Nerwowy włącznik strachu Understand article

Tłumaczenie Marta Tondera. Czy jeśli coś nas przestraszy, powinniśmy zastygnąć bez ruchu, czy ocenić zagrożenie? Sarah Stanley opisuje sposób w jaki naukowcy z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (ang. European Molecular Biology Laboratory) zgłębiają tajemnice mózgu ,…

Zdjęcie dzięki uprzejmości
EMBL photolab

Uciekać, walczyć czy zastygnąć? Dla zwierzęcia owładniętego strachem jest to zasadnicze pytanie. Często odpowiedź na nie zależy od ciała migdałowatego czyli głównego ośrodka przetwarzania emocji – schowanego głęboko w mózgu. Zarówno u myszy, jak i u ludzi, wpływa ono na zachowanie w sytuacjach zagrożenia i pomaga tworzyć wspomnienia „przerażających” doświadczeń w pamięci długotrwałej. Jednakże niewiele wiadomo o tym, jak komórki ciała migdałowatego komunikują się z innymi komórkami mózgu, by spowodować określone, wywołane strachem zachowania

Niedawne badania naukowców z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnejw1 (EMBL) w Monterotondo i GlaxoSmithKlinew2 w Weronie we Włoszech, pozwoliły zmniejszyć tę lukę w naszej wiedzy. Naukowcy skupili się na jednym z wielu rodzajów strachu przetwarzanego przez ciało migdałowate. Użyli nowych technik, aby zrozumieć interakcje między obszarami mózgu zaangażowanymi w reakcje na ten konkretny rodzaj strachu. W toku badań odnaleźli przełącznik między dwiema reakcjami na strach: zastyganiem oraz, co zaskakujące, zachowaniem alternatywnym do ucieczki, walki lub zastygania, czyli tzw. aktywną oceną ryzyka. Ta czynna reakcja obejmuje zachowania takie jak stawanie dęba, kopanie w ziemi czy badanie sytuacji.

Myszy uwarunkowane do kojarzenia dźwięku z nieprzyjemnym bodźcem, zazwyczaj zastygają ze strachu po usłyszeniu tego odgłosu, nawet jeśli nie towarzyszy mu dyskomfort. O neuronach, nazywanych komórkami typu I wiadomo, że kontrolują reakcję zastygania. Gdy zapobiegnie się wysyłaniu sygnałów do innych komórek przez komórki typu I, myszy nie zastygają ze strachu. Wydaje się jednak, że neurony typu I są czymś więcej, niż tylko prostym pstryczkiem do włączania i wyłączania.

W pionierskim podejściu do badań gdzie wykorzystano zarówno farmakologię, jak i genetykę, naukowcy z EMBL sprawili, że komórki typu I mogły być wyłączane bez szkody dla innych komórek. Spowodowali, że myszy produkowały wrażliwe na pewne leki białka (receptory) wyłącznie w komórkach typu I. Gdy taki lek został podany, połączył się z receptorami, dając początek reakcji chemicznej, która zniszczyła ładunek elektryczny komórek. Dzięki temu, neurony nie mogły więcej wysyłać sygnałów elektrycznych do otaczających je rejonów mózgu.

Cornelius Gross
Zdjęcie dzięki uprzejmości
EMBL Photolab

Przed podaniem leku, myszy zostały uwarunkowane do strachu przy pewnym dźwięku. Gdy ich komórki typu I zostały zablokowane, myszom odtworzono ten dźwięk, a ich zachowanie było obserwowane i analizowane.

“Gdy zastopowaliśmy te neurony, nie byłem zaskoczony, że myszy przestały zastygać, ponieważ tak jak przypuszczaliśmy, to ciało migdałowate kontroluje tę reakcję. Ale byliśmy bardzo zdziwieni gdy myszy robiły zamiast tego inne rzeczy, takie jak stawanie słupka i inne zachowania służące określeniu zagrożenia.” mówi Cornelius Gross, który prowadził badania w EMBL. „Wyglądało na to, że nie blokowaliśmy strachu, tylko zmienialiśmy reakcję myszy z pasywnej na aktywną. To jest coś zupełnie innego niż to co sądziliśmy, że robi ta część ciała migdałowatego.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
EMBL Photolab

Aby lepiej zrozumieć połączenia pomiędzy komórkami mózgu – sieć neuronową – zaangażowane w zmiany reakcji na strach z postawy pasywnej na aktywną, naukowcy obserwowali aktywność w różnych regionach mózgu używając funkcjonalnego magnetycznego rezonansu jądrowego (fMRI). U małych zwierzątek takich jak myszy, fMRI mierzy miejscowe ukrwienie jako wskaźnik aktywności mózgu; im więcej krwi w danym rejonie mózgu, tym aktywniejsze są neurony w tym miejscu. Te badania były pierwszym przykładem wykorzystania fMRI do stworzenia mapy sieci neuronowej u myszy przy użyciu nowej techniki rozwiniętej przez naukowca Angelo Bifone i jego zespół z GlaxoSmithKline.

Skan mózgu dał jeszcze jeden nieoczekiwany wynik. Wcześniej, naukowcy myśleli, że ciało migdałowate zarządza reakcjami na strach jedynie poprzez przekazywanie informacji do pnia mózgu, który łączy mózg z rdzeniem kręgowym. Ale Cornelius, Angelo i ich współpracownicy odkryli, że u myszy z zablokowanymi komórkami rodzaju I, zewnętrzna warstwa mózgu – kora mózgowa – była bardzo aktywna, wskazując, że ona także odgrywa rolę w decydowaniu o reakcji myszy na strach. Aktywność została również zaobserwowana w obszarze mózgu zwanym cholinergiczną powierzchnią podstawną kresomózgowia, która wpływa na aktywność kory mózgowej.

Jak każdy skan mózgu, fMRI wymaga bezruchu badanego obiektu , więc może być wykonany tylko myszy w stanie narkozy. Ale naukowcy chcieli potwierdzić połączenie pomiędzy korą mózgu i zachowaniami panicznymi u przytomnych myszy. Ponieważ nie mogli obserwować aktywności mózgu gdy myszy były przytomne i zdolne do reagowania na strach, naukowcy wybrali inną drogę. Użyli leku atropiny aby zablokować aktywność kory mózgowej u myszy, które miały już zablokowane komórki typu I i odkryli, że te zwierzęta nie przejawiały już żadnych zachowań wskazujących na ocenianie zagrożenia.

W ten sposób naukowcy wydedukowali, że ciało migdałowate zazwyczaj powstrzymuje cholinergiczną powierzchnię podstawną kresomózgowia, wysyłając sygnały do pnia mózgu aby kontrolować pasywną reakcję na strach – zastyganie (patrz grafika A poniżej). Jednakże, gdy neurony rodzaju I są zablokowane, ciało migdałowate przestaje wpływać na cholinergiczną powierzchnię podstawną kresomózgowia, prowadząc do aktywności kory mózgowej i aktywnej reakcji na strach – oceny zagrożenia (patrz grafika B poniżej).

Gdy mysz słyszy dźwięk, który został uwarunkowany przez kojarzenie z nieprzyjemnym szokiem, ciało migdałowate jest aktywowane i przekazuje informację do pnia mózgu, powodując zastygnięcie zwierzęcia (A).
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicola Graf, Cornelius Gross i Marlene Rau

Jednakże, u myszy, u których neurony typu I w ciele migdałowatym zostały wyłączone, te neurony już nie tłumią otaczających je komórek typu II. Neurony typu II aktywują korę mózgu przez cholinergiczną powierzchnię podstawną kresomózgowia, blokując zastyganie i sprzyjają badaniu zagrożenia zamiast tego (B)
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicola Graf, Cornelius Gross i Marlene Rau

“To jest demonstracja ogromnych możliwości używania fMRI do analizowania obwodów mózgu zaangażowanych w skomplikowane zadania, takie jak przetwarzanie emocji i kontrola reakcji behawioralnych” mówi Angelo, obecnie pracujący na Politechnice Włoskiejw3 w Pizie.

Wyniki uzyskane dzięki połączeniu różnych technik badania zastygania jako reakcji na strach u myszy, wskazują, że ciało migdałowate odgrywa bardziej skomplikowaną rolę w przetwarzaniu strachu, niż się wcześniej uważało. Zamiast pełnienia jedynie roli przekaźnika informacji o zewnętrznych niebezpieczeństwach, ciało migdałowate podejmuje decyzje jak zareagować.

Należy podkreślić, że rodzaj strachu sprawdzany w tym badaniu – strach warunkowany przez bolesny szok – jest bardzo szczególny. Wyniki niekoniecznie mogą być użyte przy zachowaniach w reakcji na inne rodzaje strachu u myszy.

“Istnieje wiele równoległych obwodów panicznych, które zajmują się różnymi rodzajami informacji o zagrożeniu. Na przykład, jedna z części mózgu myszy jest często używana do przetwarzania strachu wywołanego przez drapieżnika takiego jak kot, podczas gdy inna część zazwyczaj odpowiada na agresywne zachowanie innej myszy.” mówi Cornelius. „Myśleliśmy, że mamy do czynienia z jednym prostym obwodem panicznym, który jest albo aktywny albo nie, ale wydaje się, że to nieprawda.”

Naukowcy nie są także pewni, czy dzikie myszy używają oceny zagrożenia jako reakcji na bodźce strachu. Blokowanie komórek typu I było przeprowadzone sztucznie w tym badaniu, a przecież sytuacje w których neurony zostałyby naturalnie powstrzymane mogłyby (lub nie) zaistnieć, a to spowodowałoby że mysz aktywnie oceniałaby dostrzeżone zagrożenie.

Jeśli aktywna reakcja zachodzi u myszy naturalnie, jakie rodzaje zewnętrznych bodźców są potrzebne, by ją uruchomić? Wcześniejsze badania wykazały, że zwierzęta będące w większej odległości od zauważonego zagrożenia częściej zastygają w bezruchu, niż uciekają lub szykują się do walki. Ale naukowcy nie są w stanie jeszcze określić, czy zastosowanie aktywnej oceny ryzyka jako reakcji jest zależne od dystansu. Cornelius podkreśla, że ważne jest, by nie zakładać, że ocena ryzyka będzie użyta zamiast zastygania w sytuacji odebranej jako mniej zagrażająca.

Niemniej, przeprowadzone badania mają znaczące następstwa. Techniki farmakogenetyczne i fMRI użyte przez naukowców będą zapewne nieocenione w wielu innych badaniach nad obwodami nerwowymi u myszy. W rzeczy samej, Cornelius ze swoim zespołem stosując farmakogenetyczne podejście do badań, ujawnili komórki, które działają jako przejście do innego obszaru mózgu czyli hipokampa, przekazując informacje, które pozwalają myszy określić właściwy poziom niepokoju w nieprzyjaznej sytuacji.

Idąc dalej, my ludzie, także używamy strategii zastygania lub aktywnej oceny zagrożenia . My również, podobnie jak myszy, posiadamy w ciele migdałowatym przełącznik między reakcją aktywną i pasywną. Pacjenci, którzy doświadczyli uszkodzeń w tym obszarze, są niezdolni do rozwinięcia warunkowanych reakcji panicznych, mimo że reagują normalnie pod wpływem strachu w innych sytuacjach. Dlatego, jak mówi Cornelius, jest bardzo prawdopodobne, że wyniki tych badań odwołują się także bezpośrednio do zachowań ludzkich.

Mimo że pozostaje wiele do odkrycia w kwestii ludzkiego działania pod wpływem strachu, badanie zagadnienia strachu przybliża naukowców do stworzenia nowych sposobów leczenia chorób o podłożu lękowym, takich jak zaburzenia lękowe czy zespół stresu pourazowego. Cytując dwukrotną noblistkę, chemiczkę Marię Skłodowską-Curie: „Teraz jest czas, by zrozumieć więcej, abyśmy mogli bać się mniej.”

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Aby dowiedzieć się więcej o Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL), zobacz : www.embl.org
  • w2 – Dla informacji o GlaxoSmithKline w Weronie w Włoszech, zobacz: www.gsk.it
  • w3 – Aby dowiedzieć się więcej o Włoskiej Politechnice, zobacz: www.iit.it

Resources

Institution

EMBL

Author(s)

Sarah Stanley ukończyła biologię na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara w USA. Gdy pisała ten artykuł, była stażystką w Europejskim Labolatorium Biologii Molekularnej. Obecnie jest stażystką w Discover Magazine.


Review

W tym artykule zostaje opisanych kilka eksperymentów z myszami (w których zarówno zachowanie, jak i aktywność mózgu były analizowane), aby zrozumieć szczegóły ich reakcji na strach. Badania takie jak te są bardzo ważne dla znacznego rozszerzenia naszej wiedzy o tym, jak działa ludzki mózg.

Ten artykuł może być bardzo użyteczny pokazując uczniom jak badania naukowe są przeprowadzane w profesjonalnych laboratoriach. Nauczyciele mogą poprosić uczniów, aby przeczytali ten artykuł i pomyśleli o tym, jak reagują na strach, można nawet zaprojektować i przeprowadzić eksperyment. Dodatkowo, uczniowie mogą zastanowić się nad korzyściami ewolucyjnymi takich reakcji u naszych przodków oraz w jaki sposób mogą one być przydatne we współczesnym świecie. Uczniowie mogą także spróbować wyszukać informacje o zwierzętach i ich różnych reakcjach na strach oraz odnieść ich zachowania do ich środowiska.

Użycie nowych technik badawczych, takich jak farmakogenetyka czy funkcjonalny magnetyczny rezonans jądrowy (fMRI) jest również opisane w tym artykule. Uczniowie w wieku 16 lat lub więcej mogą poszukać więcej informacji na temat, jak działają te techniki i o ich znaczeniu w badaniach naukowych.

Ten artykuł może również zostać użyty jako początek dyskusji na temat prowadzenia badań na zwierzętach. Uczniowie mogą zastanowić się nad tym, jak wyniki badań nad zwierzętami mogą być użyte dla ludzi i przedyskutować rozwiązania alternatywne do testów na zwierzętach.


Mireia Guell Serra, Hiszpania




License

CC-BY-NC-ND