Navorsers gebruik gevorderde tegnologie en muise om dopamienneuronstruktuur, verslawing en die brein se vermoë om te herstel te bestudeer.
'n Laat 1980's advertensie wat bedoel is om dwelmverslawing te bekamp, het 'n paar braaieiers gebruik as 'n metafoor vir die uitwerking van dwelms op die menslike brein. Terwyl navorsers lankal verstaan het dat daar 'n verband is tussen dwelmmisbruik en nadelige veranderinge in die brein, is dit eers nou dat hulle die veranderinge wat werklik plaasvind in fyn besonderhede kan bestudeer.
Deur gebruik te maak van die nuutste tegnologie, navorsers van die Universiteit van Chicago en Argonne National Laboratory het vir die eerste keer spesifieke veranderinge uiteengesit wat voorkom in die brein van muise wat blootgestel is aan kokaïen.
Dopamien-aksone (ligblou) vorm plaaslike swellings, genoem spatare, gevul met vesikels (geel sfere) wat dopamien vrystel. Hierdie swellings kan direkte kontakpunte vorm met nie-dopamien aksone (rooi) en lyk baie soos spinules, strukture wat geglo word om neuronale aktiwiteit te moduleer. Krediet: Beeld deur Gregg Wildenberg, Universiteit van Chicago/Argonne Nasionale Laboratorium
Die navorsing verskaf nuwe insigte in die funksie van sleutel dopamienneuronstrukture, wat betrokke is by veelvuldige funksies, van vrywillige beweging tot gedrag. Die resultate het die bladsy verander op ouer vrae oor hoe dopamien oorgedra word, terwyl 'n nuwe hoofstuk oor ander geopen is. Deur voortgesette werk hoop die navorsers om te verstaan hoe sekere soorte verslawings werk en, miskien, doelgerigte behandelings te ontwikkel.
“Dit is nie asof sommige molekules hier of daar verander nie. Die stroombaan herrangskik baie vroeër en met baie minder blootstelling aan die dwelm as wat enigiemand sou gedink het.”
- Narayanan 'Bobby' Kasthuri, neurowetenskaplike, Argonne/UChicago
In 'n onlangse referaat gepubliseer in die joernaal eLife, beskryf die navorsers hoe hulle voortbou op die ontluikende veld van connectomics, die ontwikkeling van hoogs gedetailleerde en akkurate 3D-kaarte van elke neuron in die brein en hul verbindings.
Op hul beurt het die span daarop gemik om die proses waardeur dopamien oor neurone oorgedra word duideliker te identifiseer, aangesien hulle nie konvensionele fisiese verbindings maak nie, waar seine oor sinapse oorgedra word.
"Bewyse dui daarop dat hierdie neurone dopamien in die ekstrasellulêre ruimte stort, wat nabygeleë neurone aktiveer wat dopamienwaarnemingsreseptore besit," sê Gregg Wildenberg, 'n hoofondersoeker van die projek. "Maar connectomics het min te sê gehad oor hierdie soort stroombane omdat hulle nie tipiese verbindings maak nie, so ons wou in hierdie area ingaan om te sien hoe dit werklik werk."
Watter, indien enige, anatomiese veranderinge in dopamienkringe word veroorsaak deur dwelmmiddels, soos kokaïen?
Wildenberg is 'n personeelwetenskaplike in die laboratorium van Narayanan "Bobby" Kasthuri, 'n toonaangewende neurowetenskapnavorser by Argonne en 'n assistent-professor by UChicago. Een van hul motiverings vir die projek was om dopamien se betrokkenheid by verslawing te verstaan. Watter, indien enige, anatomiese veranderinge in dopamienkringe word veroorsaak deur dwelmmiddels, soos kokaïen?
Om daardie vlak van detail te verkry, het die gebruik van Argonne se groot volume, driedimensionele reekselektronmikroskoop vereis. 'n Hoë-aangedrewe mikroskoop wat in staat is om die kleinste besonderhede van die brein te visualiseer, dit het 'n meer intieme blik op die dopamienneurone van 'n seleksie van beide kokaïen-gesensitiseerde muise en beheerdiere moontlik gemaak.
Met behulp van hulpbronne by die Universiteit van Chicago, het die span ongeveer 2,000 40 1 nanometer-dik dele (1 mm = XNUMX miljoen nm) van dopamienverwante dele van die middelbrein en voorbrein versamel.
Uit hierdie monsters het die SEM 'n versameling 2D, individuele beelde gegenereer - altesaam meer as 1.5 teragrepe data. Hierdie is digitaal weer saamgestel met behulp van die visualiseringsgroepering, Cooley, by die Argonne Leadership Computing Facility, 'n DOE Office of Science-gebruikersfasiliteit.
Hierdie proses skep 'n 3D-volume wat navorsers in staat stel om verskillende anatomiese kenmerke van die dopamienneurone te identifiseer en op te spoor, wat tot onlangs iets van 'n uitdaging bewys het.
"Die geloofsprong in hierdie projek was dat ons eintlik in staat sou wees om anatomiese veranderinge op te spoor wat op enige punt in die brein kan plaasvind," het Kasthuri, 'n mede-ondersoeker van die projek, gesê. ?“Kan ons hierdie mikroskopiese stukkie brein neem en enigiets vind wat kwantitatief anders is? Dit is ook deel van die rede hoekom ons kokaïen gekies het, want ons het gedink wat ook al gebeur, gebeur waarskynlik sistemies deur die brein.”
Die resultate het bepaal dat dopamienneurone inderdaad nie fisiese verbindings maak nie, behalwe in sommige seldsame gevalle. En laasgenoemde kan voorstel dat dopamienneurone nie identies is nie; dat 'n ander subklas kan bestaan wat geneig is om meer fisiese verbindings te maak.
'n Connectomiese analise van die brein van muise wat met kokaïen behandel is, toon dat dopamien-aksone twee groot anatomiese hermodelleringsgebeurtenisse ondergaan: 1) aksone verhoog die gemiddelde aantal takke wat hulle maak (boonste beeld), 2) terwyl bestaande aksone gelyktydig gesnoei of verwyder word. Krediet: Beeld deur Gregg Wildenberg, Universiteit van Chicago/Argonne Nasionale Laboratorium.
Oor die algemeen het hulle gevind dat klein swellings, of spatare - plekke wat verantwoordelik is vir die vrystelling van dopamien - in vier verskillende tipes geklassifiseer kan word, deels gebaseer op die grootte sowel as die hoeveelheid neurotransmitter wat vesikels dra wat elke spatasie bevat.
Sommige van hierdie swellings, het hulle gevind, was sonder enige vesikels, wat daartoe gelei het dat sommige kritici beweer dat dit nie as behoorlike vrystellingsplekke gedefinieer kan word nie. Hierdie leë varicosities, sê hulle, dui waarskynlik daarop dat daar ander molekulêre komponente kan wees, benewens die teenwoordigheid van vesikels, wat dopamienvrystellingsplekke definieer.
"Ons stel voor dat dit moontlik is dat hierdie leë varicosities al die molekulêre masjinerie het om dopamien vry te stel, maar dit kan wees dat dopamienvesikels aktief deur die akson geskuif word en ons het toevallig 'n momentopname betyds gevang waar sommige leeg is," het gesê Wildenberg.
Die kokaïengedeelte van die studie het twee groot veranderinge opgelewer, wat albei fokus op aksone, die ultradun kabels wat uit neurone uitsteek. Soos bome, spruit aksone ranke uit wat na ander aksone vertak om seine te lewer. Nadat die muise aan kokaïen blootgestel is, het die span 'n toename in daardie vertakking gevind.
In 'n totaal onverwagte resultaat het hulle ook gevind dat ongeveer die helfte van die aksone wat hulle bestudeer het, groot swelsels, of bolle, op verskeie plekke langs die akson gevorm het. Die naaste korrelasie met hierdie bolle verskyn in ontwikkelende diere, by aansluitings waar neurone spiere ontmoet. In sommige gevalle trek 'n akson terug, of word gesnoei, en swel dan op tot 'n groot bolstruktuur.
Die span het tekens van beide spruit en terugtrekking gesien, soms in dieselfde akson. Volgens die navorsers verteenwoordig die bevinding die eerste dokumentasie van hierdie gedrag wat in die konteks van 'n siektemodel gebeur.
"Die kring herrangskik baie vroeër en met baie minder blootstelling aan die dwelm as wat enigiemand sou gedink het."
- Narayanan “Bobby” Kasthuri, wetenskaplike by Argonne en assistent professor by UChicago
"Nou weet ons dat daar 'n anatomiese basis is vir dwelms van blootstelling," het Kasthuri opgemerk. ?“Hierdie diere het een of twee skote kokaïen ontvang en ons het reeds na twee tot drie dae wydverspreide anatomiese veranderinge gesien.”
"Dit is nie asof sommige molekules hier of daar verander nie," het hy bygevoeg. ?“Die stroombaan herrangskik baie vroeër en met baie minder blootstelling aan die dwelm as wat enigiemand sou gedink het.”
Terwyl die studie gehelp het om vrae oor vorm, funksie en dinamika in die dopamienstelsel te verduidelik, bied dit ook belangrike nuwe vrae wat verband hou met herhaalde blootstelling en verslawing, sowel as behandeling en herstel.
Kan die brein hoofsaaklik die strukturele herrangskikkings oorkom wat deur verslawende dwelms ingestel word, gebaseer op die plastisiteit daarvan in ander gebiede? Resultate van hierdie navorsing en toeganklikheid tot kragtige ontdekkingsinstrumente hou die sleutel tot die beantwoording van hierdie tipe vrae in die toekoms.
Verwysing: "Seltipe spesifieke etikettering en gedeeltelike konneksome van dopaminergiese stroombane openbaar nie-sinaptiese kommunikasie en grootskaalse aksonale hermodellering na blootstelling aan kokaïen" deur Gregg Wildenberg Is 'n ooreenstemmende skrywer, Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical, Chad Heer, Mark Sheffield, Xiaoxi Zhuang, Daniel McGehee en Bobby Kasthuri, 29 Desember 2022, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.71981
Ander skrywers op die koerant was Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical en Chad Heer, saam met Asst. Prof. Mark Sheffield, prof. Xiaoxi Zhuang en Assoc. Prof. Daniel McGehee.
Befondsing: McKnight Foundation, National Institutes of Health, National Science Foundation
