Optogenetica consente ai neuroscienziati di attivare e disattivare la paura

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Webster's Dictionary definisce la paura come "un'emozione spiacevole causata dalla convinzione che qualcuno o qualcosa sia pericoloso, che possa causare dolore o una minaccia". Quando è stata l'ultima volta che hai provato paura? C'è una persona, un luogo o un'attività che ti riempie di paura? Come gestisci la tua paura?

Come atleta di resistenza, ho affrontato molte situazioni spaventose come: nuotare una gamba di triathlon Ironman nelle acque infestate dagli squali del Sud Africa, correre attraverso la Death Valley a 130 ° F durante la Badwater Ultramarathon, e sapendo che dovevo correre senza sosta per 24 ore su un tapis roulant in un'intensa intersezione di Manhattan.

Invece di nascondermi sotto le coperte o evitare situazioni di paura, ho imparato a "affrontare il drago" a testa alta usando una varietà di tecniche che ho scritto sui post del blog di Psychology Today come "5 modi basati sulla neuroscienza per cancellare il tuo Mente "e" Il ritorno a un posto immutato rivela come sei cambiato ".

Ci sono persone, luoghi o attività fisiche che ti riempiono di paura?

Stamattina ero eccitato di leggere un metodo che i neuroscienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno sviluppato per disattivare le risposte condizionate dalla paura nei topi. Le loro scoperte aprono la porta a metodi rivoluzionari che gli umani potrebbero usare un giorno per ri-legare le loro menti per negare il condizionamento della paura e l'apprendimento dell'evitamento.

Lo studio di aprile 2015, "Un meccanismo circuitale per differenziare le associazioni positive e negative", è stato pubblicato sulla rivista Nature .

I neuroscienziati del MIT hanno utilizzato strumenti genetici ottici all'avanguardia per individuare i meccanismi dell'evitamento condizionato dalla paura e del comportamento basato sulla ricompensa, entrambi fondamentali per la sopravvivenza di una specie. L'uso di "optogenetica" ha permesso ai ricercatori di manipolare i singoli neuroni proiettando sia l' ippocampo che memorizza il contesto sia l' amigdala che memorizza le emozioni .

Praneeth Namburi, Anna Beyeler, Ph.D., Kay M. Tye, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology
I circuiti neuronali delle associazioni negativa (rossa) e positiva (verde) sono spesso intrecciati,
Fonte: Praneeth Namburi, Anna Beyeler, Ph.D., Kay M. Tye, Ph.D., Massachusetts Institute of Technology

In una scoperta inaspettata, Kay Tye, PhD e colleghi del MIT hanno scoperto che l'incrocio dei circuiti convergenti nell'amigdala basolaterale, sono coinvolti nell'apprendimento della paura e della ricompensa. Inizialmente, erano perplessi su come l'amigdala potesse orchestrare comportamenti così opposti, come cercare una ricompensa ed evitare.

La risposta a questo indovinello sembra essere che un circuito neurale proietta verso un centro di ricompensa, il nucleo accumbens e gli altri progetti verso un vicino centro di paura, l'amigdala centromediale, che è la "stazione di uscita" del centro emotivo del cervello.

Stimolare otticamente la proiezione del centro della ricompensa può migliorare il rinforzo positivo e una sensazione di sicurezza. Il rovescio della medaglia, stimolando la proiezione del centro della paura ha promosso il rinforzo negativo. Allo stesso modo, bloccare la proiezione del centro della paura ha impedito l'apprendimento della paura e l'apprendimento della ricompensa avanzata.

I neuroscienziati hanno scoperto che ogni proiezione del circuito è composta da popolazioni separate di neuroni intrecciati. Usando traccianti di perline fluorescenti di optogenetica sono stati in grado di differenziare quali neuroni appartenevano a ciascun circuito.

Per questo studio, i topi hanno subito il classico condizionamento della paura o della ricompensa e sono stati addestrati a temere un suono associato a uno shock oa associare il tono a una ricompensa di zucchero. I ricercatori del MIT hanno misurato la forza delle connessioni neurali in entrambi gli ambienti "impauriti" e "sicuri".

La scoperta più sorprendente di questa ricerca è stata che la connettività neuronale per premiare le proiezioni del centro è diminuita dopo l'apprendimento della paura e aumentata con l'apprendimento della ricompensa. Al contrario, la connettività alle proiezioni del centro della paura è aumentata con l'apprendimento della paura e diminuita dopo l'apprendimento della ricompensa.

"Questi meccanismi convergenti in circuiti anatomicamente intrecciati potrebbero contenere indizi per stuzzicare il modo in cui le associazioni emozionali positive e negative possono influenzarsi a vicenda", ha concluso Tye in un comunicato stampa.

Le emozioni negative possono essere rimpiazzate da emozioni positive a livello neurobiologico

In uno studio simile condotto da ricercatori del MIT, Susuma Tonegawa e colleghi sono stati in grado di trasformare una memoria negativa in una memoria positiva. Lo studio dell'agosto 2014, "Switch bidirezionale della valenza associata a un engram di memoria contestuale ippocampale", è stato anche pubblicato sulla rivista Nature .

In un comunicato stampa, Tonegawa afferma: "C'è qualche evidenza della psicoterapia che la memoria positiva può sopprimere i ricordi dell'esperienza negativa. Abbiamo dimostrato come la valenza emotiva dei ricordi possa essere commutata a livello cellulare ".

Gli episodi estatici e traumatici della tua vita sono memorizzati in specifiche reti neurali chiamate engram come ricordi unici nel tuo cervello. Hai qualche sintomo di disturbo da stress post-traumatico legato a una risposta condizionata dalla paura?

Ai tempi in cui Manhattan aveva ancora alcuni quartieri difficili, sono stato preso da tre ragazzi che mi hanno picchiato una notte mentre stavo tornando a casa nel mio appartamento nell'East Village. L'evento ha lasciato il condizionamento della paura profondamente seminato che avrebbe fatto sudare i miei palmi e il cuore a correre ogni volta che sono arrivato a pochi isolati dal crimine. Mi ci sono voluti mesi per essere in grado di camminare a casa lungo lo stesso percorso in cui ero stato picchiato.

Il rovescio della medaglia, codifica di un luogo specifico come sicuro, sicuro e sentirsi come a casa può creare quella realtà. Come atleta, ero in grado di creare associazioni positive a prescindere dalla realtà della situazione e padroneggiavo la finezza psicologica necessaria per annullare qualsiasi condizionamento di paura che potessi associare a fronteggiare le tempeste in un campo di regata.

Poiché mi considero un ratto di laboratorio umano, è divertente leggere che Tonegawa descrive come questo tipo di informazioni contestuali è registrato nell'ippocampo del cervello, mentre la componente emotiva della memoria è memorizzata separatamente, nell'amigdala. Mentre lo spiega, "L'amigdala può immagazzinare informazioni con una valenza positiva o negativa e associarla a un ricordo."

Tonegawa e i suoi colleghi erano curiosi di vedere se potevano alterare un ricordo che era già fortemente associato a un'emozione. La domanda da un milione di dollari era: "Una volta che un animale aveva sviluppato la paura di un luogo, il ricordo di quel luogo poteva essere reso piacevole invece?"

Per trovare la risposta, Tonegawa e altri hanno sistemato i topi in una camera che ha provocato un lieve shock. Mentre il mouse formava la memoria basata sulla paura di questo posto pericoloso, usavano optogenetics per inserire una proteina fotosensibile nelle cellule che memorizzavano le informazioni.

Collegando la produzione della proteina fotosensibile con l'attivazione di un gene che viene attivato quando le memorie sono codificate, sono state in grado di indirizzare la sensibilità alla luce alle cellule che ospitavano la memoria appena formata.

I topi sono stati quindi rimossi dalla camera e pochi giorni dopo, gli scienziati hanno riattivato artificialmente la memoria facendo brillare una luce nelle celle che contenevano il ricordo del luogo spaventoso. Come previsto, gli animali risposero bloccandosi sul posto ed evitando ulteriori esplorazioni che indicavano che avevano paura.

Quindi gli scienziati hanno deciso di sovrascrivere la paura dando ai topi associazioni positive alla camera spaventosa, nonostante le loro associazioni negative legate alla posizione. Quindi, hanno posizionato i topi in un nuovo ambiente, ma invece di uno shock hanno avuto l'opportunità di interagire con topi femmina che li hanno fatti sentire al sicuro.

Mentre i topi si univano in un ambiente sicuro, i ricercatori attivavano di nuovo i neuroni che immagazzinavano la memoria della paura usando la luce optogenetica. Ma questa volta, attivarono solo un sottoinsieme di neuroni che immagazzinavano memoria alla volta, sia quelli dell'ippocampo che quelli dell'amigdala.

Quando i ricercatori hanno riattivato le cellule che memorizzano la memoria nell'ippocampo mentre i topi interagivano con le femmine, le cellule della memoria nell'ippocampo hanno acquisito una nuova associazione emotiva positiva. È interessante notare che i topi ora cercavano gli ambienti che erano stati precedentemente collegati alla paura.

Questa è una prova positiva del fatto che le memorie negative possono essere ricondotte usando il condizionamento classico e intrecciando le associazioni positive nelle reti neurali associate agli ambienti negativi.

Conclusione: quali sono le implicazioni umane della ricerca optogenetica sui topi?

Tonegawa sottolinea che il successo che i ricercatori del MIT hanno avuto nel trasformare le emozioni di un ricordo dentro e fuori nei topi non si tradurrà immediatamente in terapie o interventi umani.

Sfortunatamente, non esiste alcuna tecnologia esistente che possa attualmente manipolare i neuroni umani come i ricercatori del MIT possono in esperimenti sui topi. Tuttavia, Tonegawa ritiene che una migliore comprensione dei circuiti neurali che collegano l'ippocampo e l'amigdala potrebbe portare allo sviluppo di migliori prodotti farmaceutici e altri interventi in futuro.

Questo video del MIT mostra come optogentics consente ai neuroscienziati di controllare l'attività di specifici neuroni.

Se vuoi leggere di più su questo argomento, controlla i post del mio blog Psychology Today :

  • "5 modi basati sulla neuroscienza per cancellare la mente"
  • "Il ritorno a un posto immutato rivela come sei cambiato"
  • "L'immaginazione può cambiare le percezioni della realtà"
  • "I neuroscienziati scoprono le radici del 'congelamento provocato dalla paura'"
  • "La neuroscienza di calmare un bambino"
  • "La neurobiologia della grazia sotto pressione"

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