Bada, jak uzależnienie zakłóca proces uczenia się w mózgu | Magazyn Quanta

Erin Calipari pochodzi z koszykarskiej rodziny. Jej ojciec, John Calipari, jest trenerem koszykówki w college'u i zawodowej od 1998 roku, prowadząc sześć drużyn do Final Four NCAA, a jej brat jest trenerem męskiej koszykówki na Uniwersytecie Vanderbilt w Nashville w stanie Tennessee, gdzie obecnie pracuje. Kiedy jednak jako studentka dołączyła do zespołu uniwersyteckiego, zdała sobie sprawę, że jej mocne strony leżą gdzie indziej. „Czułem się dobrze. Nie byłam wspaniała” – powiedziała. „Po kilku latach było dla mnie całkiem jasne, że to nie jest ścieżka kariery”.

Poza boiskiem, jako studentka biologii, skupiała się na hormonach i neuroprzekaźnikach. Zafascynowała ją neurobiologia tego, jak i dlaczego narkotyki takie jak kokaina i opioidy uzależniają, gdy dowiedziała się o wpływie ekstazy na układ serotoninowy. „Myślałam, że narkotyki są takie fajne, bo przejmują kontrolę nad mózgiem” – powiedziała. „Narkotyki zasadniczo przejmują normalne układy, które mamy w naszym organizmie i napędzają je w sposób, który sprawia, że ​​chcesz ponownie zażyć narkotyki”.

Po ukończeniu pracy magisterskiej w dziedzinie neurologii w 2017 r. Calipari założyła swoje laboratorium w Vanderbilt, aby zbadać, w jaki sposób uzależnienie jest powiązane ze sposobem, w jaki mózg uczy się i podejmuje decyzje. „Decydowanie, co robić, a czego nie, ma naprawdę fundamentalne znaczenie we wszystkim, co robimy” – powiedziała Calipari. „Kładziesz rękę na rozgrzanym piecu i bardzo szybko uczysz się, żeby tego więcej nie robić”. Uzależnienie może zmniejszyć zdolność danej osoby do dowiedzenia się, że zażywanie narkotyków wyrządza jej krzywdę, a także w ogóle jej zdolność do nauczenia się czegokolwiek.

Jej świat wciąż zderza się ze sportem, na przykład gdy prowadzi rozmowy ze sportowcami na temat niebezpieczeństw związanych z używaniem substancji psychoaktywnych. Sportowcy mogą być podatni na uzależnienie, gdy przepisuje się im leki przeciwbólowe, takie jak opioidy, na wypadek kontuzji. Długotrwałe przyjmowanie opioidów wiąże się z ryzykiem uzależnienia, nawet jeśli pacjenci stosują się do zaleceń lekarzy – fakt ten doprowadził do ogólnokrajowego protestu nagły wypadek zdrowia publicznego. Tennessee jest epicentrum epidemii opioidów. W 2022 roku Nashville miało drugi najwyższy wskaźnik zgonów z powodu przedawkowania w kraju.

Dlatego Calipari prowadzi badania mające na celu rozwikłanie mechanizmów uzależnienia w mieście, w którym cierpi na nie wiele osób. Fakt, że jej praca może pomóc otaczającym ją ludziom, motywuje Calipari, chociaż uzależnienie nie jest problemem, który ona ani ktokolwiek inny może łatwo zauważyć.

„Kiedy myślisz o osobach uzależnionych, przychodzą Ci na myśl stereotypowe obrazy osób wstrzykiwających sobie narkotyki i tracących przytomność” – powiedziała. „Ale to nie jest największa populacja osób cierpiących na zaburzenia związane z używaniem substancji psychoaktywnych. To pielęgniarki. To nauczyciele. To lekarze. To sportowcy.”

„To, co sprawia, że ​​badanie uzależnień i znajdowanie metod leczenia jest szczególnie trudne” – dodała – polega na tym, że objawia się ono różnie u różnych osób, w zależności od tego, od czego są uzależnieni (substancja lub zachowanie), ich motywacji, genetyki, płci i dostęp do zasobów. To, które ścieżki neuronowe zostaną przebudowane z powodu uzależnienia, może również znacznie się różnić u poszczególnych osób.

Quanta rozmawiała z Calipari o roli dobrze znanej, ale niezbyt dobrze zrozumiałej cząsteczki dopaminy w uzależnieniu i uczeniu się, o tym, jak różne płcie inaczej doświadczają uzależnienia i jak lata, które dorastała w otoczeniu sportu, wpłynęły na jej dzisiejsze podejście do nauki. Wywiad został skrócony i zredagowany dla przejrzystości.

Jak wygląda uczenie się w mózgu i jak wpływają na to narkotyki?

Nasz mózg jest tak zaprogramowany, aby pomóc nam dostrzec rzeczy ważne i zareagować na nie. Od niego zależy, czy będziemy musieli coś zrobić jeszcze raz, czy nie. Musimy się przeprowadzić czy zostać? Czy to dobrze, czy źle? Czy jest to coś na co muszę zwrócić uwagę?

Narkotyki przekonują nasze mózgi: „Tak, to jest ważne. To jest coś, co musimy zrobić ponownie.” Narkotyki wpływają nie tylko na decyzje dotyczące samego leku, ale także na decyzje dotyczące bodźców nielekowych w naszym otoczeniu. Zmieniają sposób, w jaki się uczymy.

Jak to działa na poziomie molekularnym?

Leki takie jak opioidy działają na dopaminę. Większość ludzi uważa dopaminę za „cząsteczkę przyjemności”, ale to nie jest cały obraz. Tak, dopamina jest uwalniana przez nagradzające bodźce, takie jak czekolada czy cukier. Ale jest również uwalniany przez awersyjne bodźce, takie jak stres lub ból. Uruchamia się, gdy coś jest nowe lub inne, niezależnie od tego, czy jest dobre, czy złe. W ten sposób dopamina odgrywa kluczową rolę w procesie uczenia się.

Narkotyki w zasadzie nadal wywierają nacisk na dopaminę, nawet jeśli sytuacja nie jest już nowa ani inna. Mózg nadal uważa, że ​​coś jest ważne, sygnalizując, że należy zwracać na to uwagę. Ale chociaż narkotyki obecnie zwiększają dopaminę, długotrwałe zażywanie jej wyczerpuje. Zatem wraz z coraz większym zażywaniem narkotyków w mózgu jest coraz mniej dopaminy, co oznacza, że ​​trudno jest Ci nauczyć się czegokolwiek nowego.

Czy należy ponownie zdefiniować dopaminę jako cząsteczkę „uczącą się”, a nie cząsteczkę „przyjemności”?

Tak. Zrozumienie dopaminy jako cząsteczki, która decyduje o efektywności uczenia się, jest znacznie dokładniejsze.

Jak badasz ten skomplikowany system?

W moim laboratorium używamy różnych strategii rejestrowania i manipulowania różnymi komórkami w mózgu, aby dowiedzieć się, które komórki i obwody pomagają nam podejmować decyzje adaptacyjne. A potem, kiedy już zidentyfikujemy te obwody, wchodzimy i mówimy: W jaki sposób narażenie na narkotyki zmienia działanie systemu? Wykonujemy tę pracę na poziomie fizjologicznym i epigenetycznym. Celem jest zrozumienie podstaw biologii – w jaki sposób leki przejmują kontrolę nad obwodami – a następnie ustalenie, czy możemy odwrócić ten proces. Możemy na przykład użyć narzędzi CRISPR, aby odwrócić część plastyczności w określonych komórkach mózgowych.

Czy zrozumienie działania dopaminy może ostatecznie pomóc nam w opracowaniu terapii uzależnień?

Zrozumienie, w jaki sposób dopamina pomaga mózgowi w uczeniu się, jest naprawdę ważne. Jednak wycelowanie w niego będzie bardzo trudne. Nie możesz po prostu zablokować dopaminy: jeśli to zrobisz, ludzie nie będą mogli się poruszać, nie będą w stanie zwrócić na nic uwagi. Istnieje wiele pracy nad różnymi sposobami dostrojenia układu dopaminy, zamiast po prostu go włączać i wyłączać. Myślę, że właśnie to będziemy musieli zrobić.

Jak to jest pracować jako badacz uzależnień w jednym z epicentrów uzależnień?

Nashville jest złe. W szczytowym okresie epidemii opioidów Tennessee miał jeden z najwyższych wskaźników przepisywanych na receptę opioidów. W ostatnich latach odsetek ten spadł, ale problem opioidów nie. I nie chodzi nam tylko o opioidy; metamfetamina też jest duża. Dlatego Vanderbilt znajduje się w tej wyjątkowej przestrzeni jako jeden z największych szpitali badawczych w regionie, będący ośrodkiem zaburzeń związanych z używaniem substancji psychoaktywnych.

Czasami męcząca jest niemożność rozwiązania problemu uzależnienia jutro. To przytłaczające w niezbyt imponujący sposób. Czasami smutno jest rozmawiać z ludźmi cierpiącymi na zaburzenia związane z używaniem substancji psychoaktywnych i nie wiem, jak im pomóc. Zadają mi pytania jako ekspert. Ale jestem ekspertem od konkretnych zmian neurobiologicznych, które zachodzą. Trudno mi zrozumieć wpływ tego zaburzenia na codzienne życie jednostki, ponieważ osobiście tego nie doświadczyłem.

Czy jesteśmy coraz bliżej zrozumienia i znalezienia leku na uzależnienie?

Leczenie uzależnienia jest trudne, ponieważ uzależnienie nie jest jedną, jednolitą chorobą. U niektórych osób uzależnionych występują zaburzenia współistniejące, takie jak stany lękowe i depresja. Niektórzy ludzie biorą narkotyki, ponieważ chcą uniknąć bólu. Niektórzy ludzie mają zachowania kompulsywne, inni nie.

Samo zrozumienie, co jest podobne, a co różne w mózgach osób z każdym z tych wyjątkowych objawów, będzie miało kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób podejść do leczenia. Na przykład w moim laboratorium przyglądamy się różnicom między samcami i samicami.

Co znajdujesz?

Kiedy przyjrzymy się, dlaczego ludzie sięgają po narkotyki, okazuje się, że kobiety częściej zgłaszają, że zażywają narkotyki, aby uniknąć lub uniknąć negatywnych konsekwencji, takich jak stres i stany lękowe. Mężczyźni częściej sięgają po narkotyki pod wpływem impulsu, ćpają i spotykają się z przyjaciółmi. Obie płcie zażywają narkotyki i u pewnego odsetka obojga rozwiną się zaburzenia związane z używaniem substancji psychoaktywnych. Ale robią to z różnych powodów.

Hormony mają z tym wiele wspólnego. Odkryliśmy, że estradiol, hormon jajnikowy krążący w cyklu menstruacyjnym, zmienia sposób działania nikotyny w mózgu, zmieniając funkcje jej receptorów.

Odkryliśmy również, że jeśli zapewni się zwierzętom nieograniczony dostęp do narkotyków, samce i samice przyjmują taką samą ilość narkotyków, a ich zachowanie wygląda identycznie. Kiedy jednak przyjrzeliśmy się, jakie białka w ich mózgach uległy zmianie, okazało się, że mężczyźni i kobiety byli zupełnie inni. Wiele z tych białek ma podobne funkcje komórkowe. Uważamy, że dzieje się tak dlatego, że lek ten zwiększa poziom dopaminy zarówno u mężczyzn, jak iu kobiet i w ten sam sposób wpływa na zachowanie, ale szlaki molekularne wykorzystywane przez obie płcie są bardzo różne.

Dlaczego mózgi różnych płci miałyby korzystać z różnych ścieżek, aby dotrzeć do tego samego punktu?

Gdybyś miał system, w którym jeden neuron potrzebowałby zakodować jedną informację, byłby on podatny na awarię. Wszystko musiałoby działać idealnie za każdym razem, abyś mógł poruszać się po środowisku. Ale w mózgu jest wiele nadmiarowości, co oznacza, że ​​nie wszystko jest potrzebne do idealnego działania. Jest wiele sposobów na osiągnięcie tego samego celu. To, dlaczego mężczyźni i kobiety mają różne sposoby kodowania zachowań, prawdopodobnie opiera się na ewolucji i przetrwaniu naszego gatunku.

To musi być ciężka dziedzina pracy. Co Cię motywuje?

Każdego dnia zwracam uwagę na to, że są to ważne pytania. Uczenie się kolejnych rzeczy i rozwiązywanie trudnych problemów samo w sobie jest niezwykle satysfakcjonujące. A kiedy weźmiesz oddech, cofniesz się o krok i zdasz sobie sprawę, że te trudne problemy, które rozwiązujesz, naprawdę mają wpływ na ludzi – wtedy nabiera to jeszcze większego znaczenia.

Ale tak naprawdę moją motywację czerpię z mentorowania następnego pokolenia. Kiedy zacząłem zajmować się badaniami, moim celem było wywarcie wpływu na jak największą liczbę ludzi. Myślałem, że zrobię to poprzez odkrycie czegoś ważnego i zmianę społeczeństwa, co jest oczywiście ostatecznym celem. Ale kiedy tu przybyłem i założyłem laboratorium, zdałem sobie sprawę, że to, co robisz, to uczy studentów, że mogą wykonywać tę pracę. Umożliwianie im odkrycia, w czym są dobrzy i co kochają, dodaje mi sił, nawet jeśli nauka nie zawsze idzie tak, jak tego chcę.

Jesteś trochę jak trener własnej drużyny.

Kiedy kończysz prowadzenie laboratorium, zdajesz sobie sprawę, że jest w nim dużo nauki, ale jest też dużo nienauki. To zachęcanie ludzi do wspólnej pracy i tworzenie odpowiedniego środowiska dla każdej osoby, co może stanowić wyzwanie. To jak skompletowanie zespołu. Jeśli będą współpracować, każdemu z osobna będzie mniej trudno. A jeśli zrobisz to we właściwy sposób, wszyscy wygrają.

Jesteś także zwolenniczką kobiet w nauce. Skąd ten napęd?

Przede mną nikt w mojej rodzinie nie miał wyższego wykształcenia. Ponieważ mój tata uprawia sport, nie kładziono dużego nacisku na naukę. Potem znalazłem się w przestrzeni, w której – nie chcę powiedzieć, że nie miałem po co się tam znajdować, ale otaczałem się grupą ludzi, których uważałem za mądrzejszych ode mnie. Wiedzieli, co robią. Wiedzieli, jaką drogą mają podążać. I czułem się, jakbym latał na siedzeniu moich spodni.

Tak się złożyło, że miałem niesamowitych mentorów, którzy pomogli mi pozostać na ścieżce, o której nie wiedziałem, że podążam. A potem, gdy dorastałem, zacząłem zdawać sobie sprawę, że tu należę. Byłem tak samo mądry, jak ludzie wokół mnie. Już samo to uświadomiło mi, jak ważne jest, aby ludzie czuli, że należą do społeczności.

Zamiast prosić kobiety, aby zachowywały się jak mężczyźni, aby dopasować się do systemu stworzonego dla mężczyzn, może powinniśmy zmienić system, aby podkreślić to, czego nam brakuje, czyli rzeczy, które kobiety wnoszą do dyskusji – sposób, w jaki poruszają się po świecie, jak postrzegają pewne rzeczy, jak wspierają uczniów. Ogromne korzyści czerpiemy z tworzenia przestrzeni dla kobiet.

Całe życie uprawiałeś sport, łącznie z koszykówką na studiach. Czy myślisz, że miało to jakiś wpływ na twoją dzisiejszą karierę? 

Najważniejsze rzeczy, których uczysz się w sporcie, to jak motywować się do stawania się lepszym każdego dnia, jak podnosić się po porażce i jak polegać na kolegach z drużyny. Kiedy byłem młodszy, te doświadczenia nauczyły mnie, jak przyjść do pracy, gdy eksperyment się nie udał i jak poprosić o pomoc, gdy jej potrzebuję.

Podczas moich treningów byłem sportowcem grającym w grę. Jednak kiedy zostałem wykładowcą, nagle zostałem trenerem. Moja praca jest teraz inna. Koncentruję się na tym, jak sprawić, by mój zespół stał się lepszy. Muszę odkryć mocne strony każdej osoby i zapewnić jej sukces. Jestem też tutaj, aby pomóc im wypełnić luki świetnymi kolegami z drużyny, którzy są dobrzy w rzeczach, w których być może nie są dobrzy. Sport dał mi umiejętności skupienia się na ciężkiej pracy i motywacji, a także dał mi ramy, w jaki sposób stworzyć skuteczny zespół i zmotywować go do jak najlepszego występu.

Twój tata, John calipari, jest zawodowym trenerem koszykówki. Czy był dla Ciebie mentorem?

Był niesamowitym mentorem, ale bardziej pod względem tego, co zrobił, niż tego, co powiedział. Kiedy byłem w gimnazjum, został zwolniony. Patrzę, jak zostaje zwolniony, ale potem wraca i mówi: „Wiesz co, wszystko w porządku; Wstanę i zrobię to jeszcze raz” – to było dla mnie naprawdę ważne, aby zdać sobie sprawę, że nawet gdy wszystko wydaje się być wielką porażką, czasami jest to początek czegoś nowego.

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta czytelnicza biologii i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.