Проект "Ранняя активность в развивающемся мозге"
В ходе проведенных в лаборатории научных исследований показано, что развитие участков коры головного мозга, отвечающих за восприятие внешнего мира, связано с уникальными формами ритмической активности головного мозга. Показано, что сенсорная активация коры обеспечивается эндогенными механизмами, такими как, например, спонтанные миоклонические мышечные подергивания и волны активности в незрелой (еще нечувствительной к свету) сетчатке. Вскрыты основные физиологические механизмы, лежащие в основе генерации этих ранних ритмов. В частности, показано, что ритмическая активность в развивающихся нейрональных сетях создает условия для усиления правильных и устранения ошибочных связей в коре головного мозга детей. Было также показано, что процессы торможения в мозге детей развиваются с запозданием, и что это главным образом связано с парадоксальным возбуждающим действием основного нейромедиатора торможения - гамма амино масляной кислоты (ГАМК) на незрелые нейроны. Более того, было показано, что в зрелых нейронах ГАМК может менять свое действие с тормозного на возбуждающее в результате травмы, что может приводить к развитию эпилепсии.
Полученные результаты имеют ключевое значение для понимания того, как функционирует мозг ребенка в норме, так и при патологии. Помимо фундаментального значения - они ложатся в основу нового направления науки - пренатальной физиологии нервной системы, эти результаты имеют прямое отношение к выполнению решений Президента и Правительства РФ о развитии детского здравоохранения в нашей стране. Не секрет, что повышение рождаемости сопровождается значительным увеличением количества недоношенных новорожденных, чья нервная система находится на эмбриональном этапе развития, и у которых впоследствии развиваются различные неврологические и поведенческие нарушения. Для того, чтобы создать условия для наиболее оптимального развития нервной системы недоношенных новорожденных необходимо понимание того, как функционирует их мозг и как он реагирует на внешние стимулы. Это и является основной перспективой наших дальнейших исследований.
В настоящий момент разработанные нами методики регистрации и анализа электрической активности мозга новорожденных и их реакции на внешние стимулы успешно внедряются в Детской республиканской клинической больнице г. Казани для детекции ранних форм активности, что принципиально для определения соответствия зрелости активности мозга гестационному возрасту новорожденного, а также для ранней диагностики патологий центральной нервной системы. Разработанные стандарты будут впоследствии рекомендованы для широкого использования в РФ.
Следует также отметить, что разрабатываемая в лаборатории компьютерная программа «Атлас развивающегося мозга в стереотаксических координатах» (патент находится в стадии регистрации) - имеет коммерческий потенциал в научной и образовательной средах и в фарминдустрии.
Основная тематика научных работ в 2015-2016 гг.:
- Функциональные аспекты развития кортикальных нейронных сетей.
- Физиология и патофизиология энторинально-гиппокампальной системы в онтогенезе.
- Возрастные изменения сетевой нейрональной активности в срезах гиппокампа крысы на ранних этапах постнатального развития.
- Роль оксида азота и активных форм кислорода в патофизиологии мигрени.
- Картирование развивающегося мозга путем регистрации внутреннего оптического сигнала.
Основная тематика научных работ в 2014 г.:
Основные результаты, полученные в 2013г.:
Согласно предложенному плану исследований предполагалось охарактеризовать на уровне отдельной кортикальной колонки свойства ранних осцилляторных паттернов в коре новорожденных крысят и их связь с характеристиками сенсорных входов, определить сетевые механизмы генерации этих паттернов, охарактеризовать возрастные изменения тормозного действия ГАМК в коре головного мозга новорожденных крысят и, наконец, попытаться гипотезы и результаты, получаемые на новорожденных животных, перенести на новорожденных детей.
Используя многоканальные внеклеточные и пэтч-кламп отведения от соматосенсорной коры и таламуса, было продемонстрировано, что топографические и нетопографические сенсорные входы кодируются гамма и альфа-бета осцилляциями, соответственно. Кроме того, было получено подтверждение тому, что источником гамма осцилляций являются в основном гамма-ритмические входы из таламуса, тогда как альфа-бета осцилляции генерируются в самой коре и являются результатом активации инфрагранулярных слоев коры и тормозной модуляции активности гранулярных клеток и сложных кортикоталамических обратных связей. Также было показано, что ранние гамма осцилляции, которые, как раньше предполагалось, присущи только баррел кортексу, также наблюдаются и в других частях соматосенсорной коры, включая области представления частей тела. По мере изучения ранней сетевой активности в коре головного мозга новорожденных крысят было сделано одно интересное наблюдение, которое заключается в том, что и спонтанные и вызванные сенсорной стимуляцией осцилляторные паттерны практически полностью устраняются под действием общей анестезии (изофлюран). Это наблюдение привело к гипотезе о том, что неблагоприятное нейротоксическое действие на развивающийся мозг анестетиков, применяемых в общей анестезии, может быть вызвано подавлением сетевой активности в незрелой коре и, как результат, развитием нейроапоптоза. Эта гипотеза будет всесторонне изучена в последующих исследованиях.
Исследование возрастных изменений тормозного действия ГАМК показало, что нейрональная травма у незрелых животных может приводить к приобретению поврежденными нейронами вторичного деполяризующего и возбуждающего ГАМК фенотипа, результатом чего будет являться повышенная возбудимость вследствие травмы. С другой стороны, было продемонстрировано, что на ранних стадиях после рождения ГАМК оказывает возбуждающее действие на незрелые нейроны независимо от того, являются они поврежденными или нет, одинаково в срезах мозга и в интактных препаратах in vitro (препарат целого гиппокампа), подразумевая, что возбуждающее действие ГАМК в первые дни жизни крысят представляет собой физиологический феномен. Были также разработаны новые неинвазивные методики исследования деполяризующего действия ГАМК, включая пэтч-кламп регистрацию в конфигурации «на клетке» ответов, вызванных ГАМК, освобождаемой в результате фотостимуляции молекул RuBi-GABA комплекса прямо в регистрирующей пипетке, а также ответов, вызванных локальной фотоактивацией интернейронов у ChR2-GAD трансгенных мышей. Эти методики будут использоваться в дальнейших исследованиях возрастных изменений действия ГАМК у интактных животных in vivo.
Результаты исследований на недоношенных новорожденных детях, полученные в Детской республиканской клинической больнице (ДРКБ, г. Казань в сотрудничестве с группой A. Kaminska из госпиталя Necker, г. Париж, Франция), показали, что паттерны сетевой активности в коре головного мозга недоношенных детей, что соответствует эмбриональному уровню развития, были идентичны наблюдаемым у новорожденных крысят, а различные сенсорные стимулы вызывали популяционные разряды в соответствующих областях сенсорной коры недоношенных детей. Это сотрудничество будет иметь существенное значение для развития новых диагностических критериев у недоношенных детей.
Оборудование лаборатории и кафедры физиологии человека и животных [pdf]
По результатам исследований была защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Валеевой Г.Р. «Постсинаптическое действие гамма-аминомасляной кислоты в коре головного мозга новорожденных крыс и мышей» (2012), дипломная работа Валиуллиной Ф.Ф. (рук. Ситдикова Г.Ф., Хазипов Р.Н.) «Роль нейрональной травмы в возбуждающем действии ГАМК в развивающемся гиппокампе in vitro», дипломная работа Королевой К.С. «Электрические свойства нейронов вентрального таламуса у новорожденных крысят» (рук. Яковлев А.В.), курсовые работы студентов 3 и 4 курсов.
