Мінез-құлық нейроғылымы: әдістер мен зерттеулер

Кіріспе

Зерттеу саласы

Қосымша тақырыптар

Мінез-құлық нейробиологиясы, сондай-ақ биологиялық психология, биопсихология немесе психобиология деп те аталады, – адам және басқа жануарлардың мінез-құлықтарының физиологиялық, генетикалық және даму механизмдерін зерттеуде биология принциптерін қолдану.

Зерттеу әдістері

Мінез-құлық нейробиологиялық эксперименттің ерекшелігі – эксперименттегі тәуелсіз айнымалы биологиялық немесе кейбір тәуелді айнымалы биологиялық болып табылады. Яғни, зерттеліп отырған организмнің жүйке жүйесі уақытша немесе тұрақты түрде өзгертіледі, немесе жүйке жүйесінің қандай да бір аспектісі өлшенеді (әдетте, мінез-құлық айнымалысымен байланыстыру үшін).

Нейрологиялық функцияларды бұзады немесе төмендетеді

Зақымдану – Мидың қызығушылық тудыратын аймағының табиғи немесе қасақана түрде жойылған классикалық әдісі, осының нәтижесінде мінез-құлықтың белгілі бір өлшемдерінде өнімділіктің төмендеуі немесе жақсаруы сияқты өзгерістерді байқауға болады. Зақымдануларды салыстырмалы түрде жоғары дәлдікпен орналастыруға болады, себебі мидың әртүрлі «атластары» бар, олар ми аймақтарының 3 өлшемді стереотаксикалық координаттармен картасын ұсынады. Хирургиялық зақымдану – Нейрондық тіндерді хирургиялық жолмен алып тастау арқылы жою. Электролиттік зақымдану – Электр тогының травмасы арқылы нейрондық тіндерді жою. Химиялық зақымдану – Нейротоксин енгізу арқылы нейрондық тіндерді жою. Уақытша зақымдану – Нейрондық тіндерді салқындату немесе тетродотоксин сияқты анестетиктерді қолдану арқылы уақытша әрекетсіздендіру. Транскраниалды магниттік стимуляция – Адамның бас терісіне магниттік катушканы қолдану арқылы жақын орналасқан қыртыс нейрондарының жүйесіз электрлік белсенділігін тудыратын және функционалдық зақымдану ретінде тәжірибелік түрде талдауға болатын жаңа әдіс. Синтетикалық лиганд инъекциясы – Синтетикалық лигандпен (RASSL) немесе Дизайнерлік препараттармен ғана белсендірілетін дизайнерлік рецептормен (DREADD) белсендірілген рецептор, in vivo G белок сигналдарын кеңістіктік және уақытша түрде бақылауға мүмкіндік береді. Бұл жүйелер G белокпен жұптасқан рецепторларды (GPCR) пайдаланады, олар синтетикалық шағын молекулалық лигандтарға, мысалы, клозапин N оксидіне (CNO) ғана жауап береді, ал табиғи лигандтарына емес. RASSL – GPCR негізіндегі химиялық-генетикалық құрал. Бұл синтетикалық лигандтар белсендірілген кезде G белокты белсендіру арқылы нейрондық функцияны төмендетуі мүмкін. Бұл калий арқылы нейрондық белсенділікті әлсіретеді. Оптогенетикалық ингибиция – Белсенді жасушаларда жарықпен белсендірілетін ингибиторлық белок экспрессияланады. Күшті миллисекундтық нейрондық ингибиция омыртқалы жануарларда оптикалық талшықтар немесе имплантацияланған светодиодтар арқылы жеткізілетін жарықтың тиісті жиілігі арқылы немесе кішкентай, жеткілікті мөлдір омыртқасыз жануарлар үшін сыртқы жарықтандыру арқылы шақырылады. Бактериялық галородопсин немесе протондық сорғылар – ингибиторлық оптогенетикада қолданылатын екі ақуыз класы, олар цитоплазмалық галоидтар деңгейін көтеру немесе цитоплазмалық протондық концентрацияны төмендету арқылы ингибицияға қол жеткізеді.

Lesions – A classic method in which a brain region of interest is naturally or intentionally destroyed to observe any resulting changes such as degraded or enhanced performance on some behavioral measure. Lesions can be placed with relatively high accuracy "Thanks to a variety of brain 'atlases' which provide a map of brain regions in 3 dimensional "stereotactic coordinates. Surgical lesions – Neural tissue is destroyed by removing it surgically. Electrolytic lesions – Neural tissue is destroyed through the application of electrical shock trauma. Chemical lesions – Neural tissue is destroyed by the infusion of a neurotoxin. Temporary lesions – Neural tissue is temporarily disabled by cooling or by the use of anesthetics such as tetrodotoxin. Transcranial magnetic stimulation – A new technique usually used with human subjects in which a magnetic coil applied to the scalp causes unsystematic electrical activity in nearby cortical neurons which can be experimentally analyzed as a functional lesion. Synthetic ligand injection – A receptor activated solely by a synthetic ligand (RASSL) or Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADD), permits spatial and temporal control of G protein signaling in vivo. These systems utilize G protein coupled receptors (GPCR) engineered to respond exclusively to synthetic small molecules ligands, like clozapine N oxide (CNO), and not to their natural ligand(s). RASSL's represent a GPCR based chemogenetic tool. These synthetic ligands upon activation can decrease neural function by G protein activation. This can with Potassium attenuating neural activity. Optogenetic inhibition – A light activated inhibitory protein is expressed in cells of interest. Powerful millisecond timescale neuronal inhibition is instigated upon stimulation by the appropriate frequency of light delivered via fiber optics or implanted LEDs in the case of vertebrates, or via external illumination for small, sufficiently translucent invertebrates. Bacterial Halorhodopsins or Proton pumps are the two classes of proteins used for inhibitory optogenetics, achieving inhibition by increasing cytoplasmic levels of halides or decreasing the cytoplasmic concentration of protons, respectively.

Нейрологиялық функцияларды күшейту

Электрлік стимуляция – Нейрондық белсенділікті шағын электр тогы арқылы күшейтетін классикалық әдіс (бұл ток жасушалардың өліміне әкелмейді). Психофармакологиялық манипуляциялар – Химиялық рецепторлардың антагонисттері нейротрансмиссияға кедергі келтіріп, нейрондық белсенділікті тудырады. Антагонисттерді жүйелік түрде (мысалы, ішекке инъекциялау арқылы) немесе жергілікті түрде (ми ішіне) хирургиялық процедура кезінде қарыншаларға немесе мидың белгілі бір құрылымдарына енгізуге болады. Мысалы, NMDA антагонисті AP5, қоздырғыш синапстық берілудің ұзақ мерзімді потенциалын бастауды тежейтіні көрсетілді (ешкілердің қорқыныш жағдайларын зерттеуде), бұл оқу мен есте сақтаудың маңызды механизмі деп саналады. Синтетикалық лиганд инъекциясы – Сол сияқты, Gq DREADD-тары мидың гиппокамп сияқты аймақтарын иннервациялау арқылы жасушалық функцияларды реттеу үшін қолданылуы мүмкін. Бұл иннервация γ ырғақтарының күшеюіне алып келеді, бұл қозғалыс белсенділігін арттырады. Транскраниалды магниттік стимуляция – Кейбір жағдайларда (мысалы, моторлық қабықты зерттеулерде) бұл әдіс стимуляциялық әсер ретінде (функционалдық зақым ретінде емес) талдануы мүмкін. Оптогенетикалық қозу – Белгілі бір жасушаларда жарықпен белсендірілетін қозушы ақуыз экспрессияланады. Channelrhodopsin 2 (ChR2) – жарықпен белсендірілетін катиондық канал, жарыққа жауап ретінде нейрондарды қоздырған алғашқы бактериялық опсин болды, бірақ қазір ChR2-нің жаңа қасиеттерін жақсарту және беру арқылы көптеген жаңа қозушы оптогенетикалық құралдар жасалды.

Жүйке белсенділігін өлшеу

Оптикалық әдістер – Нейрондық белсенділікті тіркеудің оптикалық әдістері нейрондардың оптикалық қасиеттерін, әрекет потенциалымен немесе нейротрансмиттерлердің босатылуымен байланысты жасушалық оқиғаларға жауап ретінде өзгертетін әдістерге негізделген. Кернеуге сезімтал бояулар (VSD) нейрондық белсенділікті оптикалық түрде анықтаудың ең ерте әдістерінің бірі болды. VSD әдетте нейрон мембранасының кернеуі өзгере қалғанда флуоресценттік қасиеттерін өзгертеді, бұл мембрананың төмен және жоғары шектік (әрекет потенциалы) электрлік белсенділігін анықтауға мүмкіндік береді. Генетикалық кодталған кернеуге сезімтал флуоресцентті ақуыздар да жасалған. Кальцийті бейнелеу бояуларды немесе генетикалық кодталған ақуыздарды пайдаланады, олар әрекет потенциалы кезінде уақытша болатын кальцийге байланысқанда флуоресценция жасайды. Синапто-пхфторин – синаптикалық мембраналық ақуыз бен pH-ке сезімтал флуоресцентті ақуызды біріктіретін қосымша ақуызға негізделген әдіс. Синаптикалық көпіршіктер босаған кезде химерлік ақуыз синаптикалық жарықтың жоғары pH-ына ұшырайды, нәтижесінде флуоресценцияның өлшенетін өзгеруі пайда болады. Бірлік тіркеуі – тірі жануардың миына электрод енгізіліп, электрод ұшына жақын орналасқан нейрондардың қызметін анықтау әдісі. Әдетте бұл седацияланған жануарларда жүргізіледі, бірақ кейде мінез-құлық оқиғасына қатысқан оянған жануарларда да жасалады, мысалы, су ішкенге асыққан егеуқыр бұрын сумен байланыстырылған белгілі бір құм қағазын сыпырып, шешім қабылдау кезінде нейрондық оқшауланудың сәйкес үлгілерін өлшеу үшін. Көп электродты тіркеу – жүздеген нейрондардың бір уақыттағы қызметін тіркеу үшін бірнеше электродтар жиынтығын пайдалану. Функционалдық магниттік-резонанстық томография – fMRI, көбінесе адамдарға қолданылатын әдіс, онда МРТ аппаратында ми қан ағынының өзгеруі анықталады және бұл мидың ірі масштабты аймақтарының салыстырмалы белсенділігін көрсетеді (яғни жүздеген мың нейрон деңгейінде). Позитронмен эмиссиялық томография – PET, 3D ядролық медициналық тексеруді пайдаланып, фотондар деп аталатын бөлшектерді анықтайды. Бұл бөлшектер фтор сияқты радиоизотоптарды енгізу арқылы шығарылады. PET суреттері анатомиялық өзгерістерді болжауға мүмкіндік беретін патологиялық процестерді көрсетеді, бұл көптеген патологияларды анықтау, диагностикалау және сипаттау үшін маңызды. Электроэнцефалография – ЭЭГ және оқиғаға байланысты потенциалдардың туынды әдісі, онда бас сүйегінің электродтары ми қабығындағы нейрондардың орташа белсенділігін бақылайды (қайтадан, көбінесе адамдарда қолданылады). Бұл әдіс жазу жүйелері үшін инелік электродтар және тұзды ерітіндіге негізделген электродтар сияқты әртүрлі типтегі электродтарды қолданады. ЭЭГ психикалық ауруларды, ұйқы бұзылыстарын және физиологияны зерттеуге мүмкіндік береді. Ол мидың дамуын және танымдық қатысуын бақылай алады. Функционалдық нейроанатомия – френологияның күрделірек түрі. Кейбір анатомиялық маркердің экспрессиясы нейрондық белсенділікті көрсетеді. Мысалы, бірден пайда болатын гендердің экспрессиясы жоғары нейрондық белсенділікке байланысты деп есептеледі. Сол сияқты, кейбір мінез-құлық тапсырмасы алдында 2-дезоксиглюкозаны енгізу осы химиялық заттың анатомиялық локализациясын анықтауға мүмкіндік береді; оны электрлік белсенді нейрондар сіңіреді. Магнитоэнцефалография – МЭГ электромагниттік белсенділікті өлшеу арқылы адам миының жұмысын көрсетеді. Нейрондардың ішінде ағып жатқан электр тогының тудырған магниттік өрістерін өлшеу, мидың әртүрлі функцияларымен байланысты ми қызметін нақты уақытта, миллиметрлік кеңістіктік дәлдікпен анықтайды. Дәрігерлер неврологиялық ауруларды бағалауға және хирургиялық емдеуді жоспарлауға көмектесетін деректерді инвазивті емес жолмен ала алады.

Optical techniques – Optical methods for recording neuronal activity rely on methods that modify the optical properties of neurons in response to the cellular events associated with action potentials or neurotransmitter release. Voltage sensitive dyes (VSDs) were among the earliest method for optically detecting neuronal activity. VSDs commonly changed their fluorescent properties in response to a voltage change across the neuron's membrane, rendering membrane sub threshold and supra threshold (action potentials) electrical activity detectable. Genetically encoded voltage sensitive fluorescent proteins have also been developed. Calcium imaging relies on dyes or genetically encoded proteins that fluoresce upon binding to the calcium that is transiently present during an action potential. Synapto pHluorin is a technique that relies on a fusion protein that combines a synaptic vesicle membrane protein and a pH sensitive fluorescent protein. Upon synaptic vesicle release, the chimeric protein is exposed to the higher pH of the synaptic cleft, causing a measurable change in fluorescence. Single unit recording – A method whereby an electrode is introduced into the brain of a living animal to detect electrical activity that is generated by the neurons adjacent to the electrode tip. Normally this is performed with sedated animals but sometimes it is performed on awake animals engaged in a behavioral event, such as a thirsty rat whisking a particular sandpaper grade previously paired with water in order to measure the corresponding patterns of neuronal firing at the decision point. Multielectrode recording – The use of a bundle of fine electrodes to record the simultaneous activity of up to hundreds of neurons. Functional magnetic resonance imaging – fMRI, a technique most frequently applied on human subjects, in which changes in cerebral blood flow can be detected in an MRI apparatus and are taken to indicate relative activity of larger scale brain regions (i. e., on the order of hundreds of thousands of neurons). Positron emission tomography PET detects particles called photons using a 3 D nuclear medicine examination. These particles are emitted by injections of radioisotopes such as fluorine. PET imaging reveal the pathological processes which predict anatomic changes making it important for detecting, diagnosing and characterising many pathologies
Electroencephalography – EEG, and the derivative technique of event related potentials, in which scalp electrodes monitor the average activity of neurons in the cortex (again, used most frequently with human subjects). This technique uses different types of electrodes for recording systems such as needle electrodes and saline based electrodes. EEG allows for the investigation of mental disorders, sleep disorders and physiology. It can monitor brain development and cognitive engagement. Functional neuroanatomy – A more complex counterpart of phrenology. The expression of some anatomical marker is taken to reflect neural activity. For example, the expression of immediate early genes is thought to be caused by vigorous neural activity. Likewise, the injection of 2 deoxyglucose prior to some behavioral task can be followed by anatomical localization of that chemical; it is taken up by neurons that are electrically active. Magnetoencephalography – MEG shows the functioning of the human brain through the measurement of electromagnetic activity. Measuring the magnetic fields created by the electric current flowing within the neurons identifies brain activity associated with various human functions in real time, with millimeter spatial accuracy. Clinicians can noninvasively obtain data to help them assess neurological disorders and plan surgical treatments.

Генетикалық әдістер

QTL картасы – Геннің белгілі бір мінез-құлыққа тигізетін әсерін кейбір түрлердің, көбінесе егешқұйрықтың (тышқанның) ішкі көбейтілген штамдарын зерттеу арқылы статистикалық тұрғыдан анықтауға болады. Көптеген түрлердің, ең әсіресе егешқұйрықтың (тышқанның) геномдарының жақында реттелгені осы әдісті жеңілдетті. Селективті шаралар – Көбінесе егешқұйрықтар (тышқандар) рекомбинантты конгендік штамм жасау үшін ішкі көбейтілген штамдар арасында таңдап өсірілуі мүмкін. Бұл басқа штаммның геномдық фонында бір штаммнан алынған эксперименттік тұрғыдан қызықты ДНК бөлігін оқшаулауға және осы ДНК бөлігінің рөлі туралы нақты қорытынды жасауға мүмкіндік беру үшін жасалуы мүмкін. Гендік инженерия – Геномды эксперименттік жолмен өзгертуге болады; мысалы, нокаут егешқұйрықтарды (тышқандарды) белгілі бір генсіз жасауға болады немесе ген әдетте олай істемейтін штаммда ("трансгенді") экспрессиялануы мүмкін. Сонымен қатар, кейбір реттегіш химиялық заттарды инъекциялау арқылы геннің экспрессиясын немесе оны жоюды жүзеге асыруға болады.

Жүріс-тұрысты өлшеу

Маркерсіз қалыпты бағалау – Соңғы жылдары компьютерлік көру техникасының дамуы жануарлардың қозғалысын физикалық маркерлерді жануарға орнату қажеттілігінсіз нақты анықтауға мүмкіндік берді. Мінез-құлық сынағында түсірілген жоғары жылдамдықты бейнедегі жануардың негізгі нүктелері кадр бойынша ізделіп алынуы мүмкін, бұл көбінесе нейрондық жазбалармен/әрекеттермен бірге талдау үшін пайдалы. Талдаулар негізгі нүктелердің (яғни жануардың дене мүшелерінің) белгілі бір мінез-құлықтың әртүрлі кезеңдерінде (қысқа мерзімде) және жануардың мінез-құлық спектрінде (ұзақ мерзімде) қалай қозғалатынын анықтауға бағытталуы мүмкін. Бұл негізгі нүктелердегі өзгерістерді нейрондық белсенділіктің сәйкес өзгерістерімен салыстыруға болады.

Басқа зерттеу әдістері

Есептеу модельдері — нақты әлемдегі проблемаларды шешу үшін компьютерді пайдаланып формулировать ету. Бұл әдіс көбінесе компьютерлік ғылымға бағытталғанымен, басқа да зерттеу салаларына қарай жылжуда. Мысалы, психология – осы салалардың бірі. Есептеу модельдері психология зерттеушілеріне жүйке жүйесінің қызметтері мен дамуын жақсырақ түсінуге көмектеседі. Әдістердің мысалдарына нейрондарды, жүйке желілерін және ми жүйелерін модельдеу, сондай-ақ теориялық талдау жатады. Есептеу әдістері эксперименттерді түсіндіру, гипотезаларды тексеру және жаңа ойлар тудыру сияқты кең ауқымды мақсаттарға қолданылады. Бұл техникалар биологиялық психологияның дамуындағы рөлін арттыруда.

Шектеулер мен артықшылықтар

Әр түрлі манипуляциялардың артықшылықтары мен шектеулері бар. Хирургиялық операция, электр тогының соққысы немесе нейротоксин салдарынан негізгі қырқысқа ұшыраған нейрондық тіндер нәтижелерді шатастыруы мүмкін, сондықтан физикалық зақым қызығушылық тудыратын негізгі нейрофизиологиялық процестердегі өзгерістерді жасырады. Мысалы, егеуқұйрық миының нақты бір аймағында мақсатты зақымдану жасау үшін электролиттік зонд қолданғанда, айналасындағы тіндерге де әсер етуі мүмкін: сондықтан, тәжірибелік топтың операциядан кейін байқалған мінез-құлқының өзгеруі белгілі бір дәрежеде айналасындағы нейрондық тіндерге зақымданудың нәтижесі болып табылады, ал емес нақты ми аймағының зақымдануы.