Tyrėjai nustatė neurocheminį parašą, kuris išskiria Parkinsono ligą, išskyrus esminį drebėjimą – du dažniausiai pasitaikančius judėjimo sutrikimus, tačiau kiekvienas susietas su skirtingais smegenų pokyčiais.
Tyrime Gamtos ryšiaiVTC ir Virdžinijos technikos mokslo koledžo Fralino biomedicinos tyrimų instituto mokslininkai nustatė du pagrindinių neurotransmiterių – dopamino ir serotonino – unikalius cheminio signalizacijos modelius, kurie išskiria šiuos du sutrikimus.
„Šis tyrimas grindžiamas dešimtmečių darbo dešimtmečių darbu“,-sakė „Fralin“ biomedicinos tyrimų instituto mokslininkas Montague ir bendraamini autorius, kuris kartu su kolegomis sukūrė daugialypės technologijas ir teorinius kūrinius, skirtus darbui per savo 15 metų tyrimų institute.
„Nuo elgesio žaidimo teorijos pritaikymo į tai, kas veikia kaip medicininis testas, iki mašinų mokymosi modelių tobulinimo, kuris realiu laiku gali pamatyti smegenų chemiją – mes visada siekėme įžvalgos į ką nors kliniškai naudingo“, – sakė Montague, kuris vadovauja žmogaus neuromokslų tyrimų centrui institute. „Šis tyrimas žengia aiškų žingsnį ta linkme.”
Tyrėjai sutelkė dėmesį į smegenų regioną, susijusį su sprendimų priėmimu ir apdorojimo apdorojimu-striatumo caudatu.
Naudojant mašininio mokymosi patobulintą elektrocheminę techniką atliekant giluminio smegenų stimuliavimo (DBS) operaciją dėl esminio drebėjimo ir Parkinsono pacientų, komanda įvertino greitus svyravimus, kai pacientai žaidė žaidimą, kuriame dalyvavo sąžiningi ir nesąžiningi pasiūlymai-užduotis, skirta suprasti sprendimų priėmimą ir smegenų chemiją.
Ankstyvame tyrime, kuris pasirodys iš šio darbo 2018 m Neuropsichofarmakologijatyrėjai atskleidė pirmuosius visų laikų dopamino ir serotonino subsekundžių svyravimų įrašus aktyvių sprendimų priėmimo sąmoningame žmogaus dalyke metu.
Ankstyvasis proveržis padėjo pagrindą naujausiems.
„Duomenis surinko prieš aštuonerius metus Montague ir jo komanda Tyrimų institute ir jų bendradarbiai Wake Forest universitete, tačiau mes grįžome prie jo geresnių įrankių ir naujos perspektyvos-ir pagaliau pamatėme, kas ten yra“,-sakė Williamas „Matt“ Howe, padėjėjas, padėjėjas su Virdžinijos technikos mokslų koledžu ir bendražygiu autoriumi.
Neurocheminių medžiagų kilimas ir kritimas
DBS operacijų metu 2017 ir 2018 m., Wake Forest University Neurochurgeons Adrian Laxton ir Stephen Tatter padėjo atlikti įrašus, naudodamiesi anglies pluošto elektrodais, sergančiais Parkinsono liga, ir būtiniausius drebėjimo pacientus, kai jie žaidė, kur jie priima ar atmeta pasiūlymus.
Tyrimo protokolas buvo atliktas operacijos metu, kai neurochirurgai jau stebi smegenų aktyvumą realiu laiku, kad tiksliai nustatytų nedidelę smegenų tikslinę sritį, kad būtų galima elektrinę stimuliaciją gydyti sutrikimų simptomus.
Dabar, Gamtos ryšiai Tyrimo metu tyrėjai pritaikė skaičiavimo modelį, kad galėtų sekti, kaip tie pacientai susiformavo ir pakoregavo savo lūkesčius žaidimo metu, atskleisdami parašo cheminio signalizacijos modelius, susietas su kiekvienu sutrikimu.
Žmonėms, turintiems esminį drebėjimą, pinigų pasiūlymai, kurie pažeidė jų lūkesčius žaidimo metu, sukėlė matymo modelį – dopamino lygis pakilo, o serotoninas krito. Šis opozicinis atsakas-kai vienas neurotransmiteris kyla, kai kitas krito-įpratę modeliai, matomi ankstesniuose smegenų veiklos tyrimuose priimant sprendimus.
Naujausiose išvadose šio abipusio neurocheminio signalizacijos nebuvo pacientams, sergantiems Parkinsono liga.
Žinoma, kad Dopaminą gaminantys neuronai miršta sergant Parkinsono liga, todėl tyrėjai tikėjosi, kad dopaminas bus aiškiausias cheminis smegenų skirtumas.
Bet kai jie atidžiai žiūrėjo – naudodami rafinuotus įrankius ir modelį, kaip žmonės formavo lūkesčius – tai nebuvo dopaminas, kuris geriausiai išsiskyrė iš Parkinsono nuo esminio drebėjimo.
Vietoj to, tai buvo serotoninas, kitoks neurotransmiteris, kuris nebuvo toks ryškus Parkinsono ligos teorijose, atverdamas naują požiūrį ir potencialiai galingą mokslinę ir klinikinę šios ligos įžvalgą.
„Tai, kas mus nustebino, buvo tai, kiek išsiskyrė serotoninas“, – sakė Howe.
„Ne tik tai, kad dopaminas buvo sutrikdytas. Tai buvo tai, kad normalus pirmyn ir atgal tarp dopamino ir serotonino nebeliko. Nėra nei serotonino, nei dopamino kilimo. Tai ne tik viena sistema sutrikdyta-tai yra aiškus skirtumas tarp Parkinsono ir esminio drebėjimo.”
Mokytis darant
Kompiuterinis modelis laikėsi mašininio mokymosi formos, žinomo kaip sustiprinimo mokymasis, kuris pamažu pagerino jo sugebėjimą aptikti modelius, nes jis apdorojo daugiau duomenų iš ankstesnių eksperimentų. Ankstesnis Montague ir jo kolegos Terry Lohrenz darbas nustatė šio proceso svarbą neuronų ir elgesio lygmeniu, nustatant pagrindą šioje naujoje eksperimentų ir analizių serijoje.
Pirmieji autoriai Alecas Hartle'as, Howe laboratorijos neuromokslų mokyklos studentas, ir Paulius Sandsas, Montague laboratorijos tyrimų docento padėjėjas, pertvarkė užduotį, naudodamas „idealų stebėtojo modelį“-statistinę priemonę, kurioje atsižvelgiama į apdovanojimus ir rezultatus bei imituoja geriausią atlikimą atliekant nurodytą užduotį.
Hartle'as eksperimentavo su pelėmis, norėdamas informuoti apie požiūrį, kuris padėjo smėliui patobulinti ir pritaikyti statistinį modelį, kad būtų galima išgauti naujas įžvalgas iš žmonių paciento sprendimų priėmimo elgesio.
„Tai, ką jie pridėjo, buvo skaičiavimo modelis to, ko tikėjosi tiriamieji“, – teigė Howe. „Kai mes pertvarkėme duomenis, mes sugebėjome atskleisti skirtumą tarp to, kaip smegenys reagavo šiose dviejose pacientų grupėse.”
Tyrėjai pamatė, kad tam tikros prognozavimo klaidos – mačai tarp to, ko tikėjosi tiriamieji tiriamieji, ir to, ką jie gavo – sukėlė serotonino aktyvumo pokyčius, kurie buvo stiprūs rodikliai, kokią ligą pacientas turėjo.
Parkinsono fondo duomenimis, Parkinsono liga serga apie 1 milijoną žmonių JAV ir daugiau nei 10 milijonų visame pasaulyje. Esminis drebėjimas yra dar labiau paplitęs, turintis įtakos maždaug 7 milijonams amerikiečių, remiantis Kolumbijos universiteto mokslininkų tyrimais.
„Labai galinga susieti momentinius vidinių įsitikinimų pokyčius-tai, ko žmogus tikisi iš kitų-išmatuoti cheminius signalus smegenyse“,-sakė Dan Bang, Funkcinio integracinio neuromokslo centro docentas Danijoje, Danijos docentas, Fralin Biomedical Research instituto ir vieno iš tyrimo autorių docentas.
„Tai atveria naują langą į tai, kaip giliai žmogaus pažinimo procesai, pavyzdžiui, socialinį vertinimą, formuoja liga.”
Tęsiantis įžvalgos šaltinis
Gamtos ryšiai Tyrimas remiasi pagrindinėmis dopamino signalizacijos teorijomis, įskaitant darbą, įskaitant darbą, padėjo formuoti beveik prieš 30 metų – ir naudojamas parametras, pagrįstas modeliais, jo laboratorija dešimtmečius rafinavo, kad išgautų dopamino ir serotonino signalus.
Bendradarbiavimą su „Wake Forest“ sėtė Kennethas Kishida, pirmiausia originalaus tyrimo autorius, kuris surinko originalų duomenų rinkinį dirbdamas su Montague kaip podoktorantūros bendradarbis Fralino biomedicinos tyrimų institute prieš prisijungdamas prie Fakulteto Wake Forest universitete, kur šiandien jis yra Boswello prezidento ir visuomenės pirmininkas.
„Įdomu pastebėti, kad šios pastangos gali padėti diagnozuoti ar stratifikuoti realias klinikines populiacijas“, – sakė Montague, kuris taip pat yra Žmogaus neuromokslų tyrimų centro direktorius ir Fralino biomedicinos tyrimų instituto ir Virdžinijos technikos mokslo kolegijos profesoriaus žmogaus neuroimagavimo laboratorija.
Projektas taip pat atspindi daugelį metų iteracinio tobulinimo ir tarpdalykinio komandinio darbo.
„Šie modeliai laikui bėgant pagerėja, nes yra mokomi gauti daugiau duomenų“,-sakė Sethas Battenas, tyrimo bendraautorius. „Versija, kurią mes panaudojome šiame tyrime, buvo kur kas tobulesnė nei to, ką turėjome anksti. Tačiau ne mažiau svarbus buvo bendradarbiavimo požiūris – įtraukti naujus žmones, turinčius skirtingų kompetencijų, leido mums pamatyti modelius, kurių anksčiau nepripažinome.”
Nors išvados siūlo naują įžvalgą apie tai, kaip Parkinsono liga ir esminis drebulys skiriasi cheminiu lygmeniu, tyrėjai mano, kad tai tik pradžia.
„Aš tai ir esu didžiulis – bendradarbiavimas“, – teigė Howe. „Duomenys jau seniai buvo renkami, ir prireikė žmonių, turinčių skirtingą išsilavinimą, kad susibūrus, kad tai suprastų. Šis tyrimas pasakoja įtikinamą istoriją, tačiau istorija čia nesibaigia.”