Warunkowanie strachu

Pawłowskie warunkowanie strachu to paradygmat behawioralny, w którym organizmy uczą się przewidywać zdarzenia awersyjne. Jest to forma uczenia się , w której bodziec awersyjny (np. porażenie prądem) jest powiązany z określonym neutralnym kontekstem (np. neutralny bodziec lub kontekst. Można to zrobić, łącząc bodziec neutralny z bodźcem awersyjnym (np. porażenie prądem, głośny hałas lub nieprzyjemny zapach ). Ostatecznie sam neutralny bodziec może wywołać stan strachu. W słownictwie warunkowania klasycznego bodziec neutralny lub kontekst to „bodziec warunkowy” (CS), bodziec awersyjny to „bodziec bezwarunkowy” (US), a strach to „reakcja warunkowa” (CR).

Aparat do warunkowania strachu dla myszy wyposażony w dźwięk, wstrząs w stopie i czujnik aktywności z fotowiązkami do pomiaru zamrożenia. Kontekst środowiska można zmienić. Aparatura ta jest również wykorzystywana do nad zespołem stresu pourazowego .

Warunkowanie strachu badano u wielu gatunków, od ślimaków po ludzi. U ludzi strach warunkowy jest często mierzony raportem werbalnym i galwaniczną reakcją skóry . U innych zwierząt strach warunkowy jest często mierzony zastygnięciem (okres czujnego bezruchu) lub przestrachem wzmocnionym strachem (wzmocnienie odruchu przestrachu przez bodziec budzący strach). Zmiany częstości akcji serca , oddychania i reakcji mięśni za pomocą elektromiografii można również wykorzystać do pomiaru strachu warunkowego. Wielu teoretyków argumentowało, że strach warunkowy zasadniczo pokrywa się z mechanizmami, zarówno funkcjonalnymi, jak i neuronalnymi, klinicznych zaburzeń lękowych. Badania nad nabywaniem, utrwalaniem i wygaszaniem uwarunkowanego strachu mogą przyczynić się do powstania nowych terapii opartych na lekach i psychoterapii w szeregu stanów patologicznych, takich jak dysocjacja , fobie i zespół stresu pourazowego .

Naukowcy odkryli, że istnieje zestaw połączeń mózgowych, które określają sposób przechowywania i przywoływania wspomnień związanych ze strachem. Badając zdolność szczurów do przywoływania wspomnień związanych ze strachem, naukowcy odkryli, że w grę wchodzi nowo zidentyfikowany obwód mózgowy. Początkowo w przywołaniu pamięci zidentyfikowano przedlimbiczną korę przedczołową (PL) i podstawno-boczne ciało migdałowate (BLA). Tydzień później w procesie przywoływania pamięci zidentyfikowano centralne ciało migdałowate (CeA) i jądro przykomorowe wzgórza (PVT), które są odpowiedzialne za utrzymywanie wspomnień strachu. To badanie pokazuje, w jaki sposób istnieją przesunięte obwody między wspomnieniami krótkoterminowymi i długoterminowymi wspomnieniami strachu. Nie ma zmiany w zachowaniu ani reakcji, tylko zmiana miejsca, z którego pamięć została przywołana.

w tym przyśrodkowa kora przedczołowa (mPFC)

Oprócz ciała migdałowatego hipokamp i przednia kora zakrętu obręczy są ważne w warunkowaniu strachu. Warunkowanie strachu u szczurów jest przechowywane we wczesnych okresach w hipokampie, ze zmianami w ekspresji genów hipokampa obserwowanymi po 1 godzinie i 24 godzinach po zdarzeniu. U myszy zmienioną ekspresję genów obserwuje się również w hipokampie po jednej godzinie i 24 godzinach po warunkowaniu strachem. Zmiany te są przejściowe w neuronach hipokampa i prawie żadne nie są obecne w hipokampie po czterech tygodniach. Do 4 tygodni po zdarzeniu pamięć zdarzenia warunkującego strach jest bardziej trwale przechowywana w przedniej części kory zakrętu obręczy.

Neurobiologia

Ekspresja genów neuronalnych

Jak pokazano w mózgu gryzonia, neuronalna ekspresja genów zmienia się dynamicznie w odpowiedzi na warunkowanie strachu. W szczególności ekspresja bezpośrednich wczesnych genów (IEG), takich jak Egr1 , c-Fos i Arc , jest szybko i selektywnie regulowana w górę w podzbiorach neuronów w określonych obszarach mózgu związanych z uczeniem się i tworzeniem pamięci.

Przegląd z 2022 roku opisuje wiele etapów zwiększania IEG w neuronach w hipokampie podczas warunkowania strachu. IEG są podobnie regulowane w górę w ciele migdałowatym podczas warunkowania strachu. Wiele etapów zwiększania IEG obejmuje aktywację czynników transkrypcyjnych , tworzenie pętli chromatyny , interakcję wzmacniaczy z promotorami w pętlach chromatyny i inicjowane przez topoizomerazę II beta tymczasowe pęknięcia podwójnej nici DNA.

Co najmniej dwa IEG regulowane w górę przez warunkowanie strachem, Egr1 i Dnmt3A2 (wykazane jako IEG przez Oliveira i wsp.) Wpływają na metylację DNA , a tym samym ekspresję wielu genów. Regulowane w górę białka EGR1 łączą się z istniejącymi wcześniej jądrowymi TET1 , a białka EGR1 przenoszą białka TET1 do setek genów, umożliwiając TET1 zainicjowanie demetylacji DNA tych genów. Białko DNMT3A2 jest de novo metylotransferazą DNA , dodającą metylację do cytozyn w DNA. Ekspresja białek DNMT3A2 w neuronach hipokampa w hodowli była preferencyjnie ukierunkowana na dodanie nowej metylacji do ponad 200 genów zaangażowanych w plastyczność synaptyczną. Ekspresje IEG są źródłem dynamicznych zmian w późniejszej ekspresji genów neuronalnych w odpowiedzi na warunkowanie strachowe.

Migdał

Uważa się, że warunkowanie strachu zależy od obszaru mózgu zwanego ciałem migdałowatym . Ciało migdałowate bierze udział w nabywaniu, przechowywaniu i wyrażaniu uwarunkowanej pamięci strachu. Badania uszkodzeń ujawniły, że uszkodzenia wywiercone w ciele migdałowatym przed warunkowaniem strachem uniemożliwiają nabycie warunkowej reakcji strachu, a uszkodzenia wywiercone w ciele migdałowatym po warunkowaniu powodują zapomnienie o reakcjach warunkowych. Zapisy elektrofizjologiczne z ciała migdałowatego wykazały, że komórki w tym regionie przechodzą długotrwałe wzmacnianie (LTP), formę plastyczności synaptycznej , która uważa się za leżącą u podstaw uczenia się. Badania farmakologiczne, badania synaptyczne i badania na ludziach również wskazują, że ciało migdałowate jest głównie odpowiedzialne za uczenie się strachu i pamięć. Ponadto hamowanie neuronów w ciele migdałowatym zakłóca nabywanie strachu, podczas gdy stymulacja tych neuronów może wywoływać zachowania związane ze strachem, takie jak zachowanie znieruchomienia u gryzoni. Wskazuje to, że właściwa funkcja ciała migdałowatego jest zarówno niezbędna do warunkowania strachu, jak i wystarczająca do napędzania zachowań związanych z lękiem. Ciało migdałowate jest nie tylko ośrodkiem strachu, ale także obszarem reagowania na różne bodźce środowiskowe. Kilka badań wykazało, że w obliczu nieprzewidywalnych neutralnych bodźców aktywność ciała migdałowatego wzrasta. Dlatego nawet w sytuacjach niepewności i niekoniecznie strachu, ciało migdałowate odgrywa rolę w ostrzeganiu innych obszarów mózgu, które zachęcają do reakcji związanych z bezpieczeństwem i przetrwaniem.

W połowie lat pięćdziesiątych Lawrence Weiskrantz wykazał, że małpy z uszkodzeniami ciała migdałowatego nie zdołały uniknąć wstrząsu awersyjnego, podczas gdy normalne małpy nauczyły się ich unikać. Doszedł do wniosku, że kluczową funkcją ciała migdałowatego jest łączenie bodźców zewnętrznych z awersyjnymi konsekwencjami. Po odkryciu Weiskrantza wielu badaczy wykorzystało warunkowanie unikania do badania neuronalnych mechanizmów strachu.

Joseph E. LeDoux odegrał kluczową rolę w wyjaśnieniu roli ciała migdałowatego w warunkowaniu strachu. Jako jeden z pierwszych wykazał, że ciało migdałowate ulega długotrwałemu wzmocnieniu podczas warunkowania strachu, a ablacja komórek ciała migdałowatego zakłóca zarówno uczenie się, jak i wyrażanie strachu.

hipokamp

Niektóre rodzaje warunkowania strachu (np. kontekstowe i śladowe) obejmują również hipokamp , obszar mózgu, który, jak się uważa, odbiera afektywne impulsy z ciała migdałowatego i integruje te impulsy z wcześniej istniejącymi informacjami, aby nadać im znaczenie. Niektóre teoretyczne opisy traumatycznych doświadczeń sugerują, że strach oparty na ciele migdałowatym omija hipokamp podczas intensywnego stresu i może być przechowywany somatycznie lub jako obrazy, które mogą powracać jako objawy fizyczne lub retrospekcje bez znaczenia poznawczego.

Hipokamp jest jednym z obszarów mózgu, który przechodzi poważne zmiany w ekspresji genów po kontekstowym warunkowaniu tylnym. Kontekstowe warunkowanie strachu zastosowane u szczura powoduje podwyższenie około 500 genów (prawdopodobnie z powodu demetylacji DNA miejsc CpG ) i obniżenie około 1000 genów (zaobserwowano, że są skorelowane z metylacją DNA w miejscach CpG w regionach promotorowych ) (patrz Regulacja transkrypcji w uczeniu się i pamięci ). Do 24 godzin po zdarzeniu 9,17% genów w genomach neuronów hipokampa szczura jest zmetylowanych w różny sposób. Wydaje się, że wzór indukowanych i represjonowanych genów w neuronach hipokampa zapewnia molekularną podstawę do tworzenia wczesnej przejściowej pamięci kontekstowego warunkowania strachu w hipokampie. Kiedy podobne kontekstowe warunkowanie strachu zastosowano u myszy, godzinę po kontekstowym warunkowaniu strachu było 675 genów demetylowanych i 613 genów hipermetylowanych w obszarze hipokampu mózgu myszy. Zmiany te były przejściowe w neuronach hipokampa i prawie żadna z tych zmian metylacji DNA nie była obecna w hipokampie po czterech tygodniach. Jednak u myszy poddanych kontekstowemu warunkowaniu strachu po czterech tygodniach w przedniej korze zakrętu obręczy myszy, gdzie przechowywane są wspomnienia długoterminowe, było ponad 1000 różnie metylowanych genów i ponad 1000 genów różniących się ekspresją.

Mechanizmy molekularne

Pęknięcia dwuniciowe

Występuje ponad 100 podwójnych pęknięć nici DNA, zarówno w hipokampie, jak i przyśrodkowej korze przedczołowej (mPFC), w dwóch szczytach, po 10 minutach i 30 minutach po kontekstowym warunkowaniu strachu. Wydaje się, że jest to wcześniejsze niż metylacje DNA i demetylacje DNA neuronów w hipokampie, które mierzono po jednej godzinie i 24 godzinach po kontekstowym warunkowaniu strachu (opisanym powyżej w sekcji Hippocampus ) .

wczesnych genach związanych z pamięcią (między innymi) w neuronach po aktywacji neuronu. Te dwuniciowe pęknięcia umożliwiają transkrypcję genów, a następnie translację do aktywnych białek.

Jednym z natychmiastowych wczesnych genów nowo transkrybowanych po pęknięciu podwójnej nici jest EGR1 . EGR1 jest ważnym czynnikiem transkrypcyjnym w tworzeniu pamięci . Odgrywa istotną rolę w epigenetycznym przeprogramowaniu neuronów mózgu . EGR1 rekrutuje TET1 , które inicjuje szlak demetylacji DNA . Usunięcie znaczników metylacji DNA umożliwia aktywację dalszych genów (patrz Regulacja ekspresji genów # Regulacja transkrypcji w uczeniu się i pamięci . EGR1 przenosi TET1 do miejsc promotorowych genów, które muszą zostać odmetylowane i aktywowane (transkrybowane) podczas tworzenia pamięci. EGR-1 , wraz z TET1, jest wykorzystywany do programowania dystrybucji miejsc demetylacji DNA w DNA mózgu podczas tworzenia pamięci i długoterminowej plastyczności neuronów .

DNMT3A2 to kolejny natychmiastowy wczesny gen, którego ekspresja w neuronach może być indukowana przez przedłużoną aktywność synaptyczną. DNMT wiążą się z DNA i metylują cytozyny w określonych miejscach genomu. Jeśli tej metylacji zapobiegają inhibitory DNMT, wówczas wspomnienia nie tworzą się. Jeśli DNMT3A2 jest nadeksprymowany w hipokampie młodych dorosłych myszy, przekształca słabe doświadczenie uczenia się w pamięć długotrwałą, a także wzmacnia tworzenie pamięci strachu.

Obwód wewnątrz ciała migdałowatego

Neurony w podstawno-bocznym ciele migdałowatym są odpowiedzialne za powstawanie warunkowej pamięci strachu. Te neurony rzutują na neurony w centralnym ciele migdałowatym w celu wyrażenia warunkowej reakcji strachu. Uszkodzenie tych obszarów w ciele migdałowatym spowodowałoby zakłócenie ekspresji warunkowych reakcji strachu. Uszkodzenia w podstawno-bocznym ciele migdałowatym wykazały poważne deficyty w wyrażaniu warunkowych reakcji strachu. Uszkodzenia w centralnym ciele migdałowatym wykazały łagodne deficyty w wyrażaniu warunkowych reakcji strachu.

Receptory NMDA i glutaminian

Jednym z głównych neuroprzekaźników biorących udział w warunkowanym uczeniu się strachu jest glutaminian . Sugerowano, że receptory NMDA (NMDAR) w ciele migdałowatym są niezbędne do nabywania pamięci strachu, ponieważ zakłócenie funkcji NMDAR zakłóca rozwój reakcji strachu u gryzoni. Ponadto asocjacyjny charakter warunkowania strachowego znajduje odzwierciedlenie w roli NMDAR jako detektorów koincydencji, gdzie aktywacja NMDAR wymaga jednoczesnej depolaryzacji przez wejścia US w połączeniu z jednoczesną aktywacją CS.

Epigenetyka

Uwarunkowany strach może być dziedziczony międzypokoleniowo. W jednym eksperymencie myszy uwarunkowano tak, aby bały się acetofenonu , a następnie hodowano kolejne pokolenia myszy. Te kolejne pokolenia myszy wykazywały również wrażliwość behawioralną na acetofenon, czemu towarzyszyły zmiany neuroanatomiczne i epigenetyczne, które, jak się uważa, zostały odziedziczone po gametach rodziców .

W poprzek rozwoju

Uczenie się związane z warunkowanym strachem, jak również podstawowa neurobiologia, zmienia się dramatycznie od niemowlęctwa, przez dzieciństwo i okres dojrzewania, do dorosłości i starzenia się. W szczególności niemowlęta wykazują niezdolność do rozwijania skojarzeń strachu, podczas gdy ich dorosłe odpowiedniki znacznie łatwiej rozwijają wspomnienia strachu.

Poprzednie badania wykazały, że nastolatki wykazują utrudnione uczenie się wygaszania strachu w porównaniu z dziećmi i dorosłymi. To odkrycie może mieć implikacje kliniczne, ponieważ jedną z najczęściej stosowanych metod leczenia zaburzeń lękowych jest terapia oparta na ekspozycji, która opiera się na zasadach wygaszania strachu. Dokładne mechanizmy leżące u podstaw różnic rozwojowych w uczeniu się wygaszania strachu nie zostały jeszcze odkryte, chociaż sugerowano, że związane z wiekiem różnice w łączności między ciałem migdałowatym a przyśrodkową korą przedczołową mogą być jednym z mechanizmów biologicznych leżących u podstaw zmiany rozwojowej w uczeniu się wygaszania strachu .

Wcześniejsze doświadczenia ze stresem

Historia stresorów poprzedzających traumatyczne wydarzenie zwiększa efekt warunkowania strachu u gryzoni. Zjawisko to, nazwane uczeniem się strachu pod wpływem stresu (SEFL), zostało wykazane zarówno u młodych (np. Poulos et al. 2014), jak i dorosłych (np. Rau et al. 2009) gryzoni. Mechanizmy biologiczne leżące u podstaw SEFL nie zostały jeszcze wyjaśnione, chociaż wiąże się to ze wzrostem kortykosteronu, hormonu stresu, po początkowym stresorze.

Zobacz też