Категория:
Реализованные проекты

Тип: теоретический Область знаний:  биофизика Метод: компьютерное моделирование

Цель работы

Исследование роли внеклеточного матрикса мозга в регуляции нейронной активности, информационных функций нейронной сети и возникновении нейродегенеративных заболеваний.

Описание проекта

Проект посвящен разработке математической модели взаимодействия нейронов и глиальных клеток с молекулами внеклеточного матрикса. Недавние исследования показали существование различных механизмов регуляции нейронной активности, в частности связанные с молекулами внеклеточного матрикса мозга (ВКМ). ВКМ представляет собой совокупность молекул, синтезируемых и секретируемых нейронами и глиальными клетками. В ЦНС ВКМ образует перинейрональные сети, которые окружают тела клеток, дендриты и аксоны (рисунок 1 A). В состав ВКМ входят различные ростовые факторы, белки адгезии, ковалентно связанные с белком глюкозаминогликаны, в составе хондроитин сульфат протеогликанов, гепаран сульфат протеогликаны и гликопротеины. В зрелом мозге матрикс поддерживает важные физиологические процессы, такие как синаптическая пластичность и гомеостаз. Одним из возможных путей модификации ВКМ являются внеклеточные протеазы, которые секретируются пре- и постсинаптическими терминалями. Предполагается, что развитие нейродегенеративных заболеваний, к примеру эпилепсии и шизофрении, связано с нарушением активности ВКМ. Медленные изменения ВКМ на протяжении длительного периода времени (часы, дни и месяцы) и интеграция нейрональной активности позволяют предполагать, что ВКМ принимает важное участие в процессах обучения и памяти. На основе экспериментальных данных была предложена математическая модель регуляции нейронной активности молекулами внеклеточного матрикса мозга (Kazantsev, Gordleeva, Stasenko, & Dityatev, 2012)  (рисунок 1 B). Установлено, что воздействие внеклеточных факторов (специфических молекул матрикса) приводит к эффективному регулированию средней частоты нейрональной активности на больших временных масштабах (сотни секунд и выше). Эти факторы обеспечивают формирование двух петель обратной связи: отрицательной – понижающей возбудимость нейрона при увеличении частоты спонтанных колебаний и положительной – увеличивающей чувствительность нейрона к входным воздействием при снижении частоты входных воздействий ниже критического уровня. Кроме того, учет активности внеклеточной среды приводит к бистабильности – сосуществованию двух устойчивых уровней частоты колебаний. Это позволяет утверждать, что внеклеточная среда может играть существенную роль в формировании и поддержании памяти.

Рисунок 1

  • A - Экспериментально полученное изображение перинейрональной сети.
  • B - Схема математической модели регуляции нейронной активности в мозге.
  • С - Баланс средней активности нейрона определяется взаимодействием регуляторных механизмов ВКМ. В зависимости от величин коэффициентов обратных связей могут наблюдаться 3 режима нейрональной активности (2 из которых бистабильны).
  • D - Ответ нейронной сети в присутствии ВКМ  на биполярный стимул в случае бистабильного режима.

Текущие задачи проекта включают:

  • Исследование устойчивости стационарных состояний нейрона в условиях взаимодействия с ВКМ в зависимости от параметров функций активации различных компонентов ВКМ
  • Исследование эффекта активации внеклеточных протеаз на устойчивость стационарных состояний нейрона
  • Разработка модели сетевой сигнализации, способной формировать следы памяти за счет активации ВКМ

Работа выполняется при поддержке грантов:

  • Грант Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (№11.G34.31.0012 от 28 ноября 2010 г.)
  • Грант федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (№ 14.B37.21.0194 от 20.07.12).

Координатор проекта:

Асп. Стасенко Сергей Викторович, (stasenko@neuro.nnov.ru)

Научные руководители:

д.ф.-м.н. Казанцев Виктор Борисович д.б.н. Дитятев Александр Эдуардович

Коллектив исполнителей:

Казанцев Виктор Борисович Стасенко Сергей Викторович Гордлеева Сусанна Юрьевна Семьянов Алексей Васильевич Дитятев Александр Эдуардович

Вакансии 

Студент биологической специальности, выполнение курсовой/дипломной работы. Разработка и компьютерный расчет биофизической модели ВКМ Студент физико-математической специальности (РФ, ФФ, ВМК, ВШОПФ), выполнение курсовой/дипломной работы. Разработка теории устойчивости ВКМ и компьютерное моделирование нейронной сети с ВКМ опосредованной обратной связью.