多巴胺如何驱动大脑活动

麻省理工学院的神经科学家利用一种专门的磁共振成像传感器,发现了多巴胺在大脑深处的释放是如何影响附近和远处的大脑区域的。

多巴胺在大脑中扮演着许多角色,尤其是与运动、动机和强化行为相关。然而,到目前为止,很难精确地研究多巴胺的大量分泌是如何影响整个大脑的神经活动的。利用他们的新技术,麻省理工学院的研究小组发现,多巴胺似乎在大脑皮层的两个区域发挥着重要的作用,包括运动皮层。

”有很多的工作在多巴胺释放的细胞产生立竿见影的影响,但在这里我们看到的后果是多巴胺是做什么更brain-wide层面,”艾伦•Jasanoff表示一个麻省理工学院的生物工程教授,脑与认知科学、和核科学与工程。Jasanoff也是麻省理工学院麦戈文大脑研究所的副研究员,也是这项研究的资深作者。

麻省理工学院的研究小组发现,除了运动皮层外,受多巴胺影响最大的远端大脑区域是岛叶皮层。这个区域对于许多与感知身体内部状态相关的认知功能至关重要,包括身体和情绪状态。

麻省理工学院博士后李楠是这项研究的主要作者,该研究发表在今天的《自然》杂志上。

跟踪多巴胺

与其他神经递质一样,多巴胺有助于神经元之间进行短距离的交流。多巴胺因其在动机、成瘾和包括帕金森病在内的几种神经退行性疾病中的作用而引起神经科学家的特别关注。大脑中大部分多巴胺是由连接纹状体的神经元在中脑中产生的,多巴胺在纹状体中释放。

多年来,Jasanoff的实验室一直在开发工具来研究诸如神经递质释放这样的分子现象是如何影响大脑功能的。在分子尺度上,现有的技术可以揭示多巴胺如何影响单个细胞,而在整个大脑的尺度上,功能性磁共振成像(fMRI)可以揭示特定大脑区域的活跃程度。然而,神经科学家很难确定单细胞活动和大脑功能之间的联系。

Jasanoff说:“大脑范围内很少有关于多巴胺能功能或任何神经化学功能的研究,这在很大程度上是因为工具不存在。”“我们正在努力填补空白。”

大约10年前,他的实验室开发了一种MRI传感器,这种传感器由可以与多巴胺结合的磁性蛋白质组成。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MRI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,Li和Jasanoff开始分析大鼠纹状体释放的多巴胺是如何影响大脑局部和其他区域的神经功能的。首先,他们将多巴胺传感器注入位于大脑深处的纹状体,纹状体在控制运动方面起着重要作用。然后他们用电刺激大脑的外侧下丘脑,这是奖励行为和诱导大脑产生多巴胺的一种常见的实验技术。

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。他们还用传统的功能磁共振成像来测量纹状体每一部分的神经活动。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加活跃。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。

Jasanoff说:“当多巴胺被释放时,大脑活动持续的时间更长,这表明大脑对奖励的反应也更长。”“这可能与多巴胺如何促进学习有关,这是它的关键功能之一。”

长期的影响

在分析了纹状体释放的多巴胺后,研究人员开始确定这种多巴胺可能会影响大脑中更遥远的位置。为了做到这一点,他们对大脑进行了传统的fMRI成像,同时也记录了纹状体中多巴胺的释放。Jasanoff说:“通过结合这些技术,我们可以以一种前所未有的方式来探索这些现象。”

对多巴胺反应最强烈的区域是运动皮层和岛叶皮层。如果在其他研究中得到证实,这些发现将有助于研究人员了解多巴胺在人类大脑中的作用,包括它在成瘾和学习中的作用。

Jasanoff说:“我们的研究结果可能会得出可以在fMRI数据中看到的生物标记,而这些多巴胺能功能的相关性可能对分析动物和人类fMRI很有用。”

这项研究由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)和帕金森病基金会(Parkinson’s Disease Foundation)的斯坦利·费恩(Stanley Fahn)研究员资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/dopamine-brain-activity-mri-0401

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