Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка модели распознавания и фиксации новой информации в кортикальной микроколонке

Номер контракта: 14.607.21.0117

Руководитель: Баграташвили Виктор Николаевич

Должность руководителя: Заведующий отделом

Докладчик: Ведунова Мария Валерьевна, старший научный сотрудник

Организация: Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
модель аллокации когнитивной информации, метод картирования геномного ответа, картирование функциональных процессов в мозге, кортикальная микроколонка, головной мозг, детекция активации генов, виртуальная модель нейронных сетей

Цель проекта:
1. Разработка концептуальной цитоархитектонической модели передачи информации в качестве фундаментальной основы для создания единой эмпирически проверенной теории о механизмах передачи и хранения информации в головном мозге. 2. Целью проекта является разработка цитоархитектонической модели аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки мозга мыши, позволяющей визуализировать геномный ответ на когнитивную стимуляцию клеток коры головного мозга и содержащую информацию о цитоархитектонике клеток, а также разработка метода оптического картирования геномного ответа нейронов в коре головного мозга млекопитающих для исследования процессов распознавания и долговременной фиксации когнитивной информации.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе реализации проекта планируется разработать цитоархитектоническую модель аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки мозга мыши, позволяющей визуализировать геномный ответ на когнитивную стимуляцию клеток коры головного мозга и содержащую информацию о цитоархитектонике клеток, а также разработать метод оптического картирования геномного ответа нейронов в коре головного мозга млекопитающих для исследования процессов распознавания и долговременной фиксации когнитивной информации. Для исследования аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки планируется разработка концептуальной модели нейрон-глиальной сети. Будут изготовлены и проведены испытания образцов оптически просветленных кортикальных микроколонок головного мозга мыши, окрашенных маркером активации генома и маркерами клеточных типов нейронов. В рамках проекта планируется разработать ряд методик, включающих оценку интенсивности геномного ответа кортикальных нейронов при когнитивном стимуле, прижизненную дифференциальную оценку экспрессии генов, участвующих в аллокации информации в клетках кортикальной микроколонки головного мозга млекопитающих, а также провести экспериментальные исследования геномного ответа нейронов на когнитивную стимуляцию в структуре кортикальной микроколонки. В ходе выполнения проекта будет разработана программная модель спайковой нейронной сети, позволяющая проводить вычислительные эксперименты по исследованию механизмов формирования следов памяти. Опираясь на экспериментальные данные, будет разработана методика автоматизированного детектирования нервных клеток коры головного мозга, в которых произошла активация генома. Будут проведены численные эксперименты по исследованию степени выраженности геномного ответа в нервных клетках кортикальной микроколонки головного мозга мыши в зависимости от времени получения когнитивного стимула.
Полученные результаты будут использованы для создания интерактивного 3D атласа нейроглии кортикальных колонок мозга крысы / мыши в рамках выполнения ПНИЭР по теме: «Разработка методов, технологий и платформ для исследований функционирования нервных систем на основе создания высокоразрешающей информационной модели кортикальных структур мозга».
2. Метод оптического картирования геномного ответа нейронов в структуре микроколонок коры головного мозга должен проводить одновременную визуализацию молекулярного маркера активации генома (например c-Fos, Egr1, Arc, pCREB) с одним из молекулярных маркеров типа нейронов (например ChAT, CaMK-II, NR2B, Parvalbumin, Calretinin, Calbindin, GAD65/67, Reelin, cholecystokinin), получать изображения с разрешением на клеточном уровне и позволять выявить отличия в выбранных параметрах геномного ответа при различных типах и интенсивности когнитивной стимуляции. Цитоархитектоническая модель аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки головного мозга мыши является экспериментальной биологической моделью и предназначена для изучения геномного ответа на когнитивную стимуляцию клеток коры головного мозга и получения информации о структурно-функциональной организации нейрон-глиальных сетей головного мозга. Экспериментальным объектом является кора головного мозга взрослой лабораторной мыши. Визуализируемый параметр - аллокация новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки. Используемый показатель: геномная активация кортикальных нейронов в ответ на когнитивные стимулы, будет использовано не менее одного маркера геномного ответа. Модель позволит охарактеризовать слои колонки (3-6 слоев), морфологический тип нейронов (пирамидные, не пирамидные), физиологический тип нейронов (возбуждающие, тормозные), молекулярный фенотип нейронов. Концептуальная модель нейрон-глиальной сети будет разработана для исследования аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки головного мозга мыши и предназначена для учёта взаимосвязи между молекулярными каскадами, лежащими в основе механизмов нейрональной сигнализации, пластичности, нейрон-глиального взаимодействия и процессами обработки информации в нейрон-глиальных сетях головного мозга. Разрабатываемая концептуальная модель должна учитывать современные представления о молекулярных основах формирования следа памяти, типы вырабатываемых активирующих и тормозных нейромедиаторов в различных типах нейронов, описывать молекулярные механизмы активации генов раннего ответа при поступлении информации в нейронную сеть и включать не менее двух цитоархитектонических слоев нейронов в составе кортикальной микроколонки головного мозга. Методика автоматизированного детектирования нервных клеток коры головного мозга, в которых произошла активация генома, предназначена для анализа изображений, полученных при визуализации активации генома нейронов коры головного мозга в ответ на когнитивную стимуляцию. Методика должна включать возможность шумовых составляющих, проводить сравнительную визуализацию первичных и фильтрованных изображений и обладать точностью детектирования позиции тел нервных клеток не менее 1 мкм. Методика оценки интенсивности геномного ответа кортикальных нейронов при когнитивном стимуле предназначена для анализа и обработки данных, полученных при исследовании геномного ответа на когнитивную стимуляцию клеток коры головного мозга мыши. Данная методика должна иметь возможность фильтрации шумовых составляющих, позволять проводить сравнительную визуализацию первичных и фильтрованных изображений, осуществлять классификацию нервных клеток по амплитуде флуоресценции и визуализацию результатов классификации по выраженности ответа.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Разрабатываемая цитоархитектоническая модель является экспериментальной биологической моделью, которая позволит изучить геномный ответ на когнитивную стимуляцию клеток коры головного мозга и получить экспериментальные данные о структурно-функциональной организации нейрон-глиальных сетей головного мозга.
Метод оптического картирования геномного ответа нейронов в структуре микроколонок коры головного мозга позволит получить принципиально новые данные об активации генома (например, генов раннего ответа c-Fos, Egr1, Arc, pCREB) в нейронах различных фенотипов и позволит выявить особенности геномного ответа при различных типах и интенсивности когнитивной стимуляции, что будет являться фундаментальной основой для понимания процессов аллокации когнитивной информации в головном мозге.
2. В рамках проекта будет применена инновационная методика прижизненной детекции мРНК с использованием РНК-зондов, позволяющая оценить экспрессию генов, отвечающих за процессы аллокации информации в кортикальные нейроны. Ключевой особенностью данного метода по сравнению с существующими на сегодняшний день способами детекции нуклеиновых кислот является возможность прижизненной визуализации транскрипционного профиля с клеточным разрешением. Методика картирования геномного ответа является передовой и отвечает всем современным требованиям к изучению функционирования головного мозга на разных уровнях его организации (организменный, тканевый, клеточный молекулярный). Разрабатываемая программная реализация модели спайковой нейронной сети сочетает простоту и удобство использования для расчётов процессов генерации и распространения импульсных сигналов (спайков) в сети синаптически связанных нейронов, вычислительную эффективность производимых расчётов, гибкость в настройке параметров для проведения расчётов, направленных на выявление динамических принципов сигнализации в сетях синаптически связанных нейронов, универсальность (рассчитана для широкого круга задач вычислительной нейробиологии). Данный набор свойств является уникальным и определяет новизну результата.
3. Среди мировых лидеров в области изучения механизмов передачи и хранения информации в головном мозге следует отметить следующие лаборатории и научные центры: Brain and Mind Institute (EPFL, Лозанна, Швейцария) и компания IBM осуществляет проект "Blue Brain Project", лаборатория профессора S.Tonegawa RIKEN-MIT http://tonegawalab.org/, лаборатория профессора M. Maydord, Scripps Research Institute http://www.scripps.edu/mayford/, лаборатория профессора P. Frankland Neurobiology Laboratory at the Hospital for Sick Children http://www.franklandlab.com/, лаборатория профессора T. Komiyama University of California, Сан Диего http://labs.biology.ucsd.edu/komiyama/html/Home.html, лаборатория профессора J. Huang, Cold Spring Harbor http://huanglab.labsites.cshl.edu/, лаборатория профессора P. Caroni, Fridriech Miescher Institute for Biomedical Research http://www.fmi.ch/research/groupleader/news/?group=7.
Проводимые в рамках проекта исследования являются новыми и оригинальными с точки зрения постановки задач и мультидисциплинарного подхода для их реализации. Кроме того, работы по проекту будут проводиться на современном высокотехнологичном оборудовании, широко используемом в лабораториях мира. Полученные в ходе реализации проекта результаты будут служить хорошим фундаментальным заделом для создания единой эмпирически проверенной теории о механизмах передачи и хранения информации в головном мозге.
4. Для достижения сформулированных в проекте целей будет проведены мультидисциплинарные исследования по разработке цитоархитектонической модели аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки мозга мыши, а также метода оптического картирования геномного ответа нейронов в коре головного мозга млекопитающих с привлечением современных высокотехнологических методов и новых решений.
К основным путям достижения результатов следует отнести следующее:
Для проведения оптического картирования геномного ответа нейронов в коре головного мозга млекопитающих будут модифицированы успешно применяемые методы оптического просветления биологических образцов. Для визуализации генетических маркеров будет использоваться модифицированная методика иммуноцитохимического окрашивания. Использование лазерной сканирующей микроскопии позволит выбрать оптимальные методы просветления и модификации иммуноцитохимического окрашивания биологического образца, подобрать оптимальные условия для их визуализации, а также позволит определить возможные методические ошибки, приводящие к потере репрезентативности и воспроизводимости получаемых эффектов. Для прижизненной дифференциальной оценки экспрессии генов, участвующих в аллокации информации в клетках кортикальной колонки будет использована инновационная методика детекции мРНК с помощью РНК-зондов (SmartFlare, Merck Millipore). При разработке математической модели механизмов формирования следов памяти в проекте будут использованы модели единичных нейронов Ижикевича и Ходжкина-Хаксли. В качестве моделей нейросетевой аллокации информации будут использованы как статические модели передачи сигнала через химический синапс, так и модели, учитывающие различные аспекты явления нейрональной пластичности. С целью юстирования значений используемых параметров математических моделей, будет проведено аналитическое исследование с применением методов теории динамических систем и бифуркационного анализа.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проекта могут быть использованы в разработке терапевтических методов подходов к коррекции патологических состояний ЦНС, а также для тестирования фармакологических агентов. Цитоархитектоническая модель аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки головного мозга, а также метод оптического картирования геномного ответа нейронов в коре головного мозга млекопитающих могут быть применены в области фундаментальной нейробиологии, нейрофизиологии и биомедицинских исследований. Результаты проекта могут быть использованы для исследования геномного ответа на когнитивную стимуляцию и процессов распознавания и долговременной фиксации когнитивной информации.
2. Полученные результаты будут использованы для создания интерактивного 3D атласа нейроглии кортикальных колонок мозга крысы / мыши в рамках выполнения ПНИЭР по теме: «Разработка методов, технологий и платформ для исследований функционирования нервных систем на основе создания высокоразрешающей информационной модели кортикальных структур мозга», c последующим его промышленным внедрением.
3. В настоящее время в мире используется достаточно большое количество методов, позволяющих с различной степенью эффективности исследовать процессы функционирования клеток головного мозга, однако большинство из них не отвечают возрастающим потребностям исследователей и специалистов в области преклинических исследований. При изучении процессов передачи и хранения информации в головном мозге необходимо использование методов и подходов, учитывающих пространственные особенности строения и функционирования головного мозга. Исследование молекулярно-клеточных особенностей формирования и работы отдельных функционально значимых локальных сетей на уровне целого мозга открывает новые возможности для понимания работы головного мозга и формирования когнитивных функций. Использование полученных в рамках проекта результатов для разработки 3D Атласа делают возможным создать уникальную базу данных по анатомии и физиологии головного мозга млекопитающих, а также возможность симуляции экспериментальных исследований по ингибированию/активации молекулярных каскадов, что позволит моделировать разнообразные патологические процессы. Это позволит снизить экономические затраты на проведение дорогостоящих и ресурсоемких экспериментов без потери адекватности получаемых результатов.
4. Исследования функционирования нейрон-глиальных сетей, механизмов передачи и хранения информации в головном мозге являются одними из актуальных направлений мировой науки. Результаты реализации проекта будут крайне востребованы мировыми научными и коммерческими консорциумами. Выполнение проекта позволит простимулировать интеграцию российского научного сотрудничества в международные программы и значимо повысить конкурентоспособность отечественных разработок в области нейробиологии и биомедицины.
При выполнении проекта будут реализованы мероприятия по демонстрации полученных результатов и популяризации науки, в том числе:
- Публикация научных статей в российских и международных изданиях с описанием результатов, методов и технологий, полученных при исследовании процессов аллокации когнитивной информации в головном мозге, а также о структурно-функциональной организации нейрон-глиальных сетей головного мозга.
- Написание учебно-методических работ с описанием разработанных методик.
- Участие членов творческого коллектива в семинарах, симпозиумах, выставках, конференциях, в том числе международных.

Текущие результаты проекта:
1. Проводится аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
2. Ведутся патентные исследования в области выполняемого проекта;
3. Проводятся теоретические исследования возможностей по усовершенствованию методов картирования геномного ответа нейронов головного мозга;
4. Ведутся работы по разработке метода оптического картирования геномного ответа нейронов в коре головного мозга млекопитающих;
5. Разрабатывается концептуальная модель нейрон-глиальной сети для исследования аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной микроколонки головного мозга мыши;
6. Разрабатывается методика оценки интенсивности геномного ответа кортикальных нейронов при когнитивном стимуле;
7. Ведутся работы по созданию программной модели спайковой нейронной сети и проведение предварительных вычислительных экспериментов по изучению механизмов формирования следов памяти.