Крысы и вознаграждения: как диабет меняет наши мозги

Новое исследование, опубликованное в журнале «Journal of Neuroscience», показало, что диабет 2 типа может менять способы, которыми мозг обрабатывает пространственную и связанную с вознаграждением информацию. Используя модель диабета на крысах, исследователи показали, что нейронная активность в области мозга, называемой передней поясной корой, сместилась от представления мест вознаграждения к более сосредоточенному ожиданию этих мест. Эти результаты вызывают вопросы о том, как метаболические расстройства могут повлиять на когнитивные функции и мотивацию.

Диабет 2 типа — это хроническое метаболическое расстройство, которое нарушает регуляцию уровня сахара в крови и связано с множеством проблем со здоровьем, включая повышенный риск деменции и депрессии. Ранее проведенные исследования показали, что люди с диабетом часто испытывают незначительные когнитивные трудности, включая проблемы с рабочей памятью и вниманием. Однако ученые все еще плохо понимают, как заболевание нарушает конкретные мозговые цепи, поддерживающие эти функции.

«Диабет 2 типа является номером один среди изменяемых факторов риска болезни Альцгеймера, и это состояние также оказывает когнитивное влияние, которое плохо изучено», — сказал автор изучения Джеймс М. Хайман, доцент психологии в Университете Невада в Лас-Вегасе и директор лаборатории HivE.

Чтобы это исследовать, ученые обратились к привычной модели диабета на животных. Они использовали химическое соединение стрептозотоцин для индукции хронической гипергликемии у крыс, имитируя длительные высокие уровни сахара в крови, наблюдаемые у людей с диабетом 2 типа. Затем они обучили крыс выполнять задачу на пространственную рабочую память, известную как задержка альтернативы. В этой задаче крысы научились чередовать повороты налево и направо в Т-образном лабиринте, чтобы получить вознаграждение — каплю шоколадного молока без сахара — после небольшой задержки.

Во время выполнения задачи исследователи записывали активность нейронов в двух областях мозга: передней поясной коре, которая является частью префронтальной коры и играет центральную роль в целенаправленном поведении и обработке вознаграждения, и гиппокампе, который критически важен для памяти и пространственной навигации. Микроэлектроды, имплантированные в мозг крыс, позволили исследователям измерить режимы стрельбы отдельных нейронов и проанализировать, как эти режимы изменялись в ответ на различные части лабиринта и различные этапы задачи.

Исследователи обнаружили, что на первый взгляд сахарные и контрольные крысы выполняли задачу аналогично. Обе группы проходили одинаковое количество испытаний, показали схожую точность в коротких задержках и двигались по лабиринту с сопоставимой скоростью. Однако при более пристальном взгляде появились тонкие поведенческие отличия. Крысы с диабетом проводили меньше времени в месте получения вознаграждения, чем здоровые крысы. В то время как контрольные животные часто останавливались после получения вознаграждения, крысы с диабетом быстро двигались дальше, что свидетельствует о сниженной чувствительности или реакции на получение вознаграждения.

При обследовании нейронной активности в передней поясной коре исследователи наблюдали ряд отличий между крысами с диабетом и контрольными крысами. Хотя общее количество разрядов отдельных нейронов было схожим, у диабетических крыс наблюдалось большее содержание пространственной информации в их нейронной активности. Другими словами, их нейроны были более точно настроены на конкретные места в лабиринте. Замечательно, что гораздо больше нейронов у диабетических крыс ведут себя как «клетки места», которые активируются, когда животное находится в определенном месте.

Однако эти «клетки места» не были равномерно распределены по лабиринту. У диабетических крыс они были сильно сосредоточены в местах, ведущих к зоне вознаграждения, а не в самой локации вознаграждения или после нее. Это свидетельствует о том, что мозг крыс с диабетом сосредоточивался больше на ожидании вознаграждения, чем на реакции на его получение. В отличие от них, у контрольных крыс нейроны были более равномерно распределены по лабиринту и особенно выражены в месте вознаграждения, отражая как ожидание, так и получение вознаграждения.

«Мы не ожидали найти изменения в обработке вознаграждений», — сказал Хайман в интервью. «Мы думали, что будут различия, касающиеся только процессов памяти. Но, что интересно, мы обнаружили, что эта ключевая цепь между гиппокампом и передней поясной корой (которая, как мы считали, является в основном цепью памяти) на самом деле очень сильно вовлечена в вознаграждение. Это также ключевая цепь, которая меняется на ранних этапах прогрессирования от здорового старения к легкой когнитивной дисквалификации (первый шаг на пути к деменции).»

На уровне популяции исследователи обнаружили дополнительные доказательства измененной обработки у диабетических крыс. У контрольных животных группы нейронов в передней поясной коре демонстрировали отчетливые шаблоны активности, которые четко отличали между поворотами налево и направо в лабиринте, особенно в месте вознаграждения. Этот шаблон был слабее у крыс с диабетом, указывая на то, что их нейронные ансамбли не кодировали пространственную информацию, связанную с вознаграждением, так сильно.

Исследование также изучило, как нейронная активность была скоординирована с ритмическими волнами мозга, известными как тета-осцилляции, которые вовлечены в память и навигацию. У контрольных крыс нейроны, синхронизированные с тета-ритмами — особенно те, что исходят из гиппокампа — были особенно важны для кодирования информации о вознаграждении. У диабетических крыс это кодирование, связанное с вознаграждением, со стороны нейронов, синхронизированных с тета-ритмами, было ослаблено, хотя число синхронизированных клеток было аналогичным для обеих групп. Это предполагает, что хотя структура нейронной связи осталась неизменной, информация, которую передают, была изменена.

Важно отметить, что исследователи обнаружили, что у диабетических крыс все еще сохраняется информация об ожидаемой ценности вознаграждений. Анализируя режимы стрельбы, предсказывающие события задачи независимо от местоположения в лабиринте, они обнаружили схожую активность между группами. Однако ключевым различием было то, что местоположение вознаграждения и ожидание вознаграждения, которые были тесно связаны у контрольных крыс, стали разъединены у диабетических животных. Эта разобщенность может объяснить, почему диабетические крысы не задерживались на месте вознаграждения, даже если они ожидали его получения.

«Диабет 2 типа приводит к изменениям в том, как вознаграждения обрабатываются в нашем мозгу», — объяснил Хайман. «Хотя эти изменения не нарушают когнитивную производительность, они показывают, что мозг функционирует иначе.»

«Это имеет два основных последствия: 1) Снижение ответов на вознаграждения при диабете 2 типа может объяснить, почему пациентам так сложно придерживаться образа жизни, включающего правильное питание и физические упражнения. Их мозг просто не реагирует на нормальные вознаграждения так, как должен. 2) У болезни Альцгеймера есть продромальная фаза, которая длится десятилетия, где влияние скрыто способностью мозга перенастраивать процессы и решать проблемы иначе, известной как когнитивная или нейронная компенсация. Это маскирует основную патологию и в настоящее время не обнаруживается».

«Если мы сможем определить, когда пациенты незаметно используют когнитивную компенсацию, это может помочь нам выявить людей в их 40-х и 50-х годах, которые движутся в сторону болезни Альцгеймера в свои 70 лет. Надеюсь, мы сможем вмешаться и предотвратить появление заболевания вовсе».

У исследования есть свои ограничения. Работы проводились на крысах, и хотя эти модели полезны для изучения механизмов заболеваний, результаты не всегда пересекаются с человеческими. Кроме того, поведенческая задача была сосредоточена на испытаниях с короткой задержкой, поэтому остается неясным, будут ли наблюдаемые эффекты более выраженными в условиях более требовательной памяти.

«Все эти данные получены из моделей грызунов, поэтому все необходимые оговорки действуют», — отметил Хайман. «Кроме того, у этих животных была только одна симптоматика диабета 3 типа, хроническая гипергликемия. Это обычно сопровождается ожирением и другими метаболическими проблемами. Для этого исследования мы хотели изолировать гипергликемию».

Исследователи указывают на несколько возможных механизмов, стоящих за измененной нейронной активностью у диабетических крыс. Одной из возможностей является разрушение глюкозосчитывающих нейронов в передней поясной коре стрептозотоцином, что может нарушить способ, которым этот регион обрабатывает вознаграждения. Другой вариант — изменения в метаболите мозга, называемом мио-инозитолом, который повышен при диабете и связан с изменениями мозговой связности и когнитивным падением.

Будущие исследования могут изучить, как эти изменения развиваются со временем и присутствуют ли аналогичные паттерны у пациентов. Результаты также ставят новые вопросы о том, как лечение диабета — включая изменения образа жизни и медикаментозное лечение — могут помочь сохранить или восстановить здоровую функционирование мозга. Поскольку уровни диабета продолжают расти по всему миру, понимание того, как это состояние влияет на мозг, станет все более важным для разработки эффективных стратегий предотвращения и вмешательства.

«Мы надеемся выявить скрытые сигнатуры когнитивной компенсации, чтобы мы могли лучше понимать, что искать у пациентов», — объяснил Хайман. «Поскольку после диагностики болезни Альцгеймера нет лекарства, надежда заключается в том, что раннее вмешательство может остановить прогрессирование заболевания».

«Большая проблема, по-видимому, состоит в нелеченом диабете, поэтому важно проводить ежегодные анализы крови для выявления диабета», — добавил он. «Если будет поставлен диагноз, важно контролировать уровень сахара в крови и стремиться избежать резких колебаний.»

Исследование под названием «Информация о местоположении вознаграждения ACC передается синхронностью тета-гиппокампа и подавляется в модели диабета 2 типа» было написано Гунчей Бхасин, Эммануэлем Флоресом, Лорой А. Крю, Райаном А. Уиртом, Эндрю А. Ортисом, Джефферсоном В. Кинни и Джеймсом М. Хайманом.