Известно множество заболеваний, основой патогенеза которых являются дисфункции по типу инактивации функций синаптических взаимосвязей между нейронами. Примерами таких состояний служит не только инсульт, но также депрессия и деменция. В большинстве случаев утраченные функции могут восстанавливаться со временем, что, однако, требует длительного курса терапевтических и реабилитационных мероприятий.
В новом исследовании научные сотрудники Университета имени Фридриха-Александра в Эрлангене и Нюрнберге (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg), Германия, сосредоточив внимание на изучении подобных состояний, рассмотрели возможные способы предотвращения повреждений и ускорения процессов восстановления функциональной активности межнейронных взаимодействий. Результаты работы опубликованы в издании «Scientific Reports» 15 сентября 2017 г.
По итогам первого этапа исследования ученые выявили, что в условиях блокирования функциональной активности синаптических каналов в нейронах происходят значимые морфофункциональные изменения. В такие периоды инактивации в нейронных сетях, наряду с формированием новых взаимосвязей, наблюдается возрастание степени чувствительности нейронов. Поэтому восстановление электрической активности может сопровождаться острой реакцией клеток-реципиентов. Основываясь на данных функциональной визуализации структур головного мозга, ученые провели анализ взаимосвязей нейронных сетей, в результате чего фокус исследовательского поиска сместился в сторону уточнения механизмов эффективного функционирования нейронных сетей, что раскрывало бы новые перспективы в понимании патогенеза множества неврологических и психических заболеваний.
Визуализация микроскопических связей между нервными клетками представляет собой сложную техническую задачу. До настоящего времени эффективный анализ дисфункций нейронных сетей имел определенные ограничения, обусловленные отсутствием практически применимых, логически обоснованных и воспроизводимых методологий.
Известные методы микроскопии, такие как электронная микроскопия, всегда требуют предварительной обработки нейронов, подлежащих диагностике, что нередко может служить причиной их повреждений и гибели, затрудняя и делая невозможным процесс идентификации тех или иных внутриклеточных изменений.
В новой работе авторы применили методы визуальной регистрации уровня кальция в ответ на всплеск электрической активности, статистический анализ времени всплеска электрической активности мозга, а также комплексную классификационную модель для реконструкции эффективности функций сетей нейронов гиппокампа лабораторных животных in vitro. Разработанный метод позволил вычислить такие параметры, как вероятность распространения, длина пути и модель кластеризации, посредством измерения синаптической активности на уровне одной ячейки, тем самым обеспечивая более полное понимание того, как изменения в одиночных синапсах влияют на активность всей популяции нейронов. В своей работе ученые продемонстрировали, что описанная методология может применяться для выявления известных эффектов ингибирования нейронной активности, вызванной применением лекарственных препаратов. Кроме того, авторы отметили, что данная разработка также может использоваться при изучении особенностей восстановления электрической активности обширных участков нейронных сетей, оказывающих влияние на функционирование глобальных межнейронных взаимосвязей после периодов индуцированной нейронной инактивации.
Комментируя работу, авторы объяснили, что благодаря вновь разработанной концепции стало возможным изучение морфофункциональных изменений, происходящих в условиях блокирования межсинаптического взаимодействия. Такие результаты позволяют предпринять новые шаги на пути разработки новых терапевтических стратегий, направленных на предотвращение разрушительных изменений в структурах головного мозга. В будущих проектах исследовательская группа планирует уточнить механизмы влияния антидепрессантов на функциональную активность межнейронных сетей, а также наметить возможные перспективы в создании наиболее оптимальных лекарственных препаратов.
- University of Erlangen-Nuremberg (2017) What happens when nerve cells stop working? ScienceDaily, Sep. 27 (https://www.sciencedaily.com/releases/2017/09/170927093300.htm).
- Wrosch J.K., Von Einem V., Breininger K. et al. (2017) Rewiring of neuronal networks during synaptic silencing. Sci. Rep., Sep. 15 [Epub. ahead of print].
Наталья Савельева-Кулик
