Как формируется алкогольная зависимость

Ученые Высшей школы экономики, Высшей нормальной школы (Париж), университета Индианы и нижегородского Института прикладной физики РАН выявили возможные механизмы формирования зависимости от алкоголя. Эти механизмы связаны с дофаминергическими нейронами и коллективной динамикой воздействующих на них нейронов префронтальной коры головного мозга.

Что такое коллективная динамика нейронов префронтальной коры головного мозга

В коре головного мозга существуют популяции взаимодействующих нейронов, которые генерируют электрические импульсы. У этих популяций есть характерные пространственно-временные паттерны электрической активности (структура активности или коллективная динамика). Она зависит и от того, как связаны нейроны, и от внутренней динамики отдельных нейронов. Для понимания исследования важно представлять, что некая популяция нейронов префронтальной коры связана посредством возбуждающих синапсов с дофаминогенными и тормозными нейронами вентральной области покрышки. Таким образом, структура нейронной активности префронтальной коры может напрямую повлиять на динамику выделения дофамина.

Как дофамин воздействует на мозг

Борис Гуткин руководит группой математического моделирования в Центре нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ. Одно из научных направлений группы посвящено исследованию нейробиологических процессов, приводящих к формированию зависимостей от психотропных веществ, а также выявлению связей между нейробиологическими механизмами действия наркотиков и наблюдаемыми поведенческими реакциями. В частности, с помощью математического моделирования исследователи изучают, какие особенности работы дофаминергических нейронов могут приводить к этим зависимостям.*

Нейромедиатор дофамин, выделяемый дофаминергическими нейронами, — это биологически активное химическое вещество, которое является ключевым фактором внутреннего подкрепления в системе обучения. Он воздействует на «центр удовлетворения» в мозге, вызывая либо чувство предвкушения наслаждения от того или иного действия, либо само наслаждение, если приятное событие происходит неожиданно. Такое «подкрепляющее» свойство дофамина способствует повторяемости «благоприятных» действий.

Если же предсказание оказалось неправильным или произошло неприятное событие, то количество выделяемого дофамина существенно уменьшается, что приводит к «разочарованию» и нежеланию повторять приведшее к этому действие.

Два режима работы нейронов

Последние работы группы Бориса Гуткина, проведенные совместно с учеными из Университета Индианы (Алексей Кузнецов и Кристофер Лапиш) и Института прикладной физики РАН (Денис Захаров) позволили выявить возможные механизмы влияния алкоголя на активность дофаминергических нейронов. В недавно вышедшей в журнале PLOS статье «Dopamine Neurons Change the Type of Excitability in Response to Stimuli» ученые построили модель дофаминергического нейрона, описывающую его ключевые свойства, и показали, что такие нейроны, в зависимости от соотношения поступающих на них (в том числе и с префронтальной коры) различных синаптических токов, могут переходить из одного режима работы в другой.

Предполагается, что в первом режиме количество выделившегося вследствие активности этих нейронов дофамина показывает разницу между тем, что ожидается, и тем, что человек или животное получает в результате того или иного действия. Эту разницу можно назвать обучающим сигналом или сигналом ошибки. Если результат превзошел ожидания, дофамина выделяется больше, и формируется положительное подкрепление; если результат разочаровал, то активность дофаминергических нейронов падает, вызывая резкое сокращение количества выделяемого дофамина. Так формируется отрицательное подкрепление. Во втором режиме функционирования дофаминергических нейронов выброс дофамина работает как ориентирующий бинарный сигнал «важно — неважно»: если случается нечто важное — следует выброс дофамина.

В другой публикации этого коллектива «Contribution of synchronized GABAergic neurons to dopaminergic neuron firing and bursting», опубликованной в Journal of Neurophysiology, было показано, что важно учитывать не только непосредственные связи дофаминергических нейронов и нейронов префронтальной коры мозга, но также «опосредованное» воздействие нейронов префронтальной коры через тормозные (ГАМКергические) нейроны вентральной области покрышки. В частности, было установлено, что сигналы, поступающие с префронтальной коры, могут синхронизировать эти тормозные нейроны, формируя сильный тормозной сигнал на дофаминергические нейроны.

Как показало исследование, в некоторых случаях такое сильное тормозное воздействие может приводить не к подавлению активности этих нейронов (и, соответственно, к уменьшению выброса дофамина), но и к такому, казалось бы, неочевидному явлению как многократный рост частоты их генерации. И, следовательно, существенному увеличению выброса дофамина и формированию положительного подкрепления.

Причины алкоголизма стали понятнее

Экспериментальные данные говорят о том, что алкоголь может различными способами менять активность дофаминергических нейронов (косвенно, через динамику нейронов префронтальной коры и тормозных нейронов вентральной области покрышки, и непосредственно, на сами дофаминергические нейроны). Благодаря исследованиям, проведенным научной группой Бориса Гуткина, можно предположить, какие именно механизмы могут принимать в этом участие.

У непьющего человека (не хронического алкоголика) в вентральной области покрышки находятся порядка 20 тысяч дофаминергических нейронов. Некоторые из них передают сигнал важности стимула, остальные — сигнал ошибки. Для того чтобы человек смог правильно себя вести и принимать правильные решения, должен поддерживаться определённый баланс этих сигналов. Но под воздействием алкоголя он нарушается: меняется как активность нейронов в префронтальной коре, так и свойства самих дофаминергических нейронов. А именно, стимул, связанный с алкоголем, передается дофаминергетическими нейронами как имеющий мотивационную и поведенческую важность, независимо от того, совпадает он с ожидаемым исходом или нет. Без воздействия алкоголя эти нейроны передавали ли бы некую меру соответствия между ожидаемым и полученным подкреплением.

У хронического алкоголика сужается круг возможных поведенческих реакций, он ищет возможность употребить алкоголь снова и снова. Такой человек или не осознает последствия своих действий, или осознает, но это практически не влияет на его поведение. Опросы показывают, что алкоголики знают, что могут остаться на улице, потерять семью, умереть, если уйдут в запой, но это их не останавливает.

Для того чтобы правильно оценивать последствия своих действий, необходимо, чтобы префронтальная кора формировала «правильное» негативное ожидание от последствий употребления алкоголя, а дофаминергические нейроны обеспечивали отрицательное подкрепление. Этого не происходит, поскольку алкоголь (как и другие психотропные вещества) может влиять и на поведение нейронов префронтальной коры, и непосредственно на дофаминергические нейроны.

Если ученые смогут «заставить» дофамин работать сбалансированно, правильно реагировать на стимулы в окружающей среде при присутствии алкоголя в организме, показывая разницу между тем, что ожидаемо, и тем, что получено, то, возможно, наука сможет помочь людям, страдающим алкогольной зависимостью.