Исследователи выявили нейронную цепь для распознавания и запоминания угроз

Фото из открытых источников

Представьте себе мышь, осторожно исследующую свое окружение, ее чувства бдительны к любому признаку опасности. В одной части своей среды мышь испытала что-то крайне неприятное — легкий, но пугающий шок. Пока она бродит, она останавливается около места, где произошел шок, ее поведение заметно меняется. Она вытягивается, нюхает воздух и не решается вернуться в место, где она была ранена. Что происходит в мозгу мыши в эти моменты повышенного внимания? И как она запоминает, где находится опасность, гарантируя, что избежит повторной встречи?

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Current Biology, дает некоторые ответы. Исследователи составили карту мозговой цепи, отвечающей не только за обнаружение непосредственных угроз, но и за создание длительных воспоминаний об этих угрозах. Эти результаты могут помочь нам лучше понять, как животные — и, в более широком смысле, люди — обрабатывают страх и защищают себя от опасности.

Исследование было проведено под руководством Ньютона Сабино Кантераса, профессора кафедры анатомии Института биомедицинских наук Университета Сан-Паулу в Бразилии. Исследовательская группа поставила себе целью определить области мозга, участвующие в сигнализации страха, и то, как эти области помогают животным распознавать окружение, связанное с физической или хищной угрозой. Идея заключалась в том, чтобы понять, как мозг кодирует воспоминания об этих опасных местах, гарантируя, что животное сможет избегать их в будущем.

«Нам было интересно найти область мозга, связанную с сигнализацией страха, и выяснить, как она может определять среду, ранее связанную с физической или хищнической угрозой, например, место, где человек подвергался неприятным физическим стимулам», — сказал Кантерас.

В дикой природе животные должны постоянно ориентироваться в мире, полном потенциальных угроз. Им нужно обнаруживать опасность, реагировать оборонительно и помнить, где находятся эти опасности, чтобы они могли избегать их в будущем. Эта способность учиться на прошлом опыте имеет решающее значение для выживания. Например, если животное сталкивается с хищником в определенной области, жизненно важно, чтобы оно помнило, что в будущем нужно держаться подальше от этого места.

Предыдущие исследования использовали условно-рефлекторное рефлекторное поведение животных — по сути, обучая их ассоциировать определенную среду с неприятным стимулом, например, слабым электрическим ударом. Однако в этих исследованиях животных обычно помещали в небольшую камеру, где у них не было выбора, кроме как столкнуться с угрозой. Такая установка не полностью воспроизводит реальные ситуации, в которых животные могут свободно перемещаться и выбирать, как избежать опасности. Исследователи хотели изучить, как ведут себя животные, когда у них есть свобода выбраться из опасной среды, и какие мозговые контуры задействованы в этом процессе.

В новом исследовании эксперименты проводились в аппарате, который состоял из «безопасной» клетки, соединенной с «кондиционирующей» клеткой. В кондиционирующей клетке мыши получали легкие удары по стопам, имитируя угрожающую среду. Мышам была предоставлена свобода исследовать весь аппарат, имитируя более естественные условия, в которых животные сталкиваются с угрозами в своей среде и избегают их.

Такая установка позволила исследователям сравнить поведение и активность мозга мышей, содержащихся в клетке для обучения, с теми, кто мог свободно исследовать окружающую среду, тем самым определив мозговые контуры, участвующие в обнаружении угроз и формировании воспоминаний о страхе.

Для наблюдения и управления активностью мозга исследователи использовали волоконную фотометрию — метод, который измеряет нейронную активность в определенных областях мозга, выявляя изменения флуоресценции от чувствительных к кальцию индикаторов. Они сосредоточились на дорсальном премаммиллярном ядре (PMd), области мозга, участвующей в обнаружении угрозы.

Одним из ключевых выводов исследования было то, что PMd действует как критический «детектор угроз». Когда мышь приближалась к области, где она ранее получала удары током, PMd становился очень активным. Эта активность падала, когда мышь уходила от опасной области или поворачивалась к ней спиной.

«Это очень четкий детектор угроз, который динамически взаимодействует с источником. Если мышь поворачивается спиной к источнику, PMd не активируется, но если она смотрит на источник или приближается к нему, PMd «подает сигнал тревоги», — пояснил Кантерас. 

Для дальнейшего изучения роли PMd исследователи использовали хемогенетическое подавление, метод, при котором определенные рецепторы в PMd инактивировались путем введения вируса и введения определенного препарата. Когда PMd был подавлен, поведение мышей резко изменилось. Вместо того чтобы избегать коробки, связанной с электрошоком, мыши входили в нее без колебаний, как будто они больше не воспринимали ее как опасную. Это открытие предполагает, что PMd не только имеет решающее значение для обнаружения угроз, но и необходим для формирования воспоминаний об этих угрозах.

Исследователи также изучили, как PMd взаимодействует с другими частями мозга, в частности с септо-гиппокампально-гипоталамическим контуром, который интегрирует информацию об окружающей среде, и периакведуктальным серым веществом (PAG) в стволе мозга и вентральным переднемедиальным таламусом (AMv) в таламусе, регионами, известными своей ролью в обработке страха и координации защитных реакций. Используя оптогенетическое подавление, которое включает инактивацию определенных нейронных путей светом, они выборочно нацелились на пути от PMd к этим двум областям.

Интересно, что инактивация пути к PAG снизила немедленное оборонительное поведение мыши — она с меньшей вероятностью избегала коробки, связанной с ударом током, — но, по-видимому, не повлияла на ее долгосрочную память о страхе. Это говорит о том, что путь PMd>PAG в первую очередь участвует в организации немедленного оборонительного поведения, такого как замирание или бегство, которые имеют решающее значение для выживания перед лицом неминуемой опасности.

С другой стороны, инактивация пути к AMv не изменила поведение мыши сразу, но существенно повлияла на ее память о страхе. Мыши, казалось, «забыли», что коробка была опасной, что показывает, что этот путь играет ключевую роль в консолидации воспоминаний о страхе. Это различие подчеркивает, что в то время как путь PMd>PAG имеет решающее значение для немедленной реакции на угрозы, путь PMd>AMv больше участвует в долгосрочной обработке и повторной консолидации воспоминаний о страхе.

Кроме того, исследование выявило более широкую схему, включающую септо-гиппокампально-гипоталамический путь, который интегрирует восходящую контекстную информацию и взаимодействует с PMd, чтобы влиять как на немедленные защитные реакции, так и на формирование воспоминаний о страхе. Таким образом, PMd работает не изолированно, а как часть более крупной сети, которая необходима как для обнаружения угроз, так и для обновления воспоминаний с целью отражения изменений в окружающей среде.

Значение этих открытий выходит за рамки базовой нейробиологии. Понимание того, как работают эти контуры, может дать информацию о новых методах лечения расстройств, связанных с тревогой и страхом, таких как посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР), когда пациенты испытывают преувеличенные реакции страха и трудности с управлением воспоминаниями о страхе. Нацелившись на определенные пути в этом контуре, можно будет разработать методы лечения, которые помогут пациентам лучше управлять своими реакциями на страх и уменьшить влияние травматических воспоминаний.