System noradrenergiczny jest jednym z głównych systemów neuromodulacyjnych mózgu. Rozpoczyna się w dolnej części pnia mózgu w miejscu sinawym (LC), z którego wychodzą aksony unerwiające korę mózgu, korę móżdżku, jądra przykomorowe i podwzgórze, a także droga zstępująca do pnia mózgu. System ten odgrywa znaczącą rolę w procesach aktywacji i zasypiania. Ponadto noradrenalina (NA) jest zaangażowana w regulację reakcji związanych z zapobieganiem utracie informacji oraz procesów emocjonalnych.

Nowe odkrycia

Kluczowy etap badania międzynarodowego zespołu stanowiło opracowanie metodologii ukierunkowanej na rejestrowanie aktywności chemicznej w czasie rzeczywistym za pomocą standardowych elektrod klinicznych, które mają zastosowanie m.in. do monitorowania epilepsji. Wyniki badania nie tylko dostarczają nowych informacji na temat procesów chemicznych w mózgu, co może mieć wpływ na leczenie wielu schorzeń, ale także charakteryzują metodę do pozyskiwania danych dotyczących pracy mózgu, która skupia się na analizie neurochemicznej rejestrowanej za pomocą woltamperometrii u ludzi zachowujących pełną świadomość.

Metoda

Technika woltamperometrii służy do dokonywania odczytów elektrochemicznych w czasie rzeczywistym u gryzoni i innych modeli laboratoryjnych, dzięki czemu możliwy jest wgląd w funkcjonowanie mózgu. W doświadczeniu badacze skupili się na technikach, które zostały już wprowadzone jako standardowe procedury medyczne, chcąc rozszerzyć ich zastosowanie i w ten sposób uzyskać dane dotyczące pracy poszczególnych obszarów mózgowych. Początkowe podejście zespołu wymagało wprowadzenia odpowiednich elektrod z włókna węglowego zaprojektowanych w Instytucie Badań Biomedycznych Fralin dla przytomnych pacjentów poddawanych operacji głębokiej stymulacji mózgu z powodu choroby Parkinsona lub innych zaburzeń. Zespół badawczy wykazał wówczas, że elektrochemię można przeprowadzić przy użyciu elektrod, które mają już standardowe zastosowanie kliniczne i mogą być wykorzystane także do obserwacji niepoddanej dotąd badaniom aktywności mózgu. Naukowcy sugerują, że system LC-NA reguluje pobudzenie i koncentrację u ludzi i stanowi główny cel farmakologiczny w przypadku licznych stanów klinicznych. Z tego względu kluczowe jest zrozumienie jego dokładanej roli zarówno u zdrowych osób, jak i chorych, co jak dotąd utrudniał brak bezpośrednich danych z obszarów mózgu odpowiadających za rozwój tych schorzeń.

Procedura

Badacze wprowadzili elektrody do ciała migdałowatego – obszaru mózgu, który jest powiązany z przetwarzaniem emocjonalnym oraz przekaźnictwem noradrenergicznym, podczas gdy pacjenci oglądali obrazy mające na celu wywołanie u nich różnych stanów poznawczych za pomocą bodźców wpływających na emocje. Różniły się one pod względem pobudzenia (wysokie lub niskie) oraz wartościowości (pozytywne i negatywne). Dzięki temu możliwa była obserwacja zmian poziomu noradrenaliny w odpowiedzi na wystąpienie różnych stanów emocjonalnych. Zgodnie z oczekiwaniami poziomy NA korelowały z intensywnością emocji, szczególnie w przypadku kontaktu z niespodziewanymi obrazami, co podkreśla znaczenie noradrenaliny w przypadku ADHD. Badanie stanowi dowód na to, że monitorowanie neuromodulatorów jest obecnie możliwe przy użyciu elektrod głębinowych wykorzystywanych w standardowym zastosowaniu klinicznym.

Opis badania

Neurochirurg umieścił elektrody głębinowe w poszczególnych obszarach mózgu. Podczas gdy pacjent wykonywał zadanie badawcze, elektroda w wybranym miejscu dokonywała rejestracji woltamperometrycznej. Po zakończeniu monitorowania padaczki neurochirurg eksplantował elektrody, a następnie utworzony został model przewidywania sygnału poprzez wystawienie odpowiedniej elektrody na działanie znakowanych stężeń noradrenaliny, dopaminy, serotoniny i pH w kontrolowanych warunkach in vitro. Aby wygenerować dane dotyczące neuromodulatorów in vivo, model przewidywania sygnału był stosowany do zapisów woltamperometrycznych z mózgu pacjenta.

Badanie stanowi przełom w zrozumieniu aktywności ludzkiego mózgu, ponieważ do tej pory możliwe było wyłącznie częściowe rejestrowanie elektrycznej aktywności mózgu człowieka w różnych warunkach. Od lat neurobiolodzy wykorzystywali elektrody w analizie elektrofizjologii wewnątrzczaszkowej, np. w przypadku padaczki, jednak teraz badacze udowadniają, że można je również stosować w przypadku elektrochemii wewnątrzczaszkowej. Obecnie zademonstrowane techniki będą miały ogromną wartość dla szerokiego zakresu badań, zwłaszcza dotyczących zrozumienia funkcji obwodów ludzkiego mózgu.