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新技术精确追踪大脑中分泌的多巴胺含量

2017-03-13  点击:[]

    人脑有百亿个脑细胞,相互联系,形成网络。脑细胞与脑细胞之间并不是紧密接触,而是有空隙的。它们之间的沟通要靠神经递质,跨越神经突触,传输信息。主要的神经递质有:多巴胺、去甲肾上腺素、5羟色胺、乙酰胆碱、以及组鞍等。

    大脑最外层是由脑细胞组成的大脑皮层“灰质”,内部是一大片神经纤维“白质”。在白质中间镶嵌的一团团灰质,称为“神经核”,除了大脑皮层的脑细胞之外,很多脑细胞按照各自神经递质类型聚在一起,就形成了神经核。为数最多的是多巴胺神经核。目前研究发现,与多巴胺相关的神经通路功能包括:

    1. 调控情绪和感情表达,认知、思想、感觉、理解和推理能力。精神分裂症的问题可能就处在这条通路,目前的治疗手段包括,用药阻断多巴胺的产生或阻断其传递通路等来缓解精神分裂症。

    2. 调控椎体外系(结构较为复杂,涉及大脑皮层、纹状体、背侧丘替等多个大脑区域)运动协调功能。通过该通路,调节身体的肌张力、运动、维持体态姿势等等。使机体可以进行精细的随意运动。服用抗精神病药后,这条多巴胺通路被堵住了,人就会出现“发呆、手部摆动、甚至发抖”等帕金森症表现。

    3. 内分泌功能的调控,尤其是负责卵巢-子宫功能的周期运转,与排卵和月经有关。有些精神病药物会使该通路受阻,没有多巴胺的指挥,卵巢的周期活动会被中止。

    4. 与食欲相关。多巴胺多了,人就会出现饱食感。有些减肥药通过设法增加多巴胺,从而让患者感到饱食,起到减肥的效果。但是,多巴胺增多会抵消精神病药的作用,加重精神症状。

    有关多巴胺的作用机理一直是神经疾病的研究热点
    爱情的化学解释其实就是因为相关的人和事物促使脑里产生大量多巴胺导致的结果。吸烟和吸毒都可以增加多巴胺的分泌,使上瘾者感到开心及兴奋。根据研究所得,多巴胺能够治疗抑郁症;而多巴胺不足则会令人失去控制肌肉的能力,严重时会令病人的手脚不自主地震颤或导致帕金森氏症。有科学家研究出多巴胺可以有助进一步医治帕金森症。治疗方法在于恢复脑内多巴胺的水准及控制病情。德国研究人员称, 多巴胺有助于提高记忆力,这一发现或有助于阿尔茨海默氏症的治疗。
    近期,MIT的研究人员发明了一种更精准的监测脑中多巴胺含量的技术。方便科学家们了解多巴胺在学习、记忆和情感中的作用。
    以往,我们对多巴胺确切的持续时间以及覆盖的区域,都不太通达。 MIT的新设备——微碳电极阵——克服了这些障碍。
    MIT材料科学与工程学院的科赫研究所(Koch Institute for Integrative Cancer Research at MIT),本文共同一作Michael Cima教授说:“没有人在空间尺度和时间尺度上真正测量过神经递质的行为。 这样的工具将有助于我们探索潜在的神经疾病。
    许多人类大脑疾病,特别是帕金森病,都与多巴胺失调有关。由于这组微电极的尺寸足够小,最终可能会适应用于人类的监测治疗,检测促进多巴胺的干预治疗是否成功。 
    本文的另一共同作者,科赫研究所的博后Helen Schwerdt说: “现在脑部深层电刺激已经被用于治疗帕金森病。我们虽然假设了这种刺激能够让大脑补充多巴胺,但没有人真正检测过”。
脑纹状体研究
    Cima的实验室与科赫研究所的Robert Langer教授(从事药物递送研究),以及Ann Graybiel教授(从事脑部,尤其是纹状体内多巴胺功能研究),纹状体中产生多巴胺的细胞,是研究“习惯的形成”和“奖励-强化学习”的关键。

    在此之前,神经科学家使用直径约为100微米的碳电极棒测量大脑中的多巴胺。 然而,由于这些电极会导致疤痕组织,干扰电极检测多巴胺的能力,因此,获取可靠数据的作用时间有限(大概仅1天),随着时间的推移,其他类型的干扰物也会积累附着在电极上,影响测量准确度。并且,Schwerdt说,一只电极仅有50%的机会能够到达含有多巴胺的区域(两种可能,有或无,各占50%)。

    MIT团队设计的电极棒直径只10微米,一组微电极由八个这样的小电极棒组成。 这些微电极被裹在刚性聚合物(PEG)内,PEG在微电极阵植入脑组织的过程中起护航作用,但是,在植入过程中,PEG会被溶解,所以它并不会进入大脑。

    微电极阵的测量原理同100微米版本相同。 即通过电极振荡电压,当电压在某一个点上时,在附近的多巴胺与之发生电化学反应,产生一个可测量的电流,多巴胺的存在可以在毫秒时间尺度被监测到。但是,这种新技术的优势是不言而喻的,同时使用8或16个电极棒的高密度电极阵的测量范围必然大于仅使用一个电极棒。利用微碳电极阵,研究人员证明了他们可以同时监视纹状体许多地区的多巴胺的水平。

    “学习”行为是如何发生的?
    研究人员目前正在进行测试,看看这些电极可以准确“续航”多久。到目前为止,设备已正常工作两个月。长期的监测能力,为科学家长期追踪多巴胺变化提供了可能,比如研究“习惯是如何形成的?”“新技能是如何掌握的?”等等。
    MIT McGovern 研究所,脑部研究学者Graybiel表示,我和其他一些研究员在研究动物学习领域,一直期望找到一种方法,以获得疾病小鼠模型脑部多巴胺的表达情况。由于Graybiel多年前发现纹状体中有一些分散的、成簇的细胞,可能与引发焦虑的决策相关,因此它们还希望进一步了解纹状质的作用。
    Schwerdt说,如果我们能以化学手段与大脑沟通,我们的治疗或者测量将会更加的专一且具有选择性,这样,我们就可以更好的了解人脑究竟是如何工作的。

    来源:生物通

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