Павловское обусловливание страха — это поведенческая парадигма, в которой организмы учатся предсказывать аверсивные события. [1] Это форма обучения , в которой аверсивный стимул (например, электрический шок) ассоциируется с определенным нейтральным контекстом (например, комнатой) или нейтральным стимулом (например, звуком), что приводит к выражению реакций страха на изначально нейтральный стимул или контекст. Это можно сделать, соединив нейтральный стимул с аверсивным стимулом (например, электрическим шоком, громким шумом или неприятным запахом [2] ). В конечном итоге нейтральный стимул сам по себе может вызвать состояние страха. В словаре классического обусловливания нейтральный стимул или контекст — это «условный стимул» (УС), аверсивный стимул — это «безусловный стимул» (БС), а страх — это «условная реакция» (УР).
Условное выражение страха изучалось у многочисленных видов, от улиток [3] до людей. [4] У людей условный страх часто измеряется с помощью словесного отчета и гальванической реакции кожи . У других животных условный страх часто измеряется с помощью замирания (период бдительной неподвижности) или испуга, усиленного страхом (усиление рефлекса испуга пугающим стимулом). Изменения частоты сердечных сокращений , дыхания и мышечных реакций с помощью электромиографии также могут быть использованы для измерения условного страха. Ряд теоретиков утверждают, что условный страх в значительной степени совпадает с механизмами, как функциональными, так и невральными, клинических тревожных расстройств. [5] Исследования приобретения, консолидации и угасания условного страха обещают дать информацию о новых медикаментозных и психотерапевтических методах лечения для ряда патологических состояний, таких как диссоциация , фобии и посттравматическое стрессовое расстройство . [6]
Ученые обнаружили, что существует набор мозговых связей, которые определяют, как хранятся и вызываются воспоминания о страхе. При изучении способности крыс вызывать воспоминания о страхе исследователи обнаружили, что задействована недавно идентифицированная мозговая цепь. Первоначально в воспроизведении воспоминаний были идентифицированы прелимбическая префронтальная кора (ПЛ) и базолатеральная миндалина (БЛМ). Неделю спустя в воспроизведении воспоминаний были идентифицированы центральная миндалина (ЦеА) и паравентрикулярное ядро таламуса (ПВТ), которые отвечают за сохранение воспоминаний о страхе. Это исследование показывает, как происходит переключение цепей между краткосрочным воспроизведением и долгосрочным воспроизведением воспоминаний о страхе. Нет никаких изменений в поведении или реакции, меняется только то, откуда было вызвано воспоминание. [7]
Помимо миндалевидного тела, гиппокамп и передняя поясная кора играют важную роль в формировании условного рефлекса страха. У крыс условное рефлекс страха сохраняется в ранние сроки в гиппокампе, при этом изменения в экспрессии генов гиппокампа наблюдаются через 1 час и 24 часа после события. [8] У мышей измененная экспрессия генов также наблюдается в гиппокампе через 1 час и 24 часа после формирования условного рефлекса страха. Эти изменения являются временными в нейронах гиппокампа, и почти не присутствуют в гиппокампе через четыре недели. Через 4 недели после события память о событии условного рефлекса страха более постоянно хранится в передней поясной коре. [9] [10] [11]
Как показано в мозге грызунов, экспрессия нейронных генов динамически изменяется в ответ на условно-рефлекторное состояние страха. В частности, экспрессия немедленных ранних генов (IEGs), таких как Egr1 , c-Fos и Arc , быстро и избирательно повышается в подмножествах нейронов в определенных областях мозга, связанных с обучением и формированием памяти. [12]
Обзор 2022 года [13] описывает несколько этапов повышения регуляции IEG в нейронах гиппокампа во время формирования условного рефлекса страха. IEG аналогичным образом повышаются в миндалевидном теле во время формирования условного рефлекса страха. [14] [15] Несколько этапов повышения регуляции IEG [13] включают активацию факторов транскрипции , [16] образование хроматиновых петель , взаимодействие энхансеров с промоторами в хроматиновых петлях и временные двухцепочечные разрывы ДНК, инициированные топоизомеразой II бета.
По крайней мере два IEG, активируемых условным рефлексом страха, Egr1 и Dnmt3A2 (показано, что это IEG Оливейрой и соавторами [17] ), влияют на метилирование ДНК и, таким образом, на экспрессию многих генов. Активированные белки EGR1 связываются с уже существующими ядерными белками TET1 , а белки EGR1 переносят белки TET1 в сотни генов, позволяя TET1 инициировать деметилирование ДНК этих генов. [18] Белок DNMT3A2 является de novo ДНК-метилтрансферазой , добавляющей метилирование к цитозинам в ДНК. Экспрессия белков DNMT3A2 в нейронах гиппокампа в культуре преимущественно нацелена на добавление нового метилирования к более чем 200 генам, участвующим в синаптической пластичности. [19] Экспрессии IEG являются источником динамических изменений в последующей экспрессии нейронных генов в ответ на условно-рефлекторный рефлекс страха.
Считается, что обусловливание страха зависит от области мозга, называемой миндалевидным телом . Миндалевидное тело участвует в приобретении, хранении и выражении условной памяти о страхе. [11] Исследования повреждений показали, что повреждения, нанесенные в миндалевидное тело до обусловливания страха, предотвращают приобретение условной реакции страха, а повреждения, нанесенные в миндалевидное тело после обусловливания, вызывают забывание условных реакций. [20] Электрофизиологические записи из миндалевидного тела продемонстрировали, что клетки в этой области подвергаются долговременной потенциации (LTP), форме синаптической пластичности, которая, как полагают, лежит в основе обучения. [21] Фармакологические исследования, синаптические исследования и исследования на людях также указывают на миндалевидное тело как на главную ответственную за обучение страху и память. [11] Кроме того, ингибирование нейронов в миндалевидном теле нарушает приобретение страха, в то время как стимуляция этих нейронов может вызывать поведение, связанное со страхом, такое как замирание у грызунов. [22] Это указывает на то, что правильная функция миндалевидного тела необходима для формирования страха и достаточна для управления поведением страха. Миндалевидное тело не является исключительно центром страха, но также областью для реагирования на различные стимулы окружающей среды. Несколько исследований показали, что при столкновении с непредсказуемыми нейтральными стимулами активность миндалевидного тела увеличивается. Поэтому даже в ситуациях неопределенности и не обязательно страха миндалевидное тело играет роль в предупреждении других областей мозга, которые поощряют реакции безопасности и выживания. [23]
В середине 1950-х годов Лоуренс Вайскранц продемонстрировал, что обезьяны с повреждениями миндалевидного тела не смогли избежать аверсивного шока, в то время как нормальные обезьяны научились избегать его. Он пришел к выводу, что ключевой функцией миндалевидного тела является связывание внешних стимулов с аверсивными последствиями. [24] После открытия Вайскранца многие исследователи использовали условно-рефлекторное избегание для изучения нейронных механизмов страха. [25]
Джозеф Э. Леду сыграл важную роль в выяснении роли миндалевидного тела в формировании страха. Он был одним из первых, кто показал, что миндалевидное тело подвергается долговременной потенциации во время формирования страха, и что удаление клеток миндалевидного тела нарушает как обучение, так и выражение страха. [26]
Некоторые типы обусловливания страха (например, контекстуальные и следовые) также вовлекают гиппокамп , область мозга, которая, как полагают, получает аффективные импульсы от миндалевидного тела и интегрирует эти импульсы с ранее существующей информацией, чтобы сделать ее осмысленной. Некоторые теоретические описания травматических переживаний предполагают, что страх, основанный на миндалевидном теле, обходит гиппокамп во время сильного стресса и может храниться соматически или в виде образов, которые могут возвращаться в виде физических симптомов или воспоминаний без когнитивного значения. [27]
Гиппокамп является одним из регионов мозга, который претерпевает значительные изменения в экспрессии генов после контекстного обусловливания страха. Контекстное обусловливание страха, примененное к крысе, вызывает повышение регуляции около 500 генов (возможно, из-за деметилирования ДНК участков CpG ) и понижение регуляции около 1000 генов (что, как наблюдалось, коррелирует с метилированием ДНК на участках CpG в промоторных областях) (см. Регуляция транскрипции при обучении и памяти ). [8] Через 24 часа после события 9,17% генов в геномах нейронов гиппокампа крысы дифференциально метилированы. Паттерн индуцированных и репрессированных генов в нейронах гиппокампа, по-видимому, обеспечивает молекулярную основу для формирования ранней транзиторной памяти контекстного обусловливания страха в гиппокампе. [8] Когда подобное контекстное обусловливание страха было применено к мышам, через час после контекстного обусловливания страха в области гиппокампа мозга мыши было 675 деметилированных генов и 613 гиперметилированных генов. [9] Эти изменения были временными в нейронах гиппокампа, и почти ни одно из этих изменений метилирования ДНК не присутствовало в гиппокампе через четыре недели. Однако у мышей, подвергнутых контекстному обусловливанию страха, через четыре недели было более 1000 дифференциально метилированных генов и более 1000 дифференциально экспрессированных генов в передней поясной коре мыши [9] , где хранятся долговременные воспоминания.
Происходит более 100 разрывов двухцепочечной ДНК как в гиппокампе, так и в медиальной префронтальной коре (mPFC) в два пика, через 10 минут и через 30 минут после контекстного условного рефлекса страха. [28] Это, по-видимому, происходит раньше, чем метилирование и деметилирование ДНК нейронов в гиппокампе, которые были измерены через один час и 24 часа после контекстного условного рефлекса страха (описано выше в разделе Гиппокамп).
Разрывы двухцепочечной цепи происходят в известных ранних генах, связанных с памятью (среди других генов) в нейронах после активации нейрона. [29] [28] Эти разрывы двухцепочечной цепи позволяют генам транскрибироваться и затем транслироваться в активные белки.
Один из ранних генов , вновь транскрибируемых после двухцепочечного разрыва, — это EGR1 . EGR1 — важный фактор транскрипции в формировании памяти . Он играет важную роль в эпигенетическом перепрограммировании нейронов мозга . EGR1 привлекает белок TET1 , который инициирует путь деметилирования ДНК . Удаление меток метилирования ДНК позволяет активировать нижестоящие гены (см. Регуляция экспрессии генов#Регулирование транскрипции при обучении и памяти) . EGR1 переносит TET1 на промоторы генов, которые необходимо деметилировать и активировать (транскрибировать) во время формирования памяти. [30] EGR-1 вместе с TET1 используется в программировании распределения участков деметилирования ДНК на ДНК мозга во время формирования памяти и в долгосрочной нейронной пластичности . [30]
DNMT3A2 — еще один ранний ген, экспрессия которого в нейронах может быть вызвана устойчивой синаптической активностью. [17] DNMT связываются с ДНК и метилируют цитозины в определенных местах генома. Если это метилирование предотвращается ингибиторами DNMT, то воспоминания не формируются. [31] Если DNMT3A2 сверхэкспрессируется в гиппокампе молодых взрослых мышей, он преобразует слабый опыт обучения в долговременную память, а также усиливает формирование памяти о страхе. [32]
Нейроны в базолатеральной миндалине отвечают за формирование условной памяти страха. Эти нейроны проецируются на нейроны в центральной миндалине для выражения условной реакции страха. Повреждение этих областей в миндалине приведет к нарушению выражения условных реакций страха. Повреждения в базолатеральной миндалине показали серьезные дефициты в выражении условных реакций страха. Повреждения в центральной миндалине показали легкие дефициты в выражении условных реакций страха. [11]
Одним из основных нейротрансмиттеров, участвующих в условном обучении страху, является глутамат . [33] Было высказано предположение, что рецепторы NMDA (NMDAR) в миндалевидном теле необходимы для приобретения памяти о страхе, поскольку нарушение функции NMDAR нарушает развитие реакций страха у грызунов. [33] Кроме того, ассоциативная природа условного рефлекса страха отражается в роли NMDAR как совпадающих детекторов, где активация NMDAR требует одновременной деполяризации УЗ-входами в сочетании с одновременной активацией CS. [34]
Условный страх может наследоваться через поколение. В одном эксперименте мышей обусловили бояться запаха ацетофенона , а затем настроили на выведение последующих поколений мышей. Эти последующие поколения мышей также показали поведенческую чувствительность к ацетофенону, которая сопровождалась нейроанатомическими и эпигенетическими изменениями, которые, как полагают, были унаследованы от гамет родителей . [35]
Обучение, связанное с условным страхом, а также лежащая в его основе нейробиология, кардинально меняется с младенчества, через детство и подростковый возраст, во взрослую жизнь и старение. В частности, детеныши животных демонстрируют неспособность развивать ассоциации страха, тогда как их взрослые сородичи гораздо легче развивают воспоминания о страхе. [36]
Предыдущие исследования показали, что подростки демонстрируют затрудненное обучение угасанию страха по сравнению с детьми и взрослыми. [37] Это открытие может иметь клинические последствия, поскольку одним из наиболее широко используемых методов лечения тревожных расстройств является терапия, основанная на экспозиции, которая строится на принципах угасания страха. Точные механизмы, лежащие в основе различий в развитии обучения угасанию страха, еще не обнаружены, хотя было высказано предположение, что возрастные различия в связях между миндалевидным телом и медиальной префронтальной корой могут быть одним из биологических механизмов, лежащих в основе изменений в развитии обучения угасанию страха. [38]
История стрессоров, предшествующих травмирующему событию, увеличивает эффект условно-рефлекторного страха у грызунов. [39] Этот феномен, названный обучением страху, усиленному стрессом (SEFL), был продемонстрирован как у молодых (например, Poulos et al. 2014 [40] ), так и у взрослых (например, Rau et al. 2009 [41] ) грызунов. Биологические механизмы, лежащие в основе SEFL, пока не ясны, хотя он связан с повышением уровня кортикостерона, гормона стресса, после первоначального стрессора. [42]