Bylo provedeno mnoho pokusů, jejichž cílem bylo zjistit, jak mozek interpretuje podněty a jak se u zvířat vyvíjejí reakce strachu. Emoce strachu je pevně zakódována téměř v každém jedinci, protože hraje zásadní roli v jeho přežití. Vědci zjistili, že strach vzniká nevědomě a že na podmiňování strachu se podílí amygdala.
Pochopení toho, jak se v člověku vyvíjí strach, může umožnit léčbu lidských duševních poruch, jako jsou úzkost, fobie a posttraumatická stresová porucha.
Při podmiňování strachu jsou zapojeny především smyslové oblasti, které zpracovávají podmíněné a nepodmíněné podněty, určité oblasti amygdaly, které během učení podléhají plasticitě (neboli dlouhodobé potenciaci), a oblasti, které mají vliv na vyjádření specifických podmíněných reakcí. Tyto dráhy se sbíhají v laterální amygdale. V laterální amygdale dochází k dlouhodobé potenciaci (LTP) a synaptické plasticitě, která zvyšuje odpověď neuronů laterální amygdaly na podmíněný podnět. V důsledku toho je pak podmíněný podnět schopen proudit z laterální amygdaly do centrálního jádra amygdaly. Bazální a interkalární hmota amygdaly spojují laterální amygdalu s centrálním jádrem amygdaly přímo i nepřímo. Dráhy z centrálního jádra amygdaly do navazujících oblastí pak řídí obranné chování (zmrazení) a autonomní a endokrinní reakce. Nedávné studie naznačují, že se na projevech strachu podílí i prelimbická kůra, pravděpodobně prostřednictvím svých spojení s bazálním a následně centrálním jádrem amygdaly.
Amygdala je klíčovou mozkovou strukturou v neurobiologii strachu. Podílí se na zpracování negativních emocí (jako je strach a hněv). Vědci pozorovali hyperaktivitu amygdaly u pacientů, kterým byly ukázány hrozivé tváře nebo kteří byli konfrontováni s děsivými situacemi. U pacientů s těžší sociální fobií byla zjištěna korelace se zvýšenou odezvou v amygdale. Studie také ukázaly, že osoby vystavené obrázkům děsivých tváří nebo tváří lidí jiné rasy vykazují zvýšenou aktivitu v amygdale.
Reakci strachu vyvolanou amygdalou může zmírnit jiná oblast mozku, tzv. rostrální přední cingulární kůra, která se nachází v čelním laloku. Ve studii provedené v roce 2006 na Kolumbijské univerzitě vědci pozorovali, že u testovaných osob docházelo k menší aktivitě amygdaly, když vědomě vnímaly děsivé podněty, než když podvědomě vnímaly děsivé podněty. V prvním případě zjistili, že se aktivuje rostrální přední cingulární kůra, která tlumí aktivitu v amygdale, což subjektům poskytuje určitou míru emoční kontroly.
Potlačení aktivity amygdaly mohou dosáhnout také patogeny. Potkani nakažení parazitem toxoplazmózou se méně bojí koček a někdy dokonce vyhledávají místa označená jejich močí. Toto chování často vede k tomu, že je kočky sežerou. Parazit se pak v těle kočky rozmnožuje. Existují důkazy, že se parazit koncentruje v amygdale infikovaných potkanů.
Bylo zjištěno, že strach může přispívat ke změnám chování. Jedním ze způsobů, jak byl tento jev studován, je model opakovaného stresu, který vypracoval Camp RM a další. V této konkrétní studii bylo zkoumáno, že příspěvek podmiňování strachem může hrát obrovskou roli při změně chování zvířete (Fischerova potkana) v paradigmatu opakovaného stresu. Výsledkem tohoto modelu testování byly změny chování, které se běžně označují jako chování podobné depresi. Po nastavení kontroly a platného experimentálního plánu byli potkani Fischer denně vystaveni různým stresorům v komplexním prostředí. Po čtyřech dnech vystavení stresorům bylo pátý den testováno průzkumné chování i sociální interakce buď ve stejném, nebo v novém prostředí. Potkani vykazovali při testování v různých kontextech mnohem nižší průzkumné chování a sociální interakci ve srovnání s kontrolními potkany. Pro další korelaci s biochemií (jak je uvedeno níže) zabránila chronická infuze propranololu (antagonista beta-adrenergních receptorů) změnám chování po opakované expozici stresoru, čímž se zastavila dlouhodobá potenciace. Došlo také k některým fyziologickým změnám, včetně snížení přírůstku tělesné hmotnosti a hypertrofie nadledvinek pozorovaných u zvířat vystavených stresu. Celkově lze říci, že podmíněné reakce strachu mohou přispívat ke změnám chování v paradigmatu opakovaného stresu. To lze rozšířit tak, aby to korelovalo i s jinými zvířaty, ale s různým stupněm reakcí.
Molekulární mechanismy, které byly přímo spojeny s behaviorálním projevem podmiňování, je snazší studovat v klinickém prostředí na rozdíl od mechanismů, které jsou základem dlouhodobé potenciace (LTP), při níž je synaptická plasticita vyvolána elektrickou nebo chemickou stimulací laterálních obvodů amygdaly. LTP je důležitá pro zpracování strachu, protože posiluje synapse v nervových obvodech. Díky těmto posíleným synapsím vzniká dlouhodobá paměť a strach.
Hebbovská synaptická plasticita
Synaptický vstup může být posílen, pokud se aktivita v presynaptickém neuronu vyskytuje současně s depolarizací v postsynaptickém neuronu. Tento jev je znám jako Hebbova synaptická plasticita. Tato hypotéza je obzvláště lákavá jako vysvětlení toho, jak může docházet k jednoduchému asociativnímu učení, například při podmiňování strachu. V tomto modelu podmiňování strachu vede silná depolarizace laterální amygdaly vyvolaná podnětem k posílení časově a prostorově relativních podmíněných podnětových vstupů (které jsou koaktivní) na stejné neurony. Experimentální údaje podporují myšlenku, že plasticita a tvorba paměti strachu v laterální amygdale jsou vyvolány aktivací neuronů této oblasti vyvolanou nepodmíněným podnětem. Depolarizace vyvolaná nepodmíněným podnětem je tedy nezbytná pro zesílení nervových odpovědí vyvolaných podmíněným podnětem v této oblasti po párování podmíněného a nepodmíněného podnětu a párování podmíněného podnětu s přímou depolarizací pyramidových neuronů laterální amygdaly jako nepodmíněného podnětu podporuje podmiňování strachu. Je také zřejmé, že při podmiňování strachu dochází k synaptické plasticitě na vstupních drahách podmíněných podnětů do laterální amygdaly.
Ionotropní glutamátové receptory typu NMDA
Předpokládá se, že na hebbovské plasticitě se podílejí N-methyl-d-aspartátové receptory (NMDAR), které se nacházejí na postsynaptických neuronech v laterální amygdale. NMDAR jsou známé jako koincidenční detektory presynaptické aktivity a postsynaptické depolarizace. Sluchové vstupy jsou NMDAR v laterální amygdale a jako přenašeč používají glutamát. Dále bylo testováno, že když neurony oblasti, které přijímaly sluchové vstupy, přijímaly také nepodmíněné podnětové vstupy a antagonisty širokého spektra NMDAR v laterální amygdale, vedlo to k narušení získávání učení strachu. Tyto receptory jsou tedy klíčové pro metabolickou cestu zpracování a vyvolání pro vnímání strachu.
Monoaminergní neuromodulační mechanismy závislé na monoaminech
Předpokládá se, že monoaminové transmitery, jako je noradrenalin a dopamin, které se uvolňují v emočních situacích, fungují při regulaci glutamátergního přenosu a hebbovské plasticity. Modulace všech různých typů plasticity se nazývá heterosynaptická plasticita. Převažuje také homosynaptická plasticita, která se skládá výhradně z hebbovské plasticity. V různých modelových systémech bylo prokázáno, že monoaminy modulují plasticitu, která je základem tvorby paměti, například zvýšeného vnímání strachu. Neuromodulátory také přispívají k podmiňování strachu. Hebbovské mechanismy přispívají k plasticitě v laterální amygdale a k učení se strachu. Mezi další modulátory kromě hebbovských mechanismů patří serotonin, acetylcholin, endokanabinoidy a různé peptidy (např. gastrin uvolňující peptid, NPY, opiáty a oxytocin), ale úloha těchto látek není zcela objasněna.
Norepinefrin má velký vliv na tvorbu paměti strachu. Nedávné studie prokázaly, že blokáda norepinefrinových β-adrenergních receptorů (β-AR) v laterálním jádru amygdaly narušuje získávání poznatků o strachu, pokud jsou podávány podněty před tréninkem, ale nemá žádný účinek, pokud je aplikována po tréninku nebo před obnovením paměti. Na rozdíl od účinků blokády receptorů β-AR na jiné formy učení je tento účinek specifický pouze pro získání, na rozdíl od zpracování nebo vyjádření paměti strachu po tréninku. Aktivace β-AR v LA synergicky reguluje Hebbovské procesy, které spouštějí asociativní plasticitu neuronů a učení strachu v laterálním jádru amygdaly. Jedna z teorií předpokládá, že mechanismus zapojení β-AR do získávání učení strachu spočívá v tom, že působí na GABAergní interneurony, které potlačují inhibici směrem dopředu a zvyšují hebbovskou plasticitu. β-AR se nacházejí na GABAergních interneuronech i v laterálních pyramidových buňkách amygdaly. Proces aktivace β-AR začíná napojením na signální kaskády G proteinů, které pak aktivují proteinkinázu A (PKA). Tato aktivace může vyvolat fosforylaci NMDAR a také místa ser845 na GluA1, což by mohlo usnadnit vložení AMPAR do synapse. Kromě toho aktivace β-AR a PKA snižuje aktivitu vápníkem aktivovaného draslíkového (SK) kanálu, což vede ke zvýšení excitability neuronů a zvýšení dlouhodobé potence, a k tomu by mohlo docházet i během učení. Bylo také pozorováno, že uvolňování noradrenalinu může rovněž inhibovat plasticitu v obvodech strachu prostřednictvím aktivace α1 adrenoceptorů.
Aktivace dopaminových receptorů (podtypů D1 i D2) v amygdale přispívá k získání podmíněného strachu. Receptory D1 a D2 jsou spřaženy s G proteiny a inhibují adenylátcyklázu (Gi-spřažení), respektive stimulují adenylátcyklázu (Gs-spřažení). Stejně jako β-AR mohou dopaminové receptory přímo modulovat Hebbovy procesy snížením inhibice feed-forward. Mohou také působit paralelně s hebbistickými mechanismy při realizaci synapsí v laterální amygdale a podporovat plasticitu a učení se strachu prostřednictvím příslušných signálních drah.
Neuromodulace zprostředkovaná metabotropními glutamátovými receptory během
Plasticitu a učení mohou modulovat také metabotropní glutamátové receptory (mGluR). Proteiny mGluRs pravděpodobně plní modulační funkci a neúčastní se přímo hebbovských procesů. Je tomu tak proto, že tyto receptory nepřispívají k depolarizaci při synapsích. Nejsou také aktivovány receptory, které se účastní hebbovských procesů. A konečně nedetekují pre- a postsynaptickou nervovou aktivitu. Aktivace mGluR skupiny I v LA a bazálním jádře však zvyšuje získání, snížení a zesílení podmíněného strachu vyvoláním přítoku vápenatých iontů.
Výzkumné studie ukázaly, že poškození bilaterální amygdaly ovlivňuje především rozpoznávání strachu. V konkrétní studii, kterou provedli Andrew J. Calder a Andrew W. Young, nechali pokusné osoby klasifikovat morfované obrázky výrazů obličeje od štěstí přes překvapení, strach, smutek až po znechucení a hněv. Zatímco kontrolní subjekty klasifikovaly tyto obrázky k nejbližšímu výrazu, subjekty, které měly poškozenou bilaterální amygdalu, měly s tímto úkolem problémy, zejména s rozpoznáváním výrazů obličeje, které ukazují strach. Subjekty s poškozenou bilaterální amygdalou neměly problémy s rozlišením štěstí od smutku, ale nedokázaly rozlišit výraz hněvu od strachu.
V experimentu, který provedl Ralph Adolphs, se však podařilo objasnit mechanismus zhoršeného rozpoznávání strachu. Adolphs zjistil, že jeho hlavní subjekt, který měl vzácné oboustranné poškození amygdaly, nedokázal rozeznat výrazy strachu, protože nebyl schopen se dívat na oblast očí v obličeji. Když byl subjekt instruován, aby se díval přímo na oblast očí tváří s výrazem, dokázal subjekt rozpoznat výrazy strachu tváří. Ačkoli amygdala hraje při rozpoznávání strachu důležitou roli, další výzkumy ukazují, že existují alternativní dráhy, které jsou schopny podpořit učení strachu v případě absence funkční amygdaly. Kazamova studie také ukazuje, že ačkoli může být amygdala poškozena, je stále možné, aby pacienti rozlišovali mezi bezpečnostními signály a strachem.
Bylo provedeno značné množství výzkumů podmíněných podnětů, kdy se neutrální podnět, například záblesk světla, spojí s šokem, který je dán potkanovi. Výsledkem tohoto podmíněného podnětu je vyvolání nepodmíněné reakce, strachu. Kdysi neutrální podnět je podán znovu, aby se zjistilo, zda potkan projeví reakce strachu. Protože však reakce strachu zahrnují mnoho chování, je důležité zjistit, které chování se projeví, když je podán podmíněný podnět.
Vizuální a sluchové podněty
Zpočátku jsou zrakové podněty nejprve přijímány zrakovým talamem a předávány do amygdaly s ohledem na potenciální nebezpečí. Zrakový thalamus rovněž předává informace zrakové kůře, která je zpracovává a zjišťuje, zda podnět představuje potenciální hrozbu. Pokud ano, je tato informace předána do amygdaly a začíná svalový stah, zvýšená srdeční frekvence a krevní tlak, čímž se aktivuje sympatická neuronální dráha. Bylo prokázáno, že prezentace neutrálního vizuálního podnětu zintenzivňuje vnímání strachu nebo napětí vyvolané jiným informačním kanálem, například sluchem. Z Le Douxova výzkumu vyplývá, že zvukové podněty nejsou přímo přenášeny ze sluchového thalamu do centrálního jádra.
Vnímání strachu je vyvoláno mnoha různými podněty a zahrnuje výše popsaný biochemický proces. Neuronální koreláty interakce mezi jazykovými a vizuálními informacemi dobře prozkoumali Willems RM et al. Studie spočívala ve sledování toho, jak se vizuální a jazykové informace vzájemně ovlivňují při vnímání emocí. Z filmové teorie byl převzat běžný jev, který říká, že prezentace neutrální vizuální scény zesiluje vnímání strachu nebo napětí vyvolané jiným informačním kanálem, například jazykem. Tento princip byl aplikován tak, že vjem strachu byl přítomen a zesílen v přítomnosti neutrálního vizuálního podnětu. Hlavní myšlenka spočívá v tom, že vizuální podněty zesilují strach vzbuzující obsah podnětu (tj. jazyka) tím, že jemně naznačují a konkretizují to, co je popsáno v kontextu (tj. ve větě). Úroveň aktivace v pravém předním spánkovém pólu byla selektivně zvýšena a předpokládá se, že slouží jako vazebná funkce emočních informací napříč oblastmi, jako jsou vizuální a jazykové informace.