Международная группа исследователей из США и Великобритании продемонстрировала, что транскраниальная ультразвуковая стимуляция способна избирательно модулировать активность глубоких подкорковых структур головного мозга человека и влиять на процессы обучения и принятия решений.
Ученые показали, что воздействие на прилежащее ядро – ключевую структуру системы вознаграждения – изменяет чувствительность к наградам, причем эффекты сопоставимы с теми, что наблюдаются при глубокой стимуляции мозга имплантированными электродами. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Прилежащее ядро (nucleus accumbens, NAcc), расположенное в вентральной части полосатого тела (стриатума), играет центральную роль в обработке информации о вознаграждении и обучении на основе подкрепления. Эта структура получает дофаминергические связи (то есть активируется дофамином) из среднего мозга и участвует в формировании ожиданий награды, а также сообщает о расхождении между предсказанной и реальной наградой – обеспечивает так называемую ошибку предсказания. Предшествующие исследования на приматах показали, что повреждения прилежащего ядра специфически нарушают обучение, основанное на положительном подкреплении, не затрагивая при этом обучение на основе отсутствия награды. Однако до сих пор оставалось неясным, можно ли неинвазивно воздействовать на столь глубокую структуру человеческого мозга и получить измеримые изменения в поведении.
В исследовании приняли участие 26 здоровых добровольцев в возрасте от 20 до 65 лет. Эксперимент построили по принципу внутригруппового дизайна: каждый участник прошел четыре сессии с интервалом не менее недели. На первой сессии проводилась МРТ для индивидуального планирования зоны действия ультразвука, на последующих трех – собственно стимуляция в случайном порядке прилежащего ядра, дорсальной передней поясной коры (дППК) в качестве активного контроля или имитация стимуляции (Sham).
Исследователи использовали специально разработанную систему NeuroFUS с четырехэлементным кольцевым преобразователем, способным фокусировать ультразвук на глубине от 27 до 83 мм, что позволяло достичь прилежащего ядра. Протокол стимуляции включал 80 секунд воздействия с частотой повторения импульсов 5 Гц. Примерно через 10-15 минут после стимуляции участники выполняли задачу вероятностного обучения с реверсией внутри МРТ. Им предъявляли абстрактные символы, один из которых с вероятностью 70% приводил к награде, а два других – лишь с вероятностью 30%. Каждые 25 проб высокая вероятность награды переназначалась другому символу, что требовало переобучения. Задача выполнялась в четырех блоках на протяжении примерно часа после стимуляции.
Результаты говорят о том, что УЗ-стимуляция прилежащего ядра вызвала специфические изменения в поведении, связанном с вознаграждением. Участники после стимулов NAcc чаще прибегали к стратегии «выигрыш – остаемся» (win-stay): получив награду за выбор определенного символа, они с большей вероятностью повторяли этот выбор. Этот эффект оказался статистически значимым по сравнению как с имитацией стимуляции, так и со стимуляцией дорсальной передней поясной коры.
Анализ кривых обучения показал, что после стимула NAcc участники к концу периода реверсии быстрее приходили к тому, чтобы выбирать стабильный выигрышный символ. Моделирование поведения с использованием алгоритмов обучения с подкреплением выявило повышение скорости обучения на основе положительной обратной связи после стимуляции прилежащего ядра, тогда как скорость обучения на основе отсутствия награды не изменилась. Примечательно, что эффект имел и «теневую сторону»: участники чаще повторяли выбор маловероятного символа после случайной награды за него, что можно расценивать как неадаптивное поведение.
Функциональная МРТ подтвердила нейробиологическую основу поведенческих изменений. После стимуляции NAcc наблюдалось усиление активности в рамках функциональной МРТ в ответ на ожидание награды не только в самом прилежащем ядре, но и в прилегающем стриатуме, таламусе, миндалине и предклинье. Стимуляция дорсальной передней поясной коры, напротив, не вызвала изменений в поведении, хотя привела к усилению сигнала при получении награды в медиальных префронтальных областях.
Данные пациентов с глубокой стимуляцией мозга (DBS) показали, что такая стимуляция прилежащего ядра влияет на те же поведенческие показатели, что и стимуляция ультразвуком, но в противоположном направлении: при включенной стимуляции чувствительность к награде снижалась. Это согласуется с представлением о том, что высокочастотная электрическая стимуляция функционально подавляет активность целевой структуры, тогда как низкочастотная ультразвуковая стимуляция может оказывать возбуждающее действие.
Авторы подчеркивают, что полученные результаты открывают новые возможности для изучения причинно-следственных связей между активностью глубоких структур мозга и поведением человека. Вместе с тем исследование имеет ряд ограничений. Использовалась одинаковая интенсивность ультразвука для всех участников, что могло приводить к различиям в воздействиях из-за особенностей черепа. Также стимуляция проводилась только с одной стороны, что не позволяет оценить возможные латерализованные эффекты. Кроме того, выборка пациентов с DBS была крайне маленькой (три человека), а их исходная чувствительность к награде отличалась от здоровых участников из-за основного заболевания (это были пациенты с анорексией). Авторы также отмечают, что эффекты ультразвука могут распространяться за пределы непосредственной мишени через функциональные связи стимулируемой области с другими структурами мозга – и уже это может привести к непредсказуемым результатам.
Тем не менее транскраниальная ультразвуковая стимуляция представляется перспективным инструментом не только для фундаментальных исследований, но и для разработки неинвазивной терапевтии при нейропсихиатрических расстройствах, связанных с нарушениями системы вознаграждения – зависимостях, депрессии, расстройствах пищевого поведения.
Текст: Анна Хоружая