Hon studerar hur missbruk kapar lärande i hjärnan | Quanta Magazine

Erin Calipari kommer från en basketfamilj. Hennes far, John Calipari, har tränat college och professionell basket sedan 1998, och lett sex lag till NCAA Final Four, och hennes bror tränar basket för män vid Vanderbilt University i Nashville, Tennessee, där hon nu arbetar. Men när hon gick med i sitt college-team som student insåg hon att hennes styrkor låg någon annanstans. "Jag var okej. Jag var inte bra, sa hon. "Det var ganska tydligt för mig ett par år att det inte var en karriärväg."

Utanför banan, som biologi major, drog hon sig mot hormoner och neurotransmittorer. Hon blev fascinerad av neurobiologin om hur och varför droger som kokain och opioider är beroendeframkallande, när hon lärde sig om effekterna av ecstasy på serotoninsystemet. "Jag tyckte droger var så coola eftersom de kapar hjärnan", sa hon. "Droger tar i huvudsak de normala system vi har i vår kropp och driver dem på ett sätt som gör att du vill ta droger igen."

Efter att ha arbetat med examen inom neurovetenskap, 2017 Calipari inrätta hennes labb på Vanderbilt för att utforska hur beroende är kopplat till hur hjärnan lär sig och fattar beslut. "Att bestämma vad vi ska göra och vad vi inte ska göra är verkligen grundläggande för allt vi gör," sa Calipari. "Du lägger handen på en varm spis, du lär dig verkligen snabbt att inte göra det igen." Beroende kan minska en persons förmåga att lära sig att droganvändning skadar dem, och även deras förmåga att lära sig vad som helst.

Hennes värld kolliderar fortfarande med sport, till exempel när hon håller föredrag för idrottare om farorna med missbruk. Idrottare kan vara sårbara för missbruk när de ordineras smärtmediciner, såsom opioider, för skador. Det finns en risk för beroende om opioider tas under långa perioder, även när patienter följer läkarnas order - ett faktum som har lett till en rikstäckande folkhälsa akut. Tennessee är ett epicentrum av opioidepidemin. 2022 hade Nashville näst högsta kursen överdosdöd i landet.

Calipari leder därför forskning för att reda ut missbrukets mekanismer i en stad där många människor lider av det. Det faktum att hennes arbete kunde hjälpa människorna runt henne motiverar Calipari, även om missbruk inte är ett problem som hon, eller någon annan, lätt kan upptäcka.

"När du tänker på beroende människor, tänker du på dessa stereotypa bilder vi har av människor som injicerar droger och svimmar", sa hon. "Men det är inte den största befolkningen av människor som lider av missbruksstörning. De är sjuksköterskor. De är lärare. De är läkare. De är idrottare."

Det som gör att forska om beroende och hitta behandlingar för det särskilt utmanande, sa hon, är att det ser olika ut hos olika människor, beroende på vad de är beroende av (ett ämne eller ett beteende), deras motivation, deras genetik, deras kön och deras tillgång till resurser. Vilka neurala banor kopplas om på grund av beroende kan också variera mycket mellan individer.

Quanta pratade med Calipari om vilken roll den välkända, men inte välförstådda, molekylen dopamin spelar i missbruk och lärande, hur olika kön upplever beroende på olika sätt och hur hennes år som växte upp kring idrott påverkade hur hon närmar sig vetenskap idag. Intervjun har förtätats och redigerats för tydlighetens skull.

Hur ser inlärning ut i hjärnan, och hur stör droger det?

Vår hjärna är ansluten för att hjälpa oss att se saker som är viktiga och svara på dem. Det avgör om vi behöver göra något igen eller inte. Behöver vi flytta eller stanna? Är detta bra eller dåligt? Är detta något jag behöver vara uppmärksam på?

Droger övertygar våra hjärnor, "Ja, det här är viktigt. Det här är något vi måste göra igen." Droger driver inte bara beslut om själva drogen, utan också beslut om icke-drogstimuli i vår miljö. De förändrar hur vi lär oss.

Hur fungerar det på molekylär nivå?

Läkemedel som opioider verkar på dopamin. De flesta människor tänker på dopamin som en "nöjesmolekyl", men det är inte hela bilden. Ja, dopamin frisätts av givande stimuli som choklad eller socker. Men det frigörs också av aversiva stimuli som stress eller smärta. Det brinner när saker är nya eller annorlunda, oavsett om de är bra eller dåliga. Och på det sättet är dopamin avgörande för att hjälpa dig att lära dig.

Droger fortsätter i princip att pressa dopamin även när saker och ting inte längre är nya eller annorlunda. Hjärnan fortsätter att tro att något är viktigt, vilket signalerar att du ska fortsätta vara uppmärksam. Men medan droger ökar dopamin för tillfället, utarmar långvarig droganvändning det. Så med mer och mer droganvändning blir det mindre och mindre dopamin i hjärnan, vilket gör att du har svårt att lära dig något nytt.

Bör dopamin omdefinieras som en "lärande" molekyl snarare än en "njutning"-molekyl?

Ja. Att förstå dopamin som en molekyl som styr hur effektivt vi lär oss är mycket mer exakt.

Hur studerar man detta komplicerade system?

I mitt labb använder vi olika strategier för att registrera och manipulera olika celler i hjärnan för att försöka ta reda på vilka celler och kretsar som hjälper oss att fatta adaptiva beslut. Och sedan, när vi väl har identifierat dessa kretsar, går vi in ​​och säger: Hur förändrar läkemedelsexponering hur systemet fungerar? Vi gör detta arbete på fysiologisk och epigenetisk nivå. Målet är att förstå grundläggande biologi - hur droger kapar kretsarna - och sedan ta reda på om vi kan vända processen. Vi kan till exempel använda CRISPR-verktyg för att vända en del av plasticiteten i specifika hjärnceller.

Kan förståelsen av hur dopamin fungerar så småningom hjälpa oss att utveckla behandlingar för missbruk?

Att förstå vad dopamin gör för att hjälpa hjärnan att lära sig är verkligen viktigt. Men att rikta in sig på det kommer att bli mycket svårt. Du kan inte bara blockera dopamin: Om du gör det kommer folk inte att kunna röra sig, de kommer inte att kunna uppmärksamma någonting. Det kommer mycket arbete på olika sätt att finjustera dopaminsystemet istället för att bara slå på eller av det. Jag tror att det är vad vi kommer att behöva göra.

Hur är det att arbeta som missbruksforskare i ett av missbrukets epicentra?

Nashville är dåligt. På höjden av opioidepidemin hade Tennessee en av de högsta andelen opioidrecept. De senaste åren har det minskat, men opioidproblemet har inte. Och det är inte bara opioider för oss; metamfetamin är också en stor sådan. Och så Vanderbilt är i detta unika utrymme som ett av de största forskningssjukhusen i regionen i ett nav av missbruksstörningar.

Ibland är det utmattande att inte kunna lösa missbruk i morgon. Det är överväldigande på ett inte bra sätt. Ibland är det tråkigt att prata med människor som lider av missbruksstörningar och jag vet inte hur jag ska hjälpa dem. De ställer frågor till mig som expert. Men jag är expert på de specifika neurobiologiska förändringarna som inträffar. Det är svårt för mig att förstå effekten av denna störning på en individs dagliga liv eftersom jag inte har upplevt det personligen.

Kommer vi närmare att förstå och så småningom hitta ett botemedel mot missbruk?

Att bota missbruk är svårt eftersom missbruk inte är en enhetlig sjukdom. Vissa personer som lider av missbruk har komorbida sjukdomar som ångest och depression. Vissa människor tar droger för att de försöker undvika smärta. Vissa människor har tvångsmässigt beteende, och andra inte.

Bara att förstå vad som är liknande och olika i hjärnan hos individer med vart och ett av dessa unika symtom kommer att vara avgörande för att förstå hur man ska närma sig behandling i första hand. I mitt labb, till exempel, tittar vi på skillnaderna mellan män och kvinnor.

Vad hittar du?

När man tittar på varför människor tar droger är det mer sannolikt att kvinnor rapporterar att de tar droger för att undvika eller undkomma negativa konsekvenser, som stress och ångest. Män är mer benägna att ta droger impulsivt, att bli höga och att umgås med vänner. Båda könen tar droger, och någon procent av båda kommer att utveckla missbruksstörningar. Men de gör det av olika anledningar.

Hormoner har mycket med detta att göra. Vi fann att östradiol, som är ett äggstockshormon som cirkulerar med menstruationscykeln, förändrar hur nikotin fungerar i hjärnan genom att ändra funktionerna hos dess receptorer.

Vi fann också att om du ger djur obegränsad tillgång till droger, tar hanar och honor samma mängd droger, och deras beteende ser identiskt ut. Men när vi tittade på vilka proteiner i deras hjärnor som förändrades, var män och kvinnor helt olika. Många av dessa proteiner har liknande cellulära funktioner. Vad vi tror händer är att detta läkemedel ökar dopamin hos både män och kvinnor och driver beteende på samma sätt, men de molekylära vägarna som används av varje kön är väldigt olika.

Varför skulle hjärnan hos olika kön använda olika vägar för att komma till samma punkt?

Om du hade ett system där du behöver en neuron för att koda en bit information, skulle det systemet vara känsligt för fel. Allt skulle behöva fungera perfekt varje gång för att du ska kunna navigera i miljön. Men hjärnan har många redundanser, vilket gör att du inte behöver allt för att fungera perfekt. Det finns många sätt att nå samma mål. Varför män och honor har olika sätt att koda för beteenden beror förmodligen på evolutionen och vår arts överlevnad.

Det här måste vara ett tungt fält att arbeta i. Vad håller dig motiverad?

Det som lockar mig varje dag är att det här är viktiga frågor. Att lära sig om nästa sak och lösa svåra problem är i och för sig supertillfredsställande. Sedan när du tar ett andetag och tar ett steg tillbaka och inser att de svåra problemen du löser verkligen påverkar människor - det gör det ännu mer meningsfullt.

Men där jag verkligen får min motivation är att vägleda nästa generation. När jag gick in i forskning var mitt mål att påverka så många jag kunde. Sättet jag tänkte att jag skulle göra det här var genom att upptäcka något viktigt och förändra samhället, vilket uppenbarligen är det ultimata målet. Men sedan när jag kom hit och satte upp mitt labb insåg jag att det man gör är att lära eleverna att de kan göra det här jobbet. Att ge dem möjlighet att ta reda på vad de är bra på och vad de älskar håller mig igång, även när vetenskapen inte alltid går som jag vill.

Du är ungefär som tränaren för ditt eget lag.

När du slutar med att driva ett labb inser du att det är mycket vetenskap, men det är också mycket icke-vetenskap. Det är att få människor att arbeta tillsammans och skapa rätt miljö för varje individ, vilket kan vara utmanande. Det är som att sätta ihop ett lag. Om de arbetar tillsammans är det mindre svårt för varje individ. Och om du gör det på rätt sätt, vinner alla.

Du är också en förespråkare för kvinnor inom vetenskapen. Var kom den drivkraften ifrån?

Ingen i min familj hade en examen före mig. Eftersom min pappa ägnar sig åt idrott, var det ingen stor tonvikt på akademiker. Sedan hamnade jag i ett utrymme som - jag vill inte säga att jag inte hade något att göra med, men jag var runt ett gäng människor som jag kände var smartare än jag. De visste vad de gjorde. De visste vilken väg de skulle vara på. Och jag kände att jag flög vid byxsätet.

Jag råkade ha fantastiska mentorer som hjälpte mig att hålla mig på en väg som jag inte visste att jag var på. Och sedan, när jag blev äldre, började jag inse att jag hörde hemma här. Jag var lika smart som människorna runt omkring mig. Bara det fick mig att inse hur mycket det betyder att människor känner att de hör hemma.

Istället för att be kvinnor att agera som män för att passa in i ett system byggt för män, kanske vi borde ändra systemet för att förstärka de saker som vi saknar, vilket är saker som kvinnor tar till bordet – hur de navigerar i världen, hur de uppfattar saker, hur de stöttar eleverna. Vi tjänar enormt på att skapa utrymme för kvinnor.

Du har idrottat hela ditt liv, inklusive basket på college. Tror du att det har påverkat din karriär idag? 

De största sakerna du lär dig inom sport är hur du pressar dig själv för att bli bättre varje dag, hur du kommer tillbaka från ett misslyckande och hur du litar på dina lagkamrater. När jag var yngre lärde de här erfarenheterna mig hur jag skulle komma till jobbet efter att ett experiment inte fungerade och hur jag skulle be om hjälp när jag behövde det.

Under min träning var jag den idrottare som spelade spelet. Men när jag blev fakultet var jag helt plötsligt tränaren. Mitt jobb är annorlunda nu. Det är fokuserat på hur jag kan få mitt lag att bli bättre. Jag måste ta reda på vad varje persons styrkor är och sätta dem i en position för att lyckas. Jag är också här för att hjälpa dem att fylla luckorna med bra lagkamrater som är bra på saker de kanske inte är bra på. Idrott har gett mig förmågan att fokusera på att jobba hårt och vara motiverad, och de har gett mig en ram för hur man skapar ett effektivt lag och motiverar dem att bli sitt bästa.

Din pappa, John Calipari, är en professionell baskettränare. Var han en mentor för dig?

Han var en fantastisk mentor, men mer med de saker han gjorde än de saker han sa. När jag gick i mellanstadiet fick han sparken. Att se honom få sparken men sedan komma tillbaka och säga: ”Vet du vad, det är bra; Jag ska resa mig och göra det här igen” – det var verkligen viktigt för mig, att inse att även när saker känns som stora misslyckanden, ibland är det början på något nytt.

Quanta genomför en serie undersökningar för att bättre betjäna vår publik. Ta vår biologi läsarundersökning och du kommer att delta för att vinna gratis Quanta handelsvaror.