Hun studerer, hvordan afhængighed kaprer læring i hjernen | Quanta Magasinet

Erin Calipari kommer fra en basketballfamilie. Hendes far, John Calipari, har trænet college og professionel basketball siden 1998, og har ført seks hold til NCAA Final Four, og hendes bror træner herrebasket ved Vanderbilt University i Nashville, Tennessee, hvor hun nu arbejder. Men da hun sluttede sig til sit college-team som bachelor, indså hun, at hendes styrker lå et andet sted. "Jeg havde det fint. Jeg var ikke god,” sagde hun. "Det var ret klart for mig et par år, at det ikke var en karrierevej."

Uden for banen, som biologi-major, greb hun mod hormoner og neurotransmittere. Hun blev fascineret af neurobiologien om, hvordan og hvorfor stoffer som kokain og opioider er vanedannende, da hun lærte om virkningerne af ecstasy på serotoninsystemet. "Jeg syntes, stoffer var så seje, fordi de kaprer hjernen," sagde hun. "Narkotika tager i bund og grund de normale systemer, vi har i vores krop, og driver dem på en måde, der giver dig lyst til at tage stoffer igen."

Efter at have forfulgt kandidatarbejde i neurovidenskab, i 2017 Calipari indrette sit laboratorium hos Vanderbilt for at udforske, hvordan afhængighed er forbundet med den måde, hjernen lærer og træffer beslutninger på. "At beslutte, hvad man skal gøre, og hvad man ikke skal gøre, er virkelig grundlæggende for alt, hvad vi gør," sagde Calipari. "Du lægger hånden på et varmt komfur, du lærer virkelig hurtigt ikke at gøre det igen." Afhængighed kan mindske en persons evne til at lære, at stofbrug skader dem, og også deres evne til at lære noget som helst.

Hendes verden kolliderer stadig med sport, for eksempel når hun holder foredrag for atleter om farerne ved stofbrug. Atleter kan være sårbare over for afhængighed, når de får ordineret smertestillende medicin, såsom opioider, mod skader. Der er risiko for afhængighed, hvis opioider tages i længere perioder, selv når patienter følger lægernes ordrer - et faktum, der har ført til en landsdækkende nødsituation i folkesundheden. Tennessee er et epicenter af opioidepidemien. I 2022 havde Nashville næsthøjeste sats af overdosisdødsfald i landet.

Calipari leder derfor forskning for at afdække afhængighedsmekanismerne i en by, hvor mange mennesker lider af det. Det faktum, at hendes arbejde kunne hjælpe menneskerne omkring hende, motiverer Calipari, selvom afhængighed ikke er et problem, hun eller nogen, nemt kan få øje på.

"Når du tænker på afhængige mennesker, tænker du på disse stereotype billeder, vi har af mennesker, der injicerer stoffer og besvimer," sagde hun. "Men det er ikke den største befolkning af mennesker, der lider af stofmisbrug. De er sygeplejersker. De er lærere. De er læger. De er atleter."

Det, der gør det særligt udfordrende at forske i afhængighed og finde behandlinger for det, sagde hun, er, at det optræder forskelligt hos forskellige mennesker, afhængigt af hvad de er afhængige af (et stof eller en adfærd), deres motivationer, deres genetik, deres køn og deres adgang til ressourcer. Hvilke neurale veje omkobler på grund af afhængighed kan også variere meget mellem individer.

Quanta talte med Calipari om rollen som det velkendte, men ikke velforståede, molekyle dopamin i afhængighed og læring, hvordan forskellige køn oplever afhængighed forskelligt, og hvordan hendes år med at vokse op omkring sport påvirkede, hvordan hun griber videnskaben an i dag. Interviewet er blevet komprimeret og redigeret for klarhedens skyld.

Hvordan ser læring ud i hjernen, og hvordan forstyrrer stoffer det?

Vores hjerne er forbundet til at hjælpe os med at se ting, der er vigtige, og reagere på dem. Det afgør, om vi skal gøre noget igen eller ej. Skal vi flytte eller blive? Er dette godt eller dårligt? Er det noget jeg skal være opmærksom på?

Narkotika overbeviser vores hjerner, "Ja, det er vigtigt. Det er noget, vi skal gøre igen." Narkotika driver ikke kun beslutninger om selve stoffet, men også beslutninger om ikke-narkotiske stimuli i vores miljø. De ændrer, hvordan vi lærer.

Hvordan fungerer det på molekylært niveau?

Lægemidler som opioider virker på dopamin. De fleste mennesker tænker på dopamin som et "nydelsesmolekyle", men det er ikke hele billedet. Ja, dopamin frigives af givende stimuli som chokolade eller sukker. Men det frigives også af afersive stimuli som stress eller smerte. Det tænder, når ting er nyt eller anderledes, uanset om de er gode eller dårlige. Og på den måde er dopamin afgørende for at hjælpe dig med at lære.

Narkotika fortsætter dybest set med at presse dopamin, selv når tingene ikke længere er nye eller anderledes. Hjernen fortsætter med at tro, at noget er vigtigt, hvilket signalerer, at du skal blive ved med at være opmærksom. Men mens stoffer øger dopamin i øjeblikket, opbruger langsigtet stofbrug det. Så med mere og mere stofbrug er der mindre og mindre dopamin i hjernen, hvilket betyder, at du har svært ved at lære noget nyt.

Skal dopamin omdefineres som et "lærende" molekyle i stedet for et "fornøjelses"-molekyle?

Ja. At forstå dopamin som et molekyle, der styrer, hvor effektivt vi lærer, er meget mere præcist.

Hvordan studerer du dette komplicerede system?

I mit laboratorium bruger vi forskellige strategier til at optage og manipulere forskellige celler i hjernen for at forsøge at finde ud af, hvilke celler og kredsløb der hjælper os med at træffe adaptive beslutninger. Og så, når vi har identificeret disse kredsløb, går vi ind og siger: Hvordan ændrer lægemiddeleksponering, hvordan systemet fungerer? Vi udfører dette arbejde på det fysiologiske og epigenetiske niveau. Målet er at forstå grundlæggende biologi - hvordan stoffer kaprer kredsløbene - og derefter finde ud af, om vi kan vende processen. Vi kan for eksempel bruge CRISPR-værktøjer til at vende noget af plasticiteten i specifikke hjerneceller.

Kan forståelsen af, hvordan dopamin virker, hjælpe os med at udvikle behandlinger for afhængighed?

Det er virkelig vigtigt at forstå, hvad dopamin gør for at hjælpe hjernen med at lære. Men at målrette det vil være meget svært. Du kan ikke bare blokere dopamin: Hvis du gør det, vil folk ikke kunne bevæge sig, de vil ikke være i stand til at være opmærksomme på noget. Der kommer en masse arbejde ud på forskellige måder at finjustere dopaminsystemet på i stedet for bare at tænde eller slukke for det. Jeg tror, ​​det er det, vi bliver nødt til at gøre.

Hvordan er det at arbejde som afhængighedsforsker i et af afhængighedens epicentre?

Nashville er dårligt. På højden af ​​opioidepidemien havde Tennessee en af ​​de højeste forekomster af opioidordinationer. I de senere år er det faldet, men opioidproblemet er det ikke. Og det er ikke kun opioider for os; metamfetamin er også en stor en. Og derfor er Vanderbilt i dette unikke rum som et af de største forskningshospitaler i regionen i et centrum for stofmisbrug.

Nogle gange er det udmattende ikke at kunne løse afhængighed i morgen. Det er overvældende på en ikke særlig god måde. Nogle gange er det trist at tale med mennesker, der lider af stofmisbrug, og jeg ved ikke, hvordan jeg skal hjælpe dem. De stiller mig spørgsmål som ekspert. Men jeg er ekspert i de specifikke neurobiologiske forandringer, der opstår. Det er svært for mig at forstå virkningen af ​​denne lidelse på et individs daglige liv, da jeg ikke personligt har oplevet det.

Kommer vi tættere på at forstå og til sidst finde en kur mod afhængighed?

Det er svært at helbrede afhængighed, fordi afhængighed ikke er én ensartet sygdom. Nogle mennesker, der lider af afhængighed, har komorbide lidelser som angst og depression. Nogle mennesker tager stoffer, fordi de forsøger at undgå smerte. Nogle mennesker har kompulsiv adfærd, og nogle har ikke.

Bare det at forstå, hvad der er ens og anderledes i hjernen hos individer med hver af disse unikke symptomer, vil være afgørende for at forstå, hvordan man griber behandlingen an i første omgang. I mit laboratorium ser vi for eksempel på forskellene mellem mænd og kvinder.

Hvad finder du på?

Når du ser på, hvorfor folk tager stoffer, er kvinder mere tilbøjelige til at rapportere, at de tager stoffer for at undgå eller undslippe negative konsekvenser, såsom stress og angst. Mænd er mere tilbøjelige til at tage stoffer impulsivt, blive høje og hænge ud med venner. Begge køn tager stoffer, og en procentdel af begge vil udvikle stofmisbrug. Men de gør det af forskellige årsager.

Hormoner har meget med dette at gøre. Vi fandt ud af, at østradiol, som er et æggestokhormon, der cirkulerer med menstruationscyklussen, ændrer den måde, nikotin fungerer på i hjernen ved at ændre receptorernes funktioner.

Vi fandt også ud af, at hvis du giver dyr ubegrænset adgang til stoffer, tager hanner og hunner den samme mængde stoffer, og deres adfærd ser identisk ud. Men da vi så på, hvilke proteiner i deres hjerner ændrede sig, var mænd og kvinder helt forskellige. Mange af disse proteiner har lignende cellulære funktioner. Det, vi tror, ​​der sker, er, at dette stof øger dopamin hos både mænd og kvinder og driver adfærd på samme måde, men de molekylære veje, der bruges af hvert køn, er meget forskellige.

Hvorfor skulle hjerner fra forskellige køn bruge forskellige veje for at komme til det samme punkt?

Hvis du havde et system, hvor du har brug for en neuron til at kode en enkelt information, ville det system være modtageligt for fejl. Alt skulle fungere perfekt hver eneste gang, for at du kunne navigere i miljøet. Men hjernen har mange overflødigheder, hvilket betyder, at du ikke behøver alt for at fungere perfekt. Der er mange måder at komme til samme ende på. Hvorfor hanner og hunner har forskellige måder at kode for adfærd er sandsynligvis baseret på evolution og overlevelse af vores art.

Det må være et tungt felt at arbejde i. Hvad holder dig motiveret?

Det, der bringer mig ind hver dag, er, at det er vigtige spørgsmål. At lære om det næste og løse svære problemer er i og for sig super tilfredsstillende. Når du så trækker vejret og tager et skridt tilbage og indser, at de svære problemer, du løser, virkelig påvirker folk - så gør det det endnu mere meningsfuldt.

Men hvor jeg virkelig får min motivation, er at vejlede den næste generation. Da jeg gik ind i forskning, var mit mål at påvirke flest mulige mennesker. Den måde, jeg tænkte, jeg ville gøre dette på, var ved at opdage noget vigtigt og ændre samfundet, hvilket naturligvis er det ultimative mål. Men da jeg så kom her og indrettede mit laboratorium, indså jeg, at det man gør er at lære eleverne, at de kan udføre dette job. At give dem mulighed for at finde ud af, hvad de er gode til, og hvad de elsker, holder mig i gang, selv når videnskaben ikke altid går, som jeg ønsker det.

Du er lidt ligesom træneren for dit eget hold.

Når du ender med at drive et laboratorium, indser du, at det er meget videnskab, men det er også meget ikke-videnskab. Det er at få folk til at arbejde sammen og skabe det rigtige miljø for hver enkelt, hvilket kan være udfordrende. Det er som at sætte et hold sammen. Hvis de arbejder sammen, er det mindre svært for hver enkelt. Og hvis du gør det på den rigtige måde, så vinder alle.

Du er også en fortaler for kvinder i videnskaben. Hvor kom det drev fra?

Ingen i min familie havde en kandidatgrad før mig. Fordi min far er i sport, var der ikke den store vægt på det akademiske. Så endte jeg i et rum, der - jeg vil ikke sige, at jeg ikke havde nogen forretning i, men jeg var omkring en flok mennesker, som jeg følte var klogere end mig. De vidste, hvad de lavede. De vidste, hvilken vej de skulle være på. Og jeg følte, at jeg fløj ved sædet af mine bukser.

Jeg havde tilfældigvis fantastiske mentorer, der hjalp mig med at blive på en vej, jeg ikke vidste, jeg var på. Og så, da jeg blev ældre, begyndte jeg at indse, at jeg hørte til her. Jeg var lige så klog som folkene omkring mig. Alene det fik mig til at indse, hvor meget det betyder, at folk føler, at de hører til.

I stedet for at bede kvinder om at opføre sig som mænd for at passe ind i et system bygget til mænd, burde vi måske ændre systemet for at forstærke de ting, vi mangler, som er ting, som kvinder bringer til bordet – hvordan de navigerer i verden, hvordan de opfatter tingene, hvordan de støtter eleverne. Vi har stor gavn af at skabe plads til kvinder.

Du har dyrket sport hele dit liv, inklusive basketball på college. Tror du, det har haft nogen indflydelse på din karriere i dag? 

De største ting, du lærer i sport, er, hvordan du presser dig selv til at blive bedre hver dag, hvordan du kommer tilbage fra fiasko, og hvordan du stoler på dine holdkammerater. Da jeg var yngre, lærte disse oplevelser mig, hvordan jeg skulle komme på arbejde, efter at et eksperiment ikke virkede, og hvordan jeg bede om hjælp, når jeg havde brug for det.

Under min træning var jeg den atlet, der spillede spillet. Men da jeg blev fakultet, var jeg pludselig træner. Mit job er anderledes nu. Det er fokuseret på, hvordan jeg kan få mit hold til at blive bedre. Jeg er nødt til at finde ud af, hvad hver persons styrker er og sætte dem i stand til at lykkes. Jeg er her også for at hjælpe dem med at udfylde hullerne med gode holdkammerater, der er gode til ting, de måske ikke er gode til. Idrætten har givet mig evnerne til at fokusere på at arbejde hårdt og være motiveret, og de har givet mig en ramme for, hvordan man skaber et effektivt team og motiverer dem til at være deres bedste.

Din far, John calipari, er en professionel basketballtræner. Var han en mentor for dig?

Han var en fantastisk mentor, men mere med de ting, han gjorde, end de ting, han sagde. Da jeg gik i mellemskolen, blev han fyret. At se ham blive fyret, men så vende tilbage og sige: "Ved du hvad, det er fint; Jeg vil rejse mig og gøre det igen” - det var virkelig vigtigt for mig, at indse, at selv når ting føles som store fiaskoer, er det nogle gange begyndelsen på noget nyt.

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores biologi læserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.