Учёные обнаружили, что в мозге есть "измеритель тревожности"

Ученые обнаружили, что определенная область мозга, называемая вентральным гиппокампом, действует как "измеритель тревожности". Эта область мозга увеличивает свою активность пропорционально уровню тревожности. Используя специально разработанный лабиринт для мышей, ученые продемонстрировали в новом исследовании, опубликованном в Журнале Неврологии, что по мере того как животные сталкивались с все более тревожными ситуациями, активность нейронов в их вентральном гиппокампе соответственно возрастала.

Тревожность — это основная эмоция, которая помогает животным и людям выживать, готовя их к столкновениям с опасностью. Это естественный ответ на угрозы, побуждающий к бдительности и действию. Однако когда тревожность становится чрезмерной или постоянной, она может привести к значительным проблемам, таким как хронические тревожные расстройства. Эти состояния затрагивают миллионы людей по всему миру и могут существенно повлиять на качество жизни. Хотя существуют некоторые методы лечения тревожности, они не всегда эффективны для всех, что подчеркивает настоятельную необходимость лучше понять механизмы мозга, лежащие в основе тревожности.

"Тревожность — это глубоко личное, но широко распространенное состояние. Хотя некоторый уровень тревожности нормален и даже полезен, чрезмерная или постоянная тревожность может оказывать угнетающее влияние, усложняя повседневную жизнь", — сказал автор исследования Карло Черкветелла, постдокторант в лаборатории Стефана Чиокки в Университете Берна.

"Общество часто недооценивает тревожность, считая ее простым раздумьем или нервозностью, но для пострадавших она может быть подавляющей, влияя на принятие решений, социальные взаимодействия и общее благополучие. Несмотря на ее распространенность, мы по-прежнему не вполне понимаем, как тревожность обрабатывается в мозге. Вот почему я увлечен раскрытием того, как тревожность кодируется и как разные ситуации представлены на нейронном уровне — знание, которое могло бы проложить путь к лучшим методам лечения и интервенциям."

Ранее исследования показывали, что несколько областей мозга, включая миндалевидное тело, префронтальную кору и гиппокамп, играют роли в обработке эмоций. Однако оставалось неясным, как мозг представляет и реагирует на разные уровни тревожности, а не просто на саму тревожность. Исследователи предположили, что гиппокамп, структура мозга, известная своей ролью в обучении и памяти, может участвовать в этом процессе. Гиппокамп помогает нам разобраться в окружающей нас среде, сравнивая новую информацию с прошлым опытом. Внутри гиппокампа его вентральная часть была особенно связана с обработкой угроз и тревожности.

Они выдвинули гипотезу, что вентральный гиппокамп может оказаться ключом к пониманию того, как мозг масштабирует свою реакцию на разные уровни тревожности. Существующие методы изучения тревожности у животных, такие как подъемный плюс-лабиринт, часто связаны с ситуациями, где уровни тревожности фиксированы и их трудно точно контролировать или количественно оценить. Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи разработали новый адаптивный лабиринт, который мог создавать ряд сценариев, вызывающих тревожность, в контролируемой среде.

Этот лабиринт можно было настроить шести различными способами, чтобы создать разные уровни тревожности. В настройке "нет тревожности" лабиринт был полностью закрыт стенками и находился на уровне земли, так что мыши не могли видеть высоты. В настройке "очень низкая тревожность" одна половина лабиринта была открыта, открывая мышам высоту в 20 сантиметров. В настройке "низкая тревожность" высота была увеличена до 70 сантиметров, а в "умеренной тревожности" поднялась до 120 сантиметров. Настройка "высокая тревожность" сохраняла высоту 120 сантиметров, но также сужала ширину открытой части лабиринта.

Наконец, настройка "очень высокая тревожность" подняла лабиринт до 170 сантиметров, сохраняя узкую ширину. Небольшие пищевые награды были размещены в конце открытой части лабиринта, чтобы побудить мышей исследовать. Автоматическая дверь в начале лабиринта позволяла делать перерывы между испытаниями и создавала безопасную стартовую область.

В исследовании участвовали самцы-мыши в возрасте от 4 до 6 месяцев. Некоторые мыши прошли процедуру, чтобы сделать определенные нейроны в их вентральном гиппокампе чувствительными к свету. Эта техника, называемая оптогенетикой, позволяет исследователям временно контролировать активность нейронов с помощью света. У этих мышей были имплантированы маленькие оптические волокна в их вентральный гиппокамп. Другая группа мышей имела электроды, имплантированные в ту же область мозга, для записи электрической активности отдельных нейронов.

Во время экспериментов мыши помещались в регулируемый лабиринт, и их поведение записывалось. Для экспериментов с оптогенетикой свет освещал вентральный гиппокамп некоторых мышей, когда они перемещались из закрытой части лабиринта в открытую, временно снижая активность этих нейронов. Для экспериментов с электрофизиологией активность нейронов в вентральном гиппокампе записывалась, когда мыши перемещались по различным уровням тревожности в лабиринте.

Исследователи измеряли, как мыши велись в каждом состоянии тревожности, в частности, обращая внимание на количество раз, когда они заходили в открытую часть лабиринта, и на время, проведенное там. Они обнаружили, что по мере увеличения уровня тревожности лабиринта мыши завершали меньше испытаний и проводили меньше времени в открытой зоне. Это подтвердило, что лабиринт действительно эффективно вызывал разные уровни тревожности у мышей.

Важно, что когда исследователи использовали свет для снижения активности нейронов в вентральном гиппокампе, они наблюдали, что мыши проявляли меньше поведения, связанного с тревожностью. Эти мыши были более склонны входить в открытые части лабиринта и проводить там больше времени, даже в условиях высокой тревожности. Снижение активности вентрального гиппокампа нарушало нормальное масштабирование тревожности. Обычно по мере увеличения уровня тревожности поведение мышей изменялось соответственно. Но когда вентральный гиппокамп был подавлен, этот эффект масштабирования ослаблялся; поведение мышей не изменялось так сильно при разных уровнях тревожности. Это указывает на то, что вентральный гиппокамп необходим для правильного восприятия и реагирования на различные уровни тревожности.

"Я был искренне удивлен результатами всего исследования, и это оказало наибольшее влияние на мою работу", – рассказал Черкветелла PsyPost. "Однако если бы мне пришлось выделить одно конкретное открытие, это была бы оптогенетическая часть. Сила оптогенетической ингаляции клеток гиппокампа в изменении состояния тревожности животного, особенно в самых тревожных условиях, была замечательной. Это действительно подчеркивает мощную роль гиппокампа в регуляции тревожности."

Записывая активность отдельных нейронов в вентральном гиппокампе, исследователи обнаружили, что общая активность этой области мозга возрастала пропорционально по мере увеличения уровней тревожности в лабиринте. Это масштабируемая активность наблюдалась конкретно в открытых, вызывающих тревожность частях лабиринта, но не в безопасной, закрытой части. Это увеличение активности не было просто результатом того, что мыши двигались больше или по-другому в лабиринте.

Дальнейший анализ выявил два ключевых механизма на уровне отдельных нейронов, способствующие этому масштабированию. Во-первых, некоторые нейроны продемонстрировали "настройку", что означает, что их скорость разряда возрастала в градуированном порядке по мере увеличения уровней тревожности. Во-вторых, произошло "нейронное привлечение". На каждом повышающем уровне тревожности новые нейроны начинали активироваться в вентральном гиппокампе, и эти нейроны оставались активными даже при более высоких уровнях тревожности. Обе эти процессы — повышенная настройка существующих нейронов и привлечение новых нейронов — способствовали общему масштабированию активности в вентральном гиппокампе по мере увеличения тревожности.

Для обеспечения того, чтобы изменения активности вентрального гиппокампа были непосредственно связаны с тревожностью, а не просто с новизной конфигураций лабиринта, исследователи протестировали "новую" обстановку лабиринта. В этой обстановке открытая часть лабиринта была изменена так, чтобы выглядеть и ощущаться по-другому, но высота и открытость оставались аналогичными контролю "нет тревожности". Они обнаружили, что хотя мыши исследовали этот новый сегмент, это не вызвало такого же увеличения активности в вентральном гиппокампе, как конфигурации лабиринта, вызывающие тревожность. Это предполагало, что изменения, которые они наблюдали, в первую очередь обусловлены тревожностью, а не просто общей новизной.

Наконец, исследователи использовали компьютерный алгоритм, называемый линейным классификатором, чтобы выяснить, смогут ли они предсказать уровень тревожности на основе зарегистрированной активности нейронов в вентральном гиппокампе. Классификатор смог точно определить уровень тревожности по нейронной активности, что дополнительно подтверждает идею о том, что вентральный гиппокамп кодирует информацию о уровнях тревожности масштабируемым образом. Когда классификатор обучили различать только между самыми низкими и высокими уровнями тревожности, он все равно демонстрировал постепенное масштабирование в своих предсказаниях для промежуточных уровней тревожности, что усиливало концепцию вентрального гиппокампа как "измерителя тревожности".

"Наше исследование подчеркивает важную роль гиппокампа в представлении различных интенсивностей тревожности", – объяснил Черкветелла. "Вместо того чтобы просто сигнализировать о наличии или отсутствии тревожной ситуации, гиппокамп также предоставляет инсайты о том, насколько интенсивен тревожный опыт."

Исследователи признают, что это исследование было проведено на мышах, и пока неясно, действуют ли те же механизмы у людей. "Основным 'камнем преткновения' этого исследования является проблема перевода результатов с грызунов на людей, а также тот факт, что мы использовали только одну экспериментальную установку", — заметил Черкветелла. "Выбор сосредоточиться на одной модели был обусловлен ограничениями по времени и ресурсам."

"Что касается трансляционного аспекта, то в принципе трудно полностью интерпретировать, что чувствует животное и как оно воспринимает тревожную ситуацию в рамках человека. Однако тревожность — это высоко сохраненное состояние среди всех млекопитающих."

"Более того, гиппокамп, который играет центральную роль в представлении тревожности и тревожного поведения, функционирует аналогично как у грызунов, так и у людей, — сказал Черкветелла. — Это предполагает, что аналогичные механизмы могут лежать в основе как нормального, так и патологического эмоционального поведения, такого как тревожность."

Понимание этого механизма может открыть новые пути для разработки более эффективных методов лечения тревожных расстройств и других условий.

"Моя долгосрочная цель – дальше исследовать нейронные цепи, лежащие в основе тревожности и других расстройств настроения, таких как депрессия", — сказал Черкветелла. — Эти условия затрагивают бесчисленное количество людей и могут быть глубоко изнурительными. Понимание того, как они кодируются в мозге, имеет важное значение для разработки лучших методов лечения и поиска способов помочь людям более эффективно справляться с этими разрушительными заболеваниями."

Исследование "Масштабирование активности вентрального гиппокампа во время тревожности" было написано Карло Черкветеллой, Камилой Гонтье, Томасом Форо, Жан-Паскалем Пфистером и Стефаном Чиокки.