Як dmPFC керує формуванням асоціацій страху в емоційних моделях
Яцек Кривко
21 травня 2025 року • Центр нейробіології RIKEN, Токіо
Вступ
Коли відбувається болісна подія, наприклад, укус оси, мозок не просто фіксує зв’язок між осою та болем. Він створює складну мережу асоціативних сигналів: місце укусу, запах навколишньої рослинності або навіть віддалені візуальні орієнтири. Досі точні механізми, що лежать в основі цих складних емоційних моделей, залишалися невідомими. Нова робота, опублікована в журналі Nature (DOI: 10.1038/s41586-025-09001-2) авторів Джошуа Йохансена, Сяовей Гу та їхніх колег з RIKEN, проливає світло на те, як дорсально-медійна префронтальна кора (dmPFC) формує ці асоціативні зв’язки, виходячи за межі відомої ролі мигдалини в простому навчанні страху.
Поведінковий парадигм і кальцієва візуалізація
Протокол кондиціонування
- Парна група: Щури пройшли 20 випробувань, під час яких візуальний сигнал (30 люкс світлодіодний спалах) і звуковий сигнал (чистий тон 5 кГц, 75 дБ) накладалися протягом 5 секунд; після цього відбувався легкий електрошок (0,6 мА, 0,5 с).
- Непарна група: Ті ж стимули подавалися випадковим чином, з інтервалом понад 90 секунд, щоб уникнути асоціації.
- Через 24 години обидві групи пройшли тест на зображення з шоком, після чого проводився тест лише з тональним сигналом для вимірювання поведінки заморожування.
“Парна група замерзла на звуковий сигнал, що підтверджує людське міркування: вони пов’язали непрямі сигнали з неприємною подією,” зазначає Йохансен.
Специфікації кальцієвої візуалізації з використанням мініскопа
- Вірусний вектор: AAV9-Syn-GCaMP7f (титр 1×1013 vg/mL), націлений на шари II/III dmPFC шляхом стереотаксичної ін’єкції (AP +2.3 мм, ML ±0.6 мм, DV -1.5 мм).
- Мініатюрний епіфлуоресцентний мікроскоп (nVista HD, Inscopix) з основою 0.5 г; поле зору: 600×800 мкм; частота кадрів: 10 Гц; просторове розділення: 2.5 мкм/піксель.
- Попередня обробка даних: корекція руху за допомогою NoRMCorre, виділення області інтересу через CNMF-E та деконволюція подій для визначення спайкової активності.
Ключові знахідки: асоціативні зв’язки в dmPFC
Аналіз кальцієвих транзієнтів показав, що:
- Рання сенсорна фаза: Нейрони dmPFC демонстрували мінімальну модифікацію під час ізольованої подачі зображення або звуку.
- Аверсивна фаза: Підмножина нейронів (≈15%) виявила високу частоту транзієнтів під час електрошоку.
- Парна група: Виникла перекриття між клітинами, чутливими до шоку, та нейронами, що кодують як візуальні, так і звукові сигнали (p<0.01, тест перестановок).
“Ми спостерігали анатомічний зв’язок — ансамбль нейронів, які спільно представляють мультисенсорну інформацію, пов’язану з аверсивною подією,” пояснює Гу.
Функціональна дисекція: шлях dmPFC–мигдалина
Щоб перевірити причинно-наслідкові зв’язки, команда експресувала інгібуючі DREADDs (hM4Di) вибірково в нейронах dmPFC, які проєктуються до базолатеральної мигдалини (BLA). Системне введення клозапіну-N-оксиду (CNO, 5 мг/кг) перед повторним викликом вибірково заглушило цей шлях.
- Результат: Щури все ще замерзали на зображення (простий сигнал), але не на звук (непрямий сигнал), що підтверджує, що вхід з dmPFC є необхідним для вираження складного, непрямого страху.
- Контрольні тварини (ін’єкція фізіологічного розчину) демонстрували заморожування на обидва сигнали, як і очікувалося.
“Мигдалина може реалізовувати прості асоціації, але для складних висновків їй потрібна конвергенція, що керується dmPFC,” зауважує Йохансен.
Механізми мультисенсорної інтеграції
Як об’єднуються окремі сенсорні представлення? Попередні дані вказують на залучення нейронів мультисенсорного хабу в шарах V/VI dmPFC, які експресують обидві підодиниці NMDA-рецепторів (GluN2A та GluN2B) та кальцій-проникні AMPA-рецептори. Ці клітини можуть діяти як детектори збігу, підсилюючи тимчасово корельовані вхідні сигнали через дендритні спайки. Додаткові записи in vitro з використанням патч-кліпів тривають, щоб виміряти синаптичну пластичність (LTP/LTD) у цих ансамблях.
Імплікації для нейропсихіатричних терапій
Складні моделі страху є центральними для таких станів, як ПТСР, фобії та генералізований тривожний розлад. Визначивши вісь dmPFC–BLA, ця робота відкриває нові можливості для цілеспрямованих втручань:
- Транскраніальна магнітна стимуляція (TMS): фокусна модифікація dmPFC на частотах тета-сплесків може порушити maladaptive асоціативні зв’язки.
- Глибока мозкова стимуляція (DBS): замкнене стимулювання трактів вентромедіальної PFC–мигдалини, кероване нейронними біомаркерами.
- Оптогенетика та хемогенетика: у трансляційних моделях гризунів, уточнити протоколи для зворотного впливу на складний страх без впливу на базову асоціативну пам’ять.
Прогрес у візуалізації та аналітичних інструментах
Останні інновації доповнюють результати цього дослідження:
- Двофотонна об’ємна візуалізація (співпраця Гарварду та MIT, Neuron, червень 2025) для субклітинного розділення через кортикальні шари.
- Техніки очищення (CLARITY+) дозволяють постфактум 3D-реконструкцію всіх шляхів dmPFC–мигдалина з розділенням на рівні синапсів.
- Відстеження поведінки за допомогою DeepLabCut та MoSeq для неупередженого кількісного аналізу мікроструктури заморожування.
Майбутні напрямки
Ключові питання залишаються:
- Як dmPFC кодує кілька, відмінних аверсивних наслідків в одному місці? Чи представлені ці уявлення в стосах чи мультиплексовані?
- Які молекулярні сигнали регулюють залучення нейронів мультисенсорного хабу? Чи залучено до цього дофамінове сигналізування з вентральної тегментальної області?
- Чи можуть неінвазивні біомаркери (ЕЕГ/МЕГ сигнатури) надійно індексувати складні моделі страху у людей?
Як зазначає Йохансен, “Розкриття цих механізмів дозволить створити точні втручання для лікування травматичних розладів. Ми лише на поверхні емоційної архітектури мозку.”