Разработки молодых учёных

В отделе теоретической физики НИЦ физики конденсированного состояния КГУ с 2021 года ведутся работы по проекту «Регуляция синаптической активности паттернами астроцитарной кальциевой динамики и модуляцией глиотрансмиттерного профиля» в рамках гранта Российского научного фонда «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учёными. Руководителем проекта является кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИЦ физики конденсированного состояния, доцент кафедры физики и нанотехнологий Верисокин Андрей Юрьевич.

Главную роль в проекте играют астроциты – клетки, наряду с другими глиальными клетками и нейронами, составляющие наш мозг. И если нейронам посвящено множество фундаментальных и прикладных исследований, тяжеловесных научных и интересных научно-популярных статей, то астроциты долгое время оставались в тени и не были на слуху у широкой аудитории не равнодушных к современным исследованиям и технологиям людей. К счастью, в последние годы ситуация в научном мире стала кардинально меняться. Сегодня астроциты фигурируют в множестве актуальных научных исследований и разработок.

Подавляющее большинство нейропатологий, включая болезни Альцгеймера, Паркинсона, инсульты, эпилепсию, шизофрению и другие, сопровождаются нарушениями взаимодействий астроцитов с синапсами, т.е. местами контакта и передачи сигналов между нейронами. Долгое время все нейродегенеративные процессы рассматривались как явления, связанные с нарушениями функционирования исключительно нейронной сети. Однако многочисленные современные экспериментальные и медицинские исследования свидетельствуют о несомненной роли нарушений согласованного функционирования нейронов и астроцитов в патологических изменениях, сопровождаемых дисрегуляцией кальциевого гомеостаза в астроцитах.

Основной ожидаемый результат проекта связан с определением механизмов управления нейронной активностью головного мозга при нейропатологических процессах путём регуляции интенсивности выделения глиотрансмиттеров, опосредованной кальциевой динамикой астроцитов. Актуальность и значимость исследований данных механизмов напрямую связана с широкой распространённостью и разнообразием патологий головного мозга. Неуклонный рост статистики по нейродегенеративным заболеваниям приводит к огромным экономическим потерям государства и влечёт за собой множество социальных проблем.

В задачи исследования, находящегося на стыке нескольких областей знаний, входит как построение математической модели взаимодействия астроцитов с синапсами, так и поиск методов регуляции синаптической активности опосредованно через сеть астроцитов.

Синапсы в коре головного мозга млекопитающих имеют средний диаметр 20-40 нм и плотно располагаются на аксонах. При переходе к двумерной проекции астроцита площадь контактирующей с синапсом поверхности астроцита будет составлять примерно 0.05-0.5 мкм^2. Это значение определяет "эффективную" площадь синапса – область, способную к передаче сигнала астроциту. В проекте используются двухмерные проекции снимков реальных астроцитов, полученных при помощи конфокального микроскопа, в которых каждый пиксель пространственного шаблона соответствует площади 0.25 мкм^2. В связи с этим для простоты в случае с локализованными синапсами отдельному синапсу ставится в соответствие один пиксель. Каждый синапс определяется на двумерном представлении астроцита как участок, служащий источником возбуждения системы.

Разреженная локализация возбуждающих стохастических источников нейромедиаторов в виде пространственно разделенных синапсов изменяет кальциевую динамику астроцитов по сравнению с однородным возбуждением. Наиболее заметным отличием является появление "горячих точек" – областей астроцита с высоким базальным уровнем кальция. Такая пространственная дифференциация определяется нейроглиотрансмиттерными взаимодействиями, внутренней морфологией астроцита и конкретным распределением синапсов. Разрежённость синапсов коррелирует с разрежённостью высококальциевых областей.

Интерпретация полученных результатов с биофизической и биомедицинской точки будет полезна для планирования новых экспериментов, а главное – может оказать неоценимую помощь при разработке новых методов лечения нейрологических нарушений.

Ещё один практический аспект применения результатов проекта связан с нейроморфными процессорами на основе нейро-астроцитарных сетей. Современные инженерные решения демонстрируют, что добавление к искусственным нейронам астроцитарной компоненты может иметь ряд технических преимуществ, в первую очередь, за счёт гибкости алгоритмов машинного обучения. В ответ на внешнюю стимуляцию колебания в искусственных астроцитах могут кодировать информацию в форме амплитудно-частотной модуляции. Таким образом, модель передачи импульсов нейронами, учитывающая влияние астроцитарной сети на синаптическую активность в нейронной, принципиально отличается от основных алгоритмов обучения, которые могут изменить только структуру сети, и даёт возможность обучения искусственного интеллекта более сложному поведению. Так, интеграция астроцитарных чипов в нейроморфный процессор Intel's Loihi показывает эффективность такого подхода на системе для контроля ходьбы робота в контролируемой среде, позволяя роботу двигаться с разной скоростью и избегать препятствий гораздо более плавно, чем при наличии только чипов нейронной сети. А значит, полученные результаты могут быть использованы при разработке современных нейроморфных алгоритмов машинного обучения, включающих как нейронные, так и астроцитарные сети.

Результаты исследования опубликованы в 3 статьях в зарубежных научных журналах, индексируемых Web Science и Scopus. представлено 6 докладов на научных конференциях международного уровня и получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

С лета 2022 года начались работы по проекту «Метаболическая регуляция нейроваскулярного сопряжения при нейродегенеративных процессах, вызванных ишемией головного мозга» под руководством кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника НИЦ физики конденсированного состояния, доцента кафедры физики и нанотехнологий Вервейко Дарьи Вячеславовны.

Проект предполагает разработку и вычислительную реализацию математической модели метаболической регуляции нейроваскулярных связей и дальнейший анализ методов её контроля, что требует консолидации математического и биофизического подхода вместе с использованием технологии параллельных вычислений.

Основной проблемой исследования является поиск новых эффективных способов управления интенсивностью кровотока и активностью нейронов при нарушениях нормального функционирования нервной ткани, с целью практического применения при лечении таких широко распространённых патологий, как инсульт, распространяющаяся кортикальная депрессия, а также различных черепно-мозговых травм.

На настоящий момент не найден оптимальный нейропротектор, с доказанной эффективностью сдерживающий распространение нейродегенеративных изменений и минимизирующий последствия инсульта. Многие препараты демонстрируют положительный эффект для нервных клеток в культуре или мозга животных в лабораторных опытах. Но в клинических испытаниях на человеке они либо неэффективны, либо вызывают значительные побочные эффекты в том числе вследствие того, что некоторые механизмы нарушения физиологической нейроваскулярной связи остаются в тени, становясь источником сопутствующей и/или последующей патологии.

Успешное решение проблемы, поставленной перед проектом, даст новые фундаментальные знания об особенностях ключевых путей взаимодействия нейронной и астроцитарной сетей друг с другом и с кровеносной системой. Определение таких путей – необходимое условие для создания принципиально новых эффективных методов лечения нейродегенеративных патологий без непосредственного влияния на нейроны. В настоящее время в направлении таких инновационных методов лечения сделаны только первые шаги, связанные с фармакологическим ингибированием синтеза сосудосуживающих метаболитов и воздействием на каналы с транзиторным рецепторным потенциалом.   Тем не менее эти доклинические исследования позволяют оценить потенциал методов такого опосредованного воздействия на кровоток и нейронную активность как достаточно высокий.

Определение сложного каскада клеточных процессов, ответственных за метаболические эффекты кислорода на мозговой кровоток, может иметь решающее значение для лечения инсульта и сосудистой деменции, а также помочь в понимании нейроваскулярных связей для фундаментальных научных исследований. Выявленные взаимосвязи между уровнями насыщения кислородом, динамикой кровотока и паттернами нейрональной активности будут востребованы в прикладных задачах повышения диагностической и прогностической точности результатов функциональной МРТ.

Результаты исследования были доложены на международном научном Балтийском форуме: нейронаука, искусственный интеллект и сложные системы BF-NAICS 2022, направлены в зарубежные научные журналы, индексируемые Web Science и Scopus, подана заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ.

Исследования в НИЦ физики конденсированного состояния ведутся в тесном сотрудничестве с Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова и Саратовским национальным исследовательским государственным университетом имени Н.Г. Чернышевского.

Вервейко Д.В. также является исполнителем гранта РНФ №22-14-00033 «Интеллектуальные методы обработки и анализа данных флуоресцентного имиджинга кальциевой активности в астроцитах и мультиспектральных исследований нервной ткани». Руководитель – Браже А.Р., кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории общей биофизики МГУ.

В команды проектов входят студенты и аспиранты КГУ и МГУ: Лукин Павел Олегович, аспирант 2-го года обучения, специальность 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника», кафедра физики и нанотехнологий КГУ (научный руководитель Верисокин А.Ю.), Прудкин Максим Николаевич, студент бакалавриата 4 курса направление подготовки «Электроника и наноэлектроника», факультет физики, математики и информатики КГУ, Кирсанов Артём Викторович, студент бакалавриата 4 курса, специальность 03.01.02 «Биофизика», биологический факультет, МГУ им. М.В. Ломоносова. Они принимают активное участие в написании научных статей и в работе международных и всероссийских конференций, например, выступали с устными докладами на международной научной конференции «Математика. Компьютер. Образование 2022», секция W4 "Моделирование, визуализация и анализ данных в исследовании когнитивных систем", МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, 24-28.01.2022. Лукин П.О. был награждён дипломом III степени за доклад на XVI Всероссийской молодежной научно-инновационной школе «Математика и математическое моделирование», секция "Математическое моделирование в биофизике", СарФТИ НИЯУ МИФИ, г. Саров, 05-07.04.2022.

Настроиться на серьёзный научный лад молодым исследователям помогает спорт. Верисокин А.Ю. в ноябре принял участие в ArchedaTrail – забеге в Арчединско-Донских песках Волгоградской области. Один из организаторов спортивного мероприятия – научный руководитель молодого учёного Постнов Дмитрий Энгелевич, доктор физико-математических наук, профессор СГУ им. Н.Г. Чернышевского. Физическая нагрузка способствует концентрации и ясности мысли, что имеет под собой научное обоснование. Увеличение поступления кислорода в кровь вследствие возрастающей в нём потребности активизирует синаптическую активность головного мозга, а потому научные обсуждения после забега оказались особенно эффективными. Оказывается, спорт и наука могут быть соратниками.