Допамин активизирует мозг для повышения бдительности

Представьте себе стадо оленей, пасущихся в лесу. Если внезапно рядом хрустнет ветка, они сразу среагируют и посмотрят вверх из травы. Мысль о еде тут же забыта, и животные готовы реагировать на любую угрозу, которая может появиться.

Нейрофизиологи MIT обнаружили схему, которая, по их мнению, контролирует отвлечение внимания от повседневных занятий, чтобы сосредоточиться на потенциальных угрозах. Они также обнаружили, что допамин (или дофамин) является ключом к процессу: он высвобождается в префронтальной коре головного мозга, когда воспринимается опасность, стимулируя префронтальную кору перенаправить свой фокус на часть мозга, которая реагирует на угрозы.

«Префронтальная кора уже давно считается важной для внимания и высших когнитивных функций — планирования, расстановки приоритетов, принятия решений. Дофамин — это сигнал, который говорит маршрутизатору переключиться на отправку информации по пути к поведению, связанному с побегом», — говорит Кей Тай, профессор Массачусетского технологического института мозга и когнитивных наук и член Института Picower MIT.

Когда эта схема не сбалансирована, она может вызвать тревожное и параноидальное поведение, возможно, лежащее в основе некоторых симптомов шизофрении, беспокойства и депрессии, говорит Кей Тай.

Реагирование на угрозы

Одна из главных ролей префронтальной коры, которая является местом сознательного мышления и другого сложного когнитивного поведения, заключается в маршрутизации информации в разные части мозга.

В этом исследовании Кей Тай определил две популяции нейронов в префронтальной коре, основанные на других областях мозга, с которыми они общаются. Один набор нейронов передает информацию прилежащему ядру, которое участвует в мотивации и вознаграждении, а другая группа передает информацию периакведуктальному серому (PAG), который является частью ствола мозга. PAG участвует в защитном поведении, таком как неподвижность или бег.

Когда мы воспринимаем потенциально опасное событие, область мозга, называемая вентральной тегментальной областью (VTA), посылает дофамин в префронтальную кору, и ученые хотели определить, как дофамин влияет на две популяции, которые они идентифицировали. Чтобы достичь этого, они разработали эксперимент, в котором крысы были обучены распознавать два визуальных сигнала, один из которых связан с сахарной водой, а другой со слабым электрическим током. Затем они исследовали, что произошло, когда оба сигнала были представлены одновременно.

Они обнаружили, что если они стимулируют высвобождение дофамина в тоже время, в какое подавались сигналы, крысы были гораздо более склонны замереть на месте (их нормальная реакция к сигналу удара), вместо того, чтобы отправиться туда, где они получат сахарную воду. Если они стимулировали допамин, когда был дан только один из сигналов, на поведение крыс он не влиял, что указывает на то, что роль допамина заключается в усилении реакции отхода, когда животные получают противоречивую информацию.

«Связанные с вознаграждением нейроны снижают свой пик на значительную величину, что затрудняет вам обращать внимание на вознаграждение», — говорит Кей Тай.

Дальнейшие эксперименты показали, что дофамин действует, регулируя отношение сигнал/шум в нейронах префронтальной коры. «Шум» — это случайное включение нейронов, в то время как «сигнал  — это значимый вход, такой как сенсорная информация.

Когда нейроны, которые соединяются с PAG, получают дофамин одновременно с угрожающим стимулом, их сигнал повышается, а шум уменьшается. Исследователи не уверены, как это происходит, но они подозревают, что дофамин может активировать другие нейроны, которые помогают усиливать сигналы, уже поступающие в подключенные к PAG нейроны, и подавлять активность нейронов, которые проецируются на прилежащее ядро.

Адаптировано для выживания

Такая схема может дать животным больше шансов выжить в опасной ситуации, говорит Кей Тай. Любой знак опасности, такой как щелкающая ветка, которая пугает стадо оленей, или незнакомец, грубо натыкающийся на вас на тротуаре, может вызвать всплеск дофамина в префронтальной коре. Этот допамин повышает вашу бдительность.

Дисрегуляция этого контролируемого дофамином переключения может способствовать нейропсихиатрическим расстройствам, таким как шизофрения, говорит Тай. Среди других эффектов, слишком большое количество допамина может привести к тому, что мозг слишком высоко оценивает негативные входы. Это может привести к паранойе, часто наблюдаемой у пациентов с шизофренией, или к постоянной тревоге.

Caitlin M. Vander Weele et al. Dopamine enhances signal-to-noise ratio in cortical-brainstem encoding of aversive stimuli, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0682-1