Слишком быстрое сердцебиение встревожило мышей

Исследователи из США ускорили сердцебиение мышей с помощью оптогенетического кардиостимулятора. Они увеличили частоту сердечного ритма животных с 600 до 900 ударов в минуту — в результате мыши стали более тревожными и меньше рисковали. Также авторы определили область мозга, ответственную за усиление тревожного поведения. Результаты опубликованы в Nature.

Когда мы попадаем в стрессовую ситуацию, резко пугаемся или слишком волнуемся, у нас учащается сердцебиение, потеют ладони и так далее. Но не очень ясно, может ли это работать в обратную сторону. Вообще, мозг все время обрабатывает сигналы, которые поступают от внутренних органов — это называется интероцепцией и нужно, чтобы поддерживать гомеостаз организма. Так, сигналы от пустого желудка напоминают нам о голоде, боль в районе печени или сердца говорит о том, что что-то не так. Другие сигналы помогают мозгу скорректировать работу внутренних органов, активировать или затормозить синтез гормонов или ферментов. То есть как мозг влияет на тело, так и физиологические сигналы влияют на мозг. А значит, могут влиять и на поведение.

Согласно некоторым исследованиям, тревожные и панические расстройства могут быть связаны с тем, что восприятие мозгом тех самых физиологических сигналов нарушается. У пациентов с паническим расстройством и агорафобией чаще наблюдаются пролапс митрального клапана или тахикардия.

Чтобы выяснить, как физиология сердца регулирует эмоции и поведение, Брайан Сюэ (Brian Hsueh) из Стэндфордского университета с коллегами разработал оптогенетический кардиостимулятор для мышей. Использовать для этого электрический кардиостимулятор или фармакологические стимуляторы ученые не стали, поскольку эти методы не так точны и связаны с побочными физиологическими изменениями, которые бы помешали исследованию.

Чуть меньше 20 лет назад ученые нашли способ вводить в нейроны мембранные белки опсины, которые реагируют на свет, — так можно управлять активностью клеток. Это назвали оптогенетикой. В клетки вводят не сам белок, а ген, который его кодирует, прикрепленный к вирусному вектору. В итоге клетка начинает экспрессировать нужный опсин.

Здесь исследователи решили адаптировать такой подход к клеткам сердечной мускулатуры мышей. Сначала исследователи заставили кардиомиоциты мышей экспрессировать родопсин ChRmine, поместив трансген с помощью вирусного вектора AAV9 под контроль промотора кардиального тропонина Т. Это позволило им направленно воздействовать на кардиомиоциты: свет активировал сокращение клеток сердечной мускулатуры.

Затем они ввели векторы с ChRmine мышам и убедились, что инъекция обеспечивает экспрессию ChRmine в кардиомиоцитах по всему сердцу. Родопсин экспрессировался в стенках желудочков и предсердий, но не экспрессировался в других, немышечных клетках. Когда ученые светили на кожу грудной клетки  анестезированных мышей светом с длиной волны 589 нанометров, частота сердцебиения мышей достигала 900 ударов в минуту. Когда светить переставали, ритм становится нормальным. Снизить частоту сердечных сокращений ученые не смогли, но зато у них получилось активировать кардиомиоциты в правом и левом желудочке по отдельности — в зависимости от размещения лазера.

Чтобы посмотреть, как стимуляция влияет на поведение мышей, авторы надели на них жилеты с микросветодиодом с длиной волны 591 нанометр. После этого они индуцировали у животных желудочковую тахикардию: 900 ударов в минуту в течение 500 миллисекунд каждые 1500 миллисекунд — такие аритмии наблюдаются во время стрессовых ситуаций.

Стимуляция не помешала мышам передвигаться по экспериментальной арене. Также стимуляция не влияла на восприятие боли: мыши с кардиостимулятором вели себя так же, как контрольные.

Но испытуемые мыши оказались тревожнее, чем контрольные. Ученые провели тесты в крестообразном лабиринте: два рукава такого лабиринта закрыты, их можно использовать как укрытия, а два — открыты, и их можно исследовать. После оптической стимуляции мыши меньше исследовали открытые рукава по сравнению с контрольной группой. А в тесте «открытое поле» стимулированные мыши избегали центральной области.

Когда оптическая стимуляция индуцировала сердечный ритм с частотой около 660 ударов в минуту (нормальная частота для мышей), мыши не проявляли более тревожного поведения, чем контрольные в обоих тестах.

Затем ученые провели еще один тест, в котором ограничили мышам доступ к воде, а затем предоставили возможность нажимать на рычаг и получать вознаграждение в виде воды. Однако вместе с вознаграждением их могло ударить током. Пока мышей не били током, все мыши вели себя одинаково. Но когда в 10 процентах испытаний удар током все же случался, мыши со стимулятором или совсем отказывались от добычи воды, или меньше пытались: реже нажимали на рычаг и дольше не могли подойти к нему после удара током. Контрольные мыши начинали менее активно жать на рычаг, только когда риск получить удар возрастал до 30 процентов.

Затем исследователи проверили, какие зоны мозга активируются при оптической кардиостимуляции. Для этого они взяли трансгенных мышей TRAP2, у которых экспрессия гена Fos, связанного с активацией, сопряжена с экспрессией флуоресцентного маркера tdTomato. Выяснилось, что особенно сильно у мышей во время стимуляции кардиомиоцитов активируется задняя часть островковой коры. Другие области мозга тоже активировались, однако большинство из них никак не участвуют в интероцептивной обработке. Напротив, у контрольных мышей во время фотостимуляции не было зарегистрировано значительных изменений нейронной активности.

Тогда авторы применили оптогенетику и к мозгу животных, чтобы ингибировать нейроны задней части островковой коры. Это привело к снижению тревожного поведения у испытуемых мышей. А вот когда ученые воздействовали на эту область мозга контрольных мышей, их поведение не менялось.

Недавно мы рассказывали, как электронное устройство погладило руку кусочком меха — и это уменьшило ощущение тревоги.