Совмещение активности нейронов и нейромедиаторов помогло уточнить эффект псилоцибина
Британские исследователи совместили несколько методов нейровизуализации и создали модель взаимодействия нейронной активности с активностью нейромедиаторов в головном мозге. Чтобы продемонстрировать ее эффективность, они измерили активность мозга участников под действием псилоцибина: модель, которая учитывает расположение серотонинергических рецепторов 5-HT2A оказалась нагляднее той, в которой использовалась только визуализация активности, полученная с помощью фМРТ. Новый метод поможет, к примеру, уточнить терапевтический эффект использования психоделиков для лечения депрессии и других аффективных расстройств, пишут ученые в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Методы, которые сейчас используются для изучения активности головного мозга, опираются на самые разные аспекты его работы. Принцип работы функциональной МРТ, к примеру, основывается на том, что приток насыщенной кислородом крови к различным отделам мозга коррелирует с нейронной активностью в нем: благодаря взаимодействию молекул оксигемоглобина с магнитным полем сканера можно визуализировать активность с высоким пространственным разрешением. Электроэнцефалография (ЭЭГ), в свою очередь, позволяет отобразить электрическую активность мозга во время активации отдельных нейронных сетей, а позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — активность нейромедиаторов (для этого используются радиоактивные трейсеры, которые связываются с определенными рецепторами — например, серотониновыми).
Выбор метода визуализации полностью зависит от методологии проводимого исследования и поставленных гипотез, поэтому ни один из них не может быть полностью универсальным. С другой стороны, какие-то из них можно объединить — и это позволит изучать мозг комплексно: на уровне анатомических структур, активности нейронных сетей и вовлеченных в их работу нейромедиаторов.
Сделать это решили ученые под руководством Мортена Крингельбаха (Morten Kringelbach) из Оксфордского университета. В своем методе нейровизуализации они объединили, с одной стороны, активность нейронов головного мозга в определенных отделах, а с другой — работу нейромедиаторов, которая эту активность определяет. Для этого они использовали данные, полученные тремя методами: диффузионную МРТ (дМРТ) для анатомической реконструкции трактов нейронных связей, фМРТ — для визуализации активности в них, а ПЭТ — для оценки концентрации нейромедиаторов.
Для разработки метода и демонстрации его эффективности ученые решили визуализировать активность мозга под действием псилоцибина — алкалоида, психоактивного вещества галлюциногенных грибов. На уровне нейромедиаторов его активность должна быть достаточно проста: псилоцибин действует на серотонергическую систему (в основном — на серотониновый рецептор 5-HT2A), а ее нейроны, проекции из которой идут вверх к лимбической системе, мозжечку и коре, находятся в ядрах шва в продолговатом мозгу.
Задача, таким образом, сводится к тому, чтобы совместить данные активности отделов мозга, полученных с помощью фМРТ, с расположением рецепторов к 5-HT2A, которое можно определить с помощью ПЭТ: от плотности расположения рецепторов зависит руководимая серотонином электрическая активность. После этого совмещенные данные можно визуализировать на определенных нейронных трактах, изображение которых получено с помощью дМРТ.
Для визуализации трактов головного мозга ученые использовали дМРТ-данные, полученные от 16 человек, а для визуализации расположения 5-HT2A—рецепторов — данные ПЭТ, проведенной с участием 210 добровольцев. фМРТ-эксперимент проводили на отдельной группе людей: девятерым добровольцам вводили либо псилоцибин, либо физраствор в качестве плацебо, и смотрели на активность их мозга в состоянии покоя.
Полученную с помощью фМРТ активность мозга (а точнее — амплитуду BOLD-сигнала) кластеризовали с помощью метода k-средних: получилось три разных кластера активности (субсостояния), которые с определенной вероятностью появляются либо под действием псилоцибина, либо — плацебо (физраствора). Связь между полученными субсостояниями и активностью мозга в фМРТ-эксперименте оценили с помощью расстояния Кульбака — Лейблера, которое позволяет измерить удаленность друг от друга двух вероятностных событий. Субсостояния статистически значимо (p < 0,0001) коррелировали с локализацией активности в той или иной группе. При этом в том случае, если в вероятностную модель добавляли данные о рецепторах 5-HT2A, корреляция была выше (p < 0,000001). Интересно, что данные о плотности расположения и работе других серотонинергических рецепторов вероятностную модель не улучшали.
Иными словами, эффективнее объяснить динамику активности головного мозга под действием псилоцибина (в сравнении с плацебо) удалось в том случае, когда данные об активности определенных участков мозга были совмещены с плотностью расположения (и, соответственно, активацией) ключевых для действия этого вещества рецепторов 5-HT2A. Помимо этого, считают ученые, подобная визуализация в будущем поможет уточнить терапевтический эффект псилоцибина, в особенности — оправданность его использования при лечении депрессии, в протекании которой серотонинергическая система играет ключевую роль.
Одним из объяснений терапевтического действия некоторых психоделиков может быть то, что под их действием нейроны быстрее отращивают дендриты и шипики, что помогает клеткам лучше передавать друг другу сигнал, а мозгу — восстанавливать атрофированные связи.
Елизавета Ивтушок
У обычных людей мозг заметно активируется в ответ на родной язык по сравнению с незнакомыми
Когнитивные нейробиологи из США с помощью фМРТ исследовали, как мозг полиглотов реагирует на записи речи на разных языках. Оказалось, что чем более знакомый язык слышит полиглот, тем сильнее активируется языковая сеть мозга, а. родной язык вызывает менее сильный отклик, сравнимый с откликом на незнакомый, говорится в исследовании, опубликованном на bioRxiv. За обработку речи обычно отвечает левое полушарие мозга, но не целиком — височная и лобная доли его коры формируют так называемую языковую сеть. Эта сеть обычно сильнее откликается на речь на родном языке, чем на неразборчивые звуки или неизвестные языки. Не-языковые задачи не влияют на активность языковой сети. Не так давно был описан случай женщины, живущей без височной доли левого полушария — у нее за обработку языка отвечает правое. Именно потому, что лобная доля левого полушария не может обрабатывать язык без височной, она вовсе не была задействована в обработке речи. Изучать подобные отклонения от нормы полезно, чтобы понять саму норму. Однако люди с повреждениями мозга и нарушениями языковых систем встречаются (и исследуются) чаще, чем те, чьи языковые навыки, наоборот, выше среднего — а их тоже хотелось бы изучить. Хотя ученые активно исследуют особенности обработки языка у билингвов, не так много работ было сосредоточено на полиглотах. Теперь нейробиологи из Массачусетского технологического института под руководством Эвелины Федоренко (Evelina Fedorenko) заглянули в мозг людей, говорящих сразу на нескольких языках, чтобы выяснить, как он воспринимает и обрабатывает язык. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), которая измеряет мозговой кровоток, ученые просканировали мозг 25 полиглотов, 16 из которых были гиперполиглотами (то есть владели минимум пятью языками, включая собственный). Большинство — 19 человек — были носителями английского, другие 6 — французского, голландского, немецкого, китайского и испанского. В среднем участники знали 16,6 языков, а один владел более чем 50 языками. Лежа внутри аппарата фМРТ, полиглоты слушали серию 16-секундных записей на восьми языках. Это были либо фрагменты из Библии, либо из «Приключений Алисы в Стране чудес», которые читали носители этих языков. Среди восьми языков был родной язык участника, три известных ему языка и четыре незнакомых. Два незнакомых языка были родственными известным языкам, а еще два были из других языковых семей. Выяснилось, что в ответ на любой язык у полиглотов активируется языковая сеть мозга — та, что у всех людей отвечает за восприятие родного языка. Но активность в зависимости от языка различалась. Чем лучше участник владел языком, который слышит, тем активнее откликалась языковая сеть. На неизвестный язык, родственным родному языку участника, его мозг реагировал слабее, чем на знакомый язык, но сильнее, чем на чужой язык из не связанной языковой семьи. То есть ученые обнаружили, что уровень активности языковой сети был прямо пропорционален уровню знакомства с языком. Но родной язык стал исключением: на него мозг полиглотов реагировал слабее, чем на другие известные им языки и даже слабее, чем на неизвестный, но родственный родному. Это может означать, что для обработки языков, выученных в раннем детстве, требуется меньшая активность мозга. Ученые полагают, что это можно отнести и к более общему механизму: чем лучше мы в чем-то разбираемся, тем меньше ресурса (когнитивного и нейронного) нам требуется для этого. Также ученые подтвердили выводы предыдущего исследования о том, что мозг полиглотов реагирует на родной язык слабее, чем мозг не-полиглотов. В том же исследование авторы описывают и особенности обработки языка у билингвов — их языковая сеть реагирует на оба известных им языка сильнее, чем языковая сеть монолингвов реагирует на их родной язык. Эвелина Федоренко занимается системами человеческого языка и изучает мозг полиглотов уже много лет. Во время ее исследований она предлагает людям — и монолингвам и полиглотам — разные задачи, чтобы сравнить активность мозга во время них. Одна из таких задач — тест на невербальную память: испытуемый должен запомнить расположение квадратов на сетке, которые вспыхивают и гаснут. В этом испытании задействована нейронная сеть системы исполнительных функций — она не связана с языковой сетью, но поддерживает общий интеллект. Во время прослушивания текста на незнакомом языке эта сеть у обычных людей не активна, а у полиглотов она включается. Ученая предполагает, что так их мозг пытается уловить «лингвистический сигнал». Знание нескольких языков сопровождается и другими особенностями. Мы рассказывали, что билингвы, знающие шведский и испанский, определили временные промежутки в разных контекстах точнее, чем носители лишь одного из языков. Все дело в том, что в этих языках время описывается по-разному: как расстояние или как объем — и билингвам доступны оба концепта, между которыми они легко могут переключаться, как и между языками.