Моделирование эпилептиформной активности в нейрон-астроцитарных сетях мозга
- Авторы: Цыбина Ю.А.1, Кастальский И.А.1, Андреев А.В.1,2, Фролов Н.С.2, Храмов А.Е.2, Гордлеева С.Ю.1,2
-
Учреждения:
- Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
- Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 835-838
- Раздел: Материалы конференции
- Статья получена: 15.11.2023
- Статья одобрена: 18.11.2023
- Статья опубликована: 15.12.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/623430
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623430
- ID: 623430
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
Изучение синхронизации в нейронных сетях имеет решающее значение для понимания функционирования мозга в нормальных и патологических состояниях. Синхронизация сигналов между нейронными группами играет важную роль в мозговой активности и связана с различными мозговыми функциями, такими как память, движение, сон и внимание. Однако, чтобы мозг функционировал нормально, необходимо поддерживать определённый баланс между синхронизацией и десинхронизацией. Во время эпилепсии наблюдаются спонтанные переключения между двумя состояниями мозговой активности: синхронным и асинхронным. Эти переключения могут быть вызваны различными факторами, включая дисбаланс в химических сигналах, изменения в сетевой активности и другие механизмы, которые до конца не изучены. Понимание этих спонтанных переключений и механизмов, лежащих в их основе, является важным аспектом исследования эпилепсии. Это позволит разработать новые методы лечения и стратегии для подавления синхронной активности и предотвращения судорожных приступов. В данной работе разработана модель нейрон-астроцитарной сети, демонстрирующая спонтанные и индуцированные (вызванные внешним воздействием) переключения между асинхронным и синхронным состояниями.
Реализованная модель сети состоит из 1000 нейронов Ижикевича [1], соединённых возбуждающими синапсами. Синаптическая топология организована в соответствии с безмасштабным (scale-free) графом. Каждый нейрон сети двунаправленно взаимодействует с одним астроцитом (всего 1000 астроцитов в сети). В качестве модели динамики изменения внутриклеточной концентрации ионов кальция единичного астроцита используется модель Уллаха [2]. Генерация потенциалов действия нейроном приводит к высвобождению нейропередатчиков в синаптическую щель. Высвобождённые нейропередатчики индуцируют высвобождение ионов кальция из эндоплазматического ретикулума соответствующего астроцита в его цитоплазму (генерируется кальциевый импульс). В свою очередь при генерации в астроците кальциевого импульса из астроцита высвобождается глиатрансмиттер, действие которого на пре- и постсинаптические терминали способно модулировать эффективность синаптической передачи связанного с данным астроцитом нейрона, а именно моделируется экспериментально показанный эффект астроцитарного подавления высвобождения нейропередатчика. При этом сила входной синаптической связи для нейрона, взаимодействующего с астроцитом, уменьшается пропорционально амплитуде кальциевого импульса в астроците.
В рамках исследования реализованной модели был проведён анализ зависимости параметра глобального порядка от максимального веса синаптических связей. Бифуркационный анализ показал наличие гистерезиса в определённом диапазоне значений параметра максимальной силы связи. В нём рассматриваемая система может демонстрировать синхронный и асинхронный режимы, в то время как для значений параметра меньше нижней границы диапазона характерен только асинхронный режим, а для значений больше верхней границы, наоборот, синхронный. Затем был проведён статистический анализ длительностей асинхронных состояний модели для значения параметра максимального веса связей вблизи верхней границы области гистерезиса. Для этого моделировалась продолжительная временная реализация динамики сети и была построена гистограмма длительностей асинхронных состояний в двойном логарифмическом масштабе. Затем точки были аппроксимированы линейной зависимостью и показатель степенного закона составил –3/2.
Согласно полученным результатам, нейрон-астроцитарная сеть способна демонстрировать спонтанные переключения между двумя состояниями: синхронным и асинхронным, что схоже с патологическими процессами в мозге, а именно показатель степени –3/2 соответствует значению для экспериментальных записей эпилептической активности в мозге грызунов [3–5]. Ключевой особенностью динамики сети являлся способ задания модулирующего воздействия астроцитов на соответствующие им нейроны посредством высвобождения и поглощения нейромедиаторов. Детальное моделирование биофизических процессов показало спонтанный характер шум-индуцированного возникновения глобального порядка в сети, в то время как разрушение синхронизации в нейронной сети было опосредовано астроцитарным воздействием, снижающим эффективность синаптической передачи.
Полный текст
Изучение синхронизации в нейронных сетях имеет решающее значение для понимания функционирования мозга в нормальных и патологических состояниях. Синхронизация сигналов между нейронными группами играет важную роль в мозговой активности и связана с различными мозговыми функциями, такими как память, движение, сон и внимание. Однако, чтобы мозг функционировал нормально, необходимо поддерживать определённый баланс между синхронизацией и десинхронизацией. Во время эпилепсии наблюдаются спонтанные переключения между двумя состояниями мозговой активности: синхронным и асинхронным. Эти переключения могут быть вызваны различными факторами, включая дисбаланс в химических сигналах, изменения в сетевой активности и другие механизмы, которые до конца не изучены. Понимание этих спонтанных переключений и механизмов, лежащих в их основе, является важным аспектом исследования эпилепсии. Это позволит разработать новые методы лечения и стратегии для подавления синхронной активности и предотвращения судорожных приступов. В данной работе разработана модель нейрон-астроцитарной сети, демонстрирующая спонтанные и индуцированные (вызванные внешним воздействием) переключения между асинхронным и синхронным состояниями.
Реализованная модель сети состоит из 1000 нейронов Ижикевича [1], соединённых возбуждающими синапсами. Синаптическая топология организована в соответствии с безмасштабным (scale-free) графом. Каждый нейрон сети двунаправленно взаимодействует с одним астроцитом (всего 1000 астроцитов в сети). В качестве модели динамики изменения внутриклеточной концентрации ионов кальция единичного астроцита используется модель Уллаха [2]. Генерация потенциалов действия нейроном приводит к высвобождению нейропередатчиков в синаптическую щель. Высвобождённые нейропередатчики индуцируют высвобождение ионов кальция из эндоплазматического ретикулума соответствующего астроцита в его цитоплазму (генерируется кальциевый импульс). В свою очередь при генерации в астроците кальциевого импульса из астроцита высвобождается глиатрансмиттер, действие которого на пре- и постсинаптические терминали способно модулировать эффективность синаптической передачи связанного с данным астроцитом нейрона, а именно моделируется экспериментально показанный эффект астроцитарного подавления высвобождения нейропередатчика. При этом сила входной синаптической связи для нейрона, взаимодействующего с астроцитом, уменьшается пропорционально амплитуде кальциевого импульса в астроците.
В рамках исследования реализованной модели был проведён анализ зависимости параметра глобального порядка от максимального веса синаптических связей. Бифуркационный анализ показал наличие гистерезиса в определённом диапазоне значений параметра максимальной силы связи. В нём рассматриваемая система может демонстрировать синхронный и асинхронный режимы, в то время как для значений параметра меньше нижней границы диапазона характерен только асинхронный режим, а для значений больше верхней границы, наоборот, синхронный. Затем был проведён статистический анализ длительностей асинхронных состояний модели для значения параметра максимального веса связей вблизи верхней границы области гистерезиса. Для этого моделировалась продолжительная временная реализация динамики сети и была построена гистограмма длительностей асинхронных состояний в двойном логарифмическом масштабе. Затем точки были аппроксимированы линейной зависимостью и показатель степенного закона составил –3/2.
Согласно полученным результатам, нейрон-астроцитарная сеть способна демонстрировать спонтанные переключения между двумя состояниями: синхронным и асинхронным, что схоже с патологическими процессами в мозге, а именно показатель степени –3/2 соответствует значению для экспериментальных записей эпилептической активности в мозге грызунов [3–5]. Ключевой особенностью динамики сети являлся способ задания модулирующего воздействия астроцитов на соответствующие им нейроны посредством высвобождения и поглощения нейромедиаторов. Детальное моделирование биофизических процессов показало спонтанный характер шум-индуцированного возникновения глобального порядка в сети, в то время как разрушение синхронизации в нейронной сети было опосредовано астроцитарным воздействием, снижающим эффективность синаптической передачи.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
Источник финансирования. Данная работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 21-72-10129.
Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Об авторах
Ю. А. Цыбина
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Автор, ответственный за переписку.
Email: lotarevaj@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
И. А. Кастальский
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: lotarevaj@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
А. В. Андреев
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского; Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: lotarevaj@gmail.com
Россия, Нижний Новгород; Калининград
Н. С. Фролов
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: lotarevaj@gmail.com
Россия, Калининград
А. Е. Храмов
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: lotarevaj@gmail.com
Россия, Калининград
С. Ю. Гордлеева
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского; Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
Email: lotarevaj@gmail.com
Россия, Нижний Новгород; Калининград
Список литературы
- Izhikevich E.M. Simple model of spiking neurons // IEEE Transactions on neural networks. 2003. Vol. 14, N 6. P. 1569–1572. doi: 10.1109/TNN.2003.820440
- Ullah G., Jung P., Cornell-Bell A.H. Anti-phase calcium oscillations in astrocytes via inositol (1, 4, 5)-trisphosphate regeneration // Cell Calcium. 2006. Vol. 39, N 3. P. 197–208. doi: 10.1016/j.ceca.2005.10.009
- Sitnikova E., Hramov A.E., Grubov V.V., et al. On–off intermittency of thalamo-cortical oscillations in the electroencephalogram of rats with genetic predisposition to absence epilepsy // Brain Res. 2012. Vol. 1436. P. 147–156. doi: 10.1016/j.brainres.2011.12.006
- Koronovskii A.A., Hramov A.E., Grubov V.V., et al. Coexistence of intermittencies in the neuronal network of the epileptic brain // Phys Rev E. 2016. Vol. 93, N 3. P. 032220. doi: 10.1103/PhysRevE.93.032220
- Frolov N.S., Grubov V.V., Maksimenko V.A., et al. Statistical properties and predictability of extreme epileptic events // Sci Rep. 2019. Vol. 9, N 1. P. 7243. doi: 10.1038/s41598-019-43619-3
Дополнительные файлы
