Мы не всегда понимаем свои эмоции, но мы не смогли бы жить нормальной жизнью без них. Они направляют нас по жизни, направляя принимаемые нами решения и совершаемые нами действия. Но если они неуместны или остаются слишком долго, они могут вызвать проблемы.

Нейробиологи и психиатры, несмотря на все усилия, не понимают в полной мере, как работает мозг, лежащий в основе наших эмоций, как они заставляют нас действовать и как они могут вызывать у нас заболевания.

В исследовании, опубликованном в журнале Science , исследователи из Стэнфордского медицинского университета составили карту нейронных процессов в мозге, которые лежат в основе эмоциональной реакции , вызванной умеренно неприятным сенсорным опытом.

Оказывается, черты этой мозговой активности свойственны и людям, и мышам, а значит, и всем млекопитающим между ними.

Полученные результаты могут помочь раскрыть некоторые движущие силы многочисленных нейропсихиатрических расстройств, которые в значительной степени характеризуются неприятными эмоциональными проявлениями.

«Эмоциональные состояния имеют основополагающее значение для психиатрии», — сказал Карл Дейссерот, доктор медицины, доктор философии, профессор биоинженерии, психиатрии и поведенческих наук , который руководил совместной работой команды, охватывающей больницы и лабораторные помещения Стэнфордского медицинского центра.

Старшими соавторами исследования с Дейссеротом являются Кэролин Родригес, доктор медицины, доктор философии, профессор психиатрии и поведенческих наук; Вивек Бух, доктор медицины, доцент нейрохирургии; и Пол Нуюджукян, доктор медицины, доктор философии, доцент биоинженерии и нейрохирургии. Ведущими соавторами исследования являются ученые-постдокторанты Айзек Каувар, доктор философии, и Итан Ричман, доктор философии, а также студент доктора медицины/докторантуры Тони Лю.

Исследование проводилось в рамках исследовательской программы «Нейронные цепи человека» Стэнфордского медицинского института — междисциплинарного сотрудничества, основанного и возглавляемого Дейссеротом, целью которого является изучение принципов, лежащих в основе внутренней работы человеческого мозга в состоянии здоровья и болезни.

Программа HNC разрабатывает и объединяет в стационарных медицинских условиях самые современные методы синхронного и сверхточного измерения и воздействия на поведение человека и активность мозга.

В этом исследовании Дейссерот и его коллеги сосредоточились в первую очередь на реакциях на негативные сенсорные переживания. Но он подозревает, что наблюдаемая его командой модель мозговой активности также распространяется на позитивные переживания. (Его группа изучает и их.)

Собираем все вместе

«Линия млекопитающих сделала огромный эволюционный шаг к большому размеру мозга со всеми сопутствующими издержками и выгодами», — сказал Дейссерот, профессор DH Chen и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. Даже мозг мыши (который больше по сравнению с немлекопитающими того же размера) содержит около 100 миллионов нейронов; человеческий мозг — почти 90 миллиардов, что примерно в 1000 раз больше.

«Больший мозг означает более богатую, более сложную умственную жизнь», — сказал Дейссерот. «Но при увеличении масштаба возникают реальные ограничения. Человеческий мозг настолько велик, что требуется некоторое время, чтобы эти богатые и сложные сигналы полностью распространились по всему мозгу, сошлись и были должным образом интегрированы».

«Однако для принятия точных решений ваш мозг должен собрать воедино многочисленные потоки сенсорных данных, ваши цели, ваше положение в пространстве, ваши физиологические потребности и многое другое — все одновременно. Если этого не произойдет, будут приняты неверные решения и совершены неверные действия».

По словам Дейссерота, эмоции могут представлять собой состояния, которые интегрируют большой объем информации для управления устойчивыми моделями поведения, но для достижения этой интеграции может потребоваться определенный промежуток времени с постоянной коммуникацией между широко разделенными структурами мозга.

«Настройка временной шкалы этой коммуникации может быть важным аспектом типичной функции мозга», — добавил Ричман. «Это было бы похоже на действие педали сустейна на пианино, которая увеличивает длительность кратковременно сыгранных нот».

Как чрезмерно укороченная, так и чрезмерно длительная стабильность таких моделей общемозговой коммуникации может способствовать возникновению нейропсихиатрических расстройств, характеризующихся эмоциональной дисфункцией.

Что это могут быть за модели активности, способствующие возникновению эмоций? Поскольку деятельность человеческого мозга настолько сложна, выяснить, какие из наблюдаемых сигналов являются важными, — непростая задача.

Дейссерот известен разработкой оптогенетики, сложного и теперь широко распространенного метода, использующего целевой активируемый светом белок вместе с импульсами света, чтобы заставить выбранные нервные клетки или их группы активироваться или замолчать при щелчке переключателя. Но новое исследование (опирающееся на кратковременно госпитализированных пациентов-людей ) вообще не использовало оптогенетику.

Вместо этого команда Стэнфорда применила хитрый эволюционный трюк. Чтобы определить, как эмоции возникают в ответ на опыт, исследователи провели скрининг нейронной активности мозга как у мышей, так и у людей — двух видов, которые произошли от одного предка около 70 миллионов лет назад, — чтобы найти паттерны активности, присутствующие у обоих видов, которые могли бы быть вызваны одним и тем же стимулом, генерирующим эмоции, измеряться одним и тем же способом, синхронизироваться с одним и тем же высокоскоростным поведением и блокироваться одними и теми же вмешательствами.

«Этот подход позволил нам сосредоточить наше исследование на ключевых принципах, общих для мышей и людей», — сказал Каувар.

Если на протяжении столь длительного эволюционного периода определенный паттерн мозговой активности (в конечном итоге определяемый генами, управляющими структурой и функциями мозга) не способствует выживанию и воспроизводству, он будет утрачен, сказал Дейссерот, в то время как «если динамический принцип мозга сохраняется на протяжении всего этого времени, можно с уверенностью сказать, что он может быть важен».

Моргание, щурение

Сначала рефлекс, затем эмоциональная реакция: вы обжигаете руку о плиту, рефлекторно отдергиваете ее, затем чувствуете, как боль распространяется, и ругаетесь. Звук выстрела — или похожий шум — на темной улице в незнакомом районе поздно ночью вызывает рефлекторную реакцию приседания, затем чувство страха и осторожности.

Примеров эмоций, возникающих из-за неприятного сенсорного сигнала, слишком много, чтобы перечислять их. Но эти случаи обычно трудно измерить, а часто и трудно, и опасно ставить. Для экспериментов триггерный стимул должен быть безопасным, воспроизводимым и простым в доставке — и, в данном случае, применимым к мышам и людям.

Для данного исследования выбранным методом был инструмент, используемый в кабинете каждого окулиста.

Команда Дейссерота воспользовалась устройством, которое офтальмологи используют для подачи небольших струй воздуха с целью проверки давления в глазах своих пациентов.

Хотя это и не болезненный опыт, он, безусловно, может быть немного неприятным. Здесь использование этого отталкивающего, но безопасного с медицинской точки зрения стимула позволило точно определить время, продолжительность и интенсивность стимула. Исследователи точно знали, когда начиналась и когда заканчивалась каждая затяжка — это было критически важно для отслеживания реакции мозга каждого испытуемого на нее.

Ученые провели несколько серий точно рассчитанных по времени «глазных вздутий» для участников, которые, когда их спросили, что они чувствовали по поводу вздутий, описали их как «раздражающие», «неприятные» и «некомфортные», хотя, безусловно, не болезненные. Повторные быстрые глазные вздутия вызывали нарастающее чувство раздражения, которое длилось дольше серии глазных вздутий.

Это подавленное состояние ума может быть адаптивным, отметил Дейссерот. «Любая повторяющаяся серия негативных событий важна для мозга, чтобы учитывать ее при определении будущего поведения».

Чтобы зарегистрировать активность всего мозга с высоким разрешением, Дейссерот и его коллеги набрали группу пациентов в Стэнфордской больнице, у которых из-за частых припадков, неадекватно реагирующих на лекарства, в мозг хирургическим путем были вживлены электроды, чтобы команды неврологов и нейрохирургов могли локализовать уникальный очаг каждого пациента — гипервозбудимую точку происхождения, из которой припадки распространялись по здоровой мозговой ткани, что позволяло бы проводить более целенаправленное лечение.

Хотя все эти электроды были имплантированы в мозг пациентов по чисто клиническим причинам, это предоставило удачную возможность для экспериментов, которые в противном случае было бы трудно или невозможно провести.

«Обычно эти пациенты проводят около недели на больничной койке с ограниченной подвижностью, во время записи с имплантированных внутричерепных электродов, пока терапевтическая группа ждет, когда начнутся спонтанные приступы», — сказал Лю. В течение этого длительного периода времени эти пациенты были более чем готовы добровольно участвовать в инновационном исследовании исследователей.

Видимые реакции субъектов на случайное по времени похлопывание глаз оказались довольно последовательными. Сразу же в ответ на каждое похлопывание субъекты рефлекторно коротко моргали.

В течение нескольких секунд после каждой затяжки испытуемые также демонстрировали дополнительное прищуривание глаз или быстрое дополнительное моргание. Это дополнительное закрытие глаз после затяжки было естественной реакцией на неприятный стимул (поскольку они не могли предсказать время следующей затяжки). Это также было точно количественно измеримо, что давало представление о поведении, вызванном эмоциями, сразу после сенсорного стимула.

Все это время экспериментаторы отслеживали мозговую активность испытуемых. Они выделили характерную двухфазную модель: в первые примерно 200 миллисекунд после отечности глаз они наблюдали сильный, но кратковременный всплеск активности, транслировавший «новости» о отечности глаз по всему мозгу.

За этим в течение следующих 700 миллисекунд последовала отдельная, более продолжительная фаза мозговой активности, вызванной затяжкой, более конкретно локализованная в подмножестве определенных цепей в мозге, связанных с эмоциями.

Эта закономерность, которую, как отметил Дейссерот, удалось обнаружить благодаря одновременной электрической регистрации и поведенческой технологии, разработанной командой, продемонстрировала интересное свойство, заключающееся в предоставлении расширенного временного окна для общемозговой коммуникации, что может быть связано с эмоциями.

Поскольку основной идеей исследования был поиск общих принципов у людей и мышей, ученые провели тот же эксперимент параллельно на мышах.

Примечательно, что команда наблюдала очень похожую двухфазную модель мозговой активности у мышей. Более того, выполнение серии из восьми быстро следующих друг за другом глазных вздутий у мышей вызвало накопление второй фазы мозговой активности и привело мышей в общее негативное эмоциональное состояние, о чем дополнительно свидетельствует их устойчиво сниженная готовность участвовать в поведении, направленном на получение вознаграждения. (Такая устойчивость и обобщенность являются классическими признаками эмоций.)

Исчезло косоглазие

Затем исследователи использовали препарат, выбранный с учетом возможности его использования как на людях, так и на мышах, чтобы дополнительно проверить важность этого устойчивого паттерна активности.

Кетамин, широко используемый в высоких дозах при анестезии, одобрен FDA в более низких дозах как антидепрессант. Известно, что даже в этих более низких дозах кетамин вызывает явление, называемое диссоциацией, при котором типичные эмоциональные реакции на стимулы снижаются или отсутствуют.

«Получатели кетамина полностью осознают сенсорный опыт, но у них часто нет типичных эмоций по поводу этого опыта, даже если ощущение обычно было бы неприятным», — сказал Дейссерот. «Это как будто происходит с кем-то или чем-то другим». Этот диссоциативный эффект кетамина проходит примерно через час, сказал он.

После тщательной разработки протокола исследования, позволяющего безопасно вводить однократную дозу кетамина людям с имплантированными электродами в больнице, и при наличии полностью информированного согласия, ученые обнаружили, что отрицательные эмоции, вызванные повторяющимися вдуваниями воздуха (по описаниям пациентов), действительно значительно подавлялись.

По словам Лю, важной частью клинического исследования стала возможность напрямую расспрашивать участников об их опыте.

«Воздушный поток… казался забавным», — сказал один из участников. «Это было похоже на тихий шепот на моих глазных яблоках», — сказал другой.

В соответствии с этой потерей субъективного чувства раздражения, испытуемые также не демонстрировали самозащитного поведения — они держали глаза открытыми между затяжками, хотя полностью осознавали их наличие, и продолжали активно рефлекторно моргать.

Примечательно, что тот же избирательный эффект на поведение (сохранение рефлекторного моргания при блокировании самозащиты посредством длительного закрытия глаз) наблюдался и у мышей.

Команда провела окончательный набор окончательных измерений для проверки своей основной гипотезы. Если бы постоянная вторая фаза мозговой активности была важна для эмоциональной реакции, то эта более медленная фаза, как можно было бы предсказать, избирательно снижалась бы кетамином у обоих видов, тем самым эффективно ускоряя реакцию мозга.

Как у людей, так и у мышей команда обнаружила, что первоначальный быстрый всплеск активности мозга полностью не был затронут кетамином. Но когда ученые измерили скорость, с которой затухала более медленная вторая фаза активности мозга после запотевания глаз, они обнаружили, что кетамин ускорил этот спад, эффективно обострив реакцию мозга и ограничив вызванную запотеванием активность коротким временным окном (аналогично отпусканию педали сустейна на пианино для завершения ноты).

«Все это указывает на то, что эта устойчивая вторая фаза мозговой активности тесно связана с эмоциональным состоянием», — сказал Каувар.

Если ускорение мозговой активности предотвращает формирование эмоциональных состояний , это ускорение из-за кетамина также должно быть обнаружено даже при отсутствии отечности глаз. Как и предполагалось, команда обнаружила, что «внутренняя временная шкала» — мера времени, в течение которого коррелировались паттерны мозговой активности — ускорялась кетамином даже без отечности глаз.

У обоих видов внутренняя шкала времени быстро восстанавливалась до своей нормальной продолжительности после прекращения действия кетамина.

Наконец, команда обнаружила, что кетамин также обратимо снизил синхронность в мозге у обоих видов.

«Диссоциативные препараты могут сделать фазу стабилизации мозговой активности настолько эфемерной, что информация не сможет должным образом интегрироваться в мозг, в том числе для формирования эмоционального состояния», — сказал Дейссерот.

Наука эмоций, основанная на времени?

Эти настраиваемые, измеримые временные свойства, выходящие за рамки типичного диапазона — в сторону замедления или ускорения — могут дать подсказки относительно категоризации, количественной оценки и, возможно, даже лечения нейропсихиатрических расстройств.

«Слишком быстрый спад этой интегративной мозговой активности (вызываемый кетамином) может в целом препятствовать координации информации, поступающей из различных областей мозга», — сказал Дейссерот. Это может привести к ситуации, в которой правая рука буквально не знает, что делает левая.

«Люди, страдающие шизофренией, сообщают о восприятии чужого, а не самостоятельного контроля над своими действиями», — сказал Дейссерот.

С другой стороны, если нарушение мозговой деятельности приводит к слишком медленному затуханию второй волны мозговой активности или накоплению чрезмерной силы (возможно, из-за различий в мозговой проводке или экспрессии генов, или даже в связи с личным опытом), это может привести к гиперстабилизированным состояниям мозга и, как следствие, к постоянным или несвоевременным эмоциям или навязчивым мыслям, подобным тем, которые испытывают люди с посттравматическим стрессовым расстройством, обсессивно-компульсивным расстройством, депрессией или расстройствами пищевого поведения.

Можно ожидать возникновения различных симптомов (и различных расстройств) в зависимости от конкретных цепей, представляющих эту измененную устойчивость.

В отличие от эмоций в состоянии здоровья и болезни, это же свойство постоянства сигнала может оказывать сильное влияние на фундаментальную скорость обработки информации — еще одно свойство, которое существенно различается у разных людей.

«Люди с расстройством аутистического спектра часто испытывают трудности с тем, чтобы успевать за высокоскоростными потоками информации, а эта способность необходима для обработки языка и социальной информации», — сказал Дейссерот. Может ли гиперстабилизированное состояние мозга быть причиной трудностей в отслеживании быстро меняющейся информации?

«Это захватывающие возможности, которые мы сейчас изучаем», — сказал Дейссерот. «Удивительно, что может показать беспристрастный мозговой экран, особенно при наличии правильной технологии и на протяжении миллионов лет эволюции».

Управление лицензирования технологий Стэнфордского университета подало патент на интеллектуальную собственность, связанную с исследованием.