Rola przedniej kory zakrętu obręczy w regulacji stresu i pobudzenia organizmu

Naukowcy z Rutgers University przeprowadzili badanie dotyczące roli przedniej kory zakrętu obręczy w regulacji stresu i pobudzenia organizmu. Wykazali, iż obszar ten nie tylko reaguje na zmiany stanu organizmu, ale aktywnie kontroluje intensywność reakcji fizjologicznych, takich jak rozszerzanie źrenic czy wzrost tętna.

Mózg & emocje

Mózg nieustannie koordynuje nasze emocje, procesy poznawcze oraz reakcje organizmu, takie jak zmiany tętna, poziomu pobudzenia czy rozszerzanie źrenic. Aby człowiek mógł odpowiednio reagować na sytuacje pojawiające się w otoczeniu, konieczna jest ścisła kooperacja między ośrodkami odpowiedzialnymi za myślenie i emocje a układem kontrolującym funkcje fizjologiczne. Badania naukowców wykazały, iż kluczową rolę w tym procesie odgrywa przednia kora zakrętu obręczy (ACC). Struktura ta działa jak swoisty regulator. Dostosowuje poziom uwagi i pobudzenia organizmu do aktualnych potrzeb oraz sytuacji zachodzących w otoczeniu.

Rola przedniej kory zakrętu obręczy w regulacji stresu i pobudzenia organizmu

Badanie przeprowadzono na genetycznie zmodyfikowanych myszach, aby precyzyjnie obserwować i kontrolować aktywność wybranych obszarów mózgu związanych z rozszerzaniem źrenic. Naukowcy wszczepili zwierzętom miniaturowe światłowody oraz podali specjalne wirusy sprawiające, iż neurony świeciły podczas aktywności lub reagowały na światło lasera. Dzięki temu mogli zarówno aktywować, jak i czasowo wyciszać określone struktury mózgu, przede wszystkim przednią korę zakrętu obręczy (ACC).

Do stymulacji używano niebieskiego światła lasera o długości fali 470 nm. W części eksperymentów wyłączano aktywność ACC, aby sprawdzić, czy źrenice przez cały czas będą się rozszerzać. W innych natomiast pobudzano ten obszar, by ocenić, czy samo jego uruchomienie wystarczy do wywołania reakcji źrenicy. Zastosowano także system „closed-loop”, w którym komputer analizował obraz z kamery w czasie rzeczywistym. Automatycznie uruchamiał laser dokładnie wtedy, gdy źrenica zaczynała spontanicznie się rozszerzać.

Równocześnie badacze rejestrowali naturalną aktywność neuronów dzięki wskaźnika GCaMP, emitującego zielone światło podczas pracy komórek nerwowych. Pozwalało to bardzo dokładnie określić, kiedy aktywują się poszczególne obszary mózgu i czy dzieje się to przed zmianą wielkości źrenicy.

Do analizy źrenicy wykorzystano program DeepLabCut oparty na uczeniu maszynowym, który śledził jej kształt na nagraniach wideo i automatycznie obliczał jej powierzchnię. Dodatkowo kontrolowano ruch myszy, aktywność mięśni twarzy i tętno. Naukowcy chcieli w ten sposób upewnić się, iż zmiany źrenicy wynikają z aktywności mózgu, a nie jedynie z ruchu lub pobudzenia organizmu. Największym wyzwaniem była synchronizacja wszystkich sygnałów z dokładnością do tysięcznych części sekundy.

Kora ACC to szczególna część mózgu

Wyniki badania pokazały, iż wielkość źrenicy jest bardzo dobrym wskaźnikiem poziomu pobudzenia organizmu. Naukowcy zaobserwowali, iż rozszerzanie źrenicy u myszy było ściśle powiązane ze wzrostem tętna, co sugeruje, iż źrenica odzwierciedla aktualny stan aktywacji organizmu. Udało się również ustalić charakterystyczną kolejność reakcji: najpierw mysz wykonywała drobne ruchy pyszczkiem i wibrysami, następnie rozszerzała się źrenica, a dopiero później (przy silniejszym pobudzeniu) zwierzę zaczynało biec.

Kluczową rolę w regulacji tych reakcji odgrywała przednia kora zakrętu obręczy. Gdy badacze czasowo wyłączali aktywność tego obszaru dzięki optogenetyki, źrenice rozszerzały się słabiej i szybciej wracały do normalnego rozmiaru. Mimo to myszy przez cały czas wykonywały ruchy pyszczkiem. Wskazuje to, iż ACC nie odpowiada za samo rozpoczęcie reakcji, ale raczej za jej intensywność i utrzymanie pobudzenia organizmu. Z kolei sztuczne pobudzenie ACC powodowało natychmiastowe rozszerzenie źrenic, przyspieszenie tętna oraz zwiększoną aktywność ruchową.

Badanie wykazało również, iż ACC odgrywa istotną rolę w reagowaniu na bodźce zewnętrzne. Gdy myszy słyszały dźwięki, ich źrenice rozszerzały się tym mocniej, im większa była aktywność ACC. Natomiast wyłączenie tego obszaru wyraźnie osłabiało reakcję na bodziec. Sugeruje to, iż ACC pomaga określić, jak silnie organizm powinien reagować na wydarzenia w otoczeniu.

Naukowcy porównali także działanie ACC z miejscem sinawym (LC), strukturą mózgu odpowiedzialną za uwalnianie noradrenaliny. Okazało się, iż LC reaguje bardzo gwałtownie i działa jak „starter”, inicjując pierwszą fazę pobudzenia oraz rozszerzenia źrenicy. ACC aktywuje się nieco później, ale utrzymuje działanie dłużej i odpowiada za regulację siły całej reakcji. Oznacza to, iż miejsce sinawe uruchamia organizm do działania, natomiast ACC decyduje, jak intensywna będzie odpowiedź organizmu na dany bodziec.

Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie Science Advances.