Поведенческая нейронаука: методы изучения биологических основ поведения

Введение

Область исследования

связанные темы

Поведенческая нейронаука, также известная как биологическая психология, биопсихология или психобиология, — это применение принципов биологии к изучению физиологических, генетических и девелопментальных механизмов поведения у людей и других животных.

Методы исследования

Отличительной чертой эксперимента в поведенческой нейробиологии является то, что либо независимая переменная в эксперименте носит биологический характер, либо измеряется какая-либо биологическая зависимая переменная. Иными словами, нервная система исследуемого организма подвергается постоянному или временному изменению, либо измеряется какой-либо аспект её функционирования (обычно для установления связи с поведенческой переменной).

Обезвоживание или снижение нервной функции

Повреждения – Классический метод, при котором область мозга, представляющая интерес, разрушается естественным или намеренным образом для наблюдения за возникающими изменениями, такими как ухудшение или улучшение показателей в поведенческих тестах. Повреждения могут быть нанесены с относительно высокой точностью благодаря различным "атласам" мозга, предоставляющим карту областей мозга в трехмерных стереотактических координатах. Хирургические повреждения – Разрушение нейронной ткани путем хирургического удаления. Электролитические повреждения – Разрушение нейронной ткани посредством приложения электрического шока. Химические повреждения – Разрушение нейронной ткани путем введения нейротоксина. Временные повреждения – Временное подавление активности нейронной ткани посредством охлаждения или использования анестетиков, таких как тетродотоксин. Транскраниальная магнитная стимуляция – Новый метод, обычно используемый на людях, при котором магнитная катушка, приложенная к коже головы, вызывает нерегулярную электрическую активность в близлежащих корковых нейронах, которую можно экспериментально анализировать как функциональное повреждение. Инъекция синтетического лиганда – Рецептор, активируемый исключительно синтетическим лигандом (RASSL) или дизайнерским рецептором, активируемым исключительно дизайнерскими препаратами (DREADD), обеспечивает пространственный и временной контроль над G-белковой сигнализацией in vivo. Эти системы используют рецепторы, связанные с G-белком (GPCR), сконструированные для ответа исключительно на синтетические лиганды малых молекул, такие как N-оксид клозапина (CNO), а не на их естественные лиганды. RASSL представляет собой химиогенетический инструмент на основе GPCR. При активации эти синтетические лиганды могут снижать нейронную функцию посредством активации G-белка, что может происходить с участием калия и приводить к ослаблению нейронной активности. Оптогенетическая ингибиция – Ингибирующий белок, активируемый светом, экспрессируется в интересующих клетках. Мощное ингибирование нейронов в миллисекундном масштабе времени инициируется при стимуляции соответствующей частотой света, подаваемого через оптические волокна или имплантированные светодиоды у позвоночных, или посредством внешнего освещения для небольших, достаточно прозрачных беспозвоночных. Бактериальные галородопсины или протонные насосы – это два класса белков, используемых для ингибирующей оптогенетики, обеспечивающих ингибирование путем увеличения цитоплазматического уровня галогенидов или уменьшения цитоплазматической концентрации протонов, соответственно.

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.

Улучшение нервной функции

Электрическая стимуляция – Классический метод, при котором нейронная активность усиливается посредством приложения небольшого электрического тока (слишком малого, чтобы вызвать значительную гибель клеток). Психофармакологические манипуляции – Химический антагонист рецепторов индуцирует нейронную активность, вмешиваясь в нейротрансмиссию. Антагонисты могут вводиться системно (например, внутривенно) или локально (внутримозгово) во время хирургической процедуры в желудочки или в специфические структуры мозга. Например, было показано, что антагонист NMDA AP5 ингибирует инициацию долговременной потенциации возбуждающей синаптической передачи (в процессе обусловливания страхом у грызунов), что считается важным механизмом обучения и памяти. Инъекция синтетических лигандов – Аналогично, Gq DREADDs могут использоваться для модуляции клеточной функции путем иннервации областей мозга, таких как гиппокамп. Эта иннервация приводит к усилению гамма-ритмов, что повышает двигательную активность. Транскраниальная магнитная стимуляция – В некоторых случаях (например, при изучении моторной коры) эту технику можно рассматривать как оказывающую стимулирующий эффект (а не как вызывающую функциональное поражение). Оптогенетическая активация – Светоактивируемый возбуждающий белок экспрессируется в отобранных клетках. Channelrhodopsin 2 (ChR2), светоактивируемый катионный канал, был первым бактериальным опсином, показавшим способность возбуждать нейроны в ответ на свет, хотя в настоящее время разработан ряд новых оптогенетических инструментов для возбуждения, путем улучшения и придания ChR2 новых свойств.

Измерение нейронной активности

Оптические методы – Оптические методы регистрации активности нейронов основаны на подходах, изменяющих оптические свойства нейронов в ответ на клеточные события, связанные с потенциалами действия или высвобождением нейротрансмиттеров. Красители, чувствительные к напряжению (VSD), были одними из первых методов оптического обнаружения нейронной активности. VSD обычно изменяют свои флуоресцентные свойства в ответ на изменение напряжения через мембрану нейрона, делая обнаруживаемой мембранную субпороговую и надпороговую (потенциалы действия) электрическую активность. Также были разработаны генетически закодированные флуоресцентные белки, чувствительные к напряжению. Кальциевая визуализация основана на красителях или генетически закодированных белках, которые флуоресцируют при связывании с кальцием, который кратковременно присутствует во время потенциала действия. Synapto-pHluorin – это метод, основанный на белке-химере, сочетающем белок мембраны синаптической везикулы и pH-чувствительный флуоресцентный белок. При высвобождении синаптических везикул химерный белок подвергается воздействию более высокого pH синаптической щели, вызывая измеримое изменение флуоресценции. Регистрация с одного нейрона – Метод, при котором электрод вводится в мозг живого животного для обнаружения электрической активности, генерируемой нейронами, расположенными вблизи кончика электрода. Обычно это выполняется с седированными животными, но иногда – с бодрствующими животными, выполняющими поведенческую задачу, например, жаждущая крыса, касающаяся определенной фракции наждачной бумаги, ранее ассоциировавшейся с водой, для измерения соответствующих паттернов возбуждения нейронов в момент принятия решения. Многоэлектродная регистрация – Использование пучка тонких электродов для одновременной регистрации активности до сотен нейронов. Функциональная магнитно-резонансная томография – fMRI, метод, наиболее часто применяемый к людям, в котором изменения мозгового кровотока могут быть обнаружены с помощью аппарата МРТ и интерпретируются как отражение относительной активности крупных областей мозга (т.е. порядка сотен тысяч нейронов). Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) обнаруживает частицы, называемые фотонами, с помощью трехмерного исследования ядерной медицины. Эти частицы испускаются при введении радиоизотопов, таких как фтор. ПЭТ-изображение выявляет патологические процессы, предсказывающие анатомические изменения, что делает его важным для обнаружения, диагностики и характеристики многих патологий. Электроэнцефалография – ЭЭГ, а также производный метод – потенциалы, связанные с событиями, в котором электроды, расположенные на коже головы, регистрируют среднюю активность нейронов в коре головного мозга (опять же, чаще всего используется у людей). В этой технике используются различные типы электродов для систем регистрации, такие как игольчатые электроды и электроды на основе солевого раствора. ЭЭГ позволяет исследовать психические расстройства, нарушения сна и физиологию. Она может использоваться для мониторинга развития мозга и когнитивной активности. Функциональная нейроанатомия – Более сложный аналог френологии. Экспрессия определенного анатомического маркера рассматривается как отражение нейронной активности. Например, считается, что экспрессия генов раннего ответа вызывается интенсивной нейронной активностью. Аналогично, инъекция 2-дезоксиглюкозы перед выполнением поведенческой задачи может быть дополнена анатомической локализацией этого химического вещества; оно поглощается электрически активными нейронами. Магнитоэнцефалография – МЭГ показывает функционирование человеческого мозга посредством измерения электромагнитной активности. Измерение магнитных полей, создаваемых электрическим током, протекающим внутри нейронов, позволяет идентифицировать мозговую активность, связанную с различными функциями человека в реальном времени, с миллиметровой пространственной точностью. Клиницисты могут неинвазивно получать данные, которые помогут им оценить неврологические расстройства и спланировать хирургическое лечение.

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.

Генетические методы

Картирование QTL – Влияние гена на определенное поведение может быть статистически оценено путем изучения инбридных линий некоторых видов, чаще всего мышей. Недавнее секвенирование геномов многих видов, особенно мышей, упростило применение этого метода. Селективное разведение – Организмы, как правило мыши, могут быть селективно скрещены между инбридными линиями для создания рекомбинантного конгенного штамма. Это может быть сделано для выделения экспериментально интересного участка ДНК, происходящего из одного штамма, на генетическом фоне другого штамма, что позволяет делать более обоснованные выводы о роли этого участка ДНК. Генетическая инженерия – Геном также может быть экспериментально модифицирован; например, можно создать нокаутные мыши, у которых отсутствует определенный ген, или ген может быть экспрессирован в штамме, который обычно этого не делает (трансгенные организмы). Передовые методы также могут позволить экспрессию или подавление гена посредством инъекции регулирующего химического вещества.

Измерение поведения

Оценка позы без маркеров – Достижения в области компьютерного зрения за последние годы позволили точно количественно оценивать движения животных, не требуя прикрепления к ним физических маркеров. На высокоскоростном видео, полученном в ходе поведенческого теста, ключевые точки тела животного могут быть извлечены покадрово, что часто полезно для анализа в сочетании с нейронными записями или манипуляциями. Анализ может проводиться для изучения того, как ключевые точки (то есть части тела животного) перемещаются в различных фазах конкретного поведения (в коротком временном масштабе) и в рамках всего поведенческого репертуара животного (в более длительном временном масштабе). Изменения в положении ключевых точек можно сопоставлять с соответствующими изменениями в нейронной активности.

Другие методы исследования

Вычислительные модели – это использование компьютера для формулирования реальных проблем с целью разработки решений. Хотя этот метод часто ассоциируется с информатикой, он все больше применяется и в других областях науки. Например, психология является одной из таких областей. Вычислительные модели позволяют психологам глубже понять функции и развитие нервной системы. Примеры методов включают моделирование нейронов, нейронных сетей и систем мозга, а также теоретический анализ. Вычислительные методы выполняют широкий спектр задач, включая прояснение результатов экспериментов, проверку гипотез и генерацию новых идей. Эти методы играют все более важную роль в развитии биологической психологии.

Ограничения и преимущества

Различные манипуляции имеют свои преимущества и ограничения. Нейронная ткань, разрушенная как прямое следствие хирургического вмешательства, электрического шока или нейротоксина, может исказить результаты, поскольку физическая травма маскирует изменения в интересующих фундаментальных нейрофизиологических процессах. Например, при использовании электролитического зонда для создания намеренного поражения в определенной области мозга крысы может быть затронута окружающая ткань: таким образом, изменение поведения, наблюдаемое в экспериментальной группе после операции, в определенной степени является результатом повреждения окружающей нервной ткани, а не поражения конкретной области мозга.