Los científicos del Instituto de Investigación Virginia Tech Carilion han informado mediciones de la liberación de dopamina con una precisión temporal sin precedentes en el cerebro de las personas con enfermedad de Parkinson. Las mediciones, recopiladas durante la cirugía cerebral mientras los pacientes conscientes jugaban un juego de inversión, demuestran cómo la liberación rápida de dopamina codifica la informacióncrucial para la elección humana.
Los hallazgos pueden tener implicaciones generalizadas no solo para la enfermedad de Parkinson, sino también para otros trastornos neurológicos y psiquiátricos, como la depresión y la adicción.
Los investigadores detectaron cambios en los niveles de dopamina mil veces más rápido de lo que se había registrado previamente en humanos. Estas mediciones rápidas, combinadas con una especificidad química mejorada, llevaron a los científicos a descubrir esa dopamina, un neurotransmisor crucial involucrado en el aprendizaje y la decisión-making: tiene un papel mucho más complejo de lo que se pensaba anteriormente.
El estudio fue publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
"Más de 20 años de investigación en organismos modelo no humanos ha pintado una imagen muy específica del presunto papel de la dopamina en la guía del comportamiento humano", dijo Read Montague, director del Laboratorio de Neuroimagen Humana en el Instituto de Investigación Virginia Tech Carilion y seniorautor del artículo: "Y ahora, con estas primeras mediciones de su tipo, realizadas directamente en humanos, hemos descubierto que esta imagen era lamentablemente incompleta".
Montague y su equipo trabajaron neurocirujanos en Ciencias de la Salud de la Universidad de Wake Forest - Stephen Tatter, Adrian Laxton y el fallecido Thomas Ellis - para medir las señales de dopamina en pacientes con enfermedad de Parkinson sometidos a cirugía para implantar electrodos de estimulación cerebral profunda.Se ha demostrado que la estimulación cerebral alivia los síntomas de la enfermedad de Parkinson.
Diecisiete pacientes se ofrecieron como voluntarios para permitir que el equipo de Montague registre sus señales de dopamina durante la cirugía de implantación.
"Estamos estudiando un sistema que se está desmoronando en sus cerebros", dijo Ken Kishida, primer autor del artículo y científico investigador del Instituto de Investigación Carilion de Virginia Tech. "La enfermedad de Parkinson se caracteriza por la muerte por liberación de dopaminaneuronas, y estamos tratando de entender los mecanismos subyacentes del proceso de la enfermedad "
Kishida y Montague notaron la generosidad de los pacientes que se ofrecieron como voluntarios para el estudio.
"Este tipo de acceso para medir las señales de dopamina es invaluable", dijo Kishida. "Y hemos realizado estas mediciones en 17 personas, eso es 17 más que nunca".
Para capturar las señales de dopamina, especialmente en personas con menor actividad de dopamina, los investigadores tuvieron que desarrollar métodos extremadamente sensibles.
Modificaron un electrodo de fibra de carbono utilizado previamente para medir las fluctuaciones de dopamina en roedores para interactuar con las necesidades quirúrgicas del procedimiento clínico en humanos, para reducir los riesgos y el tiempo quirúrgico para los pacientes. Los cirujanos colocaron el electrodo en el cuerpo estriado de cada paciente, cercael centro del cerebro
Los investigadores tomaron lecturas de los pulsos de dopamina ultrarrápidos mientras los pacientes conscientes jugaban un juego de inversión. Esperaban ver las respuestas de dopamina en relación directa con las recompensas esperadas y los resultados reales. No lo hicieron.
"Analizamos el conjunto de datos de aproximadamente mil pulsos de dopamina, y fue plano", dijo Montague, quien también es profesor de física en la Facultad de Ciencias de Virginia Tech y director de la Unidad de Psiquiatría Computacional de Virginia Tech Carilion ResearchInstituto. "Las señales no distinguían entre una reacción positiva y una negativa".
Los científicos utilizaron voltametría cíclica de exploración rápida para medir los pulsos de dopamina en el cerebro de los pacientes. Esta técnica electroquímica permite mediciones casi continuas de la actividad química en el cerebro.
En este caso, se usó para medir la señalización de dopamina 10 veces por segundo, durante varios minutos, mientras los pacientes tomaban decisiones financieramente riesgosas.
"Técnicamente fue muy difícil", dijo Kishida. "Pero, como resultado, hemos podido medir los cambios en los neuroquímicos que son importantes para el aprendizaje mientras las personas toman decisiones".
Una vez que los investigadores obtuvieron las mediciones, comenzaron a analizar lo que la dopamina en realidad estaba señalando. Utilizaron nuevos métodos de aprendizaje automático, que emplean varias herramientas computacionales que ayudan a los científicos a profundizar en los datos y emerger con información más matizada.
"Descubrimos que la dopamina rastrea dos factores: lo que sucedió y lo que pudo haber sucedido", dijo Montague. "Nuestras neuronas de dopamina parecen rastrear si algo podría haber sido mejor o peor, y esta información está codificada por los rápidos cambios enliberación de dopamina. Estos hallazgos pueden comenzar a revelar, en términos computacionales, lo que falta en el sistema de dopamina de los pacientes de Parkinson ".
Los hallazgos llevan más de 20 años en desarrollo, desde los primeros estudios computacionales de Montague que examinan los mecanismos de señalización de dopamina.
"La dopamina codifica los llamados errores de predicción de recompensas: la diferencia continua entre las expectativas de recompensa y las recompensas reales experimentadas", dijo Montague. "A partir de las señales de dopamina, podemos ver cuándo una persona espera una recompensa y si la persona recibela recompensa. Pero en nuestro estudio más reciente, encontramos que este modelo anterior de error de predicción de recompensa era incompleto. Más bien, los pulsos de dopamina parecen combinar información sobre lo que podría haber sucedido con información sobre lo que realmente sucedió. Esta es una forma completamente nueva.de ver el papel de la señalización de dopamina en el cerebro humano "
La idea de que "lo que podría haber sido" es parte de cómo las personas evalúan los resultados reales no es nueva. Pero nadie esperaba que la dopamina hiciera el trabajo de combinar esta información en el cerebro humano.
"Unimos dos modelos computacionales conocidos en algo nuevo", dijo Montague.
"Al hacerlo, encontramos el seguimiento de dopamina y la combinación de dos flujos de información en un pulso químico"
Ahora que los investigadores han medido múltiples contribuciones a las señales individuales de dopamina, tienen aún más vías para explorar los sistemas de aprendizaje del cerebro humano en salud y enfermedad.
"Los autores de este estudio combinan la rara oportunidad de recopilar datos directamente de las profundidades del cerebro en humanos despiertos con métodos sofisticados para extraer la señal neuroquímica", dijo Michael Frank, profesor asociado de ciencias cognitivas, lingüísticas y psicológicasen el Brown Institute for Brain Science de la Brown University. Frank no participó en este estudio.
Según Frank, los resultados de la investigación también tienen implicaciones para comprender otros trastornos del sistema de dopamina.
"Los hallazgos alteran la forma en que pensamos sobre la toma de decisiones guiada por recompensas porque permite que la señal de aprendizaje esté más informada por lo que 'podría' haber sido", dijo Frank. "Esa comprensión podría conducir a una mejora más eficienteopciones futuras "
Montague y sus colegas están trabajando para comprender si su descubrimiento se aplica a las personas que no tienen Parkinson. La investigación previa de los científicos, utilizando imágenes de resonancia magnética funcional, sugirió que el nuevo modelo también debería ser válido en individuos sanos.el trabajo anterior carecía de la precisión de las nuevas medidas del equipo.
"La capacidad de realizar este tipo de medición es un gran avance", dijo Montague, quien señaló que no usa esa palabra a la ligera. "Estas mediciones precisas en tiempo real de eventos codificados con dopamina en el cerebro humano vivo nos ayudaráncomprender los mecanismos de toma de decisiones en salud y enfermedad "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Virginia Tech . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :