ИСТИНА

Обработка и передача информации нервными клетками – энергетически затратный процесс, поэтому работа мозга критически зависит от адекватного обеспечения его энергией в виде глюкозы и кислорода. Нарушение функционального сопряжения нейрональной активности и локального кровотока приводит к декомпенсации энергозатрат нейронов, потере ими нормальных ионных градиентов на плазматической мембране из-за остановки активного мембранного транспорта, прежде всего Na/K-насоса, и, в итоге, к потере возбудимости. Большинство нейронов мозга, в среднем, генерируют потенциалы действия (ПД) с частотой 4–10 ПД/с. Более редкие нейроны, способные к генерации ПД с высокой частотой (сотни и тысячи ПД/с) нуждаются в наибольшей продукции АТФ на поддержание потенциала покоя, обработку синаптических входов, равно как и на сами ПД. Таким образом, именно “быстрые” нейроны наиболее чувствительны к нарушению синтеза АТФ, например при ишемии. При этом, именно “быстрые” интернейроны коры и гиппокампа необходимы для координации активности локальных нейрональных ансамблей и лежат в основе гамма-ритма мозга, сопровождающего высшие когнитивные функции. Анализ пространственно-детализированных моделей нейронов различных типов с максимально подробным учетом мембранных механизмов, позволит нам провести реалистичную оценку энергозатрат “быстрых” нейронов на поддержание градиентов Na+, K+ и Ca2+, а также степени их энергоэффективности, которая может быть выражена в особенностях топологии синаптических входов нейрона, его морфологии, состава и количества ионных каналов и рецепторов в плазматической мембране.

The processing and transmission of information by nerve cells is an energy-consuming process, so the work of the brain depends critically on adequate provision of its energy in the form of glucose and oxygen. Violation of the functional conjugation of neuronal activity and local blood flow leads to a decompensation of neuronal energy costs, the loss of normal ion gradients on the plasma membrane due to the stopping of active membrane transport, especially the Na / K pump, and, ultimately, loss of excitability. Most brain neurons, on average, generate action potentials (APs) with a frequency of 4-10 AP/s. Rarer neurons capable of generating APs at a high rate (hundreds and thousands AP/s) need the greatest ATP production to maintain the resting potential, to process the synaptic inputs, as well as to the APs. Thus, it is the "fast" neurons that are most sensitive to the disruption of ATP synthesis in ischemia, for instance. Furthermore, it is the "fast" interneurons of the cortex and hippocampus that are necessary for the coordination of the activity of local neuronal ensembles and underlie the gamma rhythm of the brain accompanying higher cognitive functions. Analysis of spatially-detailed models of various neurons types with the detailed consideration of membrane mechanisms will allow us to make realistic estimates of the energy expenditure of the "fast" neurons to maintain Na+, K+ and Ca2+ gradients, as well as the degree of their energy efficiency, which can be expressed in the topological features of the synaptic inputs of a neuron, its morphology, composition and number of ion channels and receptors in the plasma membrane.

1) Впервые будет получена подробная оценка энергозатрат для нескольких типов нейронов, адаптированных к высокой частоте генерации ПД и обработке синаптической информации с высоким временным разрешением. Это позволит во-первых, рзвить общие представления о связи особенностей морфологии, биофизики нейронов с их энергозатратами и выявить наиболее оптимальные характеристики, что позволит анализировать вопросы эволюционного развития механизмов работы нейронов, а также, продвинуться в современных проблемах медицины и фундаментальных нейронаук. 2) Оценка энергозатрат для нескольких классов нейронов будет осуществлена на многокомпартментных моделях, учитывающих реальную морфологию нейрона, что позволит получить информацию о метаболических потребностях этих клеток с пространственным и временным разрешением, а также, впервые проанализировать влияние особенностей реалистичной геометрии нейронов на их энергоэффективность и расширить современные представления о механизмах формирования наиболее оптимальных паттернах ветвления и образования межнейронных связей. 3) Будет установлена взаимосвязь между типом возбудимости (видом бифуркации потери устойчивости) нейрона и его энергоэффективностью в покое и при обработке синаптических сигналов, что усилит понимание, почему в нервной системе представлены нейроны с различным типом возбудимости (интеграторы и резонаторы), какую роль в этом сыграл отбор на минимизацию энергозатрат, и при каких условиях требуется подстройка вида бифуркации нейрона: например, пирамидальные клетки коры могут переключаться из режима интегратора в режим резонатора при тонической деполяризации (PRDS2008). 4) Будет проведен анализ активных нелинейных процессов на дендритах с точки зрения эффективности передачи и обработки информации, в том числе с учетом затрачиваемой энергии на бит переданной/обработанной информации. 5) Будет дана оценка работы “быстрых” нейронов ЦНС с точки зрения оптимизации их энергозатрат: поскольку эти нейроны должны иметь весьма высокий уровень метаболизма относительно других типов нейронов, важно выяснить степень компромисса между энергозатратами и характерными функциональными особенностями. Это позволит, в частности, прояснить существующее противоречие: с одной стороны, по оценкам [L2003 10.1016/S0960-9822(03)00135-0], лишь небольшая (~1%) доля нейронов коры больших полушарий может одновременно может генерировать потенциалы действия; с другой стороны, известно, что парвальбумин-положительные интернейроны [KPD2014 10.1038/jcbfm.2014.104] генерируют продолжительные синхронные высокочастотные (>100 Гц) сигналы и крайне важны для слаженной работы других клеток. Кроме того, это позволит выяснить, сущетсвует ли механизм снижения энергозатрат на потенциал действия при генерации высокочастотных сигналов, какую долю общих энергозатрат коры формируют эти интернейроны, на сколько они критичны в развитии патологии.

Авторы НИР ранее опубликовали несколько оригинальных работ по моделированию аксо-глиальных взаимодействий в миелиновом нервном волокне в условиях недостатка энергии и нейро-глиальных взаимодействий в ганглии пиявки. На настоящий момент проведены пилотные подсчеты затрат энергии в точечных моделях клеток вентрального кохлеарного ядра и на упрощенной распределенной модели октопусного нейрона с использованием оригинального метода учета токов смешанной проводимости. Руководитель проекта также принимает участие в совместном проекте с Копенгагенским университетом (Дания) по экспериментальному исследованию активности нейронов (в том числе, PV-положительных) и астроцитов на фоне скомпрометированного кровотока и ишемических состояний мозга.