В мозге более сотни молекулярных веществ действуют как передатчики, которые контролируют пути связи между нервными клетками через тысячи различных типов рецепторов. В обзорной статье международная исследовательская группа обсуждает, как активация определенных рецепторов нервных клеток влияет на нейронные сети в головном мозге. Авторы из Ruhr-Universität Bochum (RUB), Университета Помпеу Фабра в Барселоне и Оксфордского университета представляют концепции для количественной оценки рецептор-специфических модуляций состояний мозга. Они также разработали компьютерную модель, которая может предсказать влияние отдельных типов рецепторов на активность мозга.
Кроме того, исследователи показывают, как предсказания, полученные на компьютере, могут быть проверены и уточнены экспериментальными методами. Они надеются, что это приведет к новым способам диагностики и лечения психических расстройств. Они сообщают о своей работе и текущем состоянии исследований в обзоре современного состояния в журнале FEBS, опубликованном Федерацией европейских биохимических обществ в апреле 2021 года.
Моделирование динамики состояний мозга в компьютерной модели
Уже многое известно о молекулярной структуре нейрональных рецепторов. Но исследователи мало знают о том, как отдельные типы рецепторов изменяют целостную динамику в сетях мозга . Чтобы смоделировать это в компьютерной модели, исследовательская группа собрала данные из трех различных методов визуализации: информацию об анатомических связях в головном мозге, записанную с помощью диффузно-взвешенного магнитного резонанса.визуализация; информация об активности участников в состоянии покоя, полученная в результате измерений с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии, для краткости фМРТ; и распределение типов рецепторов, зарегистрированное с помощью позитронно-эмиссионной томографии. Используя эти данные, исследователи смогли создать индивидуальный рецепт для каждого субъекта, отражающий общее распределение типов рецепторов в головном мозге.
Это позволило исследователям смоделировать взаимодействия между нейронами в зависимости от активации отдельных типов рецепторов в компьютерной модели. Например, они фактически активировали рецептор серотонина 5-HT2A и наблюдали следующие изменения в модели мозга in-silico. «Паттерны активности были на удивление похожи на те, что наблюдались в сканере после того, как людям вводили псилоцибин или ЛСД — оба психоделических вещества, которые специфически связываются с рецептором 5-HT2A», — объясняет доцент доктор Дирк Янке, глава Bochum Optical Imaging Lab, ведущий автор обзорной статьи. Таким образом, компьютерная модель смогла предсказать изменения в общей динамике мозга после активации рецепторов одного типа.
Проверка прогнозов в экспериментах
Фармакологические вещества обычно не специфичны только для одного типа рецепторов; Другой недостаток — то, что их нельзя использовать для целевой активации нейронов локально. Это означает, что более сложные прогнозы и тесты на людях возможны лишь в ограниченной степени.
Поэтому авторы предлагают уточнить свои гипотезы с помощью оптогенетических методов и проверить их в экспериментах на животных. Исследовательская группа, возглавляемая соавтором профессором Стефаном Герлитце с кафедры общей зоологии и нейробиологии РУБ, является одним из пионеров этой методики. Вирусные векторы используются для инструктирования клеток производить определенные белки. С помощью этого метода можно, например, заставить генно-модифицированных мышей производить светоактивные рецепторы и белки, которые флуоресцируют, когда нервные клетки активны.
В предыдущих исследованиях авторы впервые использовали этот метод, чтобы показать, как серотонин влияет на обработку зрительной информации. «Наши результаты показывают, что рецептор 5-HT2A подавляет текущие визуальные сигналы», — объясняет Дирк Янке. «Таким образом, внешние раздражители становятся менее важными для мозга, и в то же время процессы, происходящие внутри, относительно усиливаются. Галлюцинации могут иметь свою причину в том, что этот дисбаланс стал слишком сильным».