Том 18, № 4 (2023)

В мозге высоко содержание сфингомиелина, который участвует в формировании плазматических мембран и миелина, а также важен для организации мембранных микродоменов (липидных рафтов). Липидные рафты, как и производные гидролиза сфингомиелина (церамид, сфингозин, сфингозин-1-фосфат), важны для осуществления и регуляции синаптической передачи. Одним из основных путей контроля уровня сфингомиелина и его производных является расщепление мембранного сфингомиелина сфингомиелиназами.

Сфингомиелиназы локализуются внутри клетки (в связи с плазматической мембраной, в лизосомах, эндосомах, комплексе Гольджи и эндоплазматической сети), а также секретируются во внеклеточное пространство. Концентрация и активность сфингомиелиназ существенно увеличивается при действии различных стрессовых стимулов (в том числе воспаления). При этом дефицит сфингомиелиназ вызывает тяжёлые заболевания с выраженными неврологическими проявлениями.

В представленном обзоре мы обобщили данные об известных на сегодняшний день эффектах кислых и нейтральных сфингомиелиназ на пре- и постсинаптические процессы, а также о синаптической локализации сфингомиелиназ. Отдельно приведён краткий анализ возможных синаптических нарушений вследствие гипо- или гиперфункции сфингомиелиназ при ряде патологий нервной системы. Таким образом, сфингомиелиназы рассматриваются как важные модуляторы синаптической передачи на пре- и постсинаптических уровнях в норме и при патологии.

Животные модели эпилепсии являются ценными инструментами для изучения патогенеза заболевания, разработки новых методов лечения, поиска и оценки эффективности противосудорожных препаратов. Грызуны, такие как крысы и мыши, служат наиболее популярными объектами исследований из-за сходства строения их головного мозга с мозгом человека. Последние исследования включают и другие модельные виды, такие как собаки, кошки, приматы, а также животных, не относящихся к млекопитающим: рыбок данио, дрозофил, пиявок и планарий.

Рассматривается использование животных моделей в исследованиях, анализируются их преимущества и ограничения. Показано, что классификация моделей основана на фенотипе моделируемого расстройства, отдельное внимание уделяется фармакорезистентной эпилепсии. Подчёркиваются несовершенство существующих моделей и необходимость выбора наиболее релевантных для конкретных исследовательских целей. Сделан вывод, что животные модели не могут полностью воссоздать сложность клинической картины эпилепсии у человека, но играют важную роль в понимании механизмов заболевания и разработке новых терапевтических подходов.

В обзоре показана необходимость постоянного улучшения существующих животных моделей и разработки новых, чтобы более точно отразить разнообразие фенотипов эпилепсии и обеспечить более эффективные методы исследования и лечения. Особенно актуальной названа потребность в новых моделях фармакорезистентной эпилепсии, которые могли бы помочь в разработке принципиально новых противоэпилептических препаратов.

Недавно сформирована концепция глимфатической системы как высокоорганизованной периваскулярной сети, которая гидродинамическим путём с ключевым участием аквапорина-4 в качестве центральной молекулы соединяет спинномозговую жидкость с лимфатическими сосудами мозговых оболочек через интерстиций головного мозга. Современные исследования демонстрируют потенциальную роль глимфатической дисфункции в развитии процессов нейродегенерации и патологического старения. Несмотря на то, что точные молекулярные механизмы функционирования глимфатического пути ещё полностью не охарактеризованы, решающие процессы, лежащие в основе церебрального транспорта растворённых веществ и клиренса амилоида и метаболитов, уже во многом определены. Сложное взаимодействие между рядом возраст-ассоциированных факторов, включая клеточное старение, нарушение в цикле сон–бодрствование с изменением архитектуры и качества сна, вялотекущее системное воспаление, развитие сопутствующих заболеваний, не только определяет продолжительность жизни в целом, но и формирует основы здорового и нездорового старения мозга в частности. Дисбаланс гомеостатических функций, изменения в активности глимфатического клиренса и гематоэнцефалического барьера, поддерживающих обмен жидкости и растворённых веществ в церебральной ткани, которые могут наблюдаться как в норме при физиологическом старении, так и при развитии нейропатологии, имеют лонгитюдные последствия — от нарушения синаптической передачи сигнала до начала нейродегенеративных процессов.

В настоящем обзоре проанализирована актуальная научная информация в данной области исследований, детально описаны особенности периваскулярной глиально-опосредованной системы транспорта и обсуждается фундаментальная роль её дисфункции в патологическом накоплении метаболитов при старении, развитии возраст-ассоциированных изменений в мозге и прогрессировании нейродегенеративных заболеваний.

Обоснование. Методы и средства работы с многоканальными электрофизиологическими сигналами должны развиваться и соответствовать скорости потока данных в современных экспериментах. Анализ и визуализация экспериментальных данных с минимальной задержкой и с минимизацией усилий экспериментатора — актуальная задача в области нейробиологии, которая требует использования комплексных подходов, специально подобранных для каждого конкретного типа эксперимента. Создание программ с открытым исходом кодом, которые могут быть оперативно адаптированы для различных задач, является одним из подходов, обеспечивающих возможность качественного проведения сложных научных экспериментов.

Цель — разработка программного обеспечения с открытым исходным кодом для аналитической и визуализационной поддержки экспериментов нейробиологического направления.

Методы. Программное обеспечение разработано в среде MATLAB. Программа построена по модульному принципу и включает интуитивно понятный графический интерфейс, облегчающий управление процессом преобразования и отображения сигналов.

Результаты. Создан программный инструмент, который позволяет оптимизировать и ускорить различные этапы электрофизиологических исследований, включая предварительный анализ качества готовящегося эксперимента, глубокий анализ записанных сигналов и подготовку иллюстративного материала для публикаций.

Заключение. Полученная программа имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогичными продуктами в части универсальности, быстродействия и доступности и может быть использована при решении широкого класса исследовательских задач.

Обоснование. Гены семейства NeuroD, включая NeuroD1, NeuroD2, NeuroD6, контролируют выживаемость, дифференцировку, созревание нейронов и формирование нейритов в нервной системе. В мозге мышей делеция NeuroD1 приводит к полной потере зубчатой извилины гиппокампа вследствие апоптоза нейронов. NeuroD2 необходим для выживания нейронов в мозжечке и интеграции таламокортикальных связей в новой коре, а также для формирования соматосенсорной коры. В недавних работах авторов показано, что у мышей с двойным дефицитом NeuroD2/6 аксоны мозолистого тела дефектны из-за нарушений передачи сигналов, опосредованных белком EfnA4. Для того чтобы охарактеризовать молекулярные каскады, регулируемые белками NeuroD2/6, авторы исследовали экспрессию ключевых факторов транскрипции, которые контролируют различные аспекты развития коры головного мозга у мышей с дефицитом NeuroD2 и NeuroD6.

Цель исследования — изучение возможных изменений программ дифференцировки транскрипционных факторов, связанных с NeuroD2/6.

Методы. В экспериментах использовали эмбрионы с двойным дефицитом NeuroD2/6. Генотип определяли методом полимеразной цепной реакции. Беременных мышей, несущих эмбрионы E13.5, оперировали для внутриутробной электропорации. Для изучения паттерна экспрессии генов-мишеней проводили in situ гибридизацию с синтетической РНК на разных стадиях эмбрионального развития. Для анализа активности промоторов соответствующих генов фрагменты геномной ДНК, содержащие мотивы связывания NeuroD2/6, клонировали в вектор pMCS-GL для измерения активности люциферазы. Относительные количественные данные анализировали с помощью парного одностороннего t-критерия Стьюдента. Графики сделаны с помощью программного обеспечения GraphPad Prism и представлены как среднее значение ± стандартная ошибка.

Результаты. Установлено, что экспрессия NeuroD1 эктопически активируется в постмитотических нейронах неокортекса и гиппокампа в двойном нокауте NeuroD2/6. Обнаружено также, что экспрессия транскрипционных факторов Cux1, Tbr1, Lhx2, Id2 нарушена в двойном нокауте NeuroD2/6. Показано, что Cux1 является прямой мишенью NeuroD2/6. Кроме того, выявлено, что количество предшественников Olig2⁺ увеличивается в неокортексе мышей с двойным нокаутом NeuroD2/6, а экспрессия NeuroD2/6 и Olig2 является взаимоисключающей. Таким образом, установлено, что NeuroD2/6 регулируют экспрессию нескольких факторов транскрипции в развивающемся мозге.

Заключение. Кумулятивное действие обоих генов необходимо для инициации и поддержания экспрессии факторов транскрипции Cux1, Tbr1, Lhx2, Id2 и Olig2.

Обоснование. Старение — неизбежный и необратимый процесс, связанный с повышенным риском развития различных нейродегенеративных заболеваний, одним из которых является болезнь Альцгеймера. В настоящее время активно изучается роль глиальных клеток, в частности микроглии, в патогенезе болезни Альцгеймера. Однако лишь в немногих исследованиях коррелировались морфологические особенности микроглии и их пространственное расположение по отношению к β-амилоидным бляшкам.

Цель — описать основные морфологические параметры микроглии в мышиной модели болезни Альцгеймера 5xFAD на поздней стадии развития патологии.

Методы. В качестве исследуемого объекта были выбраны мыши линии 5xFAD в возрасте 15–16 мес как модель ускоренного амилоидоза. Иммуногистохимическое окрашивание для изучения морфологического разнообразия микроглии проводили на срезах коры головного мозга мыши. Полученные конфокальные изображения анализировали при помощи приложения ImageJ с использованием плагинов Skeleton, AnalyzeSkeleton (2D/3D) и FracLac.

Результаты. В ходе исследования мышей линии 5xFAD разделили на две группы (n=3 в каждой). Носители трансгенов app и psen1 были отнесены в группу «FAD», мыши дикого типа — в группу «Wt» (контроль). От каждой мыши нами проанализировано 3–4 сагиттальных среза (50 мкм) головного мозга. Полученные результаты показали, что микроглиальные клетки мышей с признаками болезни Альцгеймера имеют меньшие фрактальную размерность, лакунарность и ветвление.

Заключение. Наличие β-амилоидных бляшек способствует миграции микроглии в очаг воспаления, её пролиферации и переходу в фагоцитирующий и дистрофический подтип. По данным фрактального анализа, происходит статистически значимое (р ≤0,05) уменьшение среднего ветвления микроглиальных отростков, снижение фрактальной размерности и лакунарности.

Обоснование. Транс-спинальная стимуляция постоянным током (tsDCS) воздействует на кортикоспинальную систему, которая является одной из основных систем человека, связанных с контролем точных произвольных движений. Известно, что разные параметры и монтажи одной и той же стимуляционной процедуры могут существенно влиять на результаты, так как вовлекают разные нейрональные механизмы.

Цель — изучить параметры анодной tsDCS, применяемой на уровне шейного утолщения спинного мозга (сегменты С7–Th1), влияющей на возбудимость кортикоспинальной системы и коррекцию двигательных навыков у здоровых людей.

Материал и методы. В исследовании принял участие 81 здоровый взрослый человек в возрасте 21,19±3,20 года. Эффект tsDCS оценивали с помощью вызванных моторных ответов от первой дорсальной межкостной (FDI) мышцы путём транскраниальной магнитной стимуляции в первичной моторной коре в трёх временн΄ых периодах: до стимуляции, сразу после стимуляции и через 15 мин после стимуляции.

Результаты. Применение 11-минутной анодной tsDCS на уровне шейного отдела позвоночника C7–Th1 с силой тока 1,5 мА воздействует на мышцу FDI, первоначально снижая амплитуду индуцированных транскраниальной магнитной стимуляцией вызванных моторных ответов сразу после стимуляции. Амплитуда вызванных моторных ответов увеличивается после 15 мин стимуляции. tsDCS током силой 2,5 мА не влияет на изменение амплитуды вызванных моторных ответов. Кроме того, мы не обнаружили различий в эффекте стимуляции 1,5 мА на коррекцию двигательных навыков у здоровых взрослых людей при выполнении теста с девятью отверстиями (9-HPT) и задания на время последовательной реакции (SRT), как и при силе тока 2,5 мА.

Заключение. Получена дополнительная информация об оптимально подходящей интенсивности тока стимуляции для индукции возбудимости кортикоспинальной системы и о способности tsDCS влиять на двигательные навыки у здоровых взрослых.

Обоснование. Онтогенез мозговых нейросетей, обеспечивающих обработку лексико-семантической информации в детском возрасте, остаётся малоизученной областью физиологии высшей нервной деятельности человека. В то же время исследования на взрослых испытуемых уже достигли значительного прогресса в обнаружении нейронных контуров, отвечающих за обработку мозгом абстрактной и конкретной семантической информации. В частности, исследования на взрослых показали, что важным маркёром, различающим процессы обработки этих двух базовых типов семантики, является межполушарная асимметрия нейронной активности в модально-специфических и модально-неспецифических областях коры головного мозга (ГМ): как правило, в ответ на абстрактные слова регистрируется более леволатерализованая активность, чем при восприятии конкретных слов. Вместе с тем данные об аналогичных различиях у детей отсутствуют; целью настоящего исследования стало заполнение этого пробела.

Цель исследования — определить возрастные особенности латерализации паттернов нейрональных ответов, связанные с обработкой абстрактной и конкретной речевой семантики у испытуемых детского возраста.

Методы. В настоящем исследовании участвовали здоровые дети в возрасте от 5 до 13 лет (n=41). Мы использовали метод магнитоэнцефалографии (МЭГ) в сочетании с парадигмой негативности рассогласования (НР). Испытуемым пассивно, вне фокуса произвольного внимания, предъявляли серии слуховых стимулов, содержащие абстрактные и конкретные глаголы русского языка. Пространственно-временную динамику активности источников нейромагнитной НР реконструировали методом наименьшей нормы (minimum-norm estimate, MNE) для заранее определённых областей интереса: первичной слуховой коры, первичной моторной коры и нижней лобной извилины в обоих полушариях ГМ. Для каждой области и типа стимула производили статистическое сравнение магнитуд ответов НР между левым и правым полушариями в младшей (5–9 лет) и старшей (10–13 лет) возрастных группах.

Результаты. Мы обнаружили регионально-специфические различия в латерализации вызванных ответов НР на конкретные и абстрактные слова в моторных и нижних лобных областях коры ГМ (парный пермутационный тест, p <0,05). Более того, в младшей возрастной группе (5–9 лет) ответы на предъявление абстрактного стимула и стимула-псевдослова были латерализованы влево, и этот эффект наиболее выражен в нижних лобных областях (поля Бродмана 45 и 47) левого полушария. В старшей возрастной группе (10–13 лет) выраженного леволатерального ответа в этих областях не наблюдалось. Вместе с тем для конкретного стимула — глагола, обозначающего движение руки — отмечено различие в картине межполушарной асимметрии ответов представительства руки в моторной коре: ответ у детей младшей возрастной группы был праволатерализованным, в то время как у детей в старшей возрастной группе — билатеральным.

Заключение. Полученные локальные и межполушарные различия динамики нейромагнитных ответов моторной коры и области Брока можно рассматривать как коррелят возрастных изменений в нейрокогнитивных стратегиях восприятия абстрактной и конкретной речевой семантики.

Обоснование. Адаптация нейронных сетей мозга к переменным условиям окружающей среды — ключевой аспект эффективного исполнения когнитивных функций. Сетевой подход в нейронауке, фокусирующийся на анализе структурных и функциональных характеристик сетей, которые связаны с когнитивными функциями, является весьма многообещающим направлением для понимания психофизиологических механизмов, лежащих в основе адаптивной динамики когнитивных процессов.

Цель исследования — изучить, как топологические особенности функциональных коннектомов мозга человека связаны с осуществлением различных когнитивных процессов. Основное внимание было уделено определению динамических изменений в мозговых сетях во время выполнения задач на рабочую память с целью выявления сетевых характеристик, присущих сетям при исполнении этой когнитивной функции.

Методы. На основе электроэнцефалографических данных подробно рассмотрены топологические характеристики функциональных мозговых сетей в состоянии покоя и при когнитивной нагрузке, обеспечиваемой выполнением теста Стернберга на рабочую память (Sternberg Item Recognition Paradigm). Записи ЭЭГ 67 здоровых взрослых были обработаны для оценки функциональной связности с помощью метода когерентности. Мы предполагаем, что топологические свойства функциональных сетей в человеческом мозге различаются между когнитивной нагрузкой и состоянием покоя с более высокой интеграцией в сетях во время когнитивной нагрузки.

Результаты. Исследование подтверждает, что топологические особенности функциональных коннектомов зависят от текущего состояния когнитивной обработки и изменяются в ответ на изменения когнитивной нагрузки, вызванной заданием. Анализ также продемонстрировал, что функциональные коннектомы, зафиксированные при выполнении задач на рабочую память, характеризуются более быстрым появлением генераторов групп гомологии. Это подтверждает идею взаимосвязи между начальными этапами выполнения задач на рабочую память и увеличением скорости сетевой интеграции, при этом решающую роль играют соединительные хабы (connector hubs).

Заключение. Различные уровни когнитивной нагрузки, в частности при задачах на рабочую память, связаны с разными топологическими свойствами функциональных сетей мозга, что подчёркивает важность сетевой динамики в когнитивной обработке.

Длительная социальная изоляция может приводить к нарушениям функциональной активности серотониновой (5-НТ) нейромедиаторной системы и нейротрофического обеспечения мозга, активации нейровоспалительных процессов, вызывая различные расстройства поведения [1]. С другой стороны, провоспалительный цитокин фактор некроза опухоли (tumor necrosis factor, TNF) способен модулировать синтез серотонина и экспрессию нейротрофинов в мозге [2], а нокаут гена Tnf влияет на выраженность депрессивноподобного поведения и когнитивных функций у грызунов [3].

Цель работы. Изучить эффект длительной социальной изоляции на поведение, 5-НТ систему мозга, экспрессию нейротрофического фактора мозга BDNF, фактора роста нервов NGF у мышей с нокаутом гена фактора некроза опухоли. Эксперименты проводили на самцах линии с нокаутом гена Tnf (TNF KO) и родительской линии C57BL/6 (дикий тип). Мыши каждой линии были разделены на две группы: контроль (содержание в группах) и опыт (содержание в изолированных клетках в течение шести недель). Поведение оценивали в тестах «открытое поле», «трёхкамерный тест» и «принудительное плавание». Экспрессию генов оценивали в структурах мозга мышей методом ОТ-ПЦР реального времени. Содержание белков определяли анализом вестерн-блот. Уровни серотонина и его метаболита 5-ГИУК измеряли с помощью ВЭЖХ. Результаты обрабатывали двухфакторным дисперсионным анализом с последующим множественным сравнением по Фишеру.

Двигательная активность животных не различалась между группами. У мышей линии TNF KO социальная изоляция привела к снижению исследовательской активности и повышению тревожности в тесте «открытое поле» (p <0,05). Мыши дикого типа, подвергавшиеся изоляции, демонстрировали снижение предпочтения социального объекта в «трёхкамерном тесте» (р <0,01). Изоляция не оказала влияния на депрессивноподобное замирание в тесте «принудительное плавание» и когнитивные функции в тесте «новый объект» у животных обеих линий. Социальная изоляция привела к падению экспрессии гена триптофангидроксилазы-2 (фермента синтеза 5-НТ) в среднем мозге у мышей дикого типа (p <0,05) и к повышению экспрессии гена рецептора 5-HT1A в этой структуре у животных с нокаутом (p <0,05). Только нокаутные мыши демонстрировали снижение содержания 5-НТ в гиппокампе вследствие действия изоляции (p <0,05), уровни нейромедиатора и его метаболита 5-ГИУК во фронтальной коре и среднем мозге не различались между группами мышей обеих линий. Только у мышей линии TNF KO, подвергавшихся изоляции, было обнаружено увеличение уровня мРНК гена фактора роста нервов NGF во фронтальной коре (p <0,01), а также рост содержания белка proBDNF (предшественника фактора BDNF) в гиппокампе и фронтальной коре (p <0,05). Полученные результаты демонстрируют, что нокаут гена Tnf изменяет эффекты длительной социальной изоляции у мышей на поведение, 5-НТ систему и экспрессию нейротрофических факторов в мозге.

Нейрональные факторы транскрипции регулируют экспрессию многих рецепторов и внутриклеточных сигнальных молекул, участвующих в возбуждающей нейротрансмиссии. Большое внимание уделяется транскрипционному фактору Satb1 с точки зрения его вклада в регуляцию роста и развития различных типов нейронов головного мозга как в эмбриональном, так и в постнатальном периодах. Изменение уровня экспрессии и активности таких белков, как рецепторы глутамата, протеинкиназы и регуляторы жизнеспособности клеток, при делеции фактора транскрипции Satb1 можно считать одним из ключевых фундаментальных механизмов, определяющих запуск нейронной сети в состояние гипервозбуждения. Несмотря на достаточное количество работ, посвящённых роли Satb1 в нейрогенезе, отсутствуют исследования, демонстрирующие изменения внутриклеточной передачи сигналов кальция и уровня экспрессии белков при его делеции в нейронах.

В исследовании использовали мышей с полной (Satb1-null) и частичной (Satb1-deficient) делецией транскрипционного фактора Satb1. Нейроглиальные культуры коры мозга получали из новорожденных мышей и культивировали в течение 10 суток in vitro. Далее клетки загружали кальций-чувствительным флуоресцентным зондом Fura-2 и с помощью флуоресцентного микроскопа регистрировали динамику цитозольного Са²⁺ ([Ca²⁺]i). В клеточных культурах регистрировали спонтанную Са²⁺-активность, а также моделировали эпилептиформную активность с помощью общепринятых методов — исключение магния из среды (безмагниевая модель) и добавление 10 мкМ бикукулина (бикукулиновая модель). Группой сравнения были клетки коры мозга, полученные из контрольных мышей. Для анализа паттернов экспрессии генов, кодирующих киназы, выделяли тотальную РНК из клеточных культур и проводили ПЦР-анализ в реальном времени.

Оказалось, что полная и неполная делеция транскрипционного фактора Satb1 по-разному влияли на экспрессию протеинкиназ и генов-регуляторов жизнеспособности клеток. В нейронах с дефицитом Satb1 происходило повышение экспрессии генов, кодирующих фосфоинозитид-3-киназу, протеинкиназу С, протеинкиназу В, митоген-активируемую протеинкиназу, а также гены Bcl-2, Creb, Nf-kB. Тогда как полная делеция Satb1 в корковых нейронах вызывала повышение экспрессии только фосфоинозитид-3-киназы, экспрессия всех остальных исследованных протеинкиназ снижалась на фоне повышения провоспалительных факторов Nf-kB, Caspase-3 и Tnfα.

На уровне нейротрансмиссии, полная делеция Satb1 приводила к повышенной спонатнной Са²⁺-активности нейронов, а также большим частотам и амплитудам Са²⁺-осцилляций при моделировании эпилептиформной активности. Поскольку симптом гипервозбуждения сети показан в нейрональных сетях при гипоксии и реакции нейронов на гипоксию зависят от активности исследованных нами киназ, были проведены эксперименты по моделированию гипоксии в нейронах, полученных из мышей с делецией транскрипционного фактора Satb1. Одновременно с регистрацией [Ca²⁺]i производилось измерение парциального давления кислорода (рO2) c помощью соматического оксиметра. Пороговым значением уменьшения рO2 считали начало генерации Са²⁺-ответов в нейронах. Появление первых Са²⁺-ответов на гипоксию в WT-нейронах происходило в 8–10% клеток, когда парциальное давление кислорода снижалось до 40 мм рт.ст, при этом остальные клетки в поле зрения микроскопа не реагировали. Satb1-null нейроны начинали реагировать на гипоксию при 60 мм рт.ст, причем Са²⁺-ответы имели вид высокоамплитудных Са²⁺-осцилляций, регистрируемых в более чем 15% клеток. При этом Satb1-null нейроны реагировали появлением высокочастотных Са²⁺-осцилляций с выходом базового уровня [Ca²⁺]i на новый стационарный уровень уже при снижении рO2 до 75–80 мм рт.ст, а с учётом высокого процента (более 20%) отвечающих нейронов, можно говорить о повышенной чувствительности Satb1-null нейронов к гипоксии.

В настоящее время практически завершена расшифровка генетического кода человека, а различные генетические мутации вызывают большой интерес у учёных в этой сфере. Исследуются мутации, которые ответственны за проявление заболеваний, а также обусловливают генетическую предрасположенность к ним. Изучение новых механизмов проявления заболеваний является современным, уникальным подходом, способствующим в дальнейшем развитию методов лечения и коррекции многих нейродегенеративных заболеваний у человека. Эпилепсия является одной из распространённых форм неврологической патологии. Понимание сложных механизмов, лежащих в основе эпилептогенеза и генерации приступов при эпилепсии височной доли и других формах эпилепсии, не может быть полностью получено в клинических исследованиях с людьми. В результате использование соответствующих моделей животных имеет важное значение.

Цель работы. Исследование синаптической передачи и долговременной пластичности гиппокампа у мутантной линии мышей, условно названной S5-1, с эпилептиформной активностью. Объектом исследования стала мутантная линия мышей S5-1, имеющая склонность к формированию эпилептиформной активности после индукции ENU-мутагенеза в молекуле ДНК. Для изучения активности in vitro используется метод регистрации локальных полевых потенциалов (local field potential, LFP) на переживающих срезах мозга, совмещающий электрофизиологические и оптические методы.

Для оценки долговременной синаптической пластичности были выбраны два варианта протокола: в первом подавались малые амплитуды стимуляции (50 мА), во втором — большие (500 мА). В первом случае наблюдались высокие показатели долговременной потенциации у группы с эпилептиформной активностью. Потенциация у животных с фенотипом составляла 150–170% от средних значений скорости нарастания ответа до четырёхразрядной стимуляции, когда значения у контрольной группы достигали лишь 120–125%. Данные результаты показывают, что у группы животных с эпилептиформным фенотипом происходит гиперактивация нервных волокон, что является одним из механизмов, лежащих в основе эпилептогенеза. Во втором же случае при подаче больших амплитуд стимуляции было показано достоверное снижение синаптической передачи у животных с эпилептиформной поведенческой активностью (120–150%) по сравнению с контрольной группой (200–250%). Достоверное снижение долговременной синаптической пластичности у животных с эпилептиформной активностью относительно контрольной группы на больших «стрессовых» амплитудах стимуляции может свидетельствовать о нарушении синаптической передачи на молекулярном и клеточном уровнях, что может приводить к ухудшению памяти или снижению когнитивных навыков у мутантных животных, проявляющих признаки эпилепсии.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что возможный механизм изменения синаптической передачи в гиппокампе мутантной линии мышей S5-1 заключается в том, что после воздействия мутагена и возникновения точечных мутаций развивается ряд патологий, одной из которых является нарушение цитоархитектуры коры головного мозга, которое ведёт к опосредованному изменению в подкорковых структурах, в частности в гиппокампе, и развитию аудиогенных судорог. Вследствие этого возникают нарушения в синаптической передаче и пластичности, что может приводить к снижению памяти и другим когнитивным дисфункциям. Однако предложенный нами возможный механизм развития нарушений в мозге у мутантных животных требует дальнейших исследований.

Секреторные сфингомиелиназы выделяются при действии на клетки различного рода стрессовых стимулов, включая воспаление [1]. Избыточная активность и освобождение сфингомиелиназ выступает в качестве патологического фактора, ускоряющего возрастные изменения в нервной системе, нейровоспаление, нейродегенерацию, а также мышечную дисфункцию [1–3]. С другой стороны, сфингомиелиназы были обнаружены в регионах около сайтов экзоцитоза и дендритных шипиках, а ингибирование сфингомиелиназ подавляло синаптическую передачу как на пресинаптическом, так постсинаптическом уровнях в гиппокампальных синапсах. Недостаточность кислой сфингомиелиназы ведёт к нейродегенеративному заболеванию Ниманна–Пика типа А, а нокауты нейтральных сфингомиелиназ у модельных мышей вызывают двигательные дефекты, а также нарушения, напоминающие таковые при болезни Альцгеймера [1, 2]. Всё это указывает на существование механизма регуляции синаптической передачи, который зависит от сфингомиелиназ.

В представленной работе, используя микроэлектродное отведение постсинаптических ответов, экзо-эндоцитозные FM-маркеры, а также чувствительные к мембранным свойствам флуоресцентные зонды, исследовали эффект нейтральной сфингомиелиназы на нейропередачу в диафрагмальной мышце мыши.

Было обнаружено, что добавление сфингомиелиназы (на 15 мин) в низкой концентрации (0,01 ед. акт./мл) ведёт к нарушению упаковки липидов избирательно синаптических мембран. В частности, в синаптических мембранах происходило появление скоплений церамида, подавление окрашивания меченной субъединицей B холерного токсина (маркер скоплений GM1 ганглиозидов), сдвиг в зелёную часть спектра флуоресценции F2N12S (показатель экспансии липид-неупорядоченной фазы), увеличение флуоресценции 22-NBD-холестерина (индикатор увеличения текучести мембран), а также встраивания экзогенного церамида во внешний монослой. Повышение концентрации сфингомиелиназы до 0,1 ед. акт./мл усиливает изменения и приводит также к тому, что указанные изменения мембранных свойств начинают проявляться и в мембранах мышечных волокон. В дальнейших экспериментах использовали 15 мин аппликацию сфингомиелиназы в низкой концентрации, оказывающей синапс-специфичное действие на свойства мембран.

Амплитуда и временные параметры миниатюрных постсинаптических ответов, а также мембранный потенциал покоя не изменялись при аппликации сфингомиелиназы. Также спонтанная секреция, как и вызванная секреция нейромедиатора, в ответ на одиночные стимулы не изменялась при действии сфингомиелиназы. Однако сфингомиелиназа существенно увеличивала секрецию нейромедиатора и темп освобождения экзоцитозом FM-красителей из синаптических везикул при стимуляции нерва с частотами 10, 20 и 70 Гц. Следует отметить, что потенцирующий нейропередачу эффект сфингомиелиназы был необратимым и несколько сильнее выражен при 10 Гц синаптической активности. Эксперименты с прерывистой стимуляцией нерва короткими пачками (по 60 стимулов) с частотами 10 или 20 Гц и короткими 0,5 с интервалами покоя, выявляли, что сфингомиелиназа увеличивает кратковременное облегчение секреции нейромедиатора в начале каждого следующего эпизода при 10 Гц (но не 20 Гц) стимуляции.

Опыты с комбинированием электрофизиологической детекции вызванных постсинаптических ответов, слежением за экзоцитозным освобождением FM1-43 красителя и применением тушителя флуоресценции FM1-43, проникающего через поры слияния, показали, что при высокочастотной (70 Гц) активности в норме существенная популяция синаптических везикул освобождает нейромедиатор через транзиторную пору слияния (kiss-and-run механизм) [4, 5]. Обработка сфингомиелиназой ингибирует подобный путь освобождения нейромедиатора, в итоге основная часть событий нейросекреции происходит за счёт экзоцитоза с полным встраиванием везикулярной мембраны в пресинаптическую мембрану.

Сфингомиелин пресинаптических мембран и мембран синаптических везикул может играть разную роль в контроле освобождения нейромедиатора. Для проверки этой гипотезы во время аппликации сфингомиелиназы проводили стимуляцию процессов экзо-эндоцитоза синаптических везикул, таким образом, фермент получал доступ к мембранам синаптических везикул. В этих условиях потенцирующий эффект сфингомиелиназы на секрецию нейромедиатора и темп экзоцитоза FM1-43 был существенно подавлен.

Исходя из полученных данных, мы предполагаем, что под влиянием сфингомиелиназы (в низкой концентрации) происходит нарушение целостности липидных рафтов и образование скоплений церамида избирательно в синаптических мембранах в мышце. Это в свою очередь увеличивает мобилизацию синаптических везикул в сайты экзоцитоза в ходе 10–70 Гц активности. Предположительно, особенно активно рекрутируются в экзоцитоз синаптические везикулы, принадлежащие к отдельному пулу, который обеспечивает нейропередачу при 10 Гц активности. Более того, изменение свойств мембран при действии сфингомиелиназы ингибирует освобождение нейромедиатора через пору слияния при высокочастотной активности, направляя экзоцитоз по пути полного слияния. Гидролиз сфингомиелина не только плазматических мембран, но и мембран синаптических везикул ослабляет стимулирующие эффекты сфингомиелиназы, указывая на противоположное значение сфингомиелина пресинаптической и везикулярных мембран в контроле освобождения нейромедиатора [5].

Фебрильные судороги (ФС) являются распространённым неврологическим нарушением у детей в возрасте от 3 месяцев до 5 лет, причём наибольшая частота наблюдается на втором году жизни [1]. Поскольку в это время продолжают развиваться нейроны и глиальные клетки, а также происходит формирование синаптических контактов [2, 3], ФС могут влиять на эти процессы. Однако существующие данные о влиянии ФС на развивающийся мозг противоречивы.

Цель исследования. Изучить влияние длительных ФC на свойства пирамидных нейронов в гиппокампе крыс разного возраста.

Исследование выполнено на самцах крыс Вистар. Экспериментальные фебрильные судороги моделировали на животных в возрасте 10 дней. Для этого крыс на 30 мин помещали на дно стеклянной камеры и подвергали воздействию регулируемого потока нагретого воздуха. Это приводило к повышению температуры тела животных до 39 °C и развитию ФС. В дальнейшие исследования были включены только те животные, у которых ФС длились не менее 15 мин. Контрольная группа — крысы из этих же помётов, которых на аналогичное время отсаживали от самки, но содержали при комнатной температуре.

В возрасте 12, 21–23 или 51–55 дней жизни крыс подвергали декапитации, извлекали мозг и изготавливали горизонтальные срезы мозга толщиной 400 мкм. Чтобы охарактеризовать вызванные фебрильными судорогами изменения биофизических свойств пирамидных нейронов CA1 гиппокампа, мы применили метод патч-кламп в конфигурации «целая клетка». В ходе регистрации инъектировались ступеньки тока длительностью 1,5 с, что по вызванным ими изменениям мембранного потенциала позволило оценить подпороговые мембранные свойства (потенциал покоя, входное сопротивление и временная константа мембраны), а также охарактеризовать собственную возбудимость нейронов. Регистрацию полевых возбуждающих постсинаптических потенциалов (пВПСП) осуществляли в лучистом слое поля CA1. Для каждого среза рассчитывали амплитуду пресинаптического популяционного спайка (прПС) и полевого возбуждающего постсинаптического (пВПСП) потенциала. Эффективность синаптической передачи определяли с помощью сигмоидальной функции Гомперца. Для исследования возможных изменений в кратковременной синаптической пластичности использовали парную стимуляцию. Парные импульсы подавались с интервалом 10–500 мс, и величину пластичности рассчитывали как отношение амплитуды второго пВПСП к первому для каждого интервала. Предрасположенность к судорогам у животных оценивали с помощью метода максимальных электрошоковых судорог (МЭШ) через 2 месяца после ФС. Для каждого животного определялся минимальный ток, при котором наблюдалось тоническое разгибание задних конечностей.

У крыс в возрасте и 12, и 21 дней не было обнаружено изменений подпороговых мембранных свойств. Но было обнаружено изменение нескольких показателей собственной возбудимости нейронов. Максимальная частота генерации потенциалов действия (ПД) была снижена на 23% у 12-дневных крыс, перенёсших фебрильные судороги, в сравнении с контрольными крысами того же возраста. Также адаптация частоты ПД у 12-дневных крыс после ФС была менее выражена, чем у контрольных животных. Эти вызванные фебрильными судорогами изменения не выявлялись у крыс в возрасте 21 дня. Существенных различий в зависимости амплитуд пВПСП или прПС от силы стимуляции не наблюдается у крыс в возрасте 12 и 55 дней. Однако в возрасте трёх недель мы заметили увеличение амплитуды прПС и уменьшение соотношения вход/выход между амплитудами пВПСП и прПС после ФС. У животных в возрасте 12 дней наблюдалось нарушение кратковременной синаптической пластичности, о чём свидетельствует значительное увеличение отношения амплитуд парных импульсов. Однако в возрасте 21 и 55 дней разницы между экспериментальной и контрольной группами не было. Тест МЭШ показал значительное увеличение порога для развития экстензии задних конечностей у крыс через два месяца после ФС по сравнению с контрольными животными.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют об изменениях возбудимости нейронов после длительных ФС. В возрасте 12 дней у животных наблюдается снижение собственной возбудимости нейронов CA1, а отношение амплитуд при парной стимуляции увеличивалось, что указывает на снижение вероятности пресинаптического высвобождения глутамата в нейронах гиппокампа. У трёхнедельных животных эффективность синаптической передачи в синапсах СА3-СА1 была снижена после ФС. Кроме того, тест МЭШ показал, что у крыс через два месяца после ФС порог развития экстензии задних конечностей был выше по сравнению с контрольными животными.

Согласно определению Международной Антиэпилептической Лиги (ILAE), эпилепсия — это «хроническое состояние мозга, которое характеризуется устойчивой предрасположенностью к возникновению эпилептических приступов и нейробиологическими, когнитивными, психологическими и социальными последствиями». Данное определение носит общий характер, но за ним скрывается множество состояний, этиология, симптоматика, механизмы эпилептогенеза которых могут значительно отличаться, что затрудняет создание единой модели заболевания. Для преодоления данного препятствия в рамках моделирования осуществляется выбор конкретного типа эпилепсии и его проявления(-ий): электрофизиологического, морфологического (в основном нейродегенерации) и поведенческого [1]. В данной работе используется модель эпилептического статуса с внутригиппокампальным введением каиновой кислоты, где воспроизводятся аспекты электрофизиологической активности и нейродегенерации. Воспроизведение сразу двух аспектов сближает каинатную модель именно с заболеванием под названием «эпилепсия».

Одним из нейробиологических процессов, связанных с хроническим состоянием мозга, характеризующимся устойчивой предрасположенностью к возникновению эпилептических приступов, в настоящее время считается нейровоспаление. Нейровоспаление — это реакция центральной нервной системы (ЦНС) на различные нарушения, такие как инсульт, травма, инфекция, аутоиммунные заболевания, стресс и повышенная возбудимость нейронной сети, например, во время эпилептических судорог. Такая реакция включает в себя биосинтез и высвобождение молекул с воспалительными свойствами клетками мозга, в основном активированной микроглией и астроцитами, а также нейронами и клетками сосудистой сети мозга [2].

В настоящее время в рамках исследования нейровоспаления, характерного для многих патологических состояний, рассматривается, в частности, влияние на него эндоканнабиноидной системы (ЭКС) [3], однако в исследованиях, посвящённых эпилепсии, основное внимание сосредоточено на том, как модуляция ЭКС влияет на сетевую нейрональную активность за счёт изменения работы синапсов (возбуждающих и тормозных) через CB1-рецепторы, а связи с нейровоспалением посвящено лишь небольшое количество исследований [4].

В нашем исследовании мы анализировали динамику нейровоспаления после введения каината и влияния на эту динамику экзогенных модуляторов эндоканнабиноидных рецепторов. Нейровоспаление оценивали по уровням экспрессии ряда про- и противовоспалительных цитокинов (IL1b, Il6, Cx3cl1, Ccl2, Tgfb1, Zc3h12a, Tnfa) в ипсилатеральном вентральном гиппокампе, контралатеральном дорсальном и вентральном гиппокампе, неокортексе, твёрдой мозговой оболочке, корковой и гиппокампальных оболочках (неразделённых паутинной и мягкой мозговых оболочек). Экспрессию оценивали с помощью количественной ПЦР через 3 и 24 часа после инъекции конвульсанта. Мы обнаружили, что каинат-индуцированные судороги приводят к относительно быстрому развитию нейровоспаления в гиппокампе, которое практически полностью прекращается через 24 часа. В неокортексе же наблюдали другую динамику нейровоспаления: слабые изменения через 3 часа и более сильные изменения экспрессии воспалительных генов через 24 часа. В этой работе впервые на модели внутригиппокампального введения каината была показана на большом пуле генов более отложенная нейровоспалительная реакция в неокортексе по сравнению с гиппокампом.

Как активация каннабиноидных рецепторов CB1 и CB2, так и ингибирование каннабиноидного рецептора CB1 приводили к усилению нейровоспаления, однако провоспалительный эффект активации каннабиноидных рецепторов наблюдался преимущественно в неокортексе, тогда как эффект ингибирования CB1 рецепторов был сильнее в гиппокампе. Наши данные свидетельствуют о том, что вызванный введением каината нейровоспалительный ответ по-разному регулируется эндоканнабиноидной системой в неокортексе и гиппокампе, а также, что наиболее известное антивоспалительное воздействие каннабиноидов вероятно эффективно лишь в определённом диапазоне концентраций каннабиноидов и времени введения относительно воздействия, в иных же случаях каннабиноиды могут оказывать и противоположный эффект, усиливая нейровоспаление.

Глюкокортикоидные гормоны известны своим участием в адаптации к различным видам физического и психоэмоционального стресса. Префронтальная кора (ПФК) является важной тканью-мишенью глюкокортикоидного рецептора (ГР), которая координирует реакцию на стресс.

В данной работе мы проанализировали транскриптом ПФК самцов мышей линии C57Bl/6 с опытом 30-дневного хронического стресса социальных поражений (CSDS — chronic social defeat stress), которым за 6 часов до экстракции тканей вводили 2 мкг/г дексаметазона или физиологический раствор. В результате мы получили 4 группы: CSDS+sal, CSDS+dex, control+sal, control+dex.

Чтобы выявить роль ГР в реакции на стресс в префронтальной коре, мы провели поиск генов, регулируемых ГР, среди дифференциально экспрессирующихся генов (ДЭГ) транскриптома, используя опубликованные ChIPseq эксперименты, проведённые на ГР ткани головного мозга грызунов (5 наборов данных). Были проанализированы сайты связывания ГР, расположенные в регуляторных областях генов (–5k+1 kbp от tss). Для дальнейшего анализа мы взяли 3023 гена, идентифицированных как регулируемые ГР не менее чем в 2 исследованиях. Было показано, что 320 из них экспрессируются в ПФК на основании наших транскриптомных данных.

В результате мы обнаружили обогащение сайтами связывания ГР в ДЭГ, ответивших на обработку дексаметазоном в контрольной группе (control+sal vs control+dex: OddsRatio=2,17, p <0,001), а также в CSDS (CSDS+sal vs CSDS+dex: OddsRatio=1,86, р <0,001), тогда как хронический стресс сам по себе не приводил к обогащению генами, регулируемыми ГР. Однако гены, которые по-разному реагировали на обработку дексаметазоном в CSDS и контроле, имели более высокое обогащение генами-мишенями ГР (dex*CSDS: OddsRatio=2,32, p <0,01).

Общие гены-мишени ГР между контролем и CSDS имели одинаковое направление изменения экспрессии, за исключением гена Sft2d2, кодирующего везикулярный транспортный белок. Эти гены участвуют в связывании PDZ домена (Fzd2, Mpp3), активности серин/треонинкиназы (Rps6ka5, Akt2, Camkk1), активности оксидоредуктазы (Prodh, Smox). Регулируемые ГР гены, специфичные для группы CSDS, характеризуются участием в продукции цитокинов (Ltbp1, P2rx7, Dhx33, Hdac9, Bcl6, Lgr4 и др.) и модуляции химической синаптической передачи (Arc, Syt12, Cacng3 и др.), в том числе компонентов глутаматергического синапса (Magi2, Erc2, Dnm1, Clstn2, Itgb1). Специфическая реакция контрольной группы на введение дексаметазона связана с изменением экспрессии генов структурных компонентов, таких как гены мембранных липидных рафтов (Cavin1, Smpd2, Slc2a1) и якорного соединения клеток (B4galt1, Gjb6, Fzd4, Limk1). 14 генов демонстрировали противоположную реакцию на ГР в CSDS и контроле. Среди них гены, участвующие в удлинении аксонов (Link1, Rasgrf1), синаптической морфологии (Clstn2) и эндоцитозе везикул (Dnm1), а также гены, необходимые для регенерации аксонов (Tubb3), нейропротекции (Hspb8) или участвующие в регуляции апоптоза (Bugalt1) и активации микроглии (Cavin1).

Таким образом, пути регуляции генов-мишеней ГР, вызванные социальным стрессом и введением дексаметазона в ПФК, различаются. Хронический стресс привёл к специфическим изменениям регуляторных сетей ГР, которые затрагивают процессы, связанные с функцией синапсов и воспалительной реакцией.

Возрастная макулярная дегенерация (ВМД) — нейродегенеративное заболевание глаз — является ведущей причиной слепоты во всем мире, поражающей людей пожилого возраста. МикроРНК представляют собой класс одноцепочечных некодирующих РНК длиной около 22 нуклеотидов, которые преимущественно негативно регулируют экспрессию генов. Изменения содержания микроРНК при развитии ВМД могут способствовать раннему выявлению заболевания и мониторингу её прогрессирования. Однако сведения о закономерностях экспрессии микроРНК в сетчатке на ранних стадиях развития ВМД отсутствуют. Исследование молекулярных механизмов, лежащих в основе возрастной дегенерации сетчатки, на ранней стадии и до проявления первых признаков может дать подсказки относительно молекулярных событий, запускающих необратимую стадию. У крыс OXYS с ускоренным старением спонтанно к возрасту 3 месяцев воспроизводятся основные признаки сухой формы ВМД: дистрофические изменения РПЭ, истончение нейроретины, нарушение хориоидальной микроциркуляции [1]. В данной работе мы провели сравнительный анализ экспрессии микроРНК в сетчатке крыс OXYS в возрасте 20 дней (доклиническая стадия ретинопатии) и 3 месяцев (стадия манифестации ретинопатии) и контрольных крыс Вистар методом секвенирования — small RNA-seq — на платформе DNBSEQ.

Согласно анализу дифференциальной-экспрессии (DESeq2, q-value <0,05) в возрасте 20 дней у крыс OXYS по сравнению с крысами Вистар была изменена экспрессия 2 микроРНК, а в 3 месяца у крыс OXYS относительно Вистар была изменена экспрессия 16 микроРНК: уровень 7 миРНК был повышен, а 9 — снижен. Анализ возрастных изменений экспрессии миРНК показал, что в сетчатке крыс OXYS с 20 дней до 3 месяцев изменялся уровень 134 миРНК: повышался у 59 миРНК и снижался у 75 миРНК. В сетчатке крыс Вистар с 20 дней до 3 месяцев изменялся уровень 94 миРНК: повышался у 48 миРНК и снижался у 46 миРНК. Для дифференциально представленных миРНК между группами проведён поиск генов-мишеней с помощью программ RNAhybrid, miRanda и TargetScan и их анализ генных онтологий. Гены-мишени ДЭ миРНК в 20 дней у крыс OXYS по сравнению с Вистар значимо представлены в категориях «адгезионные контакты» и «цикл синаптической везикулы». Гены-мишени миРНК с пониженным уровнем в 3 месяцев у крыс OXYS по сравнению с Вистар значимо обогащены в категориях: разветвление сосудов, внеклеточная организация матрикса, адгезия, деубиквитинирование белков и др. Таргетом для миРНК с повышенным уровнем в 3 месяца у крыс OXYS по сравнению с Вистар значимо представлен в сигнальных путях mTOR, MAPK, VEGF, тиреоидного гормона и др. Для анализа таргетома, регулируемого молекулами микроРНК с изменённой экспрессией, выбирали таргетные гены, являющиеся общими мишенями как минимум для 10 микроРНК. Используя эту отсечку, получены таргетомы (от 400 до 600 генов) для микроРНК повышающих и снижающих уровень у крыс OXYS и Вистар с 20 дней до 3 месяцев. Представляется интересным обогащение этих таргетомов по категориям аксоногенез, образование слоя сетчатки, визуальное обучение, фокальная адгезия и эндоцитоз. Для верификации результатов small RNA-seq проведено профилирование 84 микроРНК сетчатки крыс OXYS и Вистар в возрасте 20 дней и 3 месяцев с помощью ПЦР-панелей (Qiagen). Анализ показал высокую сходимость результатов секвенирования и ПЦР-панелей. В заключение мы предполагаем, что 16 микроРНК с изменённой экспрессией в сетчатке крыс OXYS представляют собой потенциальные биомаркеры и новые мишени для изучения патогенеза ВМД.

В последнее время при исследовании сигнализации в нейронных сетях активное внимание уделяется астроглии. Астроглиальные клетки, или астроциты, рассматриваются как третий компонент в регуляции синаптической передачи. Такой комплекс носит условное название трёхчастного синапса. При исследовании роли астроглии в трёхчастном синапсе разрабатывается большое количество математических моделей. Для подтверждения динамики, наблюдаемой в ранее предложенной математической модели среднеполевой активности [1], нами были проведены нейробиологические эксперименты по оценке влияния оптогенетической активации астроцитов на синаптическую передачу в срезах гиппокампа инбредной линии мышей С57BL/6. За 1 месяц до проведения экспериментов в боковые желудочки мозга экспериментальных мышей был заколот вирус AAV GFAP ChR2 eYFP, необходимый для экспрессии астроцит-специфичных светочувствительных каналов (channel rhodopsin). После этого экспериментальные мыши, а также контрольная группа мышей (без инъекций вируса) были использованы для проведения экспериментов с использованием метода патч-кламп. В экспериментах велась одновременная регистрация спонтанной нейрональной активности (локальные полевые потенциалы) и регистрация синаптических токов (ГАМК-токи). Показано, что после активации аcтроцитов, экспрессированных светочувствительным каналом, наблюдается увеличение ГАМКергических токов, зарегистрированных при синаптической передаче сигналов между нейронами. Это свидетельствует о том, что астроциты участвуют в модуляции синаптической передачи посредством, вероятно, высвобождения глиопередатчика в синаптическую щель. Таким образом, получено экспериментальное подтверждение существования паттернов среднеполевой активности, полученных ранее в феноменологической модели, описывающей динамику популяции нейронов. Данная модель основана на модели Цодыкса–Маркрама и учитывает основные особенности нейрон-глиального взаимодействия через трёхчастный синапс. В модели учитывается кратковременная синаптическая пластичность модели Цодыкса–Маркрама, а также астроцитарная потенциация синаптической передачи. За счёт активации астроцитов модель демонстрирует богатый набор динамических режимов, описывающих различные паттерны активности сети в рамках среднеполевого подхода.

В данный момент мы имеем несколько экспериментальных гипотез о том, как астроциты высвобождают глиопередатчик в синаптичесую щель и какой именно это глиопередатчик, или же имеет место сложный каскад последовательной активации глутаматэргических и затем ГАМКергических рецепторов. Данные гипотезы требуют проведения дополнительных экспериментальных работ по фармакологической оценке вклада каналов и транспортеров, участвующих в модуляции синаптической передачи при оптогенетической активации астроцитов.

Полученные результаты будут использованы для уточнения математической модели средней полевой нейрональной активности и достижения её большей биологической правдоподобности. Используемый подход заключается в отыскании уравнений динамической системы на основе данных путём решения задачи идентификации разрежённых нелинейных динамических систем [2]. В рамках этого подхода уравнения, описывающие динамическую систему, восстанавливаются из зашумлённых данных измерений. Единственное предположение о структуре динамической системы состоит в том, что существует всего несколько важных членов, управляющих динамикой, так что уравнения разрежены в пространстве возможных функций. Для определения наименьшего количества членов в динамических уравнениях, необходимых для точного представления данных, используется разрежённая регрессия. Это позволяет построить математические модели, которые являются максимально точными и при этом минимально сложными, что позволяет избежать переобучения. Отметим, что описанный метод применим к параметризованным системам и системам, изменяющимся во времени или находящимся под внешним воздействием. Два описанных подхода были применены к задаче предсказания динамики среднего поля нейронной популяции, после чего была сравнена точность построенного прогноза.

Гиперпродукция активных форм кислорода и окислительное повреждение клеток сопровождают большинство патологий головного мозга [1, 2]. В настоящее время предполагается, что дисрегуляция окислительно-восстановительного гомеостаза в стареющем мозге лежит в основе нарушения синаптической передачи и пластичности, что приводит к снижению вычислительной способности нейронов и, как следствие, к дефициту обучения и памяти. Однако изучение вклада окислительного стресса в развитие заболеваний мозга, таких как возрастная деменция и болезнь Альцгеймера, затруднено из-за отсутствия подходов к моделированию изолированного окислительного повреждения отдельных типов клеток [3]. В нашей работе мы применили хемогенетический инструмент на основе оксидазы D-аминокислот из дрожжей (DAAO) для генерации внутринейрональной перекиси водорода [4]. Для валидации этого подхода мы вначале подтвердили генерацию H₂O₂ в нейронах, в которые доставили DAAO с помощью аденоассоциированных вирусных векторов, на первичной клеточной культуре эмбрионального мозга и на переживающих срезах головного мозга мышей с помощью генетически кодируемого флуоресцентного биосенсора HyPer7 [5]. Изменения его флуоресценции при добавлении D-норвалина, являющегося субстратом для DAAO, показали хемогенетически индуцированную продукцию H₂O₂ в целевых нейронах. Затем с помощью методов электрофизиологии мы показали на уровне отдельных клеток, что хемогенетически вызванный окислительный стресс не меняет базальную синаптическую передачу и вероятность высвобождения нейротрансмиттера из пресинаптических окончаний, однако снижает долговременную потенциацию (ДВП).

Так как астроциты могут метаболизировать д-аминокислоты, делая неэффективным предлагаемый подход в in vivo экспериментах, нам было необходимо проверить данный инструмент в живом организме. Для того чтобы валидировать этот хемогенетический инструмент in vivo, мы собрали оптическую систему для возбуждения и детекции сигнала биосенсора HyPer7 через оптическое волокно, имплантированное в головной мозг мыши. Полученные данные подтверждают генерацию H₂O₂ в нейронах после внутрибрюшинного введения D-норвалина, что позволяет нам использовать этот инструмент для in vivo исследований. Таким образом, наши результаты показывают, что хемогенетический инструмент на основе DAAO в сочетании с электрофизиологическими записями может быть использован для выяснения ряда нерешенных вопросов, касающихся роли АФК-зависимой сигнализации в нормальном функционировании мозга и вклада окислительного стресса в патогенез когнитивного старения и ранних стадий нейродегенерации. Предлагаемый подход полезен для идентификации ранних маркеров окислительного стресса нейронов и может быть использован для скрининга потенциальных антиоксидантов, эффективных против окислительного повреждения нейронов.

Возраст — ведущий фактор риска болезни Альцгеймера (БА) — самой распространённой прогрессирующей сенильной деменции и возрастной макулярной дегенерации (ВМД), которая становится основной причиной потери зрения у людей старше 60 лет. Эффективных способов профилактики и лечения этих нейродегенеративных заболеваний нет, что обусловлено неполнотой знаний их патогенеза. Перекрываются факторы риска (курение, гипертония, гиперхолестеринемия, атеросклероз, ожирение, неправильное питание) и механизмы патогенеза БА и ВМД, среди которых усиленный окислительный стресс, воспаление, нарушение митохондриальных функций и поддержания протеостаза, проявлением которого становятся патологическая агрегация и накопление аномальных внеклеточных отложениях — сенильных бляшках в мозге пациентов с БА, и в друзах больных ВМД. Развитие этих отклонений может быть ассоциировано с нарушением с возрастом регуляции MAПК сигнальных путей. Вклад нарушения передачи сигналов в этих путях в патогенез БА подтверждён результатами многочисленных исследований, и МАПК рассматривается как потенциальная мишень для терапевтических воздействий, в то время как информация об их изменениях с возрастом ограничена, а данных о состоянии в сетчатке при развитии ВМД практически нет.

Цель исследования. Сравнение изменений активности ЕРК1/2 и р38МАПК сигнальных путей в структурах мозга и сетчатке с возрастом и при развитии БА и ВМД. Работа выполнена на крысах Вистар и OXYS — модели преждевременного старения, одним из проявлений которого становится одновременное развитие признаков БА и ВМД.

На первом этапе анализировали уровни экспрессии генов, вовлечённых в ЕРК1/2 и р38МАПК сигнальные пути, сравнивая транскриптомы (данные RNA-seq) сетчатки, префронтальной коры и гиппокампа крыс OXYS и Вистар в возрасте 20 дней, когда у крыс OXYS признаки ВМД и БА отсутствуют, в период их манифестации (возраст 3–5 месяцев) и активной прогрессии (возраст 18 месяцев). Установлено, что изменения экспрессии генов, которые, согласно Rat Genome Database, относятся к EPK1/2 [1] и р38МАПК сигнальным путям, тканеспецифичны и зависят от генотипа животных. В сетчатке количество генов, вовлечённых в ЕРК1/2 и р38МАПК, с возрастом снижалось как у крыс Вистар, так и у крыс OXYS и в 18 месяцев было минимальным. Максимальные межлинейные различия в уровне экспрессии этих генов были выявлены в возрасте 20 дней, на «доклинической» стадии развития ВМД-подобной патологии у крыс OXYS. Среди дифференциально экспрессирующихся генов (ДЭГ) с повышенным уровнем мРНК были как активаторы, так и ингибиторы активности EPK1/2 и р38МАПК сигнальных путей. К возрасту 3 месяцев количество ДЭГ снижалось, при этом среди генов с повышенным уровнем мРНК преобладали гены-активаторы. И только в возрасте 18 месяцев в сетчатке крыс OXYS были выявлены признаки снижения активности сигнальных путей на уровне экспрессии генов.

В структурах мозга крыс обеих линий характер изменений с возрастом профиля экспрессии генов, вовлечённых в ЕРК1/2 [2] и р38МАПК [3, 4] сигнальные пути, у крыс Вистар отличался от того, что мы наблюдали в сетчатке. В префронтальной коре, как и в гиппокампе, с возрастом увеличивалось количество генов, экспрессия которых различалась у крыс OXYS и Вистар, но признаков значительной активации сигнального пути выявлено не было.

Уровень фосфорилирования ключевых киназ ЕРК1/2 и р38МАПК сигнальных путей — объективный показатель их активности. Далее мы оценили его на белковом уровне методом вестерн-блот анализа. Во всех исследованных тканях — в сетчатке, префронтальной коре и гиппокампе — выявлено значительное увеличение содержания фосфорилированных форм ЕРК1/2 и р38МАПК с возрастом у крыс обеих линий. При этом у крыс OXYS их накопление происходило более активно и усиливалось по мере прогрессии признаков БА и ВМД.

Таким образом, наши результаты показали, что при физиологическом старении крыс Вистар и при преждевременном старении крыс OXYS в сетчатке и структурах мозга значительных изменений активности ERK1/2 и p38МАПК сигнальных каскадов как на уровне экспрессии генов, так и на белковом уровне нет. При этом установлено, что как манифестация, так и прогрессия признаков БА и ВМД у крыс OXYS происходят на фоне усиленного фосфорилирования ERK1/2 и p38МАПК, что позволяет рассматривать повышение активности МАПК сигнальных путей как общий механизм развития БА и ВМД уже на ранних стадиях этих заболеваний.

Мутации в гене глюкоцереброзидазы (GBA1), кодирующем лизосомный фермент глюкоцереброзидазу (GCase), являются причиной развития аутосомно-рецессивного заболевания, болезни Гоше и фактором высокого риска болезни Паркинсона (БП). Риск развития БП у носителей гомо- и гетерозиготных мутаций гена GBA1 возрастает в 8–10 раз, однако не у всех носителей мутаций развивается БП в течение жизни. В то же время GBA-ассоциированная форма БП (GBA-БП) составляет от 10 до 30% от всех форм паркинсонизма. Механизм развития GBA-БП остаётся неизвестными. Нами и другими авторами было показано снижение активности GCase и накопление лизосфинголипидов у пациентов с GBA-БП как в периферической крови, так и клетках мозга [1, 2]. Предполагается, что дисфункция GCase может приводить к нарушению аутофагии и накоплению белка альфа-синуклеина, олигомеризация которого является ключевым процессом нейродегенерации при БП.

С целью изучения влияния дисфункции глюкоцереброзидазы (GCase) на нейродегенерацию дофаминергических нейронов (ДА-нейроны) используются различные подходы, сочетающие моделирование паркинсонизма с дисфункцией GCase на мышах [3, 4]. В настоящем исследовании нами впервые проведена оценка активности GCase, уровня лизосфинголипидов, степени нейродегенерации нейронов чёрной субстанции (ЧС) компактной (ЧСкч) и ретикулярной (ЧСрч) частей, уровня дофамина и альфа-синуклеина (общего, олигомерного) в мозге модельных мышей с пресимптоматической стадией паркинсонизма, которым вводился нейротоксина 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридина (MPTP) (МPTP-индуцированная пресимптоматическая стадия паркинсонизма (двукратное введение в дозе 12 мкг/кг c интервалом в 2 часа)) в сочетании с однократным введением селективного ингибитора GCase кондуритол-В-эпоксида (СВЕ) (100 мг/кг). Также нами проведено сопоставление транскриптома первичной культуры макрофагов пациентов с GBA-БП [5] и транскриптома ЧС головного мозга мышей двойной нейротоксической модели.

Исследование показало, что однократная инъекция СВЕ приводит к 50% снижению активности GCase и повышению уровня лизосфинголипидов в мозге мышей. Введение как МPTP, так и СВЕ приводило к увеличению уровня олигомерных форм альфа-синуклеина в стриатуме. При этом уровень нейродегенерации ДА нейронов ЧСкч, оценённый через 14 дней после инъекции путём иммуногистохимического окрашивания на тирозингидроксилазу (ТН), был сопоставим при введении МPTP и СВЕ — падение до 50 и 60%, соответственно. Двойная нейротоксическая модель характеризовалась более выраженным снижением концентрации дофамина, накоплением общего альфа-синуклеина в стриатуме и более выраженной нейродегенерацией ДА нейронов в ЧСрч (70% vs 45% при введении МPTP).

Сопоставление дифференциальной экспрессии генов в первичной культуре макрофагов пациентов с GBA-БП по сравнению с контролем выявило снижение экспрессии таких генов, связанных с нейрогенезом, как JUNB, NR4A2, EGR1. В то же время как в группе пациентов с GBA-БП (TRIM13, BCL6), так и в группе мышей с MPTP-индуцированным паркинсонизмом с дисфункцией GCase была выявлена активация генов, вовлечённых в PI3K-Akt-mTOR сигнальный путь, участвующий в регуляции аутофагии (Pdk4, Sgk, Ppp2r3d).

Полученные данные показывают, что дисфункция глюкоцереброзидазы, обусловленная введением животным CBE, может приводить к накоплению нейротоксических форм альфа-синуклеина и дейродегенерации ДА-нейронов, сопоставима с вариантом введения с небольшими дозами MPTP, при этом увеличивая накопление альфа-синуклеина и степень дисфункции нигростриарной ститемы при сочетанном введении. Сопоставление результатов транскриптомного анализа, проведённого в клетках пациентов с GBA-БП и мозга двойной нейротоксической мышиной модели (CBE+МPTP) выявило изменение экспрессии генов, вовлечённых в регуляцию процесса аутофагии. Подходы, направленные на увеличение активности GCase и аутофагии, могут быть эффективны при разработке нейропротекторных средств.

Многие биологические исследования требуют получения изображений с высоким разрешением для последующего анализа клеточных органелл и молекул. Экспансионная микроскопия (ЭМ) позволяет достичь нанометрового разрешения с помощью обычного флуоресцентного микроскопа за счёт физического расширения исследуемого образца в геле в несколько раз. В данной работе при использовании ЭМ проанализированы белковые кластеры, образованные кальций-связывающим белком STIM1 (stromal interacting molecule) и проницаемыми для кальция каналами IP3R (рецептор инозитолтрифосфата). Сенсор кальция эндоплазматического ретикулума (ЭР) STIM1 перемещается к контактам ЭР с плазматической мембраной, где он образует кластеры, чтобы активировать депо-управляемый вход кальция (ДУВК) после падения концентрации кальция в ЭР [1]. Одним из преимуществ экспансионной микроскопии является то, что образец расширяется по трём осям, включая ось Z, поэтому можно обнаружить премембранные белки без помощи TIRF-микроскопии. Известно, что STIM1 взаимодействует с end-binding белком 1 (EB1), расположенным на плюс-концах микротрубочек, который регулирует ДУВК. В данной работе представлен количественный метод анализа кластеров белков на примере STIM1 и его мутантной формы STIM1-TR/NN, не связывающейся с ЕВ-белками, с использованием метода экспансионной микроскопии.

Инозитол-1,4,5-трифосфатные рецепторы (IP3R) являются основными каналами высвобождения Ca²⁺ из ЭР в цитоплазму. Ранее было показано, что в эндотелиальных клетках IP3-рецептор аналогично белкам STIM взаимодействует с белком ЕВ через SxIP аминокислотный мотив, и это регулирует его кластеризацию и кальциевую сигнализацию [2]. В гиппокампальных нейронах IP3-рецептор 1 типа также формирует кластеры, необходимые для эффективного выхода кальция через канал в ответ на стимул. Для изучения роли изоформы 1 рецептора IP3 в функционировании головного мозга были проанализированы кластеры IP3R у мышей дикого типа и мышей 5xFAD, моделирующих болезнь Альцгеймера (БА), поскольку известно, что этот рецептор характеризуется повышенной активностью во время этого патологического состояния [3].

Для анализа кластеризации белков STIM1 клетки HEK293T с конфлюэнтностью 50–70% трансфицировались плазмидами mCherry-STIM1 и mCherry-STIM1-TR/NN. Клетки фиксировались и окрашивались первичными антителами к белку mCherry и вторичными антителами, конъюгированными с флуорофором Alexa Fluor 594, для усиления интенсивности флуоресценции. На следующем этапе клетки подвергались процедуре изотропного расширения в геле с помощью экспансионной микроскопии. Метод экспансионной микроскопии проводился так, как описано в [4]. Образец расширялся путём двукратного добавления бидистиллированной воды на 20 минут.

Для анализа кластеризации белков IP3R были получены фронтальные срезы толщиной 50 мкм мозга двух групп мышей: контрольной и 5xFAD (мышиная модель болезни Альцгеймера). После иммуногистохимического окрашивания срезов мозга первичным антителами IP3R1 и вторичными Alexa Fluor 488 был применён протокол экспансионной микроскопии [4]. Для обработки изображений использовалось программное обеспечение ImageJ и Icy. При помощи ImageJ была определена яркость каждого нейрона, и в зависимости от данного параметра было сформировано три группы нейронов с тремя типами уровней интенсивности флуоресценции. В зависимости от уровня использовался определённый порог бинаризации в Adaptive3DThreshold. Подход деления на группы позволил нивелировать влияние на анализ различий в интенсивность флуоресценции, наблюдаемой вследствие различия в степени экспрессии белка IP3R.

Анализ результатов продемонстрировал, в соответствии с литературными данными, что при разрыве связи с тубулиновыми микротрубочками STIM1 больше агрегирует при опустошении кальциевого депо по сравнению с его нормальным вариантом STIM1 [5]. В результате оценки морфометрических параметров кластеров IP3R при сравнении трансгенных мышей с контрольной группой получены следующие результаты: в группе с наибольшей интенсивностью нейронов и группе с наибольшей и средней интенсивностью нейронов наблюдалось увеличение размера и количество кластеров белка IP3R у мышей линии 5xFAD. Для валидации полученных результатов применялся метод вестерн-блот, полученные данные также продемонстрировали гиперэспрессию белка IP3R у мышей линии 5xFAD. Таким образом, впервые показано, что кластеры белка IP3R больше агрегируют на мышиной модели БА, что согласуется с литературными данными о высокой активности IP3R при БА [3].

Эпилепсия — хроническое неврологическое заболевание, которое проявляется в развитии спонтанных рецидивирующих судорог, а также различных психоэмоциональных и когнитивных нарушений [1]. Около 30% пациентов страдают фармакорезистентной формой эпилепсии, а существующие противоэпилептиеские препараты не предотвращают развитие эпилептизации мозга, что делает актуальным поиск новых методов терапии.

В последнее время обсуждается возможная роль рецепторов, активируемых пролифератором пероксисом (PPARs), в патогенезе эпилепсии. PPARs (α, β/δ, γ) — это ядерные транскрипционные факторы, влияющие на многие внутриклеточные каскады не только на периферии, но и в мозге. Предполагается, что их агонисты могут ограничивать нейровоспаление, играющее важную роль в патогенезе различных видов нервно-психических заболеваний, включая эпилепсию [2].

Цель работы. Исследование действия агониста рецептора PPARγ пиоглитазона на экспрессию генов, вовлечённых в регуляцию нейровоспаления и эпилептогенеза, а также на выраженность нарушений исследовательского и социального поведения в литий-пилокарпиновой модели эпилепсии.

Для использованной литий-пилокарпиновой модели височной эпилепсии характерно фазное течение: 1) острый эпилептический статус, индуцированный введением пилокарпина, 2) латентный период, когда судороги не проявляются, 3) хронический период, связанный с развитием спонтанных рецидивирующих судорог. Эксперименты выполнялись на крысах самцах Wistar. В возрасте 7–8 недель экспериментальным животным вводился раствор LiCl (в/б, 127 мг/кг), затем спустя 24 часа метилскополамин (в/б, 1 мг/кг), через 30 минут — пилокарпин (в/б, 20–30 мг/кг, по 10 мг/кг до достижения выраженных судорог). Контрольным крысам пилокарпин не вводили. Пиоглитазон вводили в/б курсом: первая инъекция в дозе 7 мг/кг через 75 минут после пилокарпин-индуцированного эпилептического статуса и затем по 1 мг/кг, 1 раз в день, с интервалом 24 часа, в течение 7 дней. Тестирование поведения осуществляли в тестах «открытое поле» и «чужак–резидент» на 7 и 8 сутки после введения пилокарпина. Через 12 часов после тестирования поведения осуществляли забор мозга для дальнейшего биохимического анализа. Экспрессию генов Nlrp3, Aif1, Tnfa, Gfap, Il1b, Il1rn, Bdnf, S100a10, Fgf2 и Tgfb1 анализировали в височной коре методом ОТ-ПЦР в реальном времени.

Проведённые исследования показали, что в литий-пилокарпиновой модели эпилепсии в височной коре отмечается усиление экспрессии провоспалительных белков и маркеров активации глиальных клеток. Эти изменения сопровождаются нарушениями социального поведения и гиперактивностью в «открытом поле». Пиоглитазон ослабляет выраженность пилокарпин-индуцированных нарушений поведения. Агонист PPARg не оказывает существенного влияния на экспрессию провоспалительных факторов и маркеров активации глии Aif1 и Gfap, однако он усиливает экспрессию генов нейропротекторных белков S100А10 и TGFB1, а также подавляет экспрессию ростовых факторов Fgf2 и Bdnf, усугубляющих развитие эпилептогенеза. В целом, это позволяет предположить, что активация PPARg может играть защитную роль при развитии эпилептических процессов в мозге. Полученные данные позволяют рассматривать пиоглитазон в качестве потенциального терапевтического средства при лечении эпилепсии.

Иммунотерапия стала независимой и эффективной противоопухолевой стратегией наряду с хирургией, лучевой терапией и химиотерапией [1]. Иммуногенная гибель клеток (ICD) была признана решающим фактором, определяющим эффективность терапии рака [2]. Концепция ICD сочетает способность эффективно уничтожать раковые клетки с активацией иммунного ответа, специфичного для раковых клеток и приводящего к сильному и длительному противораковому иммунитету. Агенты, индуцирующие ICD, вызывают активацию опасного пути, включающего выброс медиаторов ICD, известных как молекулярные паттерны, связанные с повреждением (DAMPs). DAMPs составляют семейство эндогенных молекул, которые приобретают иммуностимулирующие свойства при воздействии на внешнюю клеточную мембрану или при высвобождении во внеклеточный матрикс определённым пространственно-временным образом. Они включают АТФ, ядерный белок HMGB1, кальретикулин (CRT) и провоспалительные цитокины, такие как интерфероны типа I (IFN) [3].

Первоначально концепция ICD была описана для раковых клеток, подвергающихся апоптозу, но она была расширена и дополнена другими типами клеточной смерти, такими как некроптоз, пирроптоз, ферроптоз, нетоз и др. [4]. Ферроптоз — это регулируемая железозависимая форма клеточной смерти, характеризующаяся накоплением активных форм кислорода в клетке.

В этом исследовании мы оценили иммуногенность ферроптотических раковых клеток in vitro и проверили их потенциал в качестве альтернативного подхода к иммунотерапии рака.

Смерть клеток глиомы GL261 и фибросаркомы MCA205 была вызвана с использованием одного из хорошо изученных индукторов ферроптоза RSL3 (RAS-Selective Lethal 3). Через 24 часа после стимуляции RSL3 80% клеток GL261 и 90% клеток MCA205 были дважды положительными при окрашивании аннексином V/Sytox Blue и находились на поздней стадии ферроптоза. Через 3 часа после стимуляции RSL3 50% клеток GL261 и 45% клеток MCA205 были дважды положительными при окрашивании аннексином V/Sytox Blue. Мы оценили иммуногенные характеристики ранних и поздних ферроптотических клеток in vitro (то есть через 3 или 24 часа после стимуляции RSL3). Для этого мы сравнили фенотип дендритных клеток (BMDC), подвергшихся воздействию поздних ферроптотических клеток, с BMDC, подвергшихся воздействию жизнеспособных раковых клеток. В качестве положительного контроля мы индуцировали иммуногенный апоптоз, обрабатывая клетки MTX, в качестве второго положительного контроля использовался LPS. Поздние ферроптотические клетки МСА 205 не индуцировали фенотипического созревания BMDC, на что указывает отсутствие поверхностной активации костимулирующих молекул CD86, CD80 и MHCII. Ранние ферроптотические клетки глиомы GL261 индуцировали менее выраженный фенотипический ответ по сравнению с клетками МСА205. Тем не менее наблюдалось уменьшение способности к активации дендритных клеток для поздних ферроптотических клеток, для глиомы тоже.

Чтобы проверить способность ранних ферроптотических раковых клеток активировать адаптивную иммунную систему, мы воспользовались общепринятой моделью профилактической вакцинации опухоли у иммунокомпетентных мышей C57BL/6 J. Мы иммунизировали мышей C57BL/6 J клетками MCA205 с ранним или поздним ферроптозом. В качестве отрицательного контроля мы использовали PBS или клетки, подвергнутые спонтанному некрозу. Затем иммунизированных мышей заражали жизнеспособными опухолевыми клетками MCA205. Защита от роста опухоли в месте заражения интерпретировалась как признак успешного запуска адаптивной иммунной системы. Мыши, иммунизированные клетками MCA205 с поздним ферроптозом (индукция RSL3 в течение 24 часов), оставались значительно менее свободными от опухолей в месте заражения, что указывает на то, что клетки с поздним ферроптозом не являются иммуногенными in vivo, подтверждая наши первоначальные наблюдения in vitro.

Наработан многолетний опыт анализа синапсов и их глиального окружения в норме, в природных и экспериментальных моделях функциональной пластичности и развития патологии мозга. Однако большинство таких работ проводят электрофизиологическими методами в сочетании с флуоресцентным имиджингом, тогда как тонкая структура синапсов и окружающих их астроцитарных отростков неразрешимы методами световой и даже отдельными методами электронной микроскопии. Ввиду своей трудоёмкости исследования экспериментальной патологии мозга методами объёмной электронной микроскопии [1] до недавнего времени были сильно ограничены. Внедрение автоматизированных методов подготовки образцов и их анализа на основе машинного зрения и искусственного интеллекта значительно облегчает эту задачу.

В данном исследовании методами просвечивающей электронной микроскопии и 3D-реконструкций в Str. radiatum СА1 области гиппокампа крыс в хронической литий-пилокарпиновой модели эпилепсии показано снижение числа синапсов с увеличением их размеров наряду со снижением астроцитарной изоляции активных зон. Сочетание таких факторов, как снижение плотности глиальной изоляции увеличенных активных зон и, как следствие, облегчение диффузии нейротрансмиттера к активным синапсам может оказывать мультипликативный эффект на развитие эпилептиформной активности и эксайтотоксичности.

Это «упрощение» астроцитарной сети при эпилепсии сходно с таковым в 2/3 слое соматосенсорной коры мозга, по сравнению со слоем 1. При этом известно, что пирамидные нейроны слоя 2/3 потенциально способны к эпилептиформной активности при снижении тормозного влияния слоя 1, что позволяет использовать структурно-функциональные особенности верхних слоев коры в качестве природной клеточной модели развития эпилепсии.

Снижение Ca²⁺-событий в отростках астроцитов в литий-пилокарпиновой модели эпилепсии может быть связано с низкой буферной ёмкостью ионов Ca²⁺ гладкого эндоплазматического ретикулума (ЭПР) и/или с нарушением передачи волны Ca²⁺ посредством щелевых контактов между астроцитарными отростками. Для анализа щелевых контактов необходимо высокое разрешение, а для визуализации цистерн гладкого ЭПР в перисинаптических отростках астроцитов — специальные методы его выявления.

Мы разработали оригинальные методы окраски гладкого эндоплазматического ретикулума [2], что позволило количественно оценить щелевые контакты и цистерны ЭПР в астроцитарных сетях в 1 и 2/3 слоях соматосенсорной коры. Площадь щелевых контактов в пересчёте на объём астроцита в слое 1 в 2 раза превышала значения в слое 2/3. Зеркальные отношения были получены для объёма гладкого ЭПР: в слое 2/3 суммарный объём цистерн ретикулума в пересчёте на объём астроцитарных отростков в ткани в 2 раза превышал значения в слое 1 [3]. При этом в эпилепсии мы наблюдаем двукратное увеличение площади отдельного астроцитарного щелевого контакта на фоне снижения кальциевых событий.

Полученные результаты позволяют предполагать существование в норме баланса между буфером ионов Ca²⁺ (гладким ЭПР) и щелевыми контактами, нарушение которого могло бы способствовать развитию судорожных состояний.

Предполагается, что формирующиеся в ранний период жизни функциональные параметры взрослого мозга могут влиять на его уязвимость к развитию нейродегенерации, в том числе болезни Альцгеймера (БА). Результаты наших предыдущих исследований на преждевременно стареющих крысах OXYS — модели спорадической формы БА — подтвердили справедливость этой гипотезы. Для понимания того, изменения каких сигнальных путей и процессов вносят вклад в задержку созревания мозга крыс OXYS и определения их потенциальной роли в развитии признаков БА в более позднем возрасте, в настоящей работе проведено исследование транскриптомов префронтальной коры (ПФК) и гиппокампа крыс OXYS и Вистар (контроль) в ранний постнатальный период (возраст П3 и П10; П: постнатальный день жизни). Кроме того, проведён сравнительный анализ дифференциально экспрессирующихся генов (ДЭГ) в префронтальной коре и гиппокампе крыс с младенчества до прогрессирующей стадии характерной для БА патологии (всего пять возрастных точек). Результаты анализа показали, что в Р3 и Р10 у крыс OXYS количество ДЭГ было более 1000 в обеих структурах мозга. Следует отметить, что в префронтальной коре и гиппокампе крыс OXYS в возрасте P3 и P10 изменения экспрессии генов широко связаны со всеми ключевыми процессами, вовлечёнными в патогенез БА, которые изменены у крыс OXYS на разных стадиях развития признаков БА. Функциональная аннотация ДЭГ в P3 и P10 свидетельствует о сниженной эффективности формирования межнейронных контактов, недостаточности астроцитарной и микроглиальной поддержки, функций митохондрий, задержке ангиогенеза. Примечательно, что уже в этот период изменена экспрессия генов, связанных с функциями пептида амилоида-β. Так, экспрессия генов, связанных с процессингом белка предшественника амилоида-β (АРР), снижена в мозге крыс OXYS. Интересным и, возможно, важным результатом в отношении патогенеза БА можно рассматривать выявленную сниженную экспрессию гена Abca7 (важной генетической детерминанты БА) в обеих структурах мозга крыс OXYS уже в ранний постнатальный период, а также в П20, 5 и 18 месяцев (р <0,05). Кроме того, экспрессия трёх генов (Thoc3, Exosc8 и Smpd4) повышена в мозге крыс OXYS на протяжении всей жизни. Таким образом, впервые проведён сравнительный анализ изменений транскриптомов мозга крыс с рождения до прогрессирующей стадии характерной для БА патологии. Принципиально важным можно рассматривать тот факт, что максимальным количество ДЭГ и, соответственно, ассоциированных с ними процессов было в ранний постнатальный период и на стадии выраженной патологии. Как показывают наши результаты, снижение эффективности формирования нейронных сетей в головном мозге крыс OXYS в раннем возрасте, очевидно, способствует развитию признаков БА. С чем связано это явление, остаётся неясным, но характерные для этих крыс сокращение срока гестации, более низкая масса тела при рождении и задержка развития мозга позволяют рассматривать их как основные факторы риска развития БА в более позднем возрасте. Для выяснения возможной связи между задержкой созревания мозга в младенчестве и развитием нейродегенеративных изменений в пожилом возрасте требуются дальнейшие исследования.

Неокортекс — сложная структура, отвечающая за высшие когнитивные функции у млекопитающих. Он складывается из шести клеточных слоёв, каждый из которых состоит из различных подтипов возбуждающих и тормозных нейронов. Эти нейроны проецируют свои аксоны на определённые цели внутри каждого слоя. Все проекционные нейроны неокортикального мозга образуются из нейронных прогениторных клеток, расположенных в пролиферативной зоне желудочков. За последние десятилетия были достигнуты значительные успехи в понимании транскрипционных программ, определяющих специализацию и дифференцировку нейронов. Тем не менее, посттранскрипционные механизмы, вовлечённые в этот процесс, остаются практически неизученными.

Недавно мы обнаружили, что TrkC-T1, изоформа рецептора TrkC, лишённая киназного домена, определяет судьбу кортикофугальных проекционных нейронов (CFuPN). Наше исследование показало, что баланс между TrkC-T1 и TrkC-TK+, более широко известной изоформой, содержащей киназный домен, зависит от типа клеток в развивающейся коре. Кроме того, мы показали, что два РНК-связывающих белка, Srsf1 и Elavl1, работают в разнонаправленно для поддержания баланса. Кроме того, наши данные свидетельствуют о том, что Srsf1 стимулирует развитие CFuPN, а Elavl1 — развитие проекционных нейронов мозолистого тела (CPN) in vivo, регулируя различные соотношения TrkC-T1 и TrkC-TK+.

В этом исследовании мы выявили механизм зависимости и регуляции развития клеточной дифференцировки в развивающемся неокортексе от трансляции белков. Наши результаты показывают, что Ire1α (инозитол-восстанавливающий фермент 1α) регулирует глобальные темпы трансляции в развивающемся неокортексе через динамическое взаимодействие с рибосомами, а также через регуляцию экспрессии факторов элонгации трансляции eIF4A1 и eEF-2. Инактивация Ire1α приводит к снижению скорости синтеза белка в результате подавления активности рибосом и уменьшения числа сайтов для инициации трансляции. Мы показали высокую чувствительность развития нейронов верхнего кортикально слоя от скорости трансляции. В то время как eEF-2 необходим для формирования кортикального слоя, eIF4A1 регулирует дифференцировку нейронов верхнего слоя через механизмы трансляционного контроля, зависимые от структурных элементов 5’UTR генов, ответственных за последующие этапы дифференцировки, в последствии контролируемые Ire1α. Наши результаты показывают, что контроль активности рибосом в процессе развития является посттранскрипционным механизмом, который координирует развитие нейронов и формирование слоев коры.

Сахарный диабет является одним из значимых факторов риска развития осложнений после ишемического инсульта. При этом механизм, посредством которого повышенный гликемический статус влияет на метаболизм нейронов при развитии ишемии, остаётся изученным не до конца. Одной из вероятных причин усугубления последствий ишемического инсульта на фоне гипергликемии является окислительный стресс, маркёром которого может служить H₂O₂. В данной работе при помощи генетически кодируемого флуоресцентного биосенсора HyPer7 нами была впервые продемонстрирована динамика пероксида водорода в матриксе митохондрий нейронов во время развития ишемического инсульта в условиях нормального и повышенного уровней глюкозы в крови.

Исследование проводили на крысах линии SHR с нормальным и повышенным гликемическими статусами. Моделирование сахарного диабета 1 типа проводили при помощи инъекций стрептозотоцина, токсичного для β-клеток поджелудочной железы. Для экспрессии флуоресцентного биосенсора HyPer7 в митохондриях нейронов области хвостатого ядра под контролем стереотаксиса инъецировали суспензию частиц аденоассоциированного вируса, несущего ген сенсора под нейрональным промотором. Непосредственно после инъекции в стриатум мозга крыс имплантировали оптические волокна с керамическим адаптером для последующей регистрации сигнала индикатора H₂O₂ на высокочувствительной установке для возбуждения и детекции флуоресценции, собранной в лаборатории спектроскопии и нелинейной оптики МГУ. Запись сигнала биосенсора проводили непрерывно в режиме реального времени с момента введения животного в наркоз. Во время регистрации животному под анестезией проводили хирургическую операцию, моделируя инсульт путём окклюзии средней мозговой артерии, которая снабжает кровью полосатое тело головного мозга.

Используя HyPer7 в исследуемой модели ишемического инсульта, мы обнаружили, что динамика изменения концентрации H₂O₂ в поражённом полушарии у крыс с нормальным и повышенным гликемическими статусами не отличается как в острой фазе инсульта, так и спустя сутки после окклюзии. В обеих группах животных наблюдалось окисление биосенсора как при ишемии, так и при реперфузии, однако наиболее выраженный ответ HyPer7 демонстрировал спустя сутки после окклюзии, что свидетельствует о значительном повышении концентрации пероксида водорода.

Также мы оценивали метаболическую активность нейронов головного мозга путём окрашивания 2,3,5-трифенилтетразолий хлоридом срезов, полученных спустя 24 часа после окклюзии средней мозговой артерии. У животных с повышенным уровнем глюкозы в крови объём повреждения мозга был в 2,6 раза больше, чем у животных с нормальным гликемическим статусом. На увеличение тяжести последствий ишемического инсульта на фоне гипергликемии указывает и более высокий уровень смертности по сравнению с контрольной группой (25%), в которой не наблюдали летального исхода до выведения животного из эксперимента.

В данном исследовании мы показали, что повышенный гликемический статус не изменяет динамику концентрации H₂O₂ как в острой фазе, так и спустя сутки после окклюзии, но значительно усугубляет ишемическое повреждение тканей головного мозга и увеличивает смертность.

Причины и механизмы большинства психических расстройств до настоящего момента не выяснены. Известно, что стресс может провоцировать манифестацию депрессивных и тревожных расстройств, однако открытым остаётся вопрос о роли генетически детерминированных индивидуальных различий в формировании уязвимости к постстрессорным нейрохимическим нарушениям, в том числе, влияющим на нейропластичность.

Ранние исследования показывают увеличение уровня глюкокортикоидов в крови в ответ на острый и хронический стресс и изменение экспрессии глюкокортикоидных и минералкортикоидных рецепторов. Хронический и острый стресс также способны уменьшать уровень нейротрофического фактора мозга (BDNF), который вовлечён в формирование новых синапсов, рост и развитие нейронов [1]. Однако исследований, направленных на изучение различий в постстрессорных изменениях экспрессии генов, кодирующих данные белки в зависимости от функциональных особенностей нервной системы, недостаточно для понимания полного механизма стрессового ответа.

Удобной моделью для изучения влияния генетически детерминированных особенностей нервной системы на стресс-реактивность являются линии крыс из Биоколлекции ФГБУН Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, селектированные по порогу возбудимости нервной системы [2]: линия ВП (высокий порог возбудимости, низковозбудимые) и НП (низкий порог возбудимости, высоковозбудимые). Установлено, что данные линии отличаются по своим поведенческим реакциям на длительное эмоционально-болевое стрессорное воздействие и имеют специфические молекулярно-клеточные и эпигенетические изменения в структурах мозга, вовлечённых в эмоциональный контроль и реакцию на стресс [2].

Цель работы. Изучить уровень мРНК генов глюкокортикоидного и минералкортикоидного рецептора (NR3C1, NR3C2), а также нейротрофического фактора мозга (BDNF) в гиппокампе и крови линий крыс с контрастной возбудимостью нервной системы в норме и в разные сроки после длительного эмоционально-болевого стрессорного воздействия.

Общее количество животных в эксперименте составило 96 (по 6 животных в каждой контрольной и экспериментальной группах в каждой временной точке). В качестве модели стресса использовали длительное эмоционально-болевое воздействие по К. Гехту [2]. Для оценки экспрессии генов глюкокортикоидных рецепторов и нейротрофического фактора было произведено выделение РНК из гиппокампа и крови крыс двух линий, декапитированных через сутки, 7, 24 и 60 дней после стресса. Анализ экспрессии генов производился при помощи ПЦР в реальном времени с дальнейшей обработкой данных по методу ΔΔCt, критерия Краскела–Уоллиса, Манна–Уитни.

Анализ экспрессии изучаемых генов у интактных животных показал, что высоковозбудимые крысы линии НП имеют значимо более низкий уровень экспрессии гена nr3c2 (кодирующего минералкортикоидный рецептор) в гиппокампе по сравнению с низковозбудимой линией ВП. Анализ краткосрочного и долгосрочного действия стресса на уровень экспрессии изучаемых генов (nr3c1, nr3c2, bdnf) выявил снижение уровня мРНК bdnf в гиппокампе у линии НП к сроку 60 дней после стресса.

Результаты позволяют предположить, что генетически детерминированные особенности высоковозбудимых животных определяют ослабленные адаптационные возможности их нервной системы, а сниженный уровень мРНК гена nr3c2 в гиппокампе в норме и снижение экспрессии гена bdnf в ответ на стресс можно рассматривать в качестве одного из маркеров подобного ослабления.

Эпилепсия является одним из наиболее тяжёлых неврологических заболеваний. Существующие противоэпилептические препараты способны блокировать острый эпилептический приступ, но, как правило, они не могут предотвратить хроническую эпилептизацию мозга. Разработка новых методов лечения, способных влиять на течение эпилептогенеза, является актуальной проблемой.

Долгое время изучение патогенеза эпилепсии было сосредоточено на исследовании нарушений нейрональной активности. Согласно традиционным представлениям, в его основе лежит нарушение баланса между активностью возбуждающих (глутамат) и тормозных (ГАМК) нейромедиаторных систем мозга. Однако в последние годы появилось много данных о роли глиальных клеток в патогенезе эпилепсии и формировании пост-судорожных неврологических нарушений [1]. В частности, доказано, что продуцируемый астроцитами транспортёр возбуждающих аминокислот 2 (EAAT2) регулирует активность глутаматергической системы, способствуя выводу глутамата из внеклеточного пространства в синапсах центральной нервной системы. Астроцитарные и микроглиальные клетки производят нейропротекторные белки, способные ослаблять повреждение нейронов при эпилептогенезе. Кроме того, астроциты и микроглия играют ключевую роль в регуляции нейровоспаления, существенно усугубляющего развитие эпилептических процессов. При этом показано, что астроциты и микроглия могут находиться в различных функциональных состояниях, крайние из которых A1 и M1 фенотипы продуцируют преимущественно провоспалительные, а A2 и M2 фенотипы — противовоспалительные факторы. Выдвинута гипотеза, что успешной стратегией лечения заболеваний, патогенез которых связан с нейровоспалением (включая эпилепсию), может быть использование препаратов, способных стимулировать поляризацию этих глиальных клеток от М1 и А1 к М2 и А2 фенотипам [2].

Ряд литературных данных позволяет предполагать, что подобными свойствами могут обладать агонисты рецепторов, активируемых пролифераторами пероксисом (PPARs) [3]. PPARs (α, β/δ и γ) — это ядерные транскрипционные факторы, играющие ключевую роль в механизмах кишечно-нервных взаимодействий, основной функцией которых является регуляция липидного и энергетического обменов. Однако они также способны регулировать воспалительные и окислительные сигнальные пути, вовлечённые в патогенез ряда нервно-психических расстройств, включая эпилепсию. Нейропротекторные свойства агонистов некоторых агонистов PPARs ранее были описаны в модели височной эпилепсии (ВЭ).

В настоящем исследовании мы изучали действие агониста PPARγ пиоглитазона и пробиотика Bifidobacterium longum, стимулирующего экспрессию PPARγ в мозге [4], на продукцию в структурах мозга мРНК астроглиальных и микроглиальных белков, способных влиять на течение эпилептогенеза.

Работа проводилась на крысах самцах Вистар с использованием литий-пилокарпиновой модели ВЭ. Данная модель считается одной из лучших экспериментальных моделей человеческой ВЭ, так как она позволяет воспроизвести различные фазы эпилептогенеза от начальных этапов заболевания, когда судороги ещё не проявляется, до хронической фазы, связанной с формированием спонтанных рецидивирующих судорог [5].

Используя метод обратной транскрипции и полимеразной цепной реакции в реальном времени, мы показали, что при ВЭ в височной коре и гиппокампе экспериментальных животных как в латентную, так и хроническую фазу модели отмечается усиление экспрессии генов провоспалительных белков (Nlrp3, Il1b, Tnfa) и маркеров активации микроглиальных и астроглиальных клеток (Aif1, Gfap). Эти изменения сопровождаются развитием нейродегенеративных процессов в мозге и формированием характерных для литий-пилокарпиновой модели нарушений поведения.

Введение пиоглитазона (в/б, 7 мг/кг через 75 минут после индукции модели ВЭ и затем по 1 мг/кг в течение 7 дней, 1 раз в день, с последующим забором мозга для биохимического анализа) показало усиление экспрессии гена провоспалительного цитокина антагониста рецепторов интерлейкина-1 (Il1rn) и нейропротекторных белков S100a10 и Tgfb1.

Тридцатидневное пероральное введение Bifidobacterium longum в дозе 10⁹ КОЕ/крысу (забор материала через сутки после последнего введения) также усиливало экспрессию гена Il1rn в вентральном гиппокампе, височной коре и миндалине экспериментальных крыс в литий-пилокарпиновой модели ВЭ. При этом использованные препараты ослабляли выраженность нейродегенеративных и некоторых поведенческих нарушений, характерных для использованной модели ВЭ.

Полученные результаты указывают на то, что использование терапии, направленной на регуляцию экспрессии астроглиальных и микроглиальных белков, вовлечённых в регуляцию эпилептогенеза, может быть перспективным при разработке новых комплексных методов лечения эпилепсии. Влияние агонистов PPARα и PPARβ/δ на экспрессию данных генов остаётся малоисследованным и представляет интерес для дальнейшего изучения.

Считается, что овладение семантикой слов речи основано на биологических механизмах ассоциативного обучения [1]. Однако текущее понимание мозговых механизмов обучения и памяти преимущественно базируется на простых моделях (включая модели на животных), в то время как механизмы обучения в когнитивной области остаются в значительной степени неизвестными. Семантическое обучение речи является хорошим примером таких когнитивных процессов, мозговые механизмы которых не могут быть легко объяснены на уровне простых нейронных сетей. В частности, до сих пор нет чёткого понимания ряда процессов, лежащих в основе такого обучения — включая механизмы, обеспечивающие корреляционное совпадение нейронных репрезентаций, необходимое для Хеббовской пластичности, реверберационное воспроизведение ассоциируемой репрезентации в рабочей памяти, вовлечение консолидации и т.д.

Чтобы исследовать эти вопросы, мы провели серию экспериментов, моделирующих семантическое научение словам, связанным с действиями. Мы использовали новую экспериментальную процедуру семантического научения, основанную на обучении методом проб и ошибок, в ходе которой участники активно приобретали ассоциации между псевдословами и действиями. Экспериментальная процедура включала презентации акустически выровненных псевдослов, которые были незнакомы участникам до начала эксперимента. Задача участников заключалась в выполнении движений конечностями (руками и ногами) в ответ на соответствующие псевдослова. Положительная или отрицательная обратная связь подавалась в каждой реализации в зависимости от действий участника. МЭГ регистрировали не только во время обучения, но и во время пассивного предъявления тех же псевдослов до и после обучения, что позволяло контролировать эффекты внимания и подготовки к движению. Мы анализировали связанные с событиями поля и осцилляции в бета-диапазоне.

Наши эксперименты показали, что кортикальная пластичность, связанная с обучением словам, может быть выявлена сразу после обучения, без какого-либо длительного времени для консолидации [2].

Мы обнаружили два эффекта, развивающихся в процессе обучения, которые могут способствовать Хеббовской пластичности, связывающей слуховые репрезентации псевдослов с ассоциируемыми движениями.

Во-первых, мы обнаружили реактивацию слухоречевых репрезентаций во время инициации движения. По-видимому, именно этот механизм создаёт условия для временного совпадения активаций в двух ассоциируемых репрезентациях — слуховой репрезентации речи и репрезентации моторной программы.

Во-вторых, мы обнаружили, что в процессе обучения возникает значительное усиление мощности бета-осцилляций во время и после выполнения моторного действия. Этот эффект включал в себя не только обычную бета-синхронизацию в сенсомоторных областях коры после движения, но и резкое увеличение мощности бета-колебаний во множестве ассоциативных областей коры. Мы полагаем, что такие бета-осцилляции представляют собой реверберационный механизм закрепления ассоциативной связи и защиты её от помех [3].

В дальнейших экспериментах мы расширили процедуру, и проводили процедуру обучения на протяжении двух последовательных дней, с ночным сном между двумя записями. Мы оценивали динамику мощности бета-осцилляций, сопровождающую как обучение новым псевдословам в первый день, так и повторение задачи после ночного сна на второй день. Связанная с событиями бета-синхронизация в лобных областях появлялась сразу после того, как правила были выучены в первый день, и не менялась ни после сна, ни после повторения во второй день. Таким образом, динамика префронтального бета-ритма отражала изменение в поведении: достигнув критерия обученности в первый день, участники продолжали практически безошибочно выполнять задачу на второй день. Напротив, связанная с событиями бета-синхронизация в задней височной и теменной коре непрерывно росла на протяжении всего второго дня, что, предположительно, играет роль в консолидации вновь выученных ассоциаций в долговременной памяти.

Таким образом, результаты наших исследований выявили комплекс физиологических механизмов пластичности человеческого мозга в когнитивной сфере.

Задача объективной детекции сонливости по физиологическим показателям является актуальной для обеспечения безопасности транспортных перевозок и функционирования промышленных предприятий. Ввиду повсеместного использования гаджетов для регистрации ритма сердца важно определить валидные метрики, которые согласованы с текущим уровнем сонливости. Исследования показывают, что статистические и спектральные метрики ритма сердца согласованы с уровнем бдительности/сонливости [1, 2].

Цель работы. Выявление метрик ритма сердца, которые связаны с относительно низким и высоким уровнем вечерней сонливости в естественных условиях.

В качестве материала для данной статьи было выбрано 32 записи из датасета SSDD (Subjective Sleepiness Dynamics Dataset), собираемого в лаборатории Киберпсихологии ННГУ с 2022 г. Дизайн эксперимента состоял в следующем. Участник у себя дома надевал датчик регистрации ритма сердца (Polar H10) в 19:40 и подключал его к приложению на смартфоне. Далее участник заполнял в электронной системе данные о себе. Начиная с 20:00 и далее каждые 30 минут он отмечал данные о субъективной сонливости по Каролинской (KSS) и Стэнфордской (SSS) шкалам сонливости вплоть до того момента, когда он ложился спать. Отобранные 32 записи удовлетворяли следующим условиям: все участники легли спать с 22:30 до 23:00, вовремя заполнили KSS и SSS на каждом временном этапе (20:00, 20:30, 21:00, 21:30 и 22:00).

Для каждого временного этапа высчитывался интегральный балл сонливости по формуле:

sl=(KSS/10+SSS/7)/2.

Для анализа были отобраны 4-минутные записи ритмограмм, соответствующие временным этапам заполнения KSS и SSS. Обработка данных проводилась в Jupyter Notebook. С помощью пакета «hrv-analysis» высчитывались статистические, спектральные и нелинейные метрики ритма сердца (по ритмограмме — последовательности NN-интервалов) для каждого временного этапа. Применялся критерий Стьюдента для сравнения метрик для разных уровней сонливости по интегральному баллу (условно «низкий уровень» считался при sl <0,45; «высокий» — при sl >0,55), а также критерий Пирсона для оценки связи между sl и метриками ритма сердца на каждом временном этапе.

Оказалось, что метрики, отвечающие за вариативность последовательности NN-интервалов (NNi_50 (p=0,027), NNi_20 (p=0,007), pNNi_20 (p=0,024)) имеют меньшие значения для временных этапов, при «низкой» сонливости (N=54), чем при «высокой» (N=58). Также выяснилось, что индекс вегетативного баланса (отношение мощности спектра вариабельности ритма сердца в области низких частот к мощности в области высоких частот) выше при «высокой» сонливости, чем при «низкой» (p=0,015). Корреляционный анализ показал, что связи между интегральным баллом по сонливости и метриками ритма сердца имеются только для временного этапа 20:30. Обнаружены связи sl с размахом NN-интервалов (R=–0,388; p=0,028), выраженностью активности симпатического контура регуляции (R=–0,383; p=0,031), нелинейным парасимпатическим индексом (R=–0,359; p=0,043).

Таким образом, можно заключить, что относительно высокая сонливость связана с более низкими показателями по вариативности ритма сердца, а также с меньшей активностью вегетативной нервной системы в целом.

Эффективная регуляция эмоций ассоциируется с более высоким субъективным благополучием, психическим здоровьем и достижением социальных целей. Неспособность регулировать эмоции часто ассоциируется с плохим психосоциальным благополучием, депрессией и другими психическими расстройствами. Среди различных стратегий когнитивная переоценка (ориентированная на событие) и подавление выражения (ориентированное на реакцию) получили большое внимание в психофизиологических исследованиях. Когнитивная переоценка ориентирована на событие, на изменении смысла ситуации. В отличие от переоценки, подавление происходит позже во временном развёртывании эмоционального опыта, когда предпринимаются усилия по подавлению поведенческих и физиологических реакций, связанных с протекающей эмоцией [1]. Подавление помогает регулировать эмоции в течение более короткого периода времени, в то время как переоценка оказывает длительное влияние на регуляцию эмоций.

Хотя соматовегетативные проявления регуляции эмоций изучены в достаточной мере [2, 3], мозговые корреляты этого процесса требуют более подробного исследования.

Цель работы. Изучение электроэнцефалографических (ЭЭГ) коррелятов регуляции эмоций. Для этой цели мы рассчитали корреляцию между испытуемыми, или межсубъектную корреляцию (МСК; признак внимания, вовлечённости, напряжения [4]), и индексы валентности и возбуждения [5] по ЭЭГ (всего 64 отведения), в то время как 60 испытуемых (средний возраст — 26,0) подавляли свои эмоциональные реакции или применяли переоценку, или смотрели нейтральные 1-минутные нейтральные и отрицательные видеоролики (всего 36 предъявлений). Мы обнаружили, что как подавление, так и переоценка вызывали более высокий уровень МСК по сравнению с просмотром отрицательных или нейтральных видеороликов (F(3, 168)=25,23; p <0,001; η²=0,10). Попарные сравнения показали, что просмотр нейтральных видеороликов вызывал более низкие МСК, чем просмотр отрицательных видеороликов (t(56)=4,26; p <0,001; d=0,47), подавление (t(56)=9,04; p <0,001; d=0,78) и переоценка (t(56)=11,0; р <0,0001; d=0,77). Как подавление, так и переоценка вызывали более высокие МСК, чем просмотр отрицательных видеороликов (t(56)=3,38; p=0,002; d=0,40 и t(56)=2,96; p=0,005; d=0,39; 1-β=0,83, соответственно). Мы рассматриваем это как маркер вовлечённости в задачу и обработку обратной связи, необходимой для регуляции эмоций. Индекс возбуждения был выше во всех отрицательных состояниях, что может означать, что регуляция требовала определенного уровня возбуждения (χ²(3)=12,8; p=0,005; W=0,075). Тесты Уилкоксона определили, что индекс возбуждения был ниже при просмотре нейтральных видеороликов, чем отрицательных (V=465; p=0,012; r=0,053), чем при подавлении (V=499; p=0,019; r=0,057) и переоценке (V=395; p=0,004; r=0,096). Индекс валентности ЭЭГ был выше в обоих состояниях регуляции эмоций, чем в нейтральном состоянии (χ²(3)=10,5; p=0,015; W=0,061), а тесты Уилкоксона показали, что индекс валентности был ниже при просмотре нейтральных видеороликов, чем подавление (V=525; p=0,048; r=0,136) и переоценка (V=500; p=0,048; r=0,165), что свидетельствует об увеличении положительного эмоционального компонента в ходе регуляции.

В целом, различные измерения ЭЭГ отражают различные аспекты регуляции эмоций, но как при подавлении, так и при когнитивной переоценке задействование мозговых ресурсов было выше, чем при простом просмотре.

Мозговая активность существенным образом меняется в различных условиях социального взаимодействия. Однако влияние контекста социальных взаимодействий на нейрофизиологические корреляты когнитивной и творческой деятельности как таковой рассмотрены недостаточно [1]. Могут быть выделены два полярных типа взаимодействий при решении задач — сотрудничество или соревнование.

Цель исследования. Оценка влияния условий соревнования на амплитуды вызванных потенциалов (ВП) при решении творческих и нетворческих задач.

Испытуемые (26 мужчин, 18 женщин) выполняли два типа заданий индивидуально и в условиях соревнования в парах (мужчина–мужчина, женщина–женщина): творческое — придумать необычное использование повседневного предмета (кирпич, газета, скрепка и др.), и нетворческое — перечислить предметы из предложенных категорий (транспорт, предметы мебели, виды спорта и др.) Всего для индивидуального и совместного выполнения было предложено более ста проб каждого типа. Последовательность выполнения заданий (индивидуально или совместно) рандомизировалась между парами участников. При выполнении задания в паре участников создавались условия соперничества — «засчитывался» ответ первого ответившего участника.

Во время выполнения заданий синхронно регистрировали ЭЭГ/ВП (монополярная запись от 15 отведений, референт — объединённый ушной электрод, модифицированная система 10/20, ЧД=500 Гц, полоса регистрации 0,53–150 Гц, полоса анализа 1,6–30 Гц, режекторный фильтр 50 Гц) с использованием электроэнцефалографа Мицар-202 (ООО «Мицар», Санкт-Петербург) и программного пакета WinEEG (Пономарев В.А., Кропотов Ю.Д., номер государственной регистрации 2001610516 от 08.05.2001). Сравнивали ВП в каждом из заданий (творческое или нетворческое) между условиями соревнования и индивидуального выполнения с использованием RM ANOVA для фактора СОСТОЯНИЕ (индивидуальное выполнение/в условиях соревнования) и взаимодействия факторов СОСТОЯНИЕхЗОНА (15 отведений ЭЭГ) в выделенных временных интервалах различий.

Условия соревнования приводили к уменьшению амплитуд сенсорных компонентов P1, P2 и семантических компонентов с латентностью N400 (в лобных областях коры левого полушария) и P600 (в теменных областях коры) как при творческой, так и при нетворческой деятельности, по всей видимости, свидетельствуя о затруднении процессов поиска ответа. Процент найденных ответов также был значимо ниже в условиях соревнования по сравнению с индивидуальным выполнением задания (медиана 45% (31–55) по сравнению с 56% (49–74) в творческом задании и 87% (82–93) по сравнению с 66% (60–76) — в нетворческом задании в условиях соревнования и индивидуального выполнения, соответственно). Вероятно, значительная часть ресурсов при выполнении задания в условиях социального взаимодействия направлена на оценку реакций и ответов партнера, что проявляется как в снижении амплитуды более ранних компонентов, связанных с вниманием (P1, P2), так и поздних компонентов, связанных с семантической обработкой стимулов (N400, P600). Условия соревнования оказывали более выраженный эффект на нейрофизиологические показатели творческой деятельности при сопоставлении с нетворческой.

Рабочая память является центральной когнитивной функцией в осуществлении краткосрочного хранения и обработки информации при целенаправленной деятельности [1]. Множество исследований с применением ЭЭГ, МЭГ и стерео-ЭЭГ было проведено с целью обнаружить нейрональные корреляты рабочей памяти: осцилляции, возникающие в определённых зонах мозга в отсутствие запоминаемого стимула. Данные работы изучали разные аспекты (запоминание, хранение, обработку, упорядочивание, обновление, торможение) и модальности рабочей памяти и подчеркнули важность изучения функциональной связности между разными зонами мозга. Таким образом, учёными было накоплено множество зачастую противоречащих данных, не систематизированных в единую систему [2].

Цель работы. Проведение систематического обзора публикаций с 1980 г. по настоящее время, индексируемых в базах Scopus, Web of Science и Pubmed. Главные вопросы систематического обзора, сформулированные по структуре PICo [3]: какие нейрональные сети, вовлечённые в разные модальности рабочей памяти, обнаруживают синхронизации между частотами и внутри частот у когнитивно сохранных респондентов (структура PICo); существуют ли различия в характеристиках нейрональных сетей у взрослых и пожилых; возможно ли привести характеристики нейрональных сетей пожилых в соответствие с таковыми у взрослых, применяя различные интервенции. Систематический обзор проводится по методологии PRISMA-P 2015 [4]. Основные содержательные критерии включения статей: исследование феномена рабочей памяти, анализ визуальной, вербальной и неспецифической модальности, применение ЭЭГ/МЭГ/стерео-ЭЭГ, оценка взрослых и пожилых респондентов, наличие количественных результатов поведенческого и нейрокогнитивного исследования. Критерии исключения: использование эмоциональных стимулов, оценка долговременной памяти, применение фМРТ, недостаточное количество респондентов, респонденты одного пола, респонденты с когнитивными или иными нарушениями, отсутствие частотно-временного анализа, применение физических или диетических интервенций, отсутствие экспериментального исследования в статье, оценка рабочей памяти на неродном для респондента языке. Систематический обзор проводится на платформе nested-knowledge.com.

Исходя из заявленных параметров, мы провели поиск релевантных статей и обнаружили 2828 работ, соответствующих формуле поиска на основе критериев включения. Последующий скрининг аннотаций осуществляется двумя экспертами и позволил выделить 234 статьи, а ознакомление с полными текстами — 89 релевантных статей. Полученный пул статей характеризуется следующими параметрами: 69 статей описывают взрослых, 5 — пожилых, а 12 статей сравнивают обе возрастные группы, 42 статьи описывают осцилляцию, 15 — функциональную связность, 32 — обе метрики; 22 статьи описывают все стадии рабочей памяти, 8 — запоминание, 11 — запоминание и хранение, 4 — хранение и воспроизведение, 23 — хранение, 9 — хранение и обработку, 7 — обработку, 1 — воспроизведение, и 3 без разделения на стадии; 28 — вербальную память, 51 — визуальную память, 8 статей содержат сравнение модальностей, а 2 статьи описывают модально неспецифические задачи.

Предварительные результаты проведённого систематического обзора показали разную роль частот для рабочей памяти. Так, тета-ритмы (4–8 Гц) в лобной коре наиболее часто упоминались в связи с хранением информации, при этом с тенденцией увеличения синхронизации при обработке информации. Альфа-ритм (8–14 Гц) был связан с торможением нерелевантной информации и защитой текущего содержания рабочей памяти, что согласуется с общепринятой парадигмой [5]. Бета-ритм (14–28 Гц) чаще всего наблюдался при хранении и воспроизведении информации, при этом его мощность коррелировала с показателями точности памяти. Гамма-ритм (28 Гц и выше) наблюдался при кодировании и хранении информации, при этом демонстрируя большую мощность для более сложных стимулов.

Анализ коннективности показал, что при запоминании визуальных и вербальных стимулов задействуются межполушарные лобно-височные, лобно-центральные связи, взаимодействующие посредством тета-ритмов. Хранение информации опирается на взаимодействие тета- и гамма-ритмов между лобной и теменной сетями. Для вербальных стимулов связность лобной и височной долей мозга посредством тета-ритма повышается с нагрузкой при хранении. Альфа-ритм обусловливает связь в задних отделах, а также в лобных и задних отделах, во время хранения информации, а бета-ритм — в лобно-височных. При хранении визуальной информации наблюдаются лобно-постцентральные связи, осуществляющиеся с помощью тета-ритма. С ростом нагрузки при хранении увеличивается лобно-теменная и лобно-лобная связь посредством тета-ритма, однако она ослабевает после достижения пороговой ёмкости рабочей памяти.

При обработке информации наблюдалась связность правой лобно-затылочной сети, правой префронтальный и левой затылочной, правой лобной и затылочно-теменной для визуальной памяти и лобно-теменной для вербальной памяти посредством тета-ритма. Связность затылочных областей мозга осуществлялась преимущественно посредством альфа-ритма, а височных — с помощью высоких частот.

Особых отличий у взрослых и пожилых обнаружено не было, кроме угнетения низких частот и преобладания высоких частот в анализе связности.

Развитие речи играет ключевую роль в психическом развитии ребёнка. При помощи речи ребёнок не только взаимодействует с внешним миром, но и учится осознавать свои собственные состояния и управлять своим поведением. Также, несомненно, от развития речи зависят последующие успехи ребёнка в обучении и, как следствие, в профессиональной жизни. Поэтому крайне важно исследовать механизмы нарушений развития речи и разрабатывать методы их диагностики и коррекции.

В настоящее время проводится большое количество когнитивных и нейрофизиологических исследований речи и механизмов, лежащих в основе её нарушений у детей. Исследования речи с применением ЭЭГ показывают устойчивые вызванные ответы головного мозга на слуховые и зрительные стимулы, связанные с речью (отдельные фонемы, слоги, буквы и т.д.), а также изменения этих ответов у детей с диагностированными нарушениями речи. Тем не менее, вопрос о нейрофизиологических предикторах и коррелятах тех или иных нарушений речевого развития остается дискуссионным. Вероятная причина этого может заключаться в особенностях экспериментальных методик: например, метод вызванных потенциалов требует использования изолированных «идеальных» стимулов для получения устойчивого ответа, а также многократного повторения одного стимула. Экологическая валидность таких исследований может быть сниженной: реакции мозга на продолжительные, «натуральные» стимулы могут отличаться от реакций на изолированные стимулы.

В последние годы в исследованиях речи набирает популярность метод, который называется «функция временного отклика» (temporal response function). Этот метод позволяет оценивать нейрофизиологические реакции на продолжительные, естественные, экологически валидные стимулы [1–3]. Применительно к исследованиям речи данный метод позволяет изучить ответ мозга на изменение акустических, лингвистических и семантических характеристик, которые присутствуют в любом потоке естественной нарративной речи [1].

Математическую основу функции временного отклика (ФВО) составляет решение уравнения:

w=(S^TS+λE)^–1·S^TR,

где S — матрица, содержащая рассматриваемые стимульные характеристики; R — матрица, содержащая нейрофизиологический сигнал, соответствующий стимулу; w — функция временного отклика — матрица коэффициентов линейного преобразования из пространства стимулов в пространство реакций.

Таким образом, ФВО является своеобразным «мостом» между стимулом и нейрофизиологическим ответом на него и отображает те нейронные операции, которые стоят между стимулом и реакцией [1]. Матрицы S и R являются матрицами временных лагов, что позволяет оценить ответ мозга на предъявленный стимул в заданном временном окне.

ФВО в последнее время широко используется в исследованиях речи [2, 3]. Однако применений данного метода в исследованиях с участием детей сравнительно мало [4, 5]. Использование экологически валидных речевых стимулов в исследованиях с детьми значительно упрощает выполнение ими экспериментальных парадигм, а также позволяет оценить мозговой ответ на ту речь, которую можно слышать и в реальной жизни, а не только в экспериментально смоделированных условиях. Разнообразие применений ФВО как к акустическим, так и к лингвистическим особенностям речи представляет особенный интерес при изучении психофизиологических механизмов развития речи у детей с различными траекториями развития. В нашей работе представлено применение данного подхода к исследованию развития речи у детей от 3 до 8 лет.

В исследовании приняли участие 56 детей (33 мальчика, 23 девочки) в возрасте от 3 до 8 лет (M=5,64; SD=1,33 лет). В ходе выполнения экспериментального задания участники прослушивали три заранее записанных женским голосом аудиоистории: детский рассказ про ежей, адаптированные варианты сказок «Кирпич и воск» и «Золотая утка». Все аудиостимулы сопровождались видеорядом для поддержания внимания детей. Общая длительность стимулов — 15 минут. Стимулы предъявлялись посредством программного обеспечения Presentation® (Neurobehavioral Systems, Inc., Berkeley, CA). После прослушивания каждого из рассказов детям задавалось 8 вопросов типа «да/нет», направленных на оценку понимания содержания прослушанного аудиоматериала. В отдельный день исследования изучался актуальный уровень развития рецептивной и экспрессивной речи ребёнка при помощи игровой методики Preschool Language Scales версии 5 (PLS-5).

Проводилась регистрация 32-канальной ЭЭГ с использованием электроэнцефалографа Brain Products actiCHamp (Brain Products GmbH, Gilching, Germany). Референт был установлен на позиции FCz. Предобработка ЭЭГ осуществлялась при помощи библиотеки MNE для Python и включала в себя фильтрацию данных в диапазоне от 1 до 15 Гц, визуальную инспекцию записи на наличие зашумленных каналов, интерполяцию плохих каналов (при необходимости), удаление глазодвигательных артефактов при помощи ICA, перереферирование записи на усредненный электрод. Синхронизация ЭЭГ и стимула производилась по метке на начало стимула. Далее и ЭЭГ, и стимул были сопоставлены в рамках выбранных эпох. Дальнейшая обработка выполнялась в среде MATLAB (версии 2021b) при помощи пакета mTRF Toolbox [1]. При помощи функций пакета выполнялось вычисление огибающей речевого стимула, которая затем подавалась в качестве стимула на вход ФВО. Производилось снижение частоты дискретизации стимула и ЭЭГ до 128 Гц. Для изучения было выбрано временное окно от –200 до 800 мс. Для анализа был выбран коэффициент прогнозирования ФВО, который представляет собой коэффициент корреляции между реальными данными и данными, которые предсказывает модель после кросс-валидации и обучения.

Среднее значение коэффициентов прогнозирования по всей выборке составило 0,041 (разброс от –0,002 до 0,106) и статистически значимо отличается от нуля (t(55)=13,1; p <0,001). Выявлена статистически значимая положительная корреляция между значениями коэффициента прогнозирования, усреднёнными интраиндивидуально по всем каналам ЭЭГ, и возрастом участников (r=0,379; p=0,004). Способность линейной модели, лежащей в основе ФВО, предсказывать ЭЭГ-сигнал увеличивается с возрастом ребёнка.

Выявлена положительная статистически значимая корреляция между значениями коэффициента прогнозирования и значениями по шкале рецептивной речи методики PLS-5 (r=0,33; p=0,026). Значения PLS-5 сильно положительно коррелируют с возрастом участников (r=0,596; p <0,001).

Также выявлена положительная корреляция между коэффициентом прогнозирования модели и результатами опросника на понимание прослушанного аудиоматериала (r=0,39; p=0,012). Кроме того, баллы опросника коррелируют со значениями по шкале рецептивной речи PLS-5 (r=0,82; p <0,001) и с возрастом участников (r=0,51; p=0,001).

Содержательно коэффициент прогнозирования функции временного отклика демонстрирует процесс кортикального отслеживания стимула, на которое в данный момент обращено внимание, и значимо коррелирует с пониманием услышанной речи [2, 3]. В нашей работе показано, что коэффициент прогнозирования статистически значимо положительно связан с возрастом детей и с их способностью к пониманию речи, измеренной при помощи методики PLS-5, а также с результатами опросника на понимание прослушанного, полученными непосредственно после выполнения экспериментальной задачи. Таким образом, применение функции временного отклика позволяет оценивать способность коры головного мозга к отслеживанию речевого акустического сигнала у детей. Также применение метода предоставляет нейрофизиологические корреляты рецептивной речи и процессов, связанных с пониманием услышанного. Возможно применение экспериментальной парадигмы для диагностики нейрофизиологических коррелятов рецептивной речи в различных возрастных группах у участников с различными уровнями развития языковых и речевых способностей. Представленная экспериментальная парадигма является частью исследования, проводимого направлением «Нейробиология устной и письменной речи при расстройствах развития» Научного центра когнитивных исследований университета «Сириус».

В 2008 г. В. Никулин и коллеги [1] открыли квазидвижения (КД) — моторную задачу, основанную на произвольных движениях. КД наблюдаются, когда человек минимизирует движение до такой степени, что связанная с ним мышечная активность более не регистрируется с помощью электромиографии (ЭМГ). Подобно обычным произвольным движениям (явные движения, ЯД) и кинестетическому представлению движений (воображаемые движения, ВД), КД сопровождаются связанной с событиями десинхронизацией (ДСС) сенсомоторных ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Опираясь на гипотезу М. Дженнерода [2] о существовании континуума состояний моторной системы между совершением ЯД и ВД, Никулин и коллеги предположили, что КД могут быть действием в промежуточной части этого континуума. Тем временем, следуя их данным, при уменьшении амплитуды движения намерение агента при совершении КД остаётся намерением совершить физическое действие. Каким же образом качественная разница в намерении соотносится с возможной непрерывностью состояний моторной системы между задачами?

В данном исследовании мы попробовали оценить гипотезу континуума, построенную на промежуточном положении КД между физическими и ментальными действиями. Мы сформулировали две версии гипотезы континуума. Одна из них имеет дело с механизмами мозга, ответственными за выполнение моторных задач и предсказание их сенсорных последствий — согласно гипотезе, работа этих механизмов изменяется непрерывно между полноценными ЯД и ВД. Другая версия гипотезы относится к осведомлённости агента [3] при совершении движений, предположительному континууму ментальных состояний агента между ЯД и ВД. Согласно второй версии, агент переживает некие действия между ЯД и ВД (например, КД) как промежуточные.

Мы предполагали, что, если первая версия гипотезы континуума верна, стоило ожидать корреляции между амплитудами ДСС и остаточной ЭМГ в КД. Это предположение было основано на самой простой реализации гипотезы континуума: в случае ЯД имеет место высокая мышечная активность и десинхронизация μ-ритма, а в случае ВД при почти полном отсутствии мышечной активности ДСС оказывается значимо меньше. Поскольку напряжение мышц является прямым следствием работы моторной системы, изменение мощности сенсомоторных ритмов в некотором окне значений должно было бы модулировать амплитуду ЭМГ. Для проверки второй версии гипотезы континуума мы решили провести опрос испытуемых, чтобы понять, как КД воспринимаются от первого лица, и в чём состоят их субъективные отличия от ЯД и ВД.

В нашем исследовании участвовали 23 здоровых испытуемых. Как и в эксперименте Никулина и коллег, моторные задачи в нашем эксперименте основывались на отведении большого пальца. Это движение совершается посредством напряжения мышцы m. abductor pollicis brevis, позволяющей регистрировать мышечную активность с высокой точностью. Эксперимент был разбит на 2 дня. В первый день испытуемые обучались отведению большого пальца, КД и кинестетическому представлению движения. Во второй день испытуемые воспроизводили полученные навыки в трёх условиях, соответствующих трём моторным задачам. В каждом условии испытуемые ритмически совершали ЯД, КД или ВД вслед за ритмами из трёх звуков. Для нужд ЭЭГ-анализа моторные задачи контрастировались с задачей на счёт элементов сложносоставной картинки. Во второй день у испытуемых записывалась ЭМГ и 128-канальная ЭЭГ.

Используя более чувствительные методы обработки, чем у предшественников [1, 4, 5], мы проанализировали разницу между ДСС в КД и ВД, а также связь между параметрами ЭМГ и ДСС в КД. Кроме того, мы провели опрос испытуемых. Задаваемые вопросы касались ощущения движения в КД и воспринимаемой реальности КД — испытуемые давали на них утвердительные или отрицательные ответы. Помимо этих вопросов, мы просили испытуемых давать развёрнутые отчёты о субъективной разнице между КД и ЯД/ВД. Мы планировали сопоставить ЭМГ и ответы испытуемых, чтобы выяснить, влияла ли остаточная ЭМГ на их суждения о КД.

Полученные нами средние значения ЭМГ в КД и ВД мало отличались от значений Никулина и коллег. Однако при более детальном анализе ЭМГ мы обнаружили повышенную пиковую мышечную активность в доле проб с КД. Контралатеральный компонент ДСС μ-ритма не зависел от амплитуды ЭМГ, но был сильнее в КД по сравнению с ВД. Данный результат позволяет предположить, что КД в строгом смысле слова и их аналогам с повышенной мышечной активностью соответствует устойчивый паттерн активности моторной системы, значимо отличный от ВД. Таким образом, КД с большей вероятностью являются целостным моторным феноменом.

Помимо ЭЭГ, мы анализировали субъективные отчёты испытуемых. Мы разбили отчёты в свободной форме на повторяющиеся дескрипторы разницы между моторными задачами и исследовали корреляцию между дескрипторами, ответами на вопросы и долей проб с повышенной ЭМГ в условии с КД. Доля проб с повышенной ЭМГ у испытуемых не коррелировала с их утверждениями об ощущении движения и воспринимаемой реальности КД. Дескрипторы разницы между КД и ВД также не зависели от остаточной ЭМГ. Анализ отчётов в свободной форме показал, что испытуемые имели похожие намерения в КД и ЯД, и эти намерения контрастировали с намерениями в ВД. Намерение к совершению движения в КД коррелировало с упоминанием «посылания команды» мышце. При этом воспринимаемая реальность КД зависела от упоминаний испытуемыми напряжения мышцы во время совершения КД, то есть от сенсорной обратной связи.

Полученные нами результаты плохо совместимы с обеими версиями гипотезы континуума между ЯД и ВД. Отсутствие корреляции между ЭМГ и контралатеральным компонентом десинхронизации μ-ритма указывает на то, что простая реализация первой версии гипотезы не верна. Даже если КД — это промежуточное действие между ЯД и ВД, на ЭЭГ оно представлено как устойчивый самостоятельный феномен, а не часть непрерывного спектра действий. Субъективно КД переживаются как ЯД с недостаточной обратной связью, что снижает уверенность агента в реальности движения. Осведомлённость агента при совершении КД и ВД качественно различается — это отчётливо разные действия, несмотря на то, что обратная связь при совершении КД может дополнительно представляться агентом. Наше исследование имеет набор ограничений: в частности, континуум действий между явным движением и его представлением может проходить не через квазидвижения, а через некоторое иное действие. Континуум состояний может быть устроен намного более сложно, чем мы предполагали здесь. Другое ограничение связано с относительно малым размером выборки в эксперименте — для изучения квазидвижений было бы полезным дальнейшее уточнение результатов с привлечением большего числа испытуемых.

Позвоночно-спинномозговая травма (ПСМТ) является одной из основных причин гибели и глубокой инвалидизации в молодом возрасте. Частота ПСМТ составляет 0,6–1,0 на 10 000 населения. Эффективные методы восстановления локомоторной функции при тяжёлой ПСМТ отсутствуют. Для протезирования локомоции активно разрабатываются технологии экзоскелетов, управляемых с помощью ВСI. Несмотря на отсутствие обнадёживающих данных при тяжёлой ПСМТ, определённые надежды всё ещё возлагаются на регенеративные технологии восстановления спинного мозга. Ограниченные возможности регенерации ЦНС у человека требуют создания новых источников нейральных стволовых клеток (НСК) для регенерации. Таким источником могут быть репрограммированные в нейральном направлении аутологичные соматические клетки [1]. В отличие от взрослых НСК, наличие которых у человека в последнее время ставится под сомнение, репрограммированные НСК характеризуются повышенной способностью к нейрональной дифференцировке, несмотря на воспалительное микроокружение взрослого мозга. Вместе с тем до сих пор непонятен состав нейроглиальных прогениторов, необходимый для эффективной регенерации повреждённых аксонов пирамидного тракта [2]. Предпринимаются весьма интересные попытки прямого репрограммирования глиальных клеток in situ с помощью различных биотехнологических подходов [3]. Краеугольной проблемой успешной регенеративной терапии ПСМТ является предотвращение развития грубого соединительнотканного рубца на месте травмы, препятствующего регенерации проводящих путей спинного мозга. С целью его преодоления разрабатываются различные скаффолды, облегчающие прорастание аксонов, а также испытываются различные генотерапевтические средства нокдауна ключевых факторов образования рубца или наоборот, активации ремоделирования внеклеточного матрикса и репаративной регенерации.

Крайне интересным и перспективным представляется применение при ПСМТ нейромодуляции. Показано, что эпидуральная стимуляция в зоне L2-S1 у человека и млекопитающих активирует так называемые SPG нейроны, обеспечивающие функционирование спинального генератора ходьбы. Одним из наиболее перспективных подходов представляется комбинирование нейротехнологий и регенеративных технологий, в частности, имплантации скаффолдов с репрограммированными клетками с последующей нейромодуляцией [4].

Микроэлектродная регистрация (MER) активности отдельных нейронов во время операции по вживлению электродов для глубинной стимуляции мозга (DBS) позволяет определить границы субталамического ядра (STN), а также изучить нейронную активность в покое при выполнении произвольных движений у пациентов с болезнью Паркинсона (БП). Несмотря на высокую эффективность стимуляции STN, точная функциональная роль этой структуры в двигательном контроле до конца не ясна.

Мы зарегистрировали нейронную активность STN у 16 пациентов с БП во время имплантации DBS электрода. Одновременно с активностью нейронов были записаны электромиограммы мышц предплечья и фонограмма с голосовыми командами. Пациенты выполняли двигательные тесты — сжимали кисть в кулак. В общей сложности 93 (16,6%) из 560 исследованных нейронов реагировали на движения. Мы разделили зарегистрированные нейроны на 3 паттерна методом иерархической кластеризации гистограмм плотности межимпульсных интервалов: тонический, нерегулярно-пачечный и пачечно-паузный паттерны.

Мы классифицировали сенситивные нейроны в соответствии с типами реакций: активационные (76,9%) и тормозные (23,1%). В 90% случаев активационная реакция нейронов опережала движение. 53,8% ответов были тоническими, а 46,2% — фазическими. Две трети тормозных реакций были опережающими, возникая за 0,2–0,3 с до начала движения, одна треть нейронов активировалась после начала движения с временной задержкой от 0,05 до 0,2 с. 83,3% тормозных нейронов реагировали тонически, а 16,7% — фазически. Все фазические реакции предшествовали движению.

При сравнении показателей сенситивных и несенситивных нейронов был обнаружен ряд отличий. Среди обоих типов нейронов были обнаружены все три описанных паттерна активности, однако среди сенситивных нейронов паузно-пачечные нейроны были представлены шире (57,9% против 49,5%). Более того, нерегулярно-пачечный и пачечно-паузный нейроны, реагирующие на движения, имели значительно меньшую дисперсию нескольких параметров активности, включая частоту разрядов, пачечный индекс, среднюю длину пачки и индекс осцилляций в диапазоне 8–12 и 12–20 Гц. Мы также проанализировали распределение сенситивных нейронов в толще субталамического ядра вдоль траектории движения электрода. По сравнению с несенситивными, сенситивные нейроны располагались значимо дорсальнее, причём сенситивные паузные нейроны практически не встречались в вентральной половине STN.

На основании полученных результатов можно предположить, что паузный паттерн играет важную роль как в двигательном контроле, так и в его нарушениях при БП. Большое разнообразие характеристик наблюдаемых реакций указывает на высокую гетерогенность STN-нейронов, участвующих в двигательном контроле. Существование как запаздывающих, так и опережающих нейронных реакций указывает на участие STN как в подготовке, так и в инициировании движения, а также в контроле текущих движений посредством афферентной обратной связи. Разнообразие нейронных реакций согласуется с динамической моделью базальных ганглиев, утверждающей, что STN может играть различные функциональные роли на разных этапах движения: инициации, контроля, завершения.

Болезнь Паркинсона (БП) — распространённое заболевание, поиску биологических маркёров которого посвящено большое количество работ. Существуют разнообразные модели, предлагающие считать таковыми различные паттерны активности субталамического ядра (СТЯ), однако ни один из описанных на сегодняшний день маркёров не является однозначным. Существенным ограничением исследований на людях в этой области является отсутствие надёжной контрольной группы.

В свете этого отдельный интерес представляют пациенты с асимметричным проявлением моторных симптомов болезни Паркинсона. И.И. Коломан и А.Ш. Чимагомедова [1] показали, что, с одной стороны, асимметрия моторных нарушений отражает асимметрию дегенеративного процесса в чёрной субстанции, с другой — что, хотя дебют заболевания, как правило, односторонний, выраженная разница степени нарушений сохраняется по мере прогрессирования болезни лишь у небольшого числа пациентов.

В данной работе мы анализировали одиночную активность нейронов (single-unit activity, SUA) и локальный потенциал поля (local field potential, LFP), зарегистрированные при помощи микроэлектрода во время операций по вживлению электродов для глубинной стимуляции мозговых структур (deep brain stimulation, DBS). В исследование оказались включены 12 пациентов, у которых выраженность брадикинезии, ригидности и тремора, оценённая неврологом по шкале UPDRS 3, различалась между сторонами тела минимум на 25% по каждому перечисленному симптому. Длительность болезни на момент операции у этих пациентов составляла от 6 до 22 лет (медиана — 12). Субталамическое ядро, контрлатеральное стороне тела с более выраженными нарушениями, мы называем «аффектным», противоположное ядро («неаффектное») выступает условным контролем.

Для анализа зарегистрированные нейроны были поделены на 3 группы в соответствии с типом их активности — на тонические, пачечные и паузные — с помощью метода иерархической кластеризации на основе алгоритма Уорда [2]. Мы не обнаружили значимых различий в активности нейронов какого-либо отдельного кластера между полушариями, как и предсказанную классической моделью [3] работы базальных ганглиев гиперактивность нейронов «аффектного» СТЯ. Однако нам удалось показать, что в «аффектном» ядре значимо больше паузных нейронов и значимо меньше пачечных, притом, что нейроны обоих этих типов были локализованы в верхней половине СТЯ, считающейся моторной зоной ядра. Мы предполагаем, что по мере прогрессирования болезни часть нейронов СТЯ (пачечные в нашей выборке) меняют паттерн своей активности в сторону более ритмической активности (паузные в нашей выборке), что подтверждает гипотезу о связи ритмической активности нейронов СТЯ с болезнью Паркинсона [4].

LFP были проанализированы путём оценки синхронности осцилляций (o-scores) в нескольких спектральных диапазонах после вычитания апериодической компоненты сигнала (1/f). Традиционно с болезнью Паркинсона связывают увеличение мощности осцилляций в бета-диапазоне (13–30 Гц). Наши результаты показывают, что в «аффектном» ядре действительно повышена мощность осцилляций в низкочастотном бета-диапазоне (13–20 Гц), но в высокочастотной части (20–30 Гц) диапазона мощность, вопреки ожиданиям, была значимо ниже в «аффектном» ядре. Это согласуется с современной гипотезой о разной физиологической роли колебаний в этих поддиапазонах [5]. Кроме того, мы показали увеличение спектральной мощности в альфа-диапазоне (8–12 Гц) и уменьшение в гамма-диапазоне (30–60 Гц) в «аффектном» ядре.

Наши результаты позволяют предположить, что более ритмичный характер активности пачечных нейронов и увеличение количества паузных нейронов в моторной зоне СТЯ может рассматриваться как маркёр БП. Увеличение мощности колебаний в альфа- и низкочастотном бета-диапазонах на фоне уменьшения синхронизации в высокочастотном и гамма-диапазонах также могут быть связаны с этим расстройством, но их взаимосвязь с симптомами болезни требует дальнейшего изучения.

Болезнь Паркинсона (БП) — второе в мире по распространённости нейродегенеративное заболевание, связанное с деградацией дофаминэргических нейронов в чёрной субстанции. Основными двигательными симптомами БП являются гипокинезия (замедленность и затруднённость произвольных движений), ригидность (напряжённость мышц) и тремор.

Главные способы снижения выраженности симптомов при БП — это медикаментозная терапия, в рамках которой применяется предшественник дофамина леводопа, и глубинная стимуляция мозга (deep brain stimulation, DBS). Мишенями для DBS при БП являются ядра системы базальных ганглиев — субталамическое ядро (СТЯ) или внутренний сегмент бледного шара.

До сих пор существует проблема подбора программы стимуляции. Выбор наиболее удачного контакта для DBS происходит экспериментально на основании клинических наблюдений, что является сложной и трудоёмкой процедурой. Возможный путь оптимизации — анализ нейрофизиологической активности ядра и выявление паттернов, характерных для контактов, наиболее перспективных с точки зрения клинического улучшения.

Существуют исследования, изучающие связь локальных потенциалов с клиническим улучшением, но общепринятого метода выбора параметров стимуляции на основе активности СТЯ ещё нет. Например, J.N. Strelow с соавт. презентовали метод выбора контактов для стимуляции на основе локальных потенциалов субталамического ядра [1]. Разработанный группой метод давал эффективность не хуже, чем подбор на основании клинических наблюдений. При этом использовался единственный параметр активности — мощность осцилляций в широком бета-диапазоне. Мы предположили, что предсказание наиболее эффективных контактов можно сделать более точным за счёт включения в анализ большего числа параметров.

Цель работы. Поиск параметров активности субталамического ядра, связанных с клиническим улучшением после глубинной стимуляции (DBS).

В исследование было включено 12 СТЯ у 6 пациентов с болезнью Паркинсона от 44 до 62 лет (среднее 52,8 лет, ст. откл. 8,2 года) с акинетико-ригидной формой заболевания (доминирующие двигательные симптомы — гипокинезия и ригидность). Все пациенты прошли операцию по установке электродов для глубинной стимуляции (направленные восьмиконтактные электроды St. Jude, США) биполярно в СТЯ с временным наружным выведением.

С имплантированных электродов записывали локальные потенциалы в 1 и 5 дни после операции. Мы анализировали периоды спокойного бодрствования до приема леводопы (OFF-состояние) и после приема леводопы (состояние включения).

Клинические симптомы оценивал невролог по шкале UPDRS 3. Гипокинезия и ригидность оценивалась для левой и правой сторон тела. Оценку производили за день до операции и через 6 месяцев после имплантации DBS-системы (в течение этого времени стимуляция происходила по одной программе). Для анализа использовали усреднённый показатель улучшения по ригидности и гипокинезии. Параметр «улучшение» — то есть эффект стимуляции — рассчитывали по следующей формуле:

(r0–r1)/r0+(g0–g1)/g0)/2,

где r1 — оценка ригидности после стимуляции; r0 — оценка ригидности до операции; g1 — оценка гипокинезии после стимуляции; g0 — оценка гипокинезии до операции; все оценки были взяты для состояния OFF.

Предварительную обработку записей осуществляли с помощью скриптов с использованием пакета MNE Python. На основе сигналов от 8 контактов каждого электрода мы рассчитали 15 биполярных сигналов, в анализ включили те из них, которые соответствовали области стимуляции.

На биполярных сигналах был проведён спектральный анализ: спектральная плотность мощности сигнала была рассчитана по методу Уэлча для частот с шагом в 1 Гц в диапазоне 1–49 Гц для каждого биполярного контакта. Из полученных спектров вычли апериодическую компоненту с помощью метода fooof [2] и рассчитали среднее значение спектральной плотности мощности в следующих частотных диапазонах: тета- (4–7 Гц), альфа- (8–12 Гц), низкочастотный (13–19 Гц) и высокочастотный (20–30 Гц) бета-поддиапазоны, низкочастотный гамма-диапазон (31–49 Гц).

Кроме того, мы сделали анализ пачек для каждого диапазона: выделили из исходного сигнала пачки (периоды повышенной мощности, в два раза превышающие медианное значение по записи) и рассчитали для них ряд параметров: средняя длина пачки, стандартное отклонение длины, частота пачек.

Статистический анализ осуществляли в среде R. Для выявления параметров, ассоциированных с клиническим улучшением, использовали регрессионный анализ. В качестве зависимой переменной в модель ввели общее улучшение по гипокинезии и ригидности. Выделенные параметры локальных потенциалов для каждого частотного диапазона и для двух состояний пациентов (ON и OFF) включили в линейную регрессионную модель в качестве факторов, затем модель упростили, исключив факторы, не вносящие вклад в улучшение модели и демонстрирующие высокие кросс-корреляции (r >0,8).

Анализ выявил три частотных диапазона, связанных с клиническим улучшением: альфа-, низкочастотный и высокочастотный бета-диапазоны; причем связь с улучшением была обнаружена для параметров активности и в ON-, и в OFF-состояниях пациентов.

Финальная модель (R2=0,55; p <0,001) показала значимую прямую связь между клиническим улучшением и следующими факторами: мощностью низкочастотной бета-активности в OFF-состоянии пациента (p <0,001), мощностью альфа-активности в ON состоянии (p=0,03).

Обратным образом с клиническим улучшением были связаны факторы: мощность высокочастотной бета-активности (p=0,018) в ON-состоянии, доля высокочастотных бета-пачек (p=0,01) в ON-состоянии, стандартное отклонение длины альфа-пачек в OFF-состоянии (p=0,006) и доля альфа-пачек в ON-состоянии (p <0,001).

Связь мощности в низкочастотном бета-диапазоне с клиническим улучшением соответствует данным литературы [3], параметры пачечной активности в бета-диапазоне также, по некоторым данным, связаны с улучшением [4]. Однако мы обнаружили, что низкочастотные и высокочастотные бета-осцилляции ассоциированы с улучшением по-разному, а также мы обнаружили связь улучшения с альфа-активностью. На основании полученных результатов можно предположить, что для выбора наиболее эффективных контактов для стимуляции можно использовать ряд параметров локальных потенциалов СТЯ, которые не ограничиваются мощностью в широком бета-диапазоне, а включают параметры пачек и мощность как в обоих бета-, так и в альфа-диапазоне и имеют разнонаправленные связи с клиническим улучшением.

Моторное воображение (МВ) является одним из самых популярных «ментальных триггеров» для неинвазивных интерфейсов мозг-компьютер (ИМК). В частности, неоднократно предпринимались попытки продемонстрировать полезность МВ-ИМК в постинсультной реабилитации. Однако результаты таких испытаний остаются неоднозначными. Одним из возможных факторов, препятствующих эффективности этого подхода, может быть противоречие между характерной для МВ направленностью умственной деятельности исключительно вовнутрь (где она сосредоточивается на моделировании реальности) и предполагаемой важностью сенсорной обратной связи с реальным, физическим окружением в контексте терапии с использованием ИМК. Необходимость распределять ресурсы внимания между внутренними действиями и их последствиями во внешнем мире, кроме того, может являться причиной низкой точности классификаторов МВ-ИМК у большинства пользователей. Внутренний фокус внимания в МВ также может объяснить, по крайней мере частично, почему попытки объединить МВ-ИМК с технологиями взаимодействия на основе айтрекинга всегда были крайне неудачными, так как управление взглядом требует внешнего фокуса внимания.

Перспективной альтернативой моторному воображению в ИМК являются попытки движения (ПД), которые, как неоднократно демонстрировалось, лучше декодируются классификаторами ИМК, чем МВ (например, [1]). ПД — это попытки совершить реальные движения, для которых было сформировано намерение их совершить, но они не были совершены из-за паралича или ампутации. До сих пор исследованиям ПД уделялось очень мало внимания, возможно, из-за сложности их моделирования у здоровых участников экспериментов, а также из-за большой популярности МВ-ИМК. Подход к их моделированию у здоровых существует: это использование квазидвижений (КД), то есть волевых движений, которые минимизируются испытуемым до такой степени, что они в итоге становятся необнаруживаемыми объективными измерениями [2]. Однако КД с момента их открытия В.В. Никулиным и коллегами [2] изучались ещё меньше, чем ПД — возможно, из-за недостаточного понимания их отличия от МВ.

Недавно мы показали, что связанная с событиями десинхронизация сенсомоторного ритма в КД не зависит от остаточной электромиограммы (ЭМГ), поэтому, вопреки ранее существовавшим представлениям, методика КМ, по-видимому, может реализовываться без тщательного отслеживания ЭМГ, которое нередко невозможно [3]. Это открывает возможность более широкого использования КД в качестве альтернативы МВ в ИМК [3]. Кроме того, мы подтвердили и развили предыдущие наблюдения [2], показывающие близкое сходство КД с реальными движениями [4]. В настоящем сообщении мы рассказываем о наших первых результатах асинхронной классификации КД, которые могут стать основой для КД-ИМК, работающего в реальном времени.

Мы использовали ЭЭГ, записанную в исследовании [3] у 23 участников, которые выполняли КД и МВ синхронно с ритмичными звуковыми триплетами. Высоко интерпретируемая сверточная нейронная сеть SimpleNet [5] была обучена на подмножестве индивидуальных данных отдельно для КД и МВ, каждый раз в паре с референтной, немоторной задачей. Она была применена в оффлайн-режиме, без использования информации о времени подачи звука, к отдельному набору данных в окне 1,5 с с шагом 0,1 с. КД/МВ детектировались, если тест был положительным в 4 последовательных окнах, с рефрактерным периодом 3 с.

Учитывая высокую вариабельность показателей МВ-ИМК у необученных людей, мы оценивали работу классификатора только у участников, показавших TPR (частоту правильных срабатываний) >0,5. Мы обнаружили 7 таких участников при классификации КД и 5 при классификации МВ. КД имел тенденцию давать лучшее определение намерения, чем МИ: M±SD в КД и МВ, соответственно, составили 0,81±0,12 и 0,77±0,12 для TPR, 0,03±0,02 и 0,04±0,03 для частоты ложных тревог (с^–1), 2,81±0,06 и 2,86±0,10 для времени ответа (с); различия между КД и МВ, согласно тесту Манна–Уитни, не были значимыми.

Наши начальные результаты по моделированию асинхронных ИМК согласуются с предыдущими исследованиями, которые показали, что в синхронных парадигмах КД классифицируется лучше, чем МВ [2]. Отметим, что мы лишь слегка оптимизировали гиперпараметры SimpleNet, так что дальнейшее улучшение классификации представляется вполне достижимым. Учитывая лучшую классификацию ПД по сравнению с МВ [1] и предварительные результаты, представленные здесь, использование ПД конечными пользователями представляется многообещающим, и, вероятно, эту технологию можно будет развивать далее на основе использования КД в исследованиях, моделирующих ПД. Более того, сходство между КД, ПД и явными движениями указывает на возможность использования КД и ПД для передачи намерения в интерфейсах, управляемых взглядом, где явное моторное подтверждение работает отлично, но применение МВ-ИМК крайне неэффективно.

Болезнь Альцгеймера — нейродегенеративное заболевание, являющееся основной причиной деменции у пожилых людей. Лекарства от болезни Альцгеймера не существует. Недавно обнаруженный транзиторный рецепторный потенциальный канал канонического типа 6 (TRPC6) через внутриклеточный сигнальный путь регулирует стабильность дендритных шипиков и играет роль в формировании памяти. Было обнаружено, что нокдаун экспрессии TRPC6 препятствует поступлению нейронального депо-управляемого входа кальция. Гиперэкспрессия TRPC6 или его фармакологическая активация восстанавливает депо-управляемый вход кальция в нейронах гиппокампа при болезни Альцгеймера [1, 2]. Было показано, что гиперэкспрессия TRPC6 предотвращает потерю грибовидных шипиков на мышиных моделях болезни Альцгеймера [1], а также защищает нейроны от ишемического повреждения головного мозга. Мыши, которые сверхэкспрессируют TRPC6 в головном мозге, демонстрируют улучшение когнитивных способностей и увеличение образования возбуждающих синапсов. Таким образом, TRPC6 является перспективной молекулярной мишенью для разработки средств для лечения синаптической недостаточности. Недавно мы показали, что производное пиперазина, соединение 51164 (N-(2-хлорфенил)-2-(4-фенилпиперазин-1-ил)ацетамид) взаимодействует с каналами TRPC6, вызывает увеличение нейронального депо-управляемого входа кальция, увеличивает процент грибовидных шипов и восстанавливает синаптическую пластичность в амилоидогенных мышиных моделях болезни Альцгеймера [2]. Однако дальнейшие исследования 51164 установили, что соединение нестабильно в плазме и не проникает через гематоэнцефалический барьер (неопубликованные данные).

Цель исследования. Найти новое производное пиперазина, которое действует как позитивный модулятор, специфичный для TRPC6, и демонстрирует нейропротекторные свойства.

В текущем исследовании мы представляем исследования in silico и in vitro нового модулятора, специфичного для TRPC6. В результате исследований in silico мы отобрали лучшие из 14 соединений на основе производного пиперазина 51164, отвечающих всем критериям сходства с лекарственным препарата и проявляющих высокое сродство к активному центру TRPC6. С помощью метода визуализации кальция мы определили, что соединение z12_30 активирует TRPC6, но не структурно родственный канал TRPC3. Более того, используя подход молекулярной динамики, мы обнаружили, что z12_30 образует устойчивый комплекс с активным центром TRPC6. Таким образом, мы выбрали z12_30 в качестве ведущего соединения для дальнейшего исследования. Мы продемонстрировали, что z12_30 защищает грибовидные шипики гиппокампа от амилоидной токсичности in vitro и эффективно восстанавливает синаптическую пластичность в срезах мозга старых мышей 5xFAD. В доклинических исследованиях мы наблюдали, что z12_30 стабилен в образцах плазмы человека и мыши.

Мы предполагаем, что z12_30 является перспективным прототипом TRPC6-селективного препарата, подходящего для лечения синаптической недостаточности в пораженных болезнью Альцгеймера нейронах гиппокампа.

Категоризация — когнитивный процесс, ведущий к способности воспринимать похожие, но не идентичные стимулы, как эквивалентные [1–3]. Для того чтобы отнести объект к какой-либо категории, агент должен научиться распознавать ключевые признаки нового объекта, применяя знания, полученные от предыдущих взаимодействий с объектами этой категории [4]. Таким образом, категоризация избавляет агента от необходимости исследовать каждый новый объект заново, существенно расширяя его адаптивные возможности. Однако нервные механизмы этого процесса до сих пор остаются малоизученными.

Цель работы. Создание экспериментальной поведенческой модели, которая позволила бы исследовать нейробиологические механизмы, лежащие в основе зрительного категоризационного обучения.

В качестве модельного объекта были выбраны цыплята (Gallus gallus domesticus), известные своей способностью к быстрому зрительному научению. Для изучения категоризации использовали врождённую тенденцию цыплят клевать новые мелкие объекты и запоминать их характеристики. Цыплёнка помещали в клетку, аналогичную домашней, на полу которой были приклеены бусины. «Бусиничный пол» состоял из более чем 100 бусин разных цветов, и корма, рассыпанного между ними [5]. В разработанной модели ошибками считалось клевание бусинок, но не корма. Для обучения цыпленку давали совершить 80 клевков. В сеансе обучения оценивали за сколько клевков цыпленок способен сформировать категории — «бусинок» и «корма». В случае, если цыпленок совершал менее 5 клевков или в течение 10 минут не совершал 80 клевков, его исключали из исследования.

Вначале исследовали, как изменится поведение цыплят, если им одновременно предъявить две новых категории: и «корм», и «бусинки». Группа, у которой одновременно формировались категории «бусинок» и «нового вида корма», совершала больше ошибок во время обучения, но в тесте вела себя так же, как группа, у которой формировалась лишь одна категория «бусинки». Затем оценивали, смогут ли цыплята объединить в одну категорию объекты (бусинки) разного размера. Для этого во время обучения им предъявляли пол с маленькими бусинками, а в тесте предъявляли пол с бусинками большого размера. Оказалось, что цыплята не переносят категорию с маленьких бусинок на большие. В обратной ситуации, когда цыплятам предъявляли большие бусинки при обучении, а в тесте предлагали маленькие, последние бусинки они не клюют.

На следующем этапе исследовали роль цвета объектов в формирование новой категории. Оказалось, если цыплятам в тесте предъявить пол с добавлением одного нового цвета бусинок — жёлтого, — то большая часть ошибок связана именно с клеванием «нового типа бусинок». Затем задачу усложнили и оценивали, смогут ли цыплята перенести категорию «бусинок» на основе набора цветов № 1 (голубой, розовый, зелёный, жёлтый, чёрный серебристый) на категорию «бусинок» набора цветов № 2 (салатовый, бежевый, синий, красный, золотистый, белый) и наоборот с набора цветов № 2 на № 1. Оказалось, что цыплята формируют категории «бусинок» в двух вариантах задач, и после обучения не клюют бусинки нового цвета. Из этого следует, что цыплята способны сформировать категорию «бусинок» и «корма» и обобщать внутри категории.

Таким образом, в данной экспериментальной модели удалось доказать формирование категорий у цыплят при быстром обучении. Дальнейшее применение модели позволит исследовать нейробиологические механизмы, лежащие в основе категоризационного обучения.

Естественные ситуации обучения обычно включают комплексные стимулы, состоящие из нескольких сенсорных модальностей. Элементные теории обучения предполагают, что каждый компонент комплексного сигнала кодируется и ассоциируется отдельно. Конфигуральные теории предсказывают, что репрезентация полного комплексного сигнала формируется и ассоциируется со вторым событием. Нами была разработана модель условно-рефлекторного замирания на комплексный условный сигнал (КУС) или его отдельные световой и звуковой компоненты у мышей. Данная модель была использована, чтобы проверить рассмотренные выше альтернативные теории. Нами была исследована динамика памяти о комплексном условном сигнале и его компонентах. Мы обнаружили, что память о данных компонентах созревает в течение различных промежутков времени после обучения: память о звуковом условном стимуле и звуковом компоненте КУС проявляется сразу после обучения, а память о световом условном стимуле и световом компоненте КУС дозревает в течение 3 дней. При этом память о КУС, его компонентах и дискретных условных стимулах хранится длительно, вплоть до 1 месяца. Сходная диссоциация была обнаружена в экспериментах по угашению. Было показано, что при начале процедуры угашения через 1 день после обучения угашение памяти об 1 компоненте КУС не влияет на память о другом компоненте КУС. При начале процедуры угашения через 7 дней после обучения, когда память полностью дозрела, угашение памяти об 1 компоненте КУС также приводит к угашению памяти о другом компоненте. Далее нами был проведён с-Fos имиджинг активности клеток в фронтальной, прелимбической, цингулярной, ретросплениальной, париетальной, первичной и вторичной зрительных, первичной и вторичной слуховых областях неокортекса, а также в гиппокампе и миндалине после обучения на полный комплексный сигнал или его компоненты. Было обнаружено, что обучение на комплексный сигнал и дискретные сигналы вызывают различные паттерны активации неокортекса — прелимбическая и фронтальная ассоциативная области коры активировались при обучении на комплексный, но не на дискретные сигналы. Мы показали, что только извлечение памяти о полном комплексном сигнале, но не о его компонентах активировало париетальную, первичную зрительную область и медиолатеральную область вторичной зрительной коры, а также область СА1 гиппокампа. Нами был проведён in vivo двухфотонный имиджинг вызванной реактивацией памяти экспрессии с-Fos в париетальной коре трансгенных мышей линии fos-EGFP. Мы обнаружили, что существуют по крайней мере три популяции нейронов с различной специфичностью ответов на комплексный сигнал и его компоненты. Таким образом, наши данные свидетельствуют о том, что комплексные сигналы могут иметь как интегральные, так и элементные репрезентации. Эти репрезентации могут использоваться в поведении независимо, а также иметь различную динамику в долговременной памяти.

Болезнь Альцгеймера (БА) представляет собой нейродегенеративное заболевание, поражающее в большинстве случаев людей преклонного возраста, отличительной чертой которого является прогрессирующая потеря памяти. В настоящий момент не существует эффективной лекарственной терапии. Результаты клинических исследований, посвящённых изучению лекарственных свойств амилоид-связывающих антител, указывают на сложный мультифакториальный механизм патогенеза БА и необходимость поиска новых молекулярных мишеней, таргетно воздействуя на которые при помощи фармакологических агентов можно замедлить прогрессирование заболевания.

Кальциевая гипотеза БА утверждает, что нарушение Ca²⁺ гомеостаза через аномальное функционирование кальций-проницаемых белков, таких как ионные каналы плазматической мембраны (NMDAR, AMPAR, VGCC), ионные каналы внутриклеточных депо ЭПР (RyanR, IP3R), депо-управляемые каналы (TRPC6-зависимый), белок, образующий митохондриальную пору (mPTP), лежит в основе патогенеза БА. В подтверждение функциональности кальциевой гипотезы, единственный временно облегчающий симптомы БА фармакологический препарат — блокатор NMDAR — мемантин.

Потеря синапсов в мозге пациентов с БА коррелирует с когнитивными дисфункциями. Препараты, ограничивающие потерю синапсов, являются многообещающими фармакологическими агентами. Катионный канал переходного рецепторного потенциала, подсемейство C, член 6 (TRPC6) регулирует образование возбуждающего синапса. Положительная регуляция TRPC6 приводит к увеличению образования синапсов, улучшению обучения и памяти в моделях на животных. Таким образом, каналы TRPC6 представляют собой привлекательную молекулярную мишень. Ранее мы показали, что каналы TRPC6 являются ключевыми регуляторами депо-управляемого входа кальция (nSOCE) в нейроны гиппокампа [1]. TRPC6-зависимый nSOCE необходим для поддержки грибовидных шипиков и защиты их от амилоидной токсичности in vitro. Было показано, что TRPC6-положительные регуляторы могут восстанавливать дефицит долговременной потенциации в срезах мозга, полученных от трансгенных мышей с БА. Однако ранее все испытанные нами соединения, нацеленные на TRPC6, не преодолевали гематоэнцефалический барьер (ГЭБ).

Недавно был идентифицирован новый селективный агонист TRPC6, 3-(3-,4-дигидро-6,7-диметокси-3,3-диметил-1-изохинолинил)-2H-1-бензопиран-2-он (C20). [2]. Мы исследовали терапевтический профиль нового селективного положительного модулятора TRPC6 и продемонстрировали, что C20 связывает TRPC6 в его внеклеточной части в сайте связывания агониста. C20 проявляет синаптопротекторные свойства in vitro и восстанавливает синаптическую пластичность в срезах мозга старых мышей 5xFAD. С20 эффективно проникал через ГЭБ, не вызывая острую и хроническую токсичность в диапазоне доз 10–100 мг/кг. Внутрибрюшинные инъекции 10 мг/кг C20 в течение 14 дней усиливают как зависимую от гиппокампа контекстную, так и независимую от гиппокампа память о страхе у мышей 5xFAD [3]. Таким образом, C20 может быть признан перспективным соединением, специфичным для TRPC6, которое может уменьшить снижение когнитивных функций.

Синаптическая пластичность играет важную роль в функционировании нейронных сетей в процессах развития, перцепции, обучении и памяти. Однако, поскольку клеточные и молекулярные механизмы синаптической пластичности исследуются главным образом на упрощенных препаратах, представления о роли синаптической пластичности в механизмах работы корковых сетей являются в значительной степени коррелятивными. В настоящее время подавляющее большинство работ по синаптической пластичности посвящено исследованию гомосинаптической (ассоциативной, хеббовской) пластичности, при которой модификации подвергаются те же синапсы, которые непосредственно участвовали в процессе индукции пластичности. Однако помимо гомосинаптической пластичности, в работе нейронных сетей играет важную роль гораздо менее изученная гетеросинаптическая пластичность, возникающая в синапсах, которые не были активны во время индукции [1, 2]. В ходе нашей работы мы исследовали роль гетеросинаптической пластичности, вызванной внутриклеточной тетанизацией пирамидных нейронов зрительной коры мыши, в модификации ответов этих клеток на зрительную стимуляцию in vivo.

В первой серии экспериментов нейроны зрительной коры наркотизированной мыши регистрировались внутриклеточно методом whole-cell patch clamp. Для исследования влияния гетеросинаптической пластичности на зрительные ответы в нашей работе использовался протокол внутриклеточной тетанизации. Во время тетанизации в регистрируемом нейроне вызывались серии из 10 пачек по 5 потенциалов действия с частотой 100 Гц каждую секунду; всего было 5 таких серий с интервалом 60 секунд. В многочисленных экспериментах на срезах мозга ранее было показано, что подобный протокол вызывает массированные пластические перестройки синаптических входов на данный нейрон: часть входов потенциируется, часть депрессируется, часть остается без изменений (см. обзор [3]). В качестве зрительных стимулов мы использовали вертикальные и горизонтальные полосы, движущиеся в двух противоположных направлениях. Для предотвращения генерации потенциалов действия в клетку постоянно подавался небольшой гиперполяризующий ток и, таким образом, ответы на зрительные стимулы представляли собой изменения мембранного потенциала клеток. Было выявлено, что внутриклеточная тетанизация вызывает достоверное увеличение амплитуды и площади ответа на оптимальный стимул (по ориентации и направлению движения), притом, что ответы на другие стимулы значимо не меняются. Следствием этого явилось увеличение упрощённого индекса дирекциональной селективности нейронов в группе с тетанизацией, который мы рассчитывали как отношение амплитуды ответа на стимул, движущийся в оптимальном направлении к амплитуде ответа на стимул, движущийся в противоположном направлении.

Для исключения эффекта перфузии внутриклеточной среды клетки, неминуемо происходящей при регистрации методом whole-cell patch clamp, а также для возможности записывать ответы клеток в течение более длительного времени после тетанизации, мы провели отдельную серию экспериментов с экстраклеточной регистрацией активности клеток и их оптогенетической стимуляцией с помощью оптического волокна, заведённого внутрь регистрирующего микроэлектрода. За две недели до эксперимента быстрый канальный родопсин oChiEF был экспрессирован методом вирусной трансдукции в пирамидных нейронах 2/3 слоя зрительной коры мышей. В ходе эксперимента в течение 15–40 минут производилась регистрация зрительных ответов, после чего производилась отптогенетическая тетанизация, вызывающая в исследуемом нейроне пачки потенциалов действия с частотой от 75 до 100 Гц, после чего мы продолжали регистрировать зрительные ответы исследуемых нейронов, по крайней мере, в течение 40 минут и более. В этой серии экспериментов мы регистрировали потенциалы действия, возникающие в нейронах в ответ на зрительную стимуляцию, которая была аналогичной той, которая использовалась в экспериментах с внутриклеточной регистрацией. Затем по ответам строились суммарные постстимульные гистограммы. Было выявлено, что после внутриклеточной тетанизации происходит достоверное снижение амплитуды ответа на оптимальный стимул при отсутствии значимых изменений ответов на другие ориентации и направления движения стимула. Таким образом, в этой серии экспериментов внутриклеточная тетанизация приводила к снижению индекса дирекционной селективности клеток, то есть был получен результат прямо противоположный тому, который был получен в экспериментах с внутриклеточной регистрацией. Для объяснения данного противоречия мы провели теоретические эксперименты на модельном нейроне Leaky Integrate and Fire (LIF). Для воспроизведения дирекциональной селективности нейронов мы использовали модель, в которой дирекциональная селективность возникает в результате того, что пики тормозных и возбуждающих компонент зрительного ответа имеют несколько разное положение при движении стимула в оптимальном и неоптимальном направлении [4]. Мы провели моделирование при двух разных потенциалах покоя: –90 мВ, что имитировало эксперименты с внутриклеточной регистрацией и инъекцией гиперполяризующего тока, и при –65 мВ, что моделировало эксперименты с экстраклеточной регистрацией спайкового ответа клетки в режиме UP-state. Оказалось, что наблюдаемая нами ситуация может быть описана моделью, если предположить, что тетанизация вызывает потенциацию как возбуждающего, так и тормозного компонента ответов.

В экспериментах на переживающих срезах зрительной коры нами было выявлено, что внутриклеточная тетанизация пирамидного нейрона 2/3 слоя зрительной коры приводит к сбалансированным гетеросинаптическим изменениям возбуждающих входов, приходящих на удалённые от сомы участки дендритов (сумма изменений всех входов после тетанизации равна нулю, то есть потенциация уравновешивает депрессию), при этом вызывая несбалансированную потенциацию возбуждающих перисоматических входов. Кроме того, ранее было найдено, что генерация высокочастотных пачек потенциалов действия в пирамидных нейронах 5-го слоя неокортекса вызывает потенциацию их тормозных перисоматических входов, приходящих от близлежащих парвальбуминовых интернейронов [5]. По аналогии с вышецитированной работой мы предполагаем, что внутриклеточная тетанизация пирамидного нейрона 2/3 слоя зрительной коры в наших экспериментах также могла приводить к потенциации перисоматических тормозных входов и одновременной потенциации перисоматических возбуждающих входов, развивающихся по механизму гетеросинаптической пластичности. При общей сбалансированности изменений возбуждающих и тормозных входов это, как показывают наши модельные эксперименты, могло приводить к наблюдаемым нами изменениям дирекциональной селективности клеток.

Таким образом, можно предположить, что высокочастотная спайковая активность, возникающая в зрительном корковом нейроне в отсутствии специфической сенсорной активации, например, во время сна, может приводить к снижению дирекциональной селективности клеток, что обеспечивает нейронам возможность более тонкой подстройки характеристик их зрительных ответов к новым зрительным сценам во время бодрствования. Возможно, что механизмом, лежащим в основе такой подстройки, является потенциация перисоматических возбуждающих и тормозных синаптических входов, развивающаяся по механизму гетеросинаптической пластичности.

Младший школьный возраст характеризуется бурным развитием произвольных форм деятельности, которые являются когнитивными предикторами академической успешности у детей [1]. Современные исследования показывают, что успех учебной деятельности во многом определяется уровнем развития рабочей памяти, когнитивной гибкости и самоконтроля — всё это относится к управляющим функциям мозга, а также уровнем развития слухоречевой памяти, который оказывает прямое влияние на развитие техники чтения и умение формулировать и излагать мысли [2, 3]. При этом, согласно различным источникам, число отстающих школьников в начальных классах варьируется от 15 до 40%, что может приводить к значительным длительным когнитивным, социальным трудностям и позволяет прогнозировать различные психосоциальные последствия. Именно поэтому возрастает значимость профилактических мер по развитию данных функций в младшем школьном возрасте, которые предупреждают формирование психических дефектов как основных факторов дезадаптации ребенка в обществе.

Работа посвящена анализу эффективности использования авторской дистанционной программы «Добрый Слон» для развития слухоречевой памяти, произвольного внимания и управляющих функций младших школьников.

Программа рассчитана на прохождение различных заданий в течение 7 недель в соответствии со стандартизированными методиками, а также с учётом нейродинамических показателей детей в данном возрасте.

В исследовании приняло участие 76 детей 7–9 лет, учащиеся 1 и 2 классов, соответственно (44 младших школьника проходили развивающую программу «Добрый Слон», а 32 — составили контрольную группу).

С помощью слухоречевой пробы и компьютерных методик «Анализ понимания предложений», «Корректурная проба Бурдона», «Руки-ноги-голова», «Понимание близких по звучанию слов» получены данные об уровне развития управляющих функций, произвольного внимания и слухоречевой памяти школьников в двух срезах с разницей в 7 недель [4]. Для изучения субъективной оценки работы функций программирования и контроля детей родители заполняли опросник BRIEF (Behavior Rating Inventory of Executive Function) до и после исследования [5]. Проведён анализ с целью определения значимости различий показателей между результатами двух групп.

Это работа показывает, что навык регулирования поведения, способность концентрировать внимание на одном виде деятельности, индекс утомляемости, продуктивность, объём слухоречевой памяти могут быть скорректированы и улучшены при помощи дистанционной методики развития.

Таким образом, развитие функций младших школьников может происходить в дистанционном формате, что решает проблему доступности развивающих мероприятий для родителей и даёт возможность большему количеству детей не отставать от сверстников и успешно проявляться в социальной среде. Авторы считают, что гаджеты вполне допустимы в повседневной жизни детей в определённом количестве, если правильно их адаптировать под развивающийся мозг.

Согласно недавним исследованиям, ингибиторы гистондеацетилаз блокируют активность гистондеацетилаз и, таким образом, усиливают ацетилирование гистонов [1, 2], что способствует улучшению долговременной памяти и долговременной потенциации [3, 4], а также восстанавливает дефицит памяти [5]. Недавно мы продемонстрировали, что ингибитор гистондеацетилаз бутират натрия действует как когнитивный усилитель недавней памяти о страхе у крыс.

Цель работы. Изучение способности ингибитора гистондеацетилаз бутирата натрия улучшать ослабленную отставленную условно-рефлекторную память о страхе у крыс. Эксперимент проводили на самцах и самках крыс Wistar и Long Evans. Животных приучали к «рукам» ежедневно в течение 1 недели перед экспериментами. Затем животных обучали в модели условно-рефлекторного замирания: безусловный раздражитель (БС) — электрический ток — сочетался с условным раздражителем (УС) — контекст; рассчитывали продолжительность замирания (тестовая сессия Т0). Через 24 часа после процедуры обучения (тестовая сессия Т1) животные демонстрировали достоверно большую длительность замирания, что указывало на наличие успешного обучения. Затем измеряли реакцию замирания этих животных при тестировании через 6 месяцев после процедуры обучения (тестовый сессия Т2). Сразу после T2 контрольным группам внутрибрюшинно вводили инъекции физиологического раствора, тогда как экспериментальные группы получали инъекции бутирата натрия. Продолжительность замирания во всех группах оценивали в последующем тестовом испытании (Т3) через 24 часа.

После обучения все группы крыс демонстрировали достоверно большую продолжительность замирания, что свидетельствовало о формировании контекстной памяти страха (тестовая сессия Т1 по сравнению с тестовой сессией Т0). При тестировании через 6 месяцев (тестовая сессия Т2) все группы показали достоверно меньшее замирание по сравнению с тестовой сессией Т1. Сразу после Т2 экспериментальным группам внутрибрюшинно вводили бутират натрия, тогда как контрольным группам вводили стерильный физиологический раствор. Спустя 24 часа (тестовая сессия T3) мы обнаружили, что крысы, получавшие бутират натрия, демонстрировали значительно более сильную реакцию замирания на контекст, чем контрольная группа крыс, получавшая физиологический раствор. Кроме того, у групп, получавших бутират натрия, при тестировании Т3 уровни замирания достоверно не отличались от показателей замирания во время тестовой сессии Т1. Группы самок и самцов, которым вводили бутират натрия, демонстрировали схожий уровень замирания и не различались во всех тестовых сеансах. Таким образом, мы обнаружили, что введение ингибитора гистондеацетилаз бутирата натрия на фоне реактивации памяти приводило к восстановлению ослабленной отставленной памяти о страхе у крыс. На основании полученных результатов можно предположить, что повышенный уровень ацетилирования гистонов способствует улучшению памяти о страхе, что согласуется с более ранними исследованиями, демонстрирующими роль ингибиторов гистондеацетилаз в механизмах памяти.

Как правило, строение каркаса роботов-рыб имеет достаточно серьёзные отличия от реального организма. Одним из них является большая разница в количестве сегментов тела. Если живые рыбы имеют от 16 (рыба-луна) до 400 (рыба-ремень) [1], то роботы редко имеют больше 5–6 сегментов. Это обусловливается отсутствием необходимости хирургической точности при конструировании для имитации движения. Вместе с тем такой подход приводит также к рестрикции существенной части структуры управляющего контура в сравнении с нервной системой рыб, поскольку контролировать необходимо существенно меньшее число узлов-сегментов тела.

Было продемонстрировано, что системы управления на основе осцилляторов различного типа способны имитировать работу центральных генераторов рыб [2–4]. В общем случае ЦГР рыб представляет собой взаимосвязанные и взаимотормозящие друг друга полуцентры, каждый из которых отвечает за мышцы-антагонисты. В таком случае характеристики паттерна, воспроизводимого генератором, определяются благодаря взаимному влиянию связанных между собой пар осцилляторов-антагонистов. При этом механизм взаимодействия полуцентров друг на друга подбирается таким образом, чтобы соответствовать конечным желаемым параметрам паттерна движения.

Такой «искусственный» подход совершенно не подходит при работе со спайковыми нейронами. Связано это с тем, что механизмы взаимодействия между клетками чётко определены. Кроме того, изменение характеристик воздействия клеток друг на друга нежелательно при создании биологически релевантной модели. Здесь мы демонстрируем, что применение некоторых физиологических особенностей рыб при дизайне структуры ЦГР на основе спайковых нейронов способно расширить возможности такой системы.

Ранее нами была продемонстрирована полуцентровая модель ЦГР на основе нейронов Ижикевича [5], способная выполнять функции управляющего контура для робота тунца. Несмотря на то, что данная разработка отражает основные принципы организации ЦГР у рыб, воспроизвести на ней режим работы генераторов, характерный для щуки, оказалось затруднительно. Связано это с тем, что ангулиформный тип локомоций предполагает наличие движущейся волны, а значит отставание по фазе в активации полуцентров.

Ключевой особенностью физиологии рыб, которая стала возможным решением проблемы, является характер соединения мышечных волокн в теле рыбы. Отдельный мышечный сегмент называется миомером, а их количество соответствует числу позвонков, а значит и спинальных центров, составляющих ЦГР. При этом миомеры имеют зигзагообразную форму. В результате для сгибания тела в одной точке необходимо синергичное взаимодействие нескольких миомеров и, соответственно, сегментов ЦГР.

В то время, как наша модель предполагает использование лишь 5 сегментов ЦГР для управления всей рыбой, у настоящей щуки число сегментов равно 56–65. Поэтому мы предположили, что достижение необходимой разницы в фазе активации между частями генератора возможно при увеличении количества узлов генератора, отвечающих за работу одного движителя.

Действительно, увеличение количества передаточных сегментов, привело к созданию постоянной разности фаз активации следующих друг за другом частей ЦГР.

Тем не менее использование дополнительных сегментов не решает задачу управления частотой работы ЦГР и переключения между паттернами. Поэтому в дальнейшем мы планируем включить в модель нейроны различных типов, описанных для ЦГР, а также добавить обратную связь для коррекции режимов его работы.

Визуализация активности нейронов головного мозга in vivo является важной задачей в современной нейробиологии. Информация об изменениях, происходящих в нейронных сетях различных отделов головного мозга при нейродегенеративных заболеваниях (например, таких, как болезнь Альцгеймера), полученная на in vivo уровне, может показывать функциональные нарушения в нейронных связях на их ранних стадиях. Одним из современных методов получения данных о нейронной активности in vivo является метод миниатюрной флуоресцентной микроскопии, позволяющий прижизненно регистрировать возбуждение в нейронной сети областей мозга с их последующим анализом [1]. Miniscope V4 (минископ, миниатюрный флуоресцентный микроскоп) позволяет работать со свободно передвигающимися лабораторными животными, что выгодно отличает его от других методов визуализации in vivo, например двухфотонной микроскопии.

В данной работе производили инъекции аденоассоциированного вируса, переносящего ген флуоресцентного кальций-чувствительного белка GCaMP6f в область соматосенсорной коры головного мозга (AP-2.1, ML+2.1, DV-0.05) мышей 3-месячного возраста линии C57Bl/6J совместно с установкой прозрачного стеклянного краниального окна размером 5×5 мм над местом введения вируса, и через 4 нед поверх этого краниального окна устанавливался и закреплялся Baseplate для фиксации и удержания Miniscope V4 над покровным стеклом для in vivo регистрации изменения уровня кальция.

В будущих исследованиях такая комбинация введения аденоассоциированного вируса, переносящего ген белка GCaMP6f в область соматосенсорной коры головного мозга, и установки прозрачного стеклянного краниального окна над соматосенсорной корой для установки Miniscope V4, также будет производиться на мышах 3-месячного возраста линии 5xFAD с моделью болезни Альцгеймера для сравнения активностей нейронных сетей соматосенсорной коры головного мозга у свободно передвигающихся мышей дикого типа и мышей линии 5xFAD и выявления различий в функционировании данных нейронных сетей. По мере реализации этих исследований полученные с помощью Miniscope V4 данные об активности нейронов соматосенсорной коры головного мозга у мышей дикого типа (линия C57Bl/6J) и трансгенных мышей с моделью болезни Альцгеймера линии 5xFAD найдут применение при сравнении состояния нейронных сетей соматосенсорной коры головного мозга в различных поведенческих тестах. В будущих исследованиях также будет выполнен анализ активности нейронов соматосенсорной коры головного мозга во время стимуляции вибриссов, поскольку проведённые исследования демонстрируют аномально высокую активность популяций нейронов в области соматосенсорной коры головного мозга у мышей линии 5xFAD с болезнью Альцгеймера [2]. Все полученные данные будут иметь большую значимость при проведении фармакологических испытаний новых потенциальных терапевтических агентов для лечения болезни Альцгеймера.

Миниатюрная флуоресцентная микроскопия — это метод, который позволяет нейробиологам визуализировать и регистрировать нейронную активность определённой области мозга in vivo у свободно передвигающихся животных [1]. Использование минископа может стать новым подходом к получению массивных данных о структуре, функционировании и организации нейронной сети интересующей структуры на уровне in vivo [2, 3]. Таким образом, минископ можно было бы использовать также для определения изменений, происходящих из-за патологических состояний, таких как припадки, нейродегенеративные заболевания и когнитивные последствия, связанные с перенесённой вирусной инфекцией, например вирусом гриппа. Данные, полученные с помощью миниатюрной флуоресцентной микроскопии, содержат информацию о сотнях одновременно зарегистрированных нейронов с их исходными связями и функциональными свойствами. Чтобы перейти от качественного анализа записанных данных к количественному, наша группа разработала набор инструментов с открытым исходным кодом Minian [4]. Он предоставляет возможность получать статистические метрики из обработанный записи, полученной с помощью минископа. С помощью самостоятельно разработанного инструментария в текущем исследовании было определено состояние нейронной сети в нормальных условиях в тесте «Открытое поле».

В текущем исследовании была проведена инъекция вируса AAV-GCaMP6f в гиппокамп 5-месячным диким мышам линии B6SJL, и через 3 нед над областью интереса (гиппокампом) была имплантирована градиентная линза с последующей фиксацией опорной площадки. Изменения уровня кальция регистрировали с помощью Miniscope V3 в тесте «Открытое поле». Для количественного анализа полученных данных об активности нейронов был разработан программный пакет, как уже упоминалось выше. В результате было определено, что в течение нескольких дней наиболее стабильными статистическими метриками были коэффициент корреляции Пирсона для метода активного состояния (значения коэффициента корреляции, который основан на бинаризованных данных сегментации активной фазы) и уровень сетевой активности (доля подключённых нейронов в зависимости от уровня, определяющего наличие подключения), который был практически неизменяемым в течение пяти дней записи. Более того, метод PCA, применённый к рассчитанным статистическим метрикам, показал очень тесную взаимосвязь между координатами, описывающими активность нейронной сети гиппокампа в нормальных условиях, в течение пяти дней теста.

Мы предполагаем, что использование метода миниатюрной флуоресцентной микроскопии при количественном анализе может быть очень полезным инструментом для выявления сдвигов в нейронных сетях в случае прогрессирования нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера [5], а также выявления возможных изменений после неврологических осложнений вирусных инфекций и т.д.

Несмотря на то, что принципы развития центральной нервной системы предопределены генетически, нейронная активность коры при этом также критически необходима. Хотя этот вопрос является достаточно важным, на данный момент наше понимание той роли, которую нейронная активность играет в формировании функционально связанных ансамблей в развивающейся коре, довольно ограничено. Недавно было показано, что в соматосенсорной баррельной коре во время критического периода ее развития существуют транзиентные тормозные нейронные проекции. Наличие связей между нейронами инфрагранулярного и других слоев именно в период формирования баррелей говорит о критически важной роли этих связей в формировании зрелой колонковой организации баррельной коры. Несмотря на то, что найдены тормозные связи, остается вопрос, исчерпывается ли этим транзиентная коннективность в критический период развития баррельной коры, или же на этом этапе присутствуют оба типа (как тормозные, так и возбуждающие связи).

В данной работе мы попытались ответить на этот вопрос с помощью метода оптогенетической стимуляции нейронов инфрагранулярных слоев соматосенсорной баррельной коры неонатальных мышей in vitro. Вирусный вектор серотипа AAV.PHP.eB, содержащий последовательность канального родопсина-2, а также флуоресцентной метки Venus под человеческим синапсиновым промотором hSyn, вводился в мозг мыши методом церебрально-желудочковой инъекции на нулевой постнатальный день. Такой протокол трансдукции обеспечивал экспрессию конструкции в нейронах коры преимущественно 2/3, 5 и 6 слоев на седьмой постнатальный день. На седьмой постнатальный день были приготовлены переживающие корональные срезы мозга, содержащие баррельную кору. В рамках одной кортикальной колонки производилась оптогенетическая картирующая стимуляция инфрагранулярных слоев при одновременной электрофизиологической регистрации пирамидных нейронов в гранулярном слое. Нейроны регистрировались методом пэтч-кламп в конфигурации «целая клетка». Фиксируемый потенциал варьировался для того, чтобы различать между собой возбуждающие и тормозные постсинаптические токи.

Результаты наших предварительных экспериментов в неонатальной соматосенсорной коре свидетельствуют о наличии нейрональных проекций из инфрагранулярных слоев в гранулярный слой, что согласуется с уже известными данными. Однако в четвертом слое коры нами были зарегистрированы не только тормозные, но и возбуждающие постсинаптические токи, вызванные стимуляцией инфрагранулярных слоев, что позволяет сделать предположение о наличии возбуждающих связей между инфрагранулярными и гранулярным слоями на ранних этапах постнатального развития. Хотя необходимо проведение дальнейших экспериментов с регистрацией, наши результаты дают основания говорить о существовании еще более сложных, чем предполагалось ранее, сетевых взаимодействий, которые формируют облик четвертого слоя баррельной коры на ранних постнатальных стадиях развития.

Формирование устойчивых когнитивных специализаций нейронов находится в центре внимания современной нейронауки. Важным примером таких специализаций являются пространственные специализации нейронов места, имеющих одно или несколько пространственно-рецептивных полей (полей места) [1].

В предыдущих исследованиях нами была подробно проанализирована динамика формирования полей места в нейронах гранулярного слоя поля CA1 гиппокампа мышей в задаче произвольной свободной навигации в кольцевом треке [2]. В качестве основного параметра стабильности пространственной специализации нейронов места нами была предложена динамическая селективность, позволяющая отслеживать латенцию формирования каждого из полей места, а также динамику селективности нейронов места по отношению к соответствующим полям места как в течение одной сессии съёмки, так и между разными сессиями. Однако в одномерных средах, таких как упомянутый выше кольцевой трек, поля места могут проявлять специфичность относительно направления движения животного [3], что существенно усложняет анализ в случае произвольности траектории движения. В связи с этим нами были проведены дополнительные эксперименты по съёмке нейронной активности мышей в двухмерных средах: в прямоугольном открытом поле с объектами, а также в круглой арене с изменяемым количеством препятствий.

В настоящей работе проведён сравнительный анализ основных параметров динамики формирования пространственных специализаций (латенция специализации, средняя динамическая селективность, начальный прирост селективности, доля «немедленных» полей места, т.е. стабильных с самого первого их посещения животным) в одномерном кольцевом треке и в двухмерных аренах. Обнаружено, что средняя селективность полей места возрастала во всех сессиях, достигая бόльших значений в повторных сессиях по сравнению с первой сессией в новой для животного обстановке. При этом доля «немедленных» полей места оставалась значительной, изменяясь от 11% всех полей места в круглой арене с препятствиями до 25% всех полей места в кольцевом треке.

Кроме того, нами был проведён популяционный анализ нейронной активности для первой сессии в кольцевом треке и в круглой арене с препятствиями. В результате понижения размерности популяционных векторов при помощи лапласовых собственных карт была реконструирована траектория животных, причём точность такой реконструкции находилась в согласовании со средней динамической селективностью для каждого из животных, взятых в анализ. Тем самым была проведена верификация динамической селективности как меры качества кодирования пространства всей зарегистрированной популяции нейронов.

По оценкам ВОЗ, почти 1% населения Земли страдает эпилепсией. Несмотря на успехи в разработке новых противоэпилептических препаратов, припадки не удается полностью устранить почти у трети пациентов.

Одним из перспективных подходов к лечению эпилепсии может стать генная терапия. Поскольку эпилептическая активность вызвана дисбалансом между возбуждением и торможением, исследователи в первую очередь сосредоточились на регулировании возбудимости нейронов. Первоначально основные подходы были основаны на гиперэкспрессии тормозных пептидов, таких как галанин или NPY, или подавлении возбудимости нейронов путем гиперэкспрессии калиевых каналов в нейронах. Однако эти эффекты должны быть хорошо рассчитаны и строго дозированы, так как впоследствии трудно скорректировать экспрессию. Если экспрессия будет слишком низкой, противосудорожный эффект не будет достигнут, а если экспрессия будет слишком высокой, нейронные сети будут нарушены из-за сильного торможения.

По этой причине большой интерес представляют методические подходы к лечению, при которых можно контролировать влияние на возбудимость нейронов в эпилептическом очаге. Оптогенетические методы дают такое преимущество. Оптогенетика использует свет для изменения возбудимости определенных популяций нейронов и может также использоваться в парадигме биологической обратной связи, в которой источник света активируется только при риске возникновения судорожной активности. В настоящее время разработан целый ряд оптогенетических инструментов, включающий светоактивируемые катионные (например, ChR2) и анионные каналы (ACR), метаботропные рецепторы, помпы (NpHR, Arch) и энзимы. Однако оптогенетический подход сопряжен с рядом технических трудностей при доставке источника света и риском развития иммунного ответа на экспрессию родопсинов.

В данном докладе рассматривается опыт практического применения оптогенетических инструментов при использовании 4-аминопиридиновой in vitro модели эпилептиформной активности в переживающих срезах энторинальной коры. Мы проверили эффективность подавления иктальной активности с помощью нескольких вариантов оптогенетической стимуляции: (1) активации возбуждающих и тормозных нейронов (на мышах Thy1-ChR2-YFP), (2) активации только тормозных интернейронов (на мышах PV-Cre после инъекции вируса с геном каналородопсина-2), гиперполяризации возбуждающих нейронов после экспрессии (3) археродопсина или (4) светозависимой натриевой помпы. Мы выявили, что иктальная активность успешно подавлялась, когда низкочастнотная оптогенетическая стимуляция вызывала регулярную интериктальную активность. Обычно интериктальная активность запускалась при ритмической синхронной активации главных нейронов энторинальной коры. В остальных случаях иктальная активность сохранялась, хотя ее свойства могли изменяться. Нами определены параметры оптогенетической стимуляции, которые оказались наиболее эффективными для подавления иктальной активности.

Наличие широкого спектра подходов генной терапии эпилепсии, продемонстрировавших эффективность в доклинических исследованиях, позволяет предположить, что клинические испытания некоторых из этих подходов начнутся в ближайшие несколько лет.

В настоящем докладе представлено текущее состояние дел в реализации аппаратных ускорителей искусственного интеллекта на базе практически успешных нейросетевых алгоритмов первого и второго поколений на основе формальных нейронных сетей (ФНС), отмечаются недостатки существующих решений и намечаются пути их преодоления с использованием аналоговых нейроморфных архитектур.

Последние создаются на принципах строения и функционирования живой нервной системы, с использованием искусственных нейронов и моделей синаптических контактов – так называемых мемристоров, электрически перезаписываемых наноразмерных элементов энергонезависимой памяти [1-3]. С применением этих элементов возможно как существенное увеличение производительности и энергоэффективности ускорителей алгоритмов на базе ФНС [4-6], так и формирование перспективных вычислительных систем на основе биоподобных нейросетевых алгоритмов 3-го поколения – импульсных, или спайковых, нейронных сетей (СНС) [7-9].

Обсуждается оригинальный способ обоснования оптимальных правил локальной настройки синаптических связей СНС с частотным кодированием информации и возможность их реализации в виде правил ассоциативного обучения типа динамической пластичности, зависящей от временных интервалов между импульсами (STDP) [10]. Продемонстрированы результаты по исследованию устойчивости обучения СНС к вариабельности характеристик мемристоров как аналоговых элементов, а также использованию шума в качестве конструктивного фактора при обучении и удержании мемристивных весов импульсной сети [7, 11].

Также, обсуждаются подходы к реализации локальных правил дофаминоподобного обучения с подкреплением в СНС, которые необходимы для формирования аналога системы «потребностей» интеллектуального агента в процессе его автономного функционирования [12, 13, 14]. Рассмотрены первые результаты по созданию прототипа мемристивного имплантируемого устройства, нейропротезирующего двигательную активность животного [15, 16].

Наконец, демонстрируются возможные аппаратные решения как для нейрональных элементов, так и для синаптических связей на базе перспективных мемристивных устройств, подходящих для указанных типов локального обучения, представлены концепция и первые результаты по созданию аналогового нейроморфного процессора на базе вышеуказанных компонент.

Таким образом, дается попытка систематизации существующих и авторских оригинальных способов реализации энергоэффективных компактных аналоговых нейроморфных вычислительных систем искусственного интеллекта, функционирующих в режиме реального времени и (само-)обучаемых в течение всего срока службы устройства.

Визуализация кальция (Ca²⁺) является широко используемым методом в нейробиологии для прижизненной регистрации нейронной активности. Она представляет собой оптическое измерение концентрации кальция с помощью генетически кодируемых кальциевых индикаторов (ГеККИ) [1]. Однако кинетика изменения флуоресценции ГеККИ относительно медленная и ограничена биофизикой связывания индикатора с кальцием [2]. В ответ на одиночные потенциалы действия (ПД) в пирамидальных нейронах большинство широко используемых ГеККИ имеют период полураспада флуоресценции порядка 100 мс [3]. Следовательно, ГеККИ не могут представить полную информацию о динамике нейронных ансамблей. Частично проблема решается путем создания новых вариантов ГеККИ, таких как jGCaMP7 [3], jGCaMP8 [4] или использованием генетически кодируемых индикаторов напряжения (ГеКИН) таких как JEDI-2P [5]. Однако скорость ГеККИ или ГеКИН все еще уступает скорости регистрации электрофизиологических методов. По этой причине мы разработали микроэлектрод, который можно использовать вместе с градиентной линзой для прижизненной кальциевой визуализации посредством минископа.

Минископ представляет собой однофотонный эпифлуоресцентный миниатюрный микроскоп для кальциевой визуализации. В отличие от традиционно применяемой двухфотонной визуализации, минископ позволяет регистрировать нейронную активность у свободно передвигающихся лабораторных животных. Вместо объектива у минископа используется линзы с градиентным показателем преломления (GRIN линзы), которые имплантируется непосредственно в мозг лабораторного животного. Градиентные линзы представляющую собой прозрачный цилиндр диаметром 1.8 мм и длиной 3.8 мм. Для реализации электрофизиологической записи мы разработали микроэлектрод, который можно совместить в GRIN линзой.

Микроэлектрод представляет собой трехслойную структуру: 1 – полиимидная пленка, 2 – токопроводящие медные дорожки, нанесенных методом термоформовки, 3 – полиимидная пленка с вырезами для контактных площадок. На одной из сторон микроэлектрода расположены 12 позолоченных токопроводящих контактов для регистрации локальных полевых потенциалов, а на другой стороне аналогичное количество токопроводящих дорожек для подключения коннектора, осуществляющего передачу данных на плату обработки. Гибкий микроэлектрод оборачивается вокруг градиентной линзы с фиксацией путем термоформовки и впоследствии имплантируется в головной мозг животного.

С помощью разработанного микроэлектрода мы планируем провести сравнительный анализ кальциевой и электрофизиологической активности нейронов гиппокампа свободно передвигающихся мышей дикого типа и с моделью болезни Альцгеймера. Данное исследование позволит выявить нарушения при болезни Альцгеймера на уровне нейронных ансамблей и как следствие предположить потенциально новые методы лечения или механизмы развития патологии, связанной с прогрессирующей потерей памяти при болезни Альцгеймера. Мы благодарны Большаковой Анастасии Викторовне за административную помощь, а также сотрудникам Лаборатории молекулярной нейродегенерации за помощь и полезные советы.

Мемристивные устройства являются одними из перспективных кандидатов для создания нейроморфных систем благодаря возможности многоуровневого переключения, низким рабочим напряжениям и высокой масштабируемости. Однако, как и для любого пассивного элемента для работы мемристора необходимо внешнее напряжение смещения, что требует включения в цепь источника питания. В связи с этим, большой интерес представляют работы по созданию мемристивных систем с автономным питанием, состоящих из последовательно соединенных друг с другом мемристора и наногенератора, преобразующего энергию внешней среды в электрическую [1, 2]. Такая мемристивная система имеет огромный потенциал применения в аэрокосмической области и имплантируемой электронике. На данный момент уже разработаны первые мемристорные и сенсорные системы с автономным питанием на основе оксидов металлов и пьезоэлектрических наногенераторов (ПЭНГ) [2]. Основными проблемы в данной области является уменьшение размера наногенератора и согласование выходных параметров наногенератора и входных параметров мемристора. В рамках данной работы данные проблемы решаются путем создания мемристорной системы с автономным питанием на основе легированных азотом углеродных нанотрубок (N-УНТ).

Ранее нами были исследованы мемристивные свойства N-УНТ и показано, что нанотрубки демонстрируют воспроизводимое многоуровневое переключение с отношением сопротивлений в высоко- и низкоомном состояниях (HRS/LRS) около 4 ⋅ 10⁵ [3, 4]. При этом установлено, что мемристивный эффект в N-УНТ обусловлен внедрением атомов азота в структуру нанотрубки и формированием внутреннего пьезоэлектрического поля [4]. В рамках дальнейших исследований было установлено, что массив вертикально ориентированных N-УНТ является перспективам материалом для создания ПЭНГ: генерируемое выходное напряжения составляет сотни мВ, а генерируемый единичными нанотрубками ток достигает сотен нА [5]. Полученные результаты позволяют говорить о возможности разработки мемристорной системы с автономным питанием либо путем последовательного соединения мемристора и ПЭНГ на основе N-УНТ.

Для оптимизации выходных характеристик ПЭНГ, в частности, амплитуды генерируемого напряжения, и входного напряжения переключения мемристора на основе N-УНТ, проводились исследования по увеличению пьезоэлектрического отклика и снижению напряжения переключения сопротивления N-УНТ путем изменения концентрации легирующей примеси азота в процессе роста нанотрубок. Было установлено, что для создания ПЭНГ с выходным напряжением до 2 В требуется рост N-УНТ с концентрацией легирующего азота до 12% и высоким аспектным соотношением длины к диаметру (более 60), что обеспечивается при низких температурах роста (500 – 550 С°) и высоком соотношение потоков ацетилена и аммиака приводит (1:5 – 1:6). Для изготовления мемристоров с минимальным напряжением переключения (около 2 В), напротив, требуются N-УНТ с малым аспектным соотношением (менее 30) и концентраций легирующего азота 4 – 6 %, что обеспечивается повышением температуры роста до 615 С° и уменьшением времени роста. Полученные результаты могут быть использованы при разработке мемристорных и сенсорных систем с автономным питанием на основе легированных азотом углеродных нанотрубок.

В настоящее время при лечении нейродегенеративных заболеваний, которые плохо поддаются медикаментозной терапии, производят электрическую стимуляцию мозга посредством инвазивного вмешательства в поврежденные структуры нервной ткани. Разработка и развитие инвазивных технологий нейронных интерфейсов с замкнутым контуром позволили добиться больших успехов в восстановлении нейронных связей, поскольку имеют более тонкую и четкую настройку стимуляции, реагирующие на изменения физиологического состояния, что важно в процессе восстановления функций нервной ткани. Достижения в этих областях открывают перспективы для лечения широкого спектра заболеваний двигательной системы и нейродегенаритивных заболеваний мозга.

В данном исследовании использовалась нейрогибридная замкнутая система, состоящая из радиотехнического генератора ФитцХью-Нагумо и живых переживающих срезов гиппокампа мозга мыши. Для приготовления переживающих срезов гиппокампа использовались половозрелые самцы возрастом 2-3 месяца линии мышей C57BL/6. Для приготовления и инкубирования срезов гиппокампа использовался раствор искусственной спинномозговой жидкости (ACSF), составом в (мМ): 126 NaCl; 3.5 KCl; 1.2 KH2PO4; 26 NaHCO3; 1,3 MgCl * 6H2O; 2 CaCl2 * 6H2O; 10 D-глюкоза при постоянном насыщении карбогеном (95% О2 и 5% СО2). Регистрация электрической активности нейронов мозга проводилась с использованием оптических и электрофизиологических методов.

В экспериментах по сопряжению нейроноподобного генератора ФитцХью-Нагумо и биологических нервных клеток в замкнутом контуре, был получен эффект, когда активность нервных клеток мозга переключала генератор в автоколебательный режим. Вызванные колебания в нейроподобном генераторе давали эффективный стимул для активации нервных волокон в составе перфорантного пути гиппокампа. В результате, удалось зафиксировать уменьшение частоты импульсов генератора, что было спровоцировано ответы живых нейронов на приходящий стимул с нейроподобного генератора. Данные результаты показывают способность живых нейронных сетей управлять искусственным сигналом с помощью подстройки его параметров изменением собственной активности и подтверждают работоспособность использования систем с замкнутым контуром при объединении живых и искусственных нейронов. Настоящее исследование требует дальнейших экспериментов для создания более физиологичных условий функционирования предложенной нейрогибридной системы. Кроме того, данная нейрогибридная система будет усовершенствоваться и обладать адаптивными свойствами за счет использования мемристивных устройств. Успехи в этом направлении помогут решить актуальную проблему восстановления утраченных функций мозга на клеточном и сетевом уровнях.

Благодаря уникальной способности имитировать важные функции синапсов и нейронов, мемристивные устройства и массивы позволяют не только аппаратно реализовать нейронные сети, но и совершить качественный прорыв в интеграции искусственных электронных и биологических систем для решения актуальных задач искусственного интеллекта (ИИ), робототехники и медицины. Эта область исследований находится на ранней стадии своего развития и имеет прямое отношение к более общей области нейроэлектроники. Последнюю можно определить как синтез аналоговых и цифровых решений для широкого круга вычислительных задач, мотивированных биологией. Аналоговые нейроморфные системы на основе мемристивных компонентов занимают особое место в этой области и могут значительно улучшить производительность и энергоэффективность по сравнению с существующими ускорителями ИИ. Реализация нейроморфных систем на основе новой элементной базы требует скоординированных и междисциплинарных исследований. В основе соответствующего научно-технического направления лежит сквозная технология мемристивных устройств и схем, обеспечивающая создание элементной базы новых мозгоподобных информационно-вычислительных систем с широким спектром применений. Продемонстрированные на данный момент перспективы связаны с монолитной интеграцией мемристивных устройств со схемами КМОП (комплементарная структура металл–оксид–полупроводник), а также совместной оптимизацией материалов, устройств и архитектур, необходимых для создания демонстрационных прототипов информационно-вычислительных систем. Такие системы имитируют вычислительные функции биологических нейронных сетей, способных решать когнитивные задачи, которые, как известно, либо не поддаются решению с помощью традиционного ИИ, либо требуют очень много временных ресурсов. Кроме того, нейроэлектронные решения могут быть интегрированы с мозгом или живыми культурами нейронов для формирования нейрогибридных систем. В настоящем докладе обсуждаются два различных подхода к взаимодействию мемристивных систем и биологических нейронных сетей in vitro и in vivo, основанных на персептроне с матрицей программируемых мемристивных весов, которые представлены устройствами с резистивным переключением на основе оксидов металлов или на основе мемристивной стохастической пластичности и нейронной синхронии в составе мозгоподобной спайковой архитектуры. Наконец, представлена концепция мемристивного нейрогибридного чипа для создания компактного многофункционального двунаправленного интерфейса биологических нейронных сетей и мемристивной электроники в сочетании с микроэлектродными и микрофлюидными решениями на одном чипе. Технологическое освоение новой элементной базы и создание мемристорных нейроэлектронных систем не только обеспечит своевременную диверсификацию аппаратного обеспечения для непрерывного развития и массового внедрения технологий искусственного интеллекта, но и позволит поставить задачи совершенно нового уровня по созданию гибридного интеллекта на основе симбиоза искусственных и биологических нейронных сетей.

Результаты сравнения вычислителей на базе мемристивных устройств с современными аппаратными ускорителями искусственных нейронных сетей (ИНС) на традиционной элементарной базе, приведённые, например, в обзоре [1], показывают их преимущества по всем ключевым показателям — производительности, энергоэффективности, точности и др. В данном докладе представлен анализ современного состояния применения мемристивных устройств для решения задач машинного зрения. Особое внимание уделяется концепции [2] нейроморфных систем машинного зрения (СМЗ) на базе мемристивных устройств. Отличительная особенность данной концепции заключается в том, что это полностью аналоговая система — начиная от ввода информации и заканчивая её выводом. Она состоит из сенсорной и нейронной частей. Задача сенсорной части — фиксация визуальной информации и её передача на нейронную часть для обработки в соответствии с алгоритмом работы модели ИНС.

В качестве частного случая реализации входного канала сенсорной части можно рассматривать соединение мемристора и фотодиода в одну цепь. Когда такая цепь включена в обратном смещении и свет падает на фотодиод, то через него от катода к аноду течёт фототок. Этот фототок изменяет сопротивление мемристора в зависимости от интенсивности света и времени экспонирования, таким образом выполняя преобразование освещённости в сопротивление. В случае, если визуальную информацию не нужно кодировать сопротивлениями мемристоров, их можно заменить на нагрузочное сопротивление одинакового номинала для всех каналов. Независимо от варианта входного канала, сигнал, кодирующий визуальную информацию, без оцифровки подаётся в нейронную часть. В составе нейронной части мемристоры выполняют роль синапсов. При этом с их помощью можно аппаратно реализовать как синапсы традиционных формальных архитектур ИНС, в которых входная информация умножается на заранее запрограммированный вес, так и синапсы для спайковых нейронных сетей, в которых мемристор проявляет механизмы синаптической пластичности подобно живым биологическим нейронным сетям [3].

Тогда, если выход предложенных вариантов входного канала СМЗ соединить с устройством, работающим по принципу integrate and fire, то такое устройство можно рассматривать уже не просто как вход для формальной ИНС, а как пресинаптический нейрон спайковой ИНС. Данный нейрон будет генерировать спайки в зависимости от интенсивности света — чем ярче свет, тем выше частота спайков и наоборот (накопление заряда в каналах с низким сопротивлением происходит быстрее). Вся система аналогового машинного зрения будет представлять собой спайковую нейронную сеть без аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. По сравнению с цифровыми системами машинного зрения такой подход позволит значительно снизить потребление энергии и создать носимую и бортовую электронику с уникальными тактико-техническими характеристиками. Данную архитектуру можно масштабировать до размера современных матриц устройств фото- и видеофиксации и использовать как аппаратный ускоритель моделей ИНС, применяемых в настоящее время для работы с изображениями, а также как платформу для дальнейшего развития данного направления.

В докладе рассматривается система четырёх обыкновенных дифференциальных уравнений, моделирующая динамику нейрон-глиальной сети в приближении среднего поля [1, 2]:

(τÉ=–E+α ln(1+e^{1/α(JuxE+I0)}),

x=(1–x)/τ_D–uxE, (1)

=U(y)–u/τF+U(y)(1–u)E,

=–y/τ_y+βσ(x),

где E(t) — средняя активность; x(t) — доля доступного нейротрансмиттера, высвобождаемого в синаптическую щель с вероятностью u(t); y(t) — доля глиатрансмиттера, высвобождаемого астроцитом. Сигмоидальные функции U(y) и σ(x) отвечают изменению базового уровня вероятности u(t) при высвобождении глиатрансмиттера и активации астроцита при высвобождении нейротрансмиттера соответственно. Параметр I₀ <0 соответствует входному тормозящему току и в данной работе выбран в качестве бифуркационного параметра. Остальные параметры положительны и фиксированы. Вид функций, значения параметров, а также подробное описание модели см. в работах [1, 2].

При U(x)=const первые три уравнения в системе (1) представляют собой модель Цодыкса–Маркрама, которая описывает явление кратковременной синаптической пластичности [1]. В работе [2] эта модель была дополнена четвёртым уравнением для y, посредством которого было введено влияние астроцитов согласно концепции трёхчастного синапса [3].

Модель (1) демонстрирует большой набор динамических режимов: от покоя и регулярной тонической активности до хаотической пачечной активности. Им соответствуют такие притягивающие множества в фазовом пространстве, как устойчивые состояния равновесия, предельные циклы периода 1, предельные циклы любого периода n∈N и хаотические аттракторы. Изменение параметра I₀ приводит к бифуркациям этих множеств — исчезновению (или потере устойчивости) одних аттракторов и рождению других, что и определяет смену динамического режима. Таким образом, с точки зрения динамики основной интерес представляют бифуркационные условия и характер родившихся аттракторов.

В докладе численно получена последовательность бифуркаций в системе (1), соответствующая переходу от тонической активности к пачечной с последующим изменением её характера. В частности, показано, что увеличение числа спайков в одной пачке определено каскадом добавления периода (period adding), в котором предельный цикл периода n теряет устойчивость и место «главного» аттрактора занимает родившийся ранее устойчивый цикл периода n+1. Этот каскад заканчивается исчезновением орбиты бесконечного периода в результате бифуркации двойного предельного цикла (седло-узловой бифуркации циклов) и рождением устойчивого цикла периода 1.

Основные свойства каскада были воспроизведены в построенном нами модельном одномерном кусочно-гладком отображении:

$\overline{z}=\left\{\begin{array}{l}1-z^6,forz\text{ < }\mathrm{0,}\\ \mu -1-\mu {(z-1)}^6,forz\text{ > }\mathrm{0,}\end{array}\right.$

где z∈R¹, μ — бифуркационный параметр. Полученные для отображения результаты указывают на то, что изменение пачки при увеличении тока I₀ в модели (1) может сопровождаться появлением и исчезновением квазистранных аттракторов (квазиаттракторов), т.е. хаотическим поведением.

Экстремальными событиями обычно считаются редкие и непредсказуемые события или события, которые сильно отклоняются от типичного поведения. Однако объективные критерии экстремальных событий ещё не определены. Редкость требует некоторых характерных масштабов или временных и пространственных границ, в то время как интенсивность должна отражать способность события вызвать большие изменения. Одним из наиболее ярких примеров экстремальных событий в нейронауке и медицине являются эпилептические припадки [1].

В синтезе речи сети-вокодеры, такие как WaveNet [2], используются для генерации аудиодорожек. Эта модель представляет из себя свёрточную нейронную сеть, представленную как каузальный фильтр, который не смотрит в будущее. Эта особенность вокодера может быть потенциально применима к предсказанию временных рядов. Звуковые временные ряды тоже могут быть рассмотрены как динамическая система, довольно хаотическая, с переключением режимов (например, переход от одной буквы к другой). В таких рядах присутствуют большие отклонения амплитуды, что может быть сравнимо с экстремальным событием. Эта сеть получает r последних временных отсчётов (так называемое рецептивное поле) на вход и предсказывает следующий за ними отсчёт, основываясь на этом рецептивном поле. Структура сети имеет древовидный вид. Расстояние между входами на последующие слои растёт экспоненциально. Это необходимо, потому что рецептивное поле r обычно достаточно большое, порядка тысячи или двух тысяч. И если не увеличивать экспоненциально расстояние между входами, то количество слоёв будет линейно зависеть от r. У рекуррентных нейронных сетей, широко применяемых в задачах предсказания последовательностей, есть следующая проблема: во временных рядах им проще предсказывать очень похожий семпл на последний увиденный для оптимизации функции потерь и тем самым сеть в предсказании может сойтись к моде, а в свёрточной сети выход на моду будет дольше, потому что рецептивное поле достаточно большое: в звуке, например, на нём происходит множество осцилляций и сеть не отдаёт предпочтения какому-либо отсчёту.

Эксперименты были проведены с искусственными данными, сгенерированными системой двух нейронов Хидмарш–Роуз с химической синаптической связью. Мы выбрали суммарный мембранный потенциал как наблюдаемую переменную, основываясь на биологической составляющей этой системы. Описанная система демонстрирует экстремальные события для широкого набора параметров связи. Численный критерий для экстремальных событий выбран аналогично тому, как это было сделано в прошлых исследованиях [3]. Вокодер WaveNet демонстрирует точность 91% и полноту 82% для предсказательной длины, равной ширине экстремального события. Заметим, что полнота в данной задаче более важна, так как она отвечает за те случаи, когда модель предсказывает ложное отсутствие экстремального события.

Экспериментальные результаты, указывающие на роль глиальных клеток, в особенности астроцитов, в формировании нейрональной активности как в культуральных средах, так и в мозге подкрепляют интерес к изучению динамических свойств многокомпонетных сетей [1]. Для исследования таких систем используются математические модели различной степени физиологической детализации: от моделей Ходжкина–Хаксли и Уллаха для нейронов и астроцитов соответственно до сильно упрощённых систем типа накопление-сброс и фазовых осцилляторов. Последние обычно рассматриваются в случае, когда задача состоит в определении наиболее общих динамических свойств ансамблей, в первую очередь эффектов, возникающих в зависимости от топологии сети, и в меньшей степени зависящих от динамических свойств отдельных её элементов. В этой связи рассматривается мультиплексная (двухслойная) сеть [2]: топология синаптических связей между нейронами относится к классу дальних случайных взаимодействий, в то время как взаимодействие между глиальными клетками опосредовано диффундирующими молекулами-медиаторами и поэтому носит локальный характер. Помимо этого, временные масштабы колебаний нейронов и астроцитов различаются как минимум на порядок.

Синхронизация колебательных ансамблей вызывает интерес как один из основополагающих динамических процессов, определяющих обработку информации, принятие решений и координацию движений биологическими нейронами [3]. Роль топологии связей в ансамбле значительна: в глобально связанных системах, также как и в случайных сетях Эрдёша–Реньи наблюдается фазовый переход второго рода к так называемой глобальной фазовой когерентности, а в случае локальной связи (например, двумерной решёточной топологии) возможны только захват частоты или фазы. В симплектических сетях возможен фазовый переход первого рода к синхронизации, известный как «взрывная» синхронизация [4].

Недавно было обнаружено, что мультиплексирование «нейронального» (со случайной топологией) и «глиального» (регулярной решётки) осцилляторных слоёв даёт интересные свойства синхронизации [5]. В частности, в регулярной «глиальной» решётке может быть индуцирован фазовый переход второго рода к синхронизации. С другой стороны, переход к синронизации в обоих слоях происходит через предварительное разрушение синхронизации в каждом отдельном слое в процессе увеличения силы глиального взаимодействия.

Мы представляем результаты дальнейшего исследования мультиплексных нейрон-глиальных сетей, обобщая топологию нейрональной сети на случай симплектических «триадных» взаимодействий. Показано, что фазовый переход первого рода к синхронизации в регулярной «глиальной» решётке может быть индуцирован симплектической связью внутри «нейронального». Кроме того, такой фазовый переход может происходить при усилении глиальных связей даже при том, что связь между нейронами была бы слишком слаба, чтобы такой переход состоялся в изолированном нейрональном слое. При этом переход к десинхронизации в нейрональном слое, вызываемый умеренным усилением глиальной связи, никогда не является резким.

Всё большее количество экспериментальных и клинических данных показывают критическую роль сетевых нарушений в патогенезе неврологических заболеваний, в том числе мигрени — одного из самых распространённых хронических заболеваний мозга. Мигрень связана с эпизодическими приступами головной боли, чаще всего односторонними, которым может предшествовать аура. Мигренозная аура представляет собой неврологическое состояние, характеризующееся развитием временных односторонних сенсорных, моторных и/или речевых нарушений. Считается, что симптомы отражают временную церебральную дисфункцию коры больших полушарий, вызванную корковой распространяющейся деполяризацией (РД) — волной интенсивной клеточной деполяризации, медленно распространяющейся по коре со скоростью 3–5 мм/мин. Электрофизиологически корковая волна РД проявляется в виде высокоамплитудного медленного негативного сдвига внеклеточного потенциала и временного угнетения электрической активности коры (депрессия ЭЭГ). Сдвиг внеклеточного потенциала связан с с интенсивной нейроглиальной деполяризацией и нарушением локального ионного гомеостаза, которое длится 1–2 мин (в здоровой нервной ткани). Распространяющаяся деполяризация вызывает временное угнетение спонтанной электрической активности коры, которому предшествует кратковременное возбуждение нейронов.

Односторонний характер неврологической симптоматики ауры свидетельствует о нарушении межполушарных взаимодействий в раннюю фазу приступа. В нашем исследовании изучали влияние односторонней распространяющейся корковой деполяризации (вероятного патофизиологического механизма мигренозной ауры) на межполушарную функциональную связь у свободно подвижных крыс с использованием локальных полевых потенциалов зрительной и моторной коры. Для анализа связности использовали две меры: функция взаимной информации, рассчитанная по методике, предложенной в [1], и коэффициент фазовой синхронизации, рассчитанный по методике [2] для 4 частотных диапазонов: дельта (1–4 Гц), тета (4–10 Гц), бета (10–25 Гц) и гамма (25–50 Гц). Все расчёты проводили на неперекрывающихся двадцатисекундных интервалах. Эволюцию функциональной связности оценивали по записям локальных полевых потенциалов, полученных в гомотопических точках моторной и зрительной коры двух полушарий у свободно подвижных крыс после индукции одиночной односторонней распространяющейся корковой деполяризации в соматосенсорной коре.

Корковая распространяющаяся деполяризация сопровождалась резким (в 3–4 раза) широкополосным снижением межполушарной функциональной связности в зрительной и моторной областях коры. Функциональное разобщение полушарий начиналось после окончания волны деполяризации, постепенно углублялось и прекращалось через 5 мин после индукции корковой волны РД. Сетевые нарушения, вызванные волной РД, имели специфические регионально-частотные характеристики и были более выражены в зрительной коре, чем в моторной. Период падения функциональной связности совпадал с аномальным поведением животных и аберрантной активностью ипсилатеральной коры, развивающейся после окончания волны РД.

Исследование показало, что односторонняя распространяющаяся корковая деполяризация вызывает обратимую потерю функциональной межполушарной связности в коре бодрствующих животных. Учитывая критическую роль синхронизации корковых осцилляций в обработке сенсорной информации и сенсомоторной интеграции, обнаруженное нами нарушение внутрикорковых функциональных взаимодействий, вызванное односторонней волной РД, может участвовать в нейропатологических механизмах формирования мигренозной ауры и дисфункции сенсорной обработки во время приступа мигрени.

Исследование синхронизации нейронной активности в мозге является одним из ключевых направлений современной нейробиологии и нейродинамики. В здоровом мозге когнитивные процессы требуют точной интеграции нейронной активности в определённых пространственно-временных масштабах. Изменение синхронизации можно наблюдать при некоторых неврологических и психических расстройствах. Одним из наиболее интересных и важных паттернов синхронной популяционной активности является пачечная активность, которая может лежать в основе как нормальных физиологических, так и патологических процессов (к примеру, эпилепсии). К настоящему времени предложен ряд математических моделей, описывающих механизмы формирования пачечной активности. Наиболее интересные и биологически правдоподобные модели позволяют учитывать астроцитарную модуляцию нейронной активности [1].

В данной работе мы предлагаем новую феноменологическую модель, которая позволяет воспроизводить пачечную популяционную активность нейронов. Предлагаемая модель основана на модели Цодыкса–Маркрама [2] и учитывает особенности взаимодействия нейронов и астроцитов через трёхчастный синапс. Модель является упрощением ранее предложенной модели [3]. На временах активности астроцита (порядка секунд) мы можем зафиксировать значение вероятности высвобождения нейротрансмиттера, u, динамика которой определяется на временах порядка миллисекунд. Это позволяет нам записать предлагаемую модель в следующем виде:

r=–E+α ln(1+exp((Ju(Y)xE+I₀)/α)),

=(1–x)/τ_D–u(Y)xE,

=–y/τ_Y+βσ_y(X).

Здесь E(t) — средняя нейронная активность возбуждающей популяции. Переменная x(t) моделирует количество доступного нейротрансмиттера, а y(t) — описывает концентрацию глиотрансмиттера, высвобождаемого в результате биохимических реакций при нейрон-астроцитарном взаимодействии. Изменение вероятности высвобождения нейротрансмиттера в присутствии глиотрансмиттера описывается функцией

u(y)=u₀+(∆u₀)/(1+exp(–50(y–y_thr)).

Здесь u₀ — вероятность высвобождения нейротрансмиттера в отсутствие астроцитарного влияния; ∆u₀ — изменение вероятности высвобождения нейротрансмиттера за счёт действия глиотрансмиттера на пресинаптическую терминаль, y_thr — пороговое значение, определяющее изменение вероятности высвобождения нейротрансмиттера за счёт воздействия глиотрансмиттера. Влияние нейротрансмиттера на концетрацию глиотрансмиттера описывается функцией

σ_y(x)=1/(1+exp(–20(x–x_thr)),

где x_thr — порог активации астроцитов.

Отметим, что предлагаемая модель не включает механизм синаптической депрессии, и формирование различных динамических режимов в модели управляется исключительно астроцитарной динамикой.

В работе в качестве управляющих параметров были выбраны параметры I₀ и u₀. Значения остальных параметров были зафиксированы следующим образом: τ=0,013, τ_D=0,08, α=1,58, J=3,07. Параметры изменения концентрации нейротрансмиттера и глиотрансмиттера: ∆u₀=0,305, τ_ν=3,3, β=0,3, x_xthr=0,75, y_thr=0,4. Исследование проводится с использованием компьютерного моделирования и численных методов нелинейной динамики.

Показано, что предложенная модель воспроизводит богатый набор паттернов популяционной активности, в том числе спайковые и пачечные регулярные и хаотические режимы. На плоскости управляющих параметров найдены области, в которых система демонстрирует хаотическую динамику. С помощью бифуркационного анализа объяснены механизмы возникновения указанных паттернов активности. Показано, что возникновение хаотической активности в системе может быть связано как со сценарием удвоения периода, так и с дальнейшим развитием хаоса, в результате чего в системе появляется гомоклинический аттрактор по сценарию Шильникова. Показано также, что в системе в определённом диапазоне параметров наблюдается мультистабильность.

Отметим, что появление мультистабильности и пачечной активности в модели не зависит от сложности локальной динамики нейронов и глиальных клеток. Эти типы динамики определяются наличием петли обратной связи между пресинаптическим нейроном и глиальной клеткой. Продемонстрированные эффекты нейроноподобной динамики и нейроно-глиального взаимодействия являются достаточно общими, поскольку они не подразумевают специфических характеристик нейрон-глиального взаимодействия, конкретной архитектуры нейронной сети или динамики отдельных нейронов. Следует отметить, что в предложенной модели мы рассматриваем только усиление (потенциацию) синаптической передачи астроцитом.

Подводя итог, можно сказать, что предложенная феноменологическая модель популяционной активности может использоваться для воспроизведения различных паттернов популяционной активности нейронов в широком диапазоне исследований динамической памяти и обработки информации. Одним из возможных приложений таких исследований является разработка новых эффективных методов лечения неврологических заболеваний, связанных с нейрон-глиальным взаимодействием. Другая область, где эти результаты могут быть полезны, касается создания эффективного живого чипа с заранее заданными функциями, что требует лучшего понимания ритмогенеза в нейронных сетях и функционирования мозга.

Особенный интерес для анализа когнитивных специализаций нейронов представляет их соотнесение с переменными внешней среды и поведением животного. Среди возможных мер такой взаимосвязи особенно выделяется взаимная информация (mutual information, MI), так как она чувствительна к их синхронизации, позволяет охарактеризовать нелинейные взаимосвязи между исследуемыми переменными и количественно охарактеризовать не только значимость связи, но и её силу. Однако существенная трудность заключается в практических сложностях расчёта MI для реальных данных. В данной работе нами были адаптированы современные методы расчёта MI для последующего анализа взаимосвязи между сигналом кальциевой флуоресценции и поведенческими переменными. Использованные методы были объединены в программный пакет под названием INTENS (INformation-Theoretic Evaluation of Neuronal Specializations), который использовали для поиска когнитивно специализированных нейронов в ходе анализа данных кальциевой активности гиппокампа при обследовании животными арены с разным уровнем новизны.

Существуют многочисленные методы анализа взаимосвязи между спайками нейрона и поведенческими переменными. Некоторые из них основаны на информационно-теоретическом подходе [1]. Однако особенный интерес представляет извлечение информации о связи кальциевого флуоресцентного сигнала с поведением, так как этот сигнал даёт важную дополнительную информацию о подпороговых активациях нейрона. В настоящей работе применяется метод вычисления взаимной информации, основанный на энтропии гауссовой копулы GCMI [2]. Метод основан на том факте, что взаимная информация между двумя случайными величинами зависит не от их частных распределений, но только от вида копулы (многомерного распределения, у которого каждое частное распределение равномерно).

Для того чтобы оценить значимость рассчитанной информационной связи между кальциевым сигналом и поведенческой переменной, истинная MI сравнивалась с её значениями, рассчитанными на сдвинутых относительно друг друга по времени сигналах. Был также разработан метод оценки величины эффекта связи: взаимная информация между флуоресцентным сигналом и поведением была нормирована на заранее рассчитанное значение энтропии каждой из этих случайных величин.

Важно, что описанный выше подход работает как для непрерывных величин (к примеру, кальциевый сигнал и скорость животного), так и для пар непрерывной и дискретной переменных (кальциевый сигнал и наличие/отсутствие груминга).

В ходе анализа записанных кальциевых сигналов зоны CA1 гиппокампа были выделены как специализации нейронов относительно внешней среды — нейроны места, так и специализации относительно поведенческих актов животного — нейроны, специфически активирующиеся при побежках, стойках, замирании и т.д. Были обнаружены нейроны, селективно активирующиеся относительно дополнительного набора дискретных параметров, представляющих собой комбинацию местоположения животного в арене (в центре, у стен, в углах) и скорости животного (покой, медленное и быстрое перемещение). Суммарно за все 4 сессии эксперимента была выявлена 781 специализация в 472 нейронах, при этом одни и те же нейроны могли иметь несколько специализаций. Однако большинство (55%) нейронов имели единственную специализацию.

Популяции глобально связанных осцилляторов являются базовыми моделями при изучении процессов синхронизации и возникновения коллективных мод. Во многих случаях глобальный характер связи определяется непосредственно свойствами рассматриваемой системы. Однако осцилляторы, входящие в состав ансамбля, могут иметь разные по величине параметры, а также находиться под воздействием внешних шумов, что приводит к неидентичности взаимодействующих элементов. Наиболее распространённым источником такой неидентичности является разброс в собственных частотах осцилляторов. Эффекты, к которым приводит такого рода беспорядок в системе, на данный момент уже достаточно детально рассмотрены. В представленном исследовании проанализировано влияние различия в фазовых сдвигах в связи. Данные фазовые задержки естественным образом возникают там, где сформированный средним полем сигнал должен распространяться, чтобы достичь пространственно распределённых элементов, принадлежащих популяции.

Во-первых, в качестве примера была построена фазовая модель в форме Курамото–Сакагучи для ансамбля квадратичных нейронов типа «накопление-сброс», рекуррентно связанных друг с другом посредством синаптического тока, приходящего на отдельно взятые клетки с разными сдвигами по времени, т.е. когда каждый нейрон получает стимул от других клеток ансамбля со своей собственной задержкой. С математической точки зрения в такой ситуации глобальная сила действует на различные осцилляторы с распределённым временным запаздыванием, что в итоге приводит к разбросу по параметру Сакагучи в соответствующей фазовой модели. Отметим, что при её выводе предполагалось слабое взаимодействие между элементами системы, был осуществлён переход к медленно меняющимся фазам и использована стандартная процедура усреднения.

Во-вторых, в работе показано, что распределение фазовых сдвигов в связи может возникать и из-за неидентичности локальных свойств осцилляторов, в частности когда взаимодействие нейронов осуществляется через глобально усреднённое с учётом «фильтрации низких частот» синаптическое поле. Для этого нами была рассмотрена каноническая модель θ-нейрона, традиционно используемая при анализе коллективной динамики популяции нейронов, которые демонстрируют в своем поведении переход, описываемый нормальной формой седло-узловой бифуркации. Здесь, как и в предыдущем случае, предполагается, что нейроны глобально связаны между собой химическими синапсами, однако для соответствующего синаптического тока принимаются во внимание релаксационные процессы, которые для каждого нейрона протекают со своей скоростью. В этой ситуации, аналогичным образом считая характер взаимодействия слабым и используя асимптотический метод во многих временных масштабах, авторы получили модель Курамото–Сакагучи для ансамбля фазовых осцилляторов с распределёнными фазовыми задержками.

Далее были проанализированы свойства фазовой модели. В термодинамическом пределе исследуемую модель можно охарактеризовать одночастичной плотностью вероятности, которая эволюционирует согласно уравнению непрерывности и имеет точное решение в виде анзаца Отта–Антонсена при каждом значении фазового сдвига α. Это многообразие является притягивающим (как показано в других работах) и соответствует специальному представлению для разложения в ряд Фурье по фазовой переменной в виде ядра Пуассона. С помощью данного аналитического подхода получено низкоразмерное описание коллективного поведения соответствующей системы, где в сами уравнения для макроскопических комплексных полей значение фазовых сдвигов α не входит, и только переопределённый параметр порядка Q(t,α) зависит от α через начальные условия. Таким образом, основываясь на этих редуцированных уравнениях и используя анализ устойчивости в линейном приближении, удаётся привести убедительные аргументы в пользу того, что в ходе динамики память о начальном состоянии теряется и Q(t,α)→Q(t). После того как вспомогательный параметр порядка Q(t,α) сошёлся к Q(t), динамика популяции фазовых осцилляторов с разбросом фазовых сдвигов сводится к одному динамическому уравнению для величины Q(t), с которой исходные параметры порядка связаны через круговые моменты плотности распределения g(α) величины α.

Все теоретические выводы подтверждаются численными расчётами, выполненными непосредственно в рамках рассматриваемых моделей популяций глобально связанных осцилляторов.

На сегодняшний день одним из наиболее перспективных и успешных методов лечения болезни Паркинсона является глубокая стимуляция мозга (deep brain stimulation, DBS). Результат хирургической имплантации DBS-электрода в субталамическом ядре (STN) напрямую зависит от правильной локализации зоны стимуляции. Интраоперационное использование микроэлектродной регистрации позволяет достоверно локализовать границы STN [1], а проведение тестовых стимуляций с помощью макроэлектрода повсеместно используется для повышения точности установки DBS-электрода. Данный подход позволяет из нескольких обследуемых траекторий введения выбрать ту, по которой при тестовых стимуляциях наблюдается наилучший клинический эффект. Однако на данный момент отсутствует комплексное достоверное описание характера одиночной активности нейронов, ассоциируемой с успешной установкой DBS-электрода.

С целью определения характеристик активности нейронов, ассоциируемых с достижением наилучшего клинического эффекта тестовых стимуляций, проводится исследование данных микроэлектродных регистраций (MER) активности единичных нейронов STN 21 пациента с болезнью Паркинсона (UPDRS III off/on=46.9/12.8). Для 618 детектированных нейронов проводили сравнительное исследование 29 параметров активности (включая частоту имульсаций, интенсивность колебательной активности на различных диапазонах частот (Oscores), коэффициент вариации, пачечный, паузный индекс и пр.) [2]. Помимо этого, был реализован метод расчёта энтропии относительного изменения межспайковых интервалов (interspike intervals, ISI) последовательности импульсаций [3] и выделения паттернов нейронной активности методом иерархической кластеризации [4].

Сравнительный анализ активности одиночных нейронов выявил статистически значимые (р <0,05) различия между проигнорированными и выбранными по результатам тестовых стимуляций траекториями для финальной установки DBS-электрода только для энтропийных параметров. Для траекторий введения микроэлектродов с наилучшими результатами тестовых стимуляций характерна сниженная энтропия межспайковых интервалов. При этом вклад в различие энтропии между траекториями оказывают только тонические и паузные паттерны нейронной активности, для пачечных нейронов статистических значимых отличий не выявлено. Значение энтропии также показало положительную достоверную корреляцию со степенью улучшений клинической картины заболевания до и после применения медикаментозного лечения.

Проведённый сравнительный анализ активности одиночных нейронов, обнаруженных на траекториях с различным эффектом тестовых стимуляций, показал слабую применимость линейных параметров для решения задачи определения траектории введения электрода с наилучшим клиническим эффектом. Показано, что использование нелинейных параметров активности (энтропии) единичных нейронов позволяет достоверно отличить траектории со значимым и отсутствующим/незначительным результатом тестовой стимуляции. При этом интерпретация данного параметра как меры неопределённости или непредсказуемости информационной системы в соответствии с результатами других исследований [5] подчёркивает важность энтропии в определении функций базальных ядер и описании процессов переноса информации при контроле движения.