Výzkumníci používají pokročilé technologie a myši ke studiu struktury dopaminových neuronů, závislosti a schopnosti mozku se zotavit.
Reklama z konce 1980. let minulého století určená k boji proti drogové závislosti použila pár smažených vajec jako metaforu účinků drog na lidský mozek. Zatímco vědci již dlouho pochopili, že existuje souvislost mezi zneužíváním drog a nepříznivými změnami v mozku, teprve nyní mohou do detailů studovat změny, ke kterým skutečně dochází.
Pomocí nejmodernějších technologií vědci z University of Chicago a Argonne National Laboratory poprvé podrobně popsaly specifické změny, ke kterým dochází v mozcích myší, kterým byly vystaveny kokain.
Dopaminové axony (světle modré) tvoří místní otoky, nazývané varikozity, vyplněné vezikuly (žluté koule), které uvolňují dopamin. Tyto otoky mohou tvořit přímé kontaktní body s nedopaminovými axony (červené) a velmi připomínají spinuly, struktury, o kterých se předpokládá, že modulují neuronální aktivitu. Kredit: Obrázek Gregg Wildenberg, University of Chicago/Argonne National Laboratory
Výzkum poskytuje nové poznatky o funkci klíčových struktur dopaminových neuronů, které se podílejí na mnoha funkcích, od dobrovolného pohybu po chování. Výsledky obrátily stránku starších otázek týkajících se přenosu dopaminu a otevřely novou kapitolu o jiných. Prostřednictvím pokračující práce vědci doufají, že pochopí, jak fungují určité typy závislostí, a možná vyvinou cílenou léčbu.
"Není to tak, že by se nějaké molekuly měnily tady nebo tam." Okruh se přeskupuje mnohem dříve a s mnohem menší expozicí drogám, než by si kdokoli myslel.“
- Narayanan 'Bobby' Kasthuri, neurovědec, Argonne/Uchicago
V nedávném článku publikovaném v časopise eLife, vědci popisují, jak staví na rozvíjejícím se poli konektomiky, vývoji vysoce detailních a přesných 3D map každého neuronu v mozku a jejich spojení.
Pokud jde o jejich část, tým se rozhodl jasněji identifikovat proces, kterým se dopamin přenáší přes neurony, protože nevytvářejí konvenční fyzická spojení, kde se signály přenášejí přes synapse.
"Důkazy naznačují, že tyto neurony uvolňují dopamin do extracelulárního prostoru a aktivují blízké neurony, které mají receptory pro snímání dopaminu," říká Gregg Wildenberg, vedoucí výzkumník projektu. "Ale connectomics má málo co říci o těchto typech obvodů, protože nevytvářejí typická spojení, takže jsme chtěli vstoupit do této oblasti, abychom viděli, jak to ve skutečnosti funguje."
Jaké, pokud vůbec nějaké, anatomické změny v dopaminových okruzích jsou způsobeny návykovými látkami, jako je kokain?
Wildenberg je vědeckým pracovníkem v laboratoři Narayanana „Bobbyho“ Kasthuriho, předního výzkumníka v oblasti neurověd v Argonne a odborného asistenta na UChicago. Jednou z jejich motivací pro projekt bylo pochopit zapojení dopaminu do závislosti. Jaké, pokud vůbec nějaké, anatomické změny v dopaminových okruzích jsou způsobeny návykovými látkami, jako je kokain?
Získání takové úrovně detailů vyžadovalo použití Argonnova velkoobjemového trojrozměrného sériového elektronového mikroskopu. Vysoce výkonný mikroskop schopný vizualizovat nejmenší detaily mozku umožnil intimnější pohled na dopaminové neurony z výběru myší senzibilizovaných na kokain a kontrolních zvířat.
Pomocí zdrojů na Chicagské univerzitě tým shromáždil přibližně 2,000 40 1 nanometrů silných řezů (1 mm = XNUMX milion nm) z dopaminových částí středního mozku a předního mozku.
Z těchto vzorků SEM vygeneroval sbírku 2D jednotlivých snímků – celkem přes 1.5 terabajtu dat. Ty byly digitálně znovu sestaveny pomocí vizualizačního clusteru, Cooley, v Argonne Leadership Computing Facility, uživatelském zařízení DOE Office of Science.
Tento proces vytváří 3D objem, který umožňuje výzkumníkům identifikovat a sledovat různé anatomické rysy dopaminových neuronů, což se donedávna ukázalo jako výzva.
"Skokem víry v tomto projektu bylo, že budeme skutečně schopni detekovat anatomické změny, které se mohou dít v kterémkoli místě mozku," řekl Kasthuri, spoluřešitel projektu. „Mohli bychom vzít tento mikroskopický řez mozku a najít něco, co je kvantitativně odlišné? To je také část důvodu, proč jsme si vybrali kokain, protože jsme si mysleli, že cokoli se děje, se pravděpodobně děje systémově v celém mozku.“
Výsledky ukázaly, že dopaminové neurony skutečně nevytvářejí fyzické spojení, s výjimkou některých vzácných případů. A ten druhý může naznačovat, že dopaminové neurony nejsou totožné; že může existovat jiná podtřída, která má sklon k vytváření více fyzických spojení.
Konektomická analýza mozků myší léčených kokainem ukazuje, že dopaminové axony procházejí dvěma hlavními anatomickými remodelačními událostmi: 1) axony zvyšují průměrný počet větví, které vytvářejí (horní obrázek), 2) při současném prořezávání nebo odstraňování existujících axonů. Kredit: Obrázek Gregg Wildenberg, University of Chicago/Argonne National Laboratory.
Obecně zjistili, že malé otoky neboli varikozity – místa zodpovědná za uvolňování dopaminu – lze klasifikovat do čtyř různých typů, částečně na základě velikosti a také množství vezikul nesoucích neurotransmitery, které každá varikozita obsahuje.
Zjistili, že některé z těchto otoků byly bez jakýchkoli vezikul, což vedlo některé kritiky k obvinění, že je nelze definovat jako správná místa uvolňování. Tyto prázdné varikozity, říkají, pravděpodobně naznačují, že mohou existovat další molekulární složky, kromě přítomnosti vezikul, které definují místa uvolňování dopaminu.
"Navrhujeme, že je možné, že tyto prázdné varikozity mají všechny molekulární mechanismy k uvolňování dopaminu, ale může to být tak, že dopaminové vezikuly jsou aktivně pendlovány skrz axon a my jsme náhodou zachytili snímek v čase, kdy jsou některé prázdné," řekl. Wildenberg.
Kokainová část studie přinesla dvě hlavní změny, z nichž obě se zaměřují na axony, ultratenké kabely, které vyčnívají z neuronů. Stejně jako stromy vyrážejí axony úponky, které se rozvětvují směrem k jiným axonech, aby vysílali signály. Poté, co byly myši vystaveny kokainu, tým zjistil nárůst tohoto větvení.
Ve zcela neočekávaném výsledku také zjistili, že asi polovina axonů, které studovali, vytvořila na různých místech podél axonu obrovské otoky neboli bulby. Nejbližší korelace s těmito bulby se objevuje u vyvíjejících se zvířat, na křižovatkách, kde se neurony setkávají se svalem. V některých případech se axon stáhne nebo se prořízne a poté se nafoukne do velké struktury podobné cibuli.
Tým viděl známky rašení i zatahování, někdy ve stejném axonu. Podle vědců tento nález představuje první dokumentaci tohoto chování, které se děje v kontextu modelu nemoci.
"Okruh se přeskupuje mnohem dříve a s mnohem menší expozicí drogám, než by si kdokoli myslel."
- Narayanan „Bobby“ Kasthuri, vědec z Argonne a odborný asistent na UChicago
"Nyní víme, že existuje anatomický základ pro vystavení drogám," poznamenal Kasthuri. "Tato zvířata dostala jednu nebo dvě dávky kokainu a již po dvou až třech dnech jsme viděli rozsáhlé anatomické změny."
"Není to tak, že by se nějaké molekuly měnily tady nebo tam," dodal. "Okruh se přeskupuje mnohem dříve as mnohem menším vystavením droze, než by si kdokoli myslel."
Zatímco studie pomohla objasnit otázky formy, funkce a dynamiky v dopaminovém systému, představuje také důležité nové otázky související s opakovanou expozicí a závislostí, stejně jako s léčbou a zotavením.
Dokáže mozek především překonat strukturální přestavby zavedené návykovými drogami na základě jeho plasticity v jiných oblastech? Výsledky tohoto výzkumu a dostupnost výkonných nástrojů objevování jsou klíčem k zodpovězení těchto typů otázek v budoucnu.
Reference: „Specifické značení buněk a částečné konektomy dopaminergních okruhů odhalují nesynaptickou komunikaci a rozsáhlou axonální remodelaci po expozici kokainu“ od Gregg Wildenberg Je odpovídajícím autorem, Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical, Chad Heer, Mark Sheffield, Xiaoxi Zhuang, Daniel McGehee a Bobby Kasthuri, 29. prosince 2022, eLife.
DOI: 10.7554/eLife.71981
Dalšími autory na papíře byli Anastasia Sorokina, Jessica Koranda, Alexis Monical a Chad Heer, spolu s Asst. Prof. Mark Sheffield, Prof. Xiaoxi Zhuang a Assoc. Prof. Daniel McGehee.
Financování: McKnight Foundation, National Institutes of Health, National Science Foundation
