Ключевая подпись подходит

Исследователи выявили нейрохимическую подпись, которая отличает болезнь Паркинсона от необходимого тремора – два из наиболее распространенных нарушений движения, но каждый из них связан с различными изменениями в мозге.

В новом исследовании в Природная связьУченые из фралинового биомедицинского научно -исследовательского института Virginia Tech в VTC и Колледжа науки определили уникальные химические сигналы двух ключевых нейротрансмиттеров – допамина и серотонина – которые различают эти два расстройства.

«Это исследование основывается на десятилетиях работы»,-говорит Рид Монтегю, ученый из Фралинового биомедицинского исследовательского института и автора соучредителя, который с коллегами разработал многогранные технологии и теоретические конструкции для работы в течение 15 лет в исследовательском институте.

«От адаптации теории поведенческих игр в нечто, что функционирует как медицинский тест на уточнение моделей машинного обучения, которое может видеть химию мозга в режиме реального времени, мы всегда стремились перевести информацию о чем -то клинически полезном», – говорит Монтегю, который руководит исследованием Центра нейронауки человека в Институте. «Это исследование делает четкий шаг в этом направлении».

Исследователи сосредоточились на регионе мозга, участвующей в принятии решений и обработке вознаграждений-хвостатом стриатума.

Используя электрохимическую технику с усилением машинного обучения во время хирургии глубокой стимуляции головного мозга (DBS) по существенному тремору и пациентам Паркинсона, команда измерила быстрые колебания, когда пациенты играли в игру, связанные с справедливыми и несправедливыми предложениями-задача, предназначенную для понимания принятия решений и химии мозга.

В раннем исследовании, выйдя из этой работы в 2018 году и опубликовано в НейропсихофармакологияИсследователи выявили первые в истории записи одновременных подсекундных колебаний дофамина и серотонина во время активного принятия решений по сознательному человеческому субъекту.

Ранний прорыв заложил основу для последних.

«Данные были собраны в течение восьми лет назад Монтегю и его командой в исследовательском институте и их сотрудникам в Университете Уэйк Форест, но мы вернулись к ним с лучшими инструментами и новой перспективой-и, наконец, увидели, что там было все время»,-говорит Уильям «Мэтт» Хоу, доцент из Школы нейробиологии в Колледже науки и со-сознания.

Во время операций DBS в 2017 и 2018 годах нейрохирурги Университета Уэйк Форест Адриан Лэкон и Стивен Тэттер помогли выполнить записи с использованием электродов углеродного волокна при болезни Паркинсона и важных пациентов с тремором, в то время как они играли в игру, где они принимают или отвергают предложения.

Протокол исследования был перенесен во время операции, когда нейрохирурги уже контролируют активность мозга в режиме реального времени, чтобы точно определить небольшую область целевого мозга для электрической стимуляции для лечения симптомов расстройств.

Теперь в Природная связь Исследование, исследователи применили вычислительную модель для отслеживания того, как эти пациенты сформировали и скорректировали свои ожидания во время игры, выявив фирменные химические сигналы, привязанные к каждому расстройству.

В люди Благодаря Essential Tremor, Monetary предлагает, что нарушало их ожидания во время игры, вызвали узоры качели – уровни допамина выросли, в то время как серотонин упал. Этот оппозиционный ответ-с одним нейротрансмиттером, поднимающимся по мере того, как другой падал-закономерности, наблюдаемые в более ранних исследованиях мозговой активности во время принятия решений.

В последних результатах эта взаимная нейрохимическая передача сигналов отсутствовала у пациентов с болезнью Паркинсона.

Известно, что дофамин-продуцирующие нейроны умирают при болезни Паркинсона, поэтому исследователи ожидали, что дофамин станет самой четкой химической разницей в мозге.

Но когда они внимательно посмотрели – используя изысканные инструменты и модель того, как люди формировали ожидания, – это был не дофамин, который наилучшим образом отличал Паркинсона от Essential Tremor. Вместо этого это был серотонин, другой нейротрансмиттер, который не был таким выдающимся в теориях болезни Паркинсона, открывая новый взгляд и потенциально мощную научную и клиническую информацию об этой болезни.

«Что нас удивило, так это то, сколько серотонина выделялся», – говорит Хоу. «Не только что дофамин был нарушен, что ожидалось. Это было то, что нормальная спина между допамином и серотонином исчезла. Не было ни серотонина, ни роста дофамина. Это не только одна система, которую разрушается-это отсутствие такого динамического взаимодействия, которое оказалось самым ясным разницей между Паркинсоном и существенным тремом».

Вычислительная модель следовала форме машинного обучения, известной как обучение подкреплению, которая постепенно улучшала его способность обнаруживать закономерности, обрабатывая больше данных из прошлых экспериментов. Более ранняя работа от Монтегю и коллеги Терри Лохренз установила важность этого процесса на уровне нейронов и поведения, установив основу для этой новой серии экспериментов и анализов.

Совместные авторы Алек Хартл, школа докторантуры нейробиологии в лаборатории Хоу, и Пол Сэндс, доцент профессора в лаборатории Монтегю, переосмыслил задачу, используя «идеальную модель наблюдателя»-статистический инструмент, который рассматривает вознаграждение и результаты и моделирует наилучшую производительность для указанной задачи.

Хартл провел эксперименты на мышах, чтобы информировать об этом подходе, который помог Санчам усовершенствовать и применить статистическую модель для извлечения новых пониманий из поведения людей, принявших решения пациентов.

«То, что они добавили, было вычислительной моделью того, что ожидают предметы», – говорит Хоу. «Когда мы переосмыслили данные таким образом, мы смогли выявить разницу в том, как мозг реагировал в этих двух группах пациентов».

Исследователи увидели, что определенные ошибки прогнозирования – матча между тем, что ожидали субъекты исследования, и тем, что они получили, – вызвали изменения в серотониновой активности, которые были сильными показателями того, каким заболеванием было у пациента.

По данным Фонда Паркинсона, болезнь Паркинсона затрагивает около 1 миллиона человек в Соединенных Штатах и более 10 миллионов во всем мире. Основной тремор встречается еще более распространен, затрагивая около 7 миллионов американцев, основанных на исследованиях ученых Колумбийского университета.

«Очень мощно связывать мгновенные изменения во внутренних убеждениях-то, что человек ожидает от других-для измеримых химических сигналов в мозге»,-говорит Дэн Банг, доцент в центре функционально интегративной нейробиологии в Университете Аархуса в Дарманке, адъюнкт-доцент в Научно-исследовательском институте Fralin Biomedical и один из исследований.

«Это открывает новое окно в отношении того, как глубоко человеческие когнитивные процессы, такие как социальная оценка, формируются болезнями».

А Природная связь Исследование опирается на основополагающие теории передачи сигналов дофамина, в том числе работы, в котором Монтегю помогла сформировать почти 30 лет назад, и использует параметр, укорененный в моделях, которые его лаборатория на протяжении десятилетий для извлечения сигналов дофамина и серотонина.

Сотрудничество с Уэйк Форест было выявлено Кеннетом Кишидой, автором первого исследования, который собирал первоначальный набор данных во время работы с Монтегю в качестве постдокторского сотрудника в Фралиновом биомедицинском исследовательском институте, прежде чем вступить в факультет в Университете Уэйк Форест, где сегодня он является президентским председателем Boswell Neuroscience.

«Приятно видеть, что эти усилия применяются таким образом, чтобы помочь диагностировать или распределить реальные клинические популяции». По словам Монтегю, который также является директором Центра исследований нейробиологии человека и лаборатории нейроизуализации человека Фралина биомедицинского научно -исследовательского института и профессора в Колледже науки.

Проект также отражает годы итеративной уточнения и междисциплинарной командной работы.

«Эти модели со временем улучшаются, поскольку они обучаются на большем количестве данных»,-говорит Сет Баттен, соавтор исследования. «Версия, которую мы использовали в этом исследовании, была гораздо более утонченной, чем то, что у нас было на ранних стадиях. Но столь же важно было совместный подход – подход к новым людям с различным опытом позволил нам увидеть шаблоны, которые мы раньше не узнавали».

В то время как результаты дают новое понимание того, как болезнь Паркинсона и существенный тремор различаются на химическом уровне, исследователи видят в этом только начало.

«Это то, что я горжусь, – сотрудничество», – говорит Хоу. «Данные уже давно собирались, и потребовались людей с разным опытом, чтобы разобраться в этом. Это исследование рассказывает убедительную историю, но история здесь не заканчивается».

Дополнительные соавторы в исследовании принадлежат Вирджинии Tech и Университете Университета Уэйк Форест.

Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения, в том числе Национальным институтом диабета и пищеварительных и почек, Национальным институтом психического здоровья, Национальным центром продвижения трансляционных наук, Национальным институтом по борьбе с наркотиками и Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта. Дополнительная поддержка пришла от Фонда Лундбека и Фонда Красных Гейтс.

Источник: Вирджиния Тех