MIT发现了多巴胺驱动大脑的方式
作者: mints 编译 / 1028次阅读 时间: 2020年4月11日
标签: 岛叶皮层 多巴胺 运动皮层
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麻省理工学院的神经学家利用一种特殊的磁共振成像(MRI)传感器发现了多巴胺如何释放到了大脑深处,并且对近端和远端的大脑产生影响。



多巴胺在大脑中扮演许多角色,最显著的是与运动、动机和行为强化有关。然而,到目前为止,研究还很难精确了解大量的多巴胺对整个大脑神经活动产生影响的机理。麻省理工学院的研究小组利用他们的新技术发现:多巴胺似乎在大脑皮层的两个区域发挥着显著的作用。

麻省理工学院生物工程、脑与认知科学、核科学与工程教授艾伦·贾萨诺夫(Alan Jasanoff)说:“科学家在多巴胺释放对细胞的直接影响的领悟,已经做了很多工作,但是我们现在看到的这项研究,其研究范围是整个大脑,即,多巴胺在整个大脑范围内的作用结果。”

贾萨诺夫是这项研究的资深作者,也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的副会员。

麻省理工学院的研究小组发现,除了近端的运动皮层(the motor cortex)外,大脑偏远区域的岛叶皮层(insular cortex)受到的多巴胺影响都是最大的。岛叶皮层与许多身体内部状态(包括身体和情绪状态)感知相关的认知功能有着重要的联系。

麻省理工学院博士后李楠(Nan Li)是这项研究的主要作者,这项研究发表在2020年4月1日的《自然》杂志上。


麻省理工学院的生物工程师创建了一种特殊的传感器,这种传感器可以利用磁共振成像(MRI)跟踪大脑中的多巴胺。如上图下一排所示。上图上面一排图像显示了通过功能性MRI测得的整体大脑活动。
Nan Li, Alan Jasanoff. Local and global consequences of reward-evoked striatal dopamine release. Nature, 2020;
DOI:10.1038/s41586-020-2158-3


一、追踪多巴胺

和其他神经递质一样,多巴胺协助神经元之间的短距离相互沟通。多巴胺因其在动机、成瘾和包括帕金森氏症在内的多种神经退行性疾病中的作用而受到神经科学家的特别关注。大脑中的多巴胺大部分是由连接纹状体的神经元生成的,纹状体是多巴胺释放的地方。

多年来,Jasanoff的实验室一直在开发工具,研究诸如神经递质释放等分子现象如何影响大脑功能。现有的技术可以在分子水平上揭示多巴胺影响单个细胞的方式,功能磁共振成像(fMRI)可以在整个大脑的水平上揭示某个特定的大脑区域是如何活动的。然而,对于神经科学家来说,很难确定单细胞活动和大脑功能之间的联系。

贾萨诺夫说:“对于全脑范围内多巴胺功能或任何真正的神经化学功能的研究目前不是很多,没有工具是最大的原因,我们正在努力填补空白。”

大约10年前,他的实验室开发了磁共振传感器,这种传感器由可以让多巴胺结合蛋白质体。当这种结合发生时,传感器与周围组织的磁性相互作用减弱,使组织的磁共振信号变暗。这使得研究人员能够持续监测大脑特定部位的多巴胺水平。

在他们的新研究中,李和贾萨诺夫着手于分析大鼠纹状体释放的多巴胺如何影响了局部和其他脑区的神经功能。首先,他们将多巴胺传感器注入位于大脑深处(在控制运动中起着重要作用)的纹状体。然后他们用电击刺激大脑中一个叫做外侧下丘脑的部分,这是一种常见的奖励行为和诱导大脑产生多巴胺的实验技术。

然后,研究人员用他们的多巴胺传感器测量整个纹状体的多巴胺水平。他们还进行了传统的功能磁共振成像,以测量纹状体各部分的神经活动。令他们惊讶的是,他们发现高浓度的多巴胺并没有使神经元更活跃。然而,较高的多巴胺水平确实使神经元在较长时间内保持活跃。

贾萨诺夫说:“当多巴胺被释放时,它的活动持续时间更长,这表明它对奖赏的反应更长。”这可能与多巴胺如何促进学习有关,而学习是多巴胺的关键功能之一。


二、远距离效应

在分析了纹状体中的多巴胺释放后,研究人员开始确定多巴胺是否会影响更遥远的脑区。为此,他们用功能磁共振对大脑进行了成像,同时还绘制了纹状体多巴胺释放的图谱。

贾萨诺夫说:”通过结合这些技术,我们可以以一种前所未有的方式探索这些现象”。

对多巴胺做出最强烈反应的脑区是运动皮质和岛叶皮质。如果在其他研究中得到证实,这一发现可以帮助研究人员了解多巴胺在人脑中的作用,包括其在成瘾和学习中的作用。

贾萨诺夫说:“我们的研究结果可能会发现在功能磁共振成像数据中可以看到的生物标记物,而这些多巴胺能功能的相关性可能有助于分析动物和人类的功能磁共振成像。”

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