Исследователи обнаружили, что нейротрансмиттер орексин, а не гормон стресса норадреналин, регулирует размер зрачка, бросая вызов предшествующему пониманию. Орексиновые нейроны влияют на размер зрачка в ответ на эмоциональные состояния и умственное напряжение, а не только на воздействие света. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Neuroscience.
Практическая значимость работы
Полученные данные связывают активность орексина с рядом неврологических состояний, включая нарколепсию и болезнь Альцгеймера, предлагая новые диагностические возможности. Это исследование может также пролить свет на наше понимание регуляции сознания и внимания.
Новизна исследования
То, как мозг регулирует размер зрачка, отличается от того, что считалось ранее: как показали исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich), основной причиной этого является нейротрансмиттер орексин.
«Эффект был настолько сильным, что мы сразу поняли, что наткнулись на что-то важное», — вспоминает Никола Груич (Nikola Grujic) из Лаборатории нейроповеденческой динамики (Neurobehavioural Dynamics Laboratory).
В ходе серии первоначальных экспериментов на мышах учёные изучили так называемые орексиновые нейроны — одну из основных областей исследований лаборатории. Исследователи заметили, что стимуляция нервных клеток вызывала заметное расширение зрачков мышей.
«Довольно часто эффекты нейростимуляции теряются в шуме данных измерений, которые потом приходится кропотливо фильтровать, чтобы найти. На этот раз все было иначе. Эффект был очевиден», — дополняет автор исследования.
Орексиновые нейроны
Орексиновые нейроны, впервые описанные в 1998 году, начинаются от гипоталамуса до всех других областей мозга, включая те, которые контролируют сознание и вегетативные функции. Эти нейроны участвуют, среди прочего, в регуляции переключения сна и бодрствования, концентрации внимания, системе вознаграждения, аппетите и потреблении энергии.
Как показало исследование Груича, орексиновые нейроны напрямую влияют на центральную характеристику эмоционального состояния человека: не только световые раздражители вызывают изменение размера зрачков, но и умственное напряжение и эмоциональные впечатления.
Зрачки, уместно называемые в просторечии окнами в душу, обычно используются как в медицинских, так и в психологических обследованиях: размер зрачка может служить показателем внимания и других бессознательно контролируемых функций организма.
До сих пор основным фактором, определяющим размер зрачка наряду со светом, считался норадреналин, известный как гормон стресса, и система его рецепторов. Однако авторы нового исследования заявили, что вместо этого эту роль следует приписать нейротрансмиттеру орексину и его системе рецепторов.
Фактически, норадреналиновые нейроны неспособны поддерживать нормальное состояние зрачков без орексиновых нервных клеток. Если орексиновая система выключена, зрачки остаются суженными.
«По сути, норадреналиновые нейроны являются рабами орексиновых нейронов», — объясняет профессор Денис Бурдаков, красочно описывая эту взаимозависимую связь.
В своих экспериментах исследователи также установили дозозависимую связь между активностью нервных клеток и диаметром зрачка.
«Зрачки точно показывают нам, насколько активны орексиновые нейроны в гипоталамусе», — добавляет Бурдаков.
Помимо предоставления нового способа измерения активности орексина, это открывает новые возможности для лечения. Существует давно установленная связь между нарушением регуляции орексина и нарколепсией при расстройствах сна. Однако в последнее время также наблюдаются связи с другими неврологическими состояниями, такими как болезнь Альцгеймера, инсульт и генетическое заболевание, такое как синдром Прадера-Вилли.
Все четыре из этих состояний имеют компонент расстройства сна. В будущем изучение размера зрачка может помочь более точно изучить влияние орексина на эти состояния и, возможно, даже упростить и усовершенствовать диагностику, считает Бурдаков. В настоящее время для диагностики нарколепсии по-прежнему требуется люмбальная пункция, которая является инвазивной процедурой.
По словам Груича, распространенность и диапазон диагностируемых сегодня расстройств дефицита внимания показывают, насколько сложным может быть поддержание этого баланса. Орексин является одной из нескольких нейромодуляторных систем (другие включают норадреналин и серотонин), которые регулируют этот баланс. Эти системы так или иначе склоняют чашу весов в зависимости от потребностей организма. Например, на заре человеческой эволюции голодным охотникам-собирателям приходилось метаться в поисках источника пищи. Если они были вознаграждены обнаружением чего-то съестного, они должны были переключить свое внимание на свое окружение, чтобы иметь возможность следить за едой.
И когда первые люди, наконец, насытились, они смогли переключить свое внимание на удовлетворение других своих потребностей. При изучении орексиновых нейронов исследовательской группе Бурдакова удалось идентифицировать подмножества, которые участвуют в различных нейронных функциях и, следовательно, в разных компонентах этого баланса.
Материалы и методы исследования
Используя особый вид флуоресцентной микроскопии, ученые наблюдали реакцию отдельных орексиновых нейронов у мышей и сравнивали ее с колебаниями размера зрачка. Они использовали двухфотонную микроскопию, позволяющую наблюдать за активностью отдельных клеток головного мозга.
Исследователи обнаружили нейроны, чья активность положительно коррелировала с размером зрачка — и, следовательно, с уровнем возбуждения мыши, — и другие, чья активность отрицательно коррелировала. Ученые также обнаружили клетки, которые влияли на размер зрачка и реагировали на вознаграждение, а также другие, которые были связаны только с одним из двух факторов.
Идентификация этих специализированных подмножеств внутри орексиновых нейронов дает начальное представление о том, как они связаны для поддержки центральных функций нашего сознания. Более того, Груич считает, что влияние орексина на множество различных поведенческих состояний — от внимания, переключения сна и бодрствования и поиска вознаграждения до аппетита и потребления энергии — делает его главным кандидатом на их регуляцию более высокого уровня.
Выводы исследователей открывают двери для многих других направлений научных исследований, касающихся идентификации дополнительных подмножеств нейронов и того, как они взаимодействуют друг с другом, а также с серотониновой и норадреналиновой системами.
Исследователи предполагают, что ответы на такие вопросы приведут не только к гораздо более детальному пониманию того, как регулируются наши жизненные функции. Они также предусматривают преимущества в диагностике и лечении нарушений внимания и сна и связанных с ними состояний. И, как показывают примеры болезни Альцгеймера и инсульта, эти преимущества могут быть больше, чем кажутся на первый взгляд.
Авторы другого исследования выяснили, почему расширение зрачка происходит при страхе
