Как амфетамин сбивает с толку время и мозг: когда твои часы идут не по расписанию

Амфетамин сбивает с толку временное восприятие мозга, нарушая координацию нейронов префронтальной коры. Новое исследование, опубликованное в журнале Neuropharmacology, проясняет, как амфетамин, часто незаконно используемый и прописываемый для лечения внимательных расстройств, влияет на мозговую активность, связанную с исполнительным контролем. Исследователи выяснили, что однократная доза амфетамина нарушила способность мышей точно определять время, изменив способ, которым нейроны в префронтальной коре представляют время. Полученные результаты позволяют предположить, что амфетамин нарушает когнитивные функции, увеличивая изменчивость нейронных сигналов, кодирующих время, что является ключевым компонентом принятия решений и внимания.

Амфетамин – это мощный стимулятор, который увеличивает уровень таких химических веществ, как дофамин и норэпинефрин в мозге. Хотя он может временно улучшить концентрацию или бдительность, у него также есть хорошо задокументированные побочные эффекты, особенно при приеме в больших дозах или без медицинского надзора. Одна из областей опасений – это его влияние на исполнительные функции: высшие процессы, включая планирование, внимание и самоконтроль. Префронтальная кора, регион мозга, участвующий в этих функциях, особенно чувствителен к изменениям уровня дофамина, значительным образом затрагиваемых употреблением амфетамина.

Новое исследование, возглавляемое Мэттью Уэбером и Нандакумаром Нараяном из Университета Айова, попыталось лучше понять, как амфетамин влияет на мозговую активность во время задач, требующих исполнительного контроля.

"Амфетамин – это наркотик, который часто употребляется неправильно, что вызывает выброс дофамина из нейронов и предотвращает повторное всасывание дофамина. Мы знаем, что амфетамин может оказывать огромное влияние на когнитивные функции, но неизвестно, почему или как. Мы провели это исследование, чтобы рассмотреть основные механизмы, как амфетамин влияет на когнитивные функции," - сказал Нараян, профессор имени Хуаниты Дж. Бартлетт и директор Центра нейродегенерации Университета Айова.

Чтобы исследовать это, исследователи обратились к интервалам времени – задаче поведения, в которой животные должны оценить временные интервалы в несколько секунд, чтобы получить награду. Интервальное время широко используется в исследованиях как с животными, так и с человеком, потому что оно зависит от префронтальной коры и требует внимания и рабочей памяти. Важно, что эта задача предоставляет способ измерить не только то, насколько точно субъект судит о времени, но также и то, насколько последовательно они делают свои оценки с испытания на испытание.

Команда исследователей подошла к этому вопросу в два этапа. Сначала они провели мета-анализ 15 ранее опубликованных исследований о грызунах, которые связывали амфетамин с интервальным временем. Они обнаружили, что амфетамин оказал значительный эффект на точность времени, делая оценки времени животных более изменчивыми. Хотя он также влиял на точность определения времени – было ли время в основном заранее или поздно – влияние на изменчивость оказалось сильнее. Эти результаты установили надежную связь между употреблением амфетамина и нарушенным временным суждением.

Далее команда провела собственный эксперимент, используя мышей, обученных в хорошо установленной версии задачи интервалов времени. Мыши получили обучение переключения между двумя реакционными портами в зависимости от того, сколько времени прошло, с наградами за правильное время. После нескольких недель обучения исследователи имплантировали электроды в префронтальную кору мышей, чтобы следить за активностью отдельных нейронов во время задачи. В первый день мыши получили инъекцию физиологического раствора перед задачей, чтобы установить базу. На второй день им была сделана инъекция амфетамина перед выполнением той же задачи снова.

Ведя себя, мыши показали увеличенную изменчивость в их показателях времени после получения амфетамина. Хотя их среднее время немного сдвинулось вперед, более заметным эффектом стал недостаток последовательности в том, когда они принимали решения. Это изменение отразило результаты предыдущего мета-анализа и предположило, что амфетамин затруднил мышам поддерживать стабильные оценки времени на протяжении испытаний.

На нейронном уровне исследователи сосредоточились на паттернах активности, известных как "разгон" – постепенные изменения в скоростях выстрелов нейронов, которые происходят в течение временного интервала. Эта активность считается отражением того, как мозг отслеживает время. В обычных условиях многие нейроны префронтальной коры показывают стабильное увеличение или снижение активности в течение интервала. Однако после введения амфетамина эта разгонная активность стала значительно более изменчивой. Средняя скорость выстрелов не изменилась, но последовательность разгонного паттерна от испытания к испытанию изменилась. Это предполагает, что внутренние часы мозга больше не работают надежно.

"Мы предполагали, что амфетамин ухудшит функции мозга, но мы были удивлены тем, что амфетамин нарушил то, как эти нейроны взаимодействуют. Мы можем измерить, как нейроны работают вместе, и обнаружили, что амфетамин ослабил эти взаимодействия. Это дает новое представление о том, как нейроны в префронтальной коре сотрудничают и как амфетамин разлагает это сотрудничество," - сказал Нараян из PsyPost.

Исследователи также обнаружили, что координация между нейронами была ослаблена после воздействия амфетамина. Нейроны, которые обычно показывали синхронизированную активность во время задачи, стали менее функционально связанными. Используя совместные измерения активности между парами нейронов, исследователи показали, что кооперативные паттерны выстрелов, наблюдаемые в обычных условиях, были уменьшены при введении наркотика. Эти ослабленные взаимодействия могут отражать разрушение нейронных сетей, поддерживающих сложные временные и процессуальные решения.

Еще одним ключевым открытием стали низкочастотные ритмы мозга в диапазоне 2–5 Гц, которые часто связываются с когнитивным контролем и вниманием. Эти колебания заметно уменьшились в префронтальной коре после введения амфетамина. Предыдущие исследования предполагали, что такие ритмы мозга играют важную роль в организации нейронной активности во время задач, требующих сосредоточенного внимания или временных интервалов. Их нарушение может в дальнейшем объяснить потерю точности, наблюдаемую в поведенческих данных.

В совокупности результаты обеспечивают убедительные доказательства того, что амфетамин влияет на то, как мозг обрабатывает время, нарушая последовательность и координацию нейронной активности в префронтальной коре. Эффекты наблюдались после единственной дозы наркотика, что указывает на то, что даже острое воздействие может нарушить основные аспекты исполнительной функции.

"Мы сосредоточились на простом когнитивном поведении – оценка интервалов времени в несколько секунд, которые помогают руководить нашими повседневными взаимодействиями с миром," - объяснил Нараян. "Наше исследование, которое было проведено на грызунах и сосредоточено на префронтальной коре, предлагает уникальный взгляд на то, как амфетамин влияет на это когнитивное поведение. Мы считаем, что это имеет отношение к пониманию наркотиков, лечения, а также заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и шизофрения, связанная с дофамином."

Как и в любом исследовании, есть ограничения, которые необходимо учитывать. Во-первых, хотя использованная доза соответствовала предыдущим исследованиям, она отражает более высокий уровень диапазона, используемого в исследованиях на грызунах, и может не соответствовать точно типичному человеческому употреблению. Во-вторых, наркотик был введен системно, затрагивая весь мозг. Хотя исследователи сосредоточились на префронтальной коре, амфетамин также влияет на другие регионы, такие как стриатум, который участвует в точности времени. Будущие исследования потребуется провести, чтобы выделить конкретные вклады различных областей мозга и систем нейротрансмиттеров в наблюдаемые поведенческие изменения.

Еще одно ограничение заключается в том, что исследование изучило только эффекты единственной дозы. По-прежнему неясно, как повторное или хроническое употребление амфетамина может повлиять на временную обработку и нейронную координацию со временем. Исследователи предполагают, что в будущих исследованиях можно будет объединить этот вид нейронной записи с техниками, которые позволяют более точно манипулировать мозговыми цепями, такими как оптогенетика, чтобы лучше понять причинно-следственные связи между нейронной изменчивостью и временным поведением.

"Наше исследование было проведено на грызунах, поэтому мы должны быть осторожны при переносе наших результатов на людей," - отметил Нараян. "Тем не менее, причина, по которой мы изучаем поведение времени, заключается в том, что у всех млекопитающих, от грызунов до людей, есть схожие процессы мозга, которые помогают руководить нашими действиями во времени."

"Амфетамин – это сложный наркотик, который затрагивает многие разные области мозга. Мы изучаем, как другие области мозга участвуют и разрабатываем гораздо более конкретные методы для изучения того, как амфетамин влияет на когнитивные функции."

"Наша цель – понять, как дофамин влияет на нейронные цепи когнитивных функций," - добавил Нараян. "С помощью усердной работы и строгой науки это знание может привести к новым биомаркерам и, возможно, даже новым методам лечения заболеваний, которые нарушают когнитивные функции."

"Единственный способ, которым мы развиваем такие новые знания, заключается в тщательной и строгой науке – мы бы хотели поблагодарить американскую общественность и Национальные институты здоровья за финансирование этой работы. Мы надеемся продолжить работу над этой проблемой, чтобы прийти к лучшему пониманию и лучшему лечению зависимости от амфетамина, СДВГ, болезни Паркинсона и шизофрении."
В исследовании "Амфетамин увеличивает временную изменчивость, разлагая временное кодирование префронтальной коры" приняли участие авторы: Мэттью А. Уэбер, Картик Сивакумар, Брейдон К. Киркпатрик, Ханна Р. Статт, Эрвина Е. Табакович, Александра С. Бова, Янг-Чо Ким и Нандакумар С. Нараян.