Нейросетевой подход в изучении активности мозга

Нейронная сеть мозга рассматривается многими исследователями, как структурно-функциональная единица, отвечающая за процессы обработки, хранения и воспроизведения информации. Одним из маркеров функционирования нейронной сети является ее спонтанная биоэлектрическая активность, имеющая свои закономерности развития в онтогенезе и при воздействии факторов среды (Gross G.W., Kovalski J.M., 1999, Ham M.I. et al., 2008).

В настоящее время наиболее оптимальной методикой изучения нейрональной активности на сетевом уровне является мультиэлектродная система регистрации внеклеточных потенциалов действия (multielectrode arrays). Применение мультиэлектродной регистрации потенциалов в нейронных сетях имеет почти 30-летнюю историю. В 1972 году Thomas с соавторами опубликовали первую статью об использовании мультиэлектродной матрицы, содержащей 15 электродов, расположенных на расстоянии 100 мкм друг от друга, каждый их которых имел площадь 7 мкм2, для регистрации электрической активности нейронов в культуре клеток заднего рога спинного мозга крысы (Thomas C.A. et al., 1972). Позднее Pine (1980г.) удалось зарегистрировать потенциалы амплитудой около 50 мкВ у единичных нейронов в однои трехнедельной культуре, а также стимулировать их импульсами с амплитудой 0,5 V и длительностью 1 мс (Pine J., 1980). В 1986 году Wheeler и Novak использовали 32-электродную матрицу для регистрации электрической активности в срезе гиппокампа (Wheeler B.C., Novak J.L., 1986). Использование этими авторами метода обработки данных «The current source density analysis» показало распространение эпилептиформной активности вдоль среза гиппокампа со скоростью 250 мкм/мс. В 1989 году Gilbert и Pine создали 61-электродную матрицу, основа которой состояла из тонкого стекла и поэтому позволяла изучать структуру нейронных сетей и тканей в инвертированном микроскопе (Regehr W.G. et al., 1989). В 1991 году Chien и Pine использовали мультиэлектродную матрицу Pine lab MEA для регистрации постсинаптических потенциалов при одновременном оптическом имиджинге (voltage-sensitive dye recording) (Chien C. B, Pine J., 1991). В конце 1990;х годов группа японских ученых под руководством Kawana и Taketani создали 64-электродную матрицу для экспериментаов с диссоциированными культурами нейронов и срезами гиппокампа (Kamioka H. et. al., 1997). В настоящее время существует множество разновидностей мультиэлектродных матриц, которые могут быть использованы в различных экспериментах как in vitro, так и in vivo.

Однако изучение пространственно-временных паттернов и динамики спонтанной электрической активности центральной нервной системы в условиях in vivo является сложной задачей. Поэтому для изучения неросетевой активности особую значимость представляет использование мультиэлектродных матриц как субстрата для культивирования диссоциированных культур клеток.

В последние десятилетия изучение диссоциированных клеток нервной системы заняло ведущее место в нейробиологических исследованиях, потеснив работы, проводимые на переживающих срезах, поскольку изолированные и развивающиеся in vitro нервные и глиальные клетки можно считать почти идеальной экспериментальной моделью для решения проблем и приложения различных методов в хроническом эксперименте (Анохин К.В., 2002, Лебедев Р. Д., Бурцев М. С., 2010). Исследование динамики развития спонтанной электрической активности в культуре диссоциированных клеток является одним из ключевых вопросов для понимания формирования нейронных сетей и их значения в пластичности и адаптации (Madhavan R. et al., 2006, Stegenga J. et. al., 2008, Pan L. et. al., 2009). Спонтанная биоэлектрическая активность диссоциированных культур с высокой плотностью клеток отличается склонностью к синхронизации. Гиппокампальные нейроны после нескольких дней культивирования на мультиэлектродной матрице образуют между собой синаптические контакты, о чем свидетельствует генерирование клетками случайных спайков (внеклеточных потенциалов действия) и типичных паттернов электрической активности в виде спайков (Gross G.W., Kowalski J.M., 1999). В зависимости от возраста культуры, условий культивирования, фармакологических воздействий происходит изменение рисунка пачки (Boehler M. et al., 2007, Xiang G. et al., 2007), механизмы которого остаются до их пор не выясненными.

С точки зрения исследователей, использующих данную методику, под сетевой пачечной активностью (англ. — network burst) подразумеваются короткие периоды, в течение которых частота спайковой активности многих клеток, регистрируемая на нескольких электродах, превышает базовый уровень.

Таким образом, сетевая пачечная активность — моментальная пространственно-временная последовательность внеклеточных потенциалов действия (спайков) одного или нескольких нейронов, детектируемая на внеклеточных электродах с короткими межспайковыми интервалами.

Сетевая пачка — пачка внеклеточно регистрируемых спайков характеризуется следующими признаками:

Количество спайков в пачке не менее 4;

Межспайковый интервал не более 100 мс;

Наличие пространственной и временной синхронизации пачечной активности в нейронной сети.

По классификации S. Potter в зависимости от количества внеклеточных электродов, регистрирующих сетевую пачечную активность, различают следующие виды пачек импульсов:

Мини-пачка (англ. — Burstlet), регистрируется на одном электроде;

Комплексная пачка (англ. — network burst), регистрируется одновременно на нескольких электродах (не менее 4). Комплексные пачки подразделяются на несколько подклассов, среди которых в нашей работе были идентифицированы малые пачки (англ. — small burst) и суперпачки (англ. — superburst). Средняя продолжительность малой пачки 300−600 мс. Суперпачки состоят из малых пачек, межпачечный интервал вне последовательностей в 10 раз больше, чем внутри них (Wagenaar D.A. et al., 2006).

В настоящее время мультиэлектродные системы используются в электрофизиологических исследованиях нейронных сетей в наиболее передовых нейробиологических лабораториях мира. В отличие от традиционных электрофизиологических методов применение данной методики имеет ряд преимуществ:

• 1. Клеточная неинвазивность, отсутствие необходимости помещать электроды вручную;
• 2. Возможность одновременной регистрации сигналов и стимуляции клеток;
• 3. Возможность проведения хронических экспериментов (месяцы);
• 4. Возможность фармакологических манипуляций, в том числе, лекарственный скрининг;
• 5. Возможность совмещения электрофизиологических методов с методами прижизненной оптической визуализации (в частности, конфокальной лазерной микроскопии).

Совмещение культуры клеток с мультиэлектродной системой регистрации активности нейронов позволяет моделировать в динамике различные стадии развития нейронных сетей, а также может быть использовано для изучения на клеточном и сетевом уровне таких свойств нервной системы, как научение и память (Demarse T.B. et al., 2001, Li Y. et al., 2007).

Экспериментальные данные могут стать основой для проверки существующих теоретических гипотез и математических моделей работы нейронных сетей, что расширяет представления о пластичности ткани мозга и формировании функциональных систем, направленных на достижение адаптивного результата. Кроме того, культивирование клеток различных структур головного мозга на мультиэлектродной матрице дает уникальную возможность исследования изменений морфофункциональных свойств живых нейронов в хроническом эксперименте и поиска соединений, оказывающих нейропротекторный эффект при моделировании различных патологических состояний ЦНС.

Таким образом, с момента открытия нейротрофического фактора головного мозга опубликовано множество работ, однако актуальность изучения данного белка сохранилась и по сей день. Показано, что основные функции, выполняемые BDNF, связаны с взаимодействием этого белка с рецептором TrkB, при котором запускаются сигнальные механизмы, задействованные в различных процессах, происходящих в клетке. BDNF участвует в стимуляции нейрогенеза, повышает выживаемость и стимулирует рост нейронов различного фенотипа и локализации. По некоторым данным BDNF оказывает влияние на синаптическую передачу сигнала и формирование долговременной потенциации, обеспечивая пластичность нервной ткани. Наиболее интересен тот факт, что во взрослом мозге нейротрофический фактор головного мозга принимает участие в защитных механизмах при ишемическом повреждении нервной ткани. Однако данные клинических наблюдений и экспериментальных работ по данному направлению противоречивы, поэтому необходимы дальнейшие исследования in vitro и in vivo с целью более полного раскрытия механизмов нейропротекторных эффектов BDNF, по мере изучения, которых, будет появляться возможность разработки новых лекарственных средств. Кроме того, не менее интересным и неизученным является вопрос о роли BDNF как нейромодулятора или нейротрансмиттера в синаптической передаче импульсов. Раскрытие механизмов участия BDNF в информационных процессах позволит прояснить его роль в таких высших функциях ЦНС, как научение и память.