Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0117

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0117
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук
Название доклада
Разработка модели распознавания и фиксации новой информации в кортикальной микроколонке
Докладчик
Баграташвили Виктор Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Данное прикладное научное исследование является составной частью комплексного проекта ПНИЭР по теме: «Разработка методов, технологий и платформ для исследований функционирования нервных систем на основе создания высокоразрешающей информационной модели кортикальных структур мозга»
Актуальность и новизна исследования
Одной из актуальных проблем современной биологии и биомедицины является отсутствие концептуальной цитоархитектонической модели передачи информации, необходимой для создания единой эмпирически проверенной теории о механизмах передачи и хранения информации в головном мозге. Разработка такой модели позволит изучить не только особенности геномного ответа клеток коры головного мозга при когнитивной стимуляции, но и существенно дополнить современные представления о структурно-функциональной организации нейрон-глиальных сетей головного мозга.
Возрастающая потребность исследователей к детальному изучению молекулярных механизмов функционирования клеток головного мозга предполагает создание новых высокоэффективных методов и подходов.
Разработка метода оптического картирования геномного ответа нейронов в структуре микроколонок коры головного мозга предполагает получение принципиально новых данных об активации генома и особенностях геномного ответа в нейронах различных фенотипов, что будет являться фундаментальной основой для понимания процессов аллокации когнитивной информации в головном мозге.
Использование полученных результатов в разработке 3D Атласа мозга позволит создать уникальную базу данных по анатомии и физиологии головного мозга млекопитающих, а также возможность симуляции экспериментальных исследований, что значительно снизит затраты на их проведение без потери адекватности получаемых результатов.
Описание исследования

Исследование процессов передачи и хранения информации в настоящее время является одной фундаментальных проблем современной нейробиологии и биомедицины. Разработка концептуальной цитоархитектонической модели и понимание механизмов передачи информации должны стать феноменологической основой для разработки принципиально новых алгоритмов обработки информации, а также для создания лекарственных субстанций нового поколения. Интерес исследователей к проблемам аллокации новой информации привело к развитию сложных методов, позволяющих с различной степенью эффективности исследовать процессы функционирования клеток головного мозга. Одним из наиболее перспективных методов изучения молекулярных основ высшей нервной деятельности животных и человека является методика оптического просветления. Разработка в рамках проекта методических приемов дегидратации целого мозга или его отделов в комплексе с современными имиджинговыми методиками позволит исследовать нейронный ответ на различные когнитивные стимулы на клеточно-молекулярном уровне и стать основой как для фундаментальных исследований, так и для моделирования фармакологического действия инновационных лекарственных препаратов и новых терапевтических стратегий.

Не менее значимым вопросом современной науки о мозге является задача систематизации и каталогизации клеточных ансамблей мозга не только на уровне топологии целого мозга, но и на функционально динамическом уровне. Перспективными являются подходы, которые бы позволили каталогизацию функциональных переходов информации на молекулярно-клеточном уровне. Метод картирования геномного ответа на когнитивный стимул является одним из адекватных методов изучения функциональных переходов, сопряженных с аллокацией информации и реализацией базовых функций высшей нервной деятельности. Кроме того, разработка в ходе выполнения проекта метода прижизненной детекции экспрессии генов, участвующих в аллокации новой когнитивной информации, определяет возможность осуществления долговременных экспериментов по изучению роли отдельных генов в процессах транспозиции когнитивного сигнала в коре головного мозга. Данная методика определяет уникальность проведения исследований по изучению не только функционального гомеостаза клеток, но и осуществления дифференциального анализа пластичности клеток с разным уровнем экспрессии мРНК гена интереса.

Одним из подходов для решения фундаментальных задач по изучению процессов передачи и хранения информации является разработка математической модели, которая могла бы описать информационные процессы и вычленить интересующие исследователя эффекты из огромной многофункциональной системы, которой является головной мозг. Перспективным направлением в данной области исследований является разработка систем передачи и обработки сигналов и информации, основанных на механизмах функционирования нейронных сетей мозга. Разрабатываемая в рамках проекта уникальная модель спайковой нейронной сети позволит моделировать отдельные нейроны и нейронные сети, задавать значения параметров, определяющих динамику импульсной активности различных типов нейронов, задавать архитектуру связей, моделировать синаптические связи, задавать значения параметров, определяющих тип и свойства синаптической пластичности. Модель рассчитана для широкого круга задач вычислительной нейробиологии, в том числе на проведение численных экспериментов по изучению механизмов формирования следов памяти.

Не менее актуальным вопросом для нейробиологии является создание единой базы данных по анатомии и физиологии головного мозга млекопитающих. Полученные в ходе выполнения проекта результаты заложат основу для создания 3D Атласа нейроглии кортикальных колонок мозга, предусматривающего возможность моделирования различных биологических процессов и исследования особенностей функционального нейросетевого ответа. Создание 3D Атласа определяет перспективу разработок инновационных терапевтических подходов и эффективной диагностики широкого спектра заболеваний ЦНС и тестированию различных фармакологических агентов.

Результаты исследования

В рамках выполнения проекта была разработана концептуальная модель аллокации новой информации в нейронных сетях мозга, наиболее полно описывающая различные аспекты формирования кортикальной микроколонки, механизмов детекции и сохранения новой когнитивной информации. Была разработана программная модель спайковой нейронной сети, сочетающая 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. С использованием разработанной модели были проведены вычислительные эксперименты по изучению механизмов формирования следов памяти (процессов кратковременной и долговременной синаптической пластичности).

На основе созданных в ходе выполнения проекта экспериментальных образцов оптически просветленных кортикальных микроколонок головного мозга мыши была разработана программа и методики испытаний, позволившие успешно провести валидацию метода оптического картирования геномного ответа нейронов в коре головного мозга млекопитающих. Разработан инновационный метод прижизненной дифференциальной оценки экспрессии генов раннего ответа, предназначенный для изучения пространственно-временных транслокаций информации в нейрон-глиальных сетях головного мозга. Разработанная методика может использоваться в нейробиологических исследованиях как самостоятельная единица, так и в комплексе с методикой функционального кальциевого имиджинга, что определяет уникальную возможность проведения исследований не только функционального кальциевого гомеостаза нейронов и астроцитов кортикальной микроколонки, но и осуществления дифференциального анализа пластичности клеток с разным уровнем экспрессии мРНК на субклеточном уровне.

На основе проведенного анализа иммуногистохимических изображений были определены ключевые критерии, позволившие разработать методику автоматизированного детектирования нервных клеток головного мозга, в которых произошла активация генома. В методике предусмотрена возможность работы с различными форматами данных, включена оценка шумовых составляющих и их фильтрация по каждому из каналов флуоресценции, а также классификация нейронов по наличию окрашивания в каналах флуоресценции.

Проводимые исследования выполняются на высоком профессиональном уровне и являются новыми и оригинальными с точки зрения постановки задач и мультидисциплинарного подхода для их реализации. Осуществляемые в рамках проекта работы по степени актуальности и уровню исполнения соответствуют научным исследованиям, осуществляемые в передовых мировых научно-исследовательских центрах, в том числе Brain and Mind Institute и Fridriech Miescher Institute for Biomedical Research, Швейцария; RIKEN-MIT, Япония; Scripps Research Institute, Neurobiology Laboratory at the Hospital for Sick Children и University of California, США).

Практическая значимость исследования
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 и биомедицинских исследований. Изучение 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. Полученные результаты будут использованы для создания интерактивного 3D Атласа нейроглии кортикальных колонок мозга. Создание уникальной базы данных по анатомии и физиологии головного мозга млекопитающих с возможностью симуляции экспериментальных исследований по ингибированию/активации молекулярных каскадов позволит моделировать разнообразные патологические процессы, что послужит новым толчком в области разработок новых методов и подходов к терапевтической коррекции и проведению высокоточной диагностики ишемических, нейродегенеративных заболеваний и ряда других патологий ЦНС, а также для фармакологического скрининга цитопротекторов. Помимо снижения экономических затрат на проведение дорогостоящих и ресурсоемких экспериментов без потери адекватности получаемых результатов, создание 3D Атласа позволит решить ряд социально-значимых проблем, в том числе снизить смертность и повысить качество жизни пациентов, тем самым облегчить финансово-моральное бремя трудоспособного населения нашей страны.
По завершении проекта планируется ввести в промышленное освоение программную модель спайковой нейронной сети. Данная модель найдет свое применение в разработке и производстве искусственных когнитивных систем, имеющие большой потенциал в области построения комплексов обработки информации, воспроизводящих принципы работы мозга, и системах адаптивного управления роботизированными устройствами.
Таким образом, выполнение проекта позволит простимулировать интеграцию российского научного сотрудничества в международные программы и значимо повысить конкурентоспособность отечественных разработок в области нейробиологии и биомедицины.