решили сосредоточиться на миндалевидном теле (миндалине) — небольшом билатеральном участке головного мозга, который отвечает за обработку отрицательных эмоциональных стимулов — тех, которые вызывают страх и отвращение. Исследования показывают, что повреждения базолатеральной части миндалевидного тела приводят к достаточно редкому нарушению, при котором раздражающий стимул может вызвать боль, но при этом не вызывает неприятных эмоциональных ощущений.
Эксперимент проводили на мышах, в головной мозг которых вживили миниатюрный микроскоп, позволяющий визуализировать активность определенных нейронов: для этого ученые следили за заряженными ионами кальция (Ca2+), которые сигнализируют о генерации аксонами потенциала действия, то есть об активности нейронов. В качестве стимулов ученые использовали воздействие тепла, холода и укола острым предметом: вся стимуляция была достаточной для того, чтобы вызвать неприятные ощущения, но не приводила к повреждениям тканей. В качестве контрольного условия (стимуляции, не вызывающей неприятных ощущений) ученые использовали воздействие легким прикосновением.
Ученые выяснили, что неприятные стимулы приводят к большей активности нейронов миндалевидного тела, чем нейтральные.
Далее ученые проверили воздействие других эмоционально неприятных стимулов, но тех, которые при этом не вызывают боль: неприятный запах, горький вкус, громкий звук и других. Они выяснили, что, несмотря на то, что многие активные при воздействии этих стимулов нейроны миндалины пересекаются с нейронами, которые активны при восприятии боли, существует отдельная популяция нейронов, которые активны только при реакции на боль — всего таких нейронов оказалось шесть процентов.
Чтобы оценить роль нейронов миндалины в реакции на болевой стимул их временно ингибировали с помощью инъекции искусственного рецептора, селективно активируемого только с помощью искусственных препаратов (DREADD). После введения этих рецепторов нейроны мозга мышей отвечали на введение искусственной сигнальной молекулы клозапин-N-оксида: в зависимости от условия, нейроны либо активировали, либо ингибировали. Ученые обнаружили, что мыши с ингибированными нейронами миндалины, отвечающими за реакцию на болевой стимул, не стремились к тому, чтобы избегать причиняющие боль стимулы.
Наконец, ученые проверили роль отвечающих за неприятные ощущения от боли нейронов при наличии хронических болей. В отличие от обычной болевой реакции на раздражающий стимул хронические боли характеризуются наличием аллодинии (болевой реакции на стимулы, которые в обычных случаях ее не вызывают — например, как при воздействии света у больного мигренью) и гипералгезии (то есть повышенной болевой реакции на вызывающие боль стимулы, также известной как «гиперчувствительность»). Для этого ученые повредили мышам один из периферийных нервов в одной из лап. Такое повреждение привело к тому, что мыши начали бояться даже легкого касания, убирая лапу. Интересно, что сразу после повреждения активность нейронов миндалины при воздействии безобидного стимула не возросла, однако возросла через некоторое время (то есть когда сформировалось состояние хронической боли от поврежденной лапы). Исходя из этого, ученые сделали вывод, что нейроны миндалины, отвечающие за реакцию на боль, участвуют в возникновении аллодинии при хронических болях.
Авторам работы, таким образом, впервые удалось точно выделить популяцию нейронов, которые отвечают за неприятные эмоциональные ощущения от воздействия стимула, вызывающего боль. Проведенное исследование интересно еще и тем, что в будущем может помочь пациентам с диагностированными хроническими болями уменьшить воздействие нейтральных стимулов, так как, по сути, физиологическую болевую реакцию они не вызывают, при этом оставляя неприятные ощущения.
В прошлом году ученые выяснили, что нервная система способна предсказывать воздействие болевого стимула: в ситуации возможного появления боли мозг посылает в периферийную нервную систему более слабый сигнал, но при этом действия совершаются быстрее (предположительно, для того, чтобы боль прошла быстрее).
Елизавета Ивтушок
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.