Ученые выявили ранее неизученную область мозга, отвечающую за реакцию страха

Фото из открытых источников

В недавно подробно описанном участке мозга обнаружена область, обеспечивающая непрерывный сигнал тревоги, необходимый для поддержания у животных состояния повышенной готовности во время угрозы. Исследование, опубликованное в журнале Neuron, показывает, что амигдалостриатальная переходная зона заполняет пробел между обучением распознаванию опасности и поддержанием защитной реакции.

Миндалевидно-стриатальная переходная зона, или ASt, представляет собой небольшое скопление клеток головного мозга, расположенное между миндалевидным телом, центром обработки эмоций, и стриатумом, областью, отвечающей за контроль движений. При возникновении угрозы мозг должен быстро обнаружить её и поддерживать защитное состояние до тех пор, пока опасность не минует.

Исследование на крысах 1995 года показало, что нейроны миндалевидного тела, отвечающие за обучение страху, реагируют на угрожающие звуки очень коротким, быстрым импульсом, длящимся всего несколько миллисекунд. Позже, в 2002 году, лабораторное исследование показало, что предупреждающие сигналы быстро передаются из миндалевидного тела непосредственно в соседнее ядро ASt.

Несоответствие между кратковременными мозговыми сигналами и длительными реакциями страха стало важным вопросом, поскольку исследование грызунов 2009 года выявило загадку: сигналы миндалевидного тела практически мгновенно исчезают, несмотря на то, что защитное поведение сохраняется в течение десятков секунд.

Новое исследование изучает этот быстрый путь, чтобы определить, обеспечивает ли ASt непрерывный сигнал тревоги, необходимый для поддержания защитного поведения в течение более длительных периодов времени. Исследование возглавил Фергил Миллс из Университета Юты, который проводил исследование в качестве постдокторанта в лаборатории старшего автора Кей М. Тай в Институте биологических исследований Салка.

«Создавалось ощущение, что важная часть нейронной сети еще не обнаружена», — сказал Миллс. «В этом исследовании мы охарактеризовали «амигдалостриатальную переходную зону» (ASt), в значительной степени неизученную область мозга, и обнаружили, что она сохраняет реакцию на сигналы угрозы в течение всего времени их присутствия».

«Роль этой структуры ранее была неизвестна, и наша работа определяет ASt как «недостающий элемент» нейронных цепей, отвечающих за обучение и поведение», — добавил он.

Ученые начали с изучения генетического состава ASt и окружающих его структур головного мозга. Они извлекли и проанализировали генетический материал 97 434 отдельных клеточных ядер из мозга мышей. Анализ показал, что ASt обладает уникальной генетической идентичностью.

В частности, в ASt наблюдается необычно высокая концентрация определенного типа клеток головного мозга, называемых Drd2-позитивными нейронами, которые несут специфический рецептор для химического мессенджера дофамина. Около 71 процента нейронов в ASt относятся к этому типу, по сравнению с всего 26 процентами для родственного типа клеток, известного как Drd1a-позитивные нейроны.

Далее команда измерила электрическую активность нейронов ASt у 15 живых мышей. Мышей обучали в среде, где 20-секундный звуковой сигнал предсказывал легкий удар током в лапу, а другой 20-секундный сигнал предсказывал вознаграждение в виде сладкой жидкости. Исследователи обнаружили, что нейроны ASt сильно реагировали на сигнал, предсказывающий удар током.

В отличие от коротких всплесков активности, наблюдаемых в миндалевидном теле, нейроны ASt непрерывно активировались в течение всех 20 секунд воздействия угрожающего сигнала. В экспериментах, где мыши демонстрировали наиболее выраженное защитное поведение, например, замирание на месте, частота активации нейронов ASt была более чем в три раза выше, чем в экспериментах с низкой интенсивностью защитного поведения.

Чтобы выяснить, действительно ли эта активность мозга вызывала защитное поведение, исследователи использовали оптогенетику — метод, позволяющий ученым контролировать определенные нейроны с помощью света. Они протестировали 18 мышей, генетически модифицированных таким образом, чтобы их нейроны ASt активировались синими лазерами. Когда исследователи направили свет в область ASt, мыши немедленно замерли.

В отдельном эксперименте, где лазер срабатывал на одной стороне клетки, мыши активно избегали этой стороны. Затем команда исследователей выделила эффекты двух разных типов клеток, протестировав еще 35 мышей. Они обнаружили, что активация только Drd2-положительных нейронов вызывала те же реакции замирания и избегания, в то время как активация Drd1a-положительных нейронов не оказывала никакого влияния на эти реакции.

Тест на координацию движений с использованием вращающегося стержня показал, что замирание было защитной реакцией, а не общей неспособностью двигаться. Исследователи также отслеживали активность этих конкретных типов клеток во время выполнения задания с тональным сигналом, используя миниатюрные микроскопы, прикрепленные к головам 15 мышей. Наблюдая за уровнем кальция, который повышается при активности нейронов, они обнаружили, что Drd2-положительные нейроны поддерживали высокий, устойчивый уровень активности на протяжении всего звучания тональных сигналов, предсказывающих угрозу.

Наконец, команда проверила, действительно ли ASt строго необходим для реакций страха. Они использовали другой оптогенетический инструмент для подавления активности Drd2-позитивных нейронов ASt у группы из 21 мыши. Во время выполнения задания с тональным сигналом блокирование этих нейронов привело к снижению защитного поведения мышей, такого как замирание или внезапный рывок, почти на 50 процентов. Блокирование этих клеток не изменило реакции животных на сигналы вознаграждения и не повлияло на их общее движение на открытой арене.

«Наблюдаемые нами результаты в области нейронных и поведенческих исследований были поразительными», — сказал Миллс. «Ингибирование субпопуляции нейронов ASt привело к снижению реакции страха почти на 50% — значительное снижение для структуры, которая ранее никогда не считалась частью цепи страха».

«Это говорит нам о том, что ASt не просто коррелирует с реакциями страха, но и вносит в них значимый причинно-следственный вклад», — отметил он.

Как и в любом исследовании, следует помнить о нескольких моментах. В экспериментах использовался только один тип угрозы — удар током в ногу, и один тип вознаграждения — сладкий напиток. До конца не решено, обрабатывает ли ASt специфически негативный характер переживания, или же он может реагировать и на другие интенсивные стимулы.

Кроме того, у мышей не наблюдалась активация ASt, когда их помещали в контекст или среду, которые они ассоциировали со страхом, а только когда они слышали специфический предупреждающий тон.

«Интересной деталью нашего исследования стало то, что ASt сохраняет реакции на конкретные сигналы угрозы, но не на места, где происходили негативные события», — объяснил Миллс. «Это говорит о том, что ASt играет специализированную роль в страхе, вызываемом сенсорными сигналами, а не окружающей средой в целом — это ключевое новое понимание того, как мозг организует различные виды реакций страха».

«Важно отметить, что, по нашему мнению, наши результаты дополняют, а не противоречат установленным схемам работы миндалевидного тела в процессе обучения страху», — сказал он. «Мы считаем, что ASt является ключевой частью гораздо более крупной схемы, и что ASt и миндалевидное тело, вероятно, работают вместе, чтобы координировать реакции на угрозы. Кроме того, эти эксперименты проводились на мышах, поэтому следующим важным шагом будет определение того, как эти результаты применимы к людям».

Ученые надеются выяснить, играет ли этот механизм роль в таких состояниях, как тревожность или посттравматическое стрессовое расстройство, при которых нарушается реакция на внешние раздражители.

«Понимание механизмов обучения страху имеет решающее значение для здоровья человека, поскольку неадаптивные реакции страха являются характерным признаком нейропсихиатрических расстройств, таких как посттравматическое стрессовое расстройство и тревожные расстройства», — отметил Миллс. «При этих расстройствах реакции страха могут стать стойкими, генерализованными или спонтанными, что приводит к тяжелым последствиям для здоровья».

«Для разработки новых методов лечения этих расстройств нам необходимо понять фундаментальные нейронные цепи, которые мозг использует для обучения страху», — добавил он. «Именно поэтому открытие роли ASt в формировании страха так важно — это часть более сложной головоломки, которую нам необходимо решить для улучшения здоровья человека».

Хотя миндалевидное тело активно изучалось в контексте психических расстройств, ASt представляет собой новый рубеж в понимании того, как мозг реагирует на опасность. В будущих исследованиях необходимо будет точно изучить, как ASt взаимодействует с миндалевидным телом на начальном этапе обучения восприятию угрозы.

«Теперь, когда мы знаем, что ASt играет роль в реакциях страха, он также представляет новый интерес для изучения расстройств, при которых реакции страха нарушены», — объяснил Миллс. «Легко представить, что если цепи ASt опосредуют устойчивые реакции на угрозы, то дисфункция этих цепей может привести к неадаптивным реакциям страха, которые мы наблюдаем при различных расстройствах».

«Сейчас мы сотрудничаем с другими исследователями для изучения функции ASt у человека, открывая новое направление в трансляционных исследованиях области мозга, которая практически полностью игнорировалась в исследованиях психического здоровья», — сказал он.