VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Медицинская биофизика. Нейробиофизика

Исследование особенностей реструктуризации функциональной архитектоники нейронных сетей головного мозга в условиях гипоксического повреждения и блокады астроцитарных коннексинов 43 (Cx43)

М.В. Ведунова1*, Т.А. Мищенко1, А.И. Калякулина1, Р.С. Ярков1, М.В. Иванченко1

1.Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия;

* mvedunova(at)yandex.ru

Исследования патогенетических аспектов гипоксии головного мозга и особенностей развития системных ответов организма и его адаптации к кислородной недостаточности сохраняют свою крайнюю актуальность. Особый интерес представляет изучение механизмов гипоксического повреждения на уровне организации нейронных сетей как главных функциональных единиц ЦНС, отвечающих за реализацию обработку, хранение и передачу информации, а также за выполнение высших когнитивных функций, в том числе память, сознание, эмоциональные реакции. Данный подход с применением современных электрофизиологических методов и математических алгоритмов анализа данных позволяет проанализировать тонкие механизмы реструктуризации функциональной архитектоники нейронных сетей при гипоксическом повреждении, а также вклад каждого элемента сети в развитие функционального сетевого ответа на действие стресс-фактора. Однако накопленные данные свидетельствуют о том, что физиологические и патологические нейросетевые процессы критически зависят от активности глиальных клеток, в частности астроцитов. Формируя свои собственные сети, астроциты выполняют не только гомеостатическую и трофическую функции для нейронов, но также, что более важно, находясь в тесном динамическом двунаправленном взаимодействии с нейронными сетями, способны регулировать их функциональную активность, и, следовательно, принимать активное участие в передаче сигнала тем самым являясь активными участниками сигнальной передачи, оказывающая влияние на работу мозга, включая когнитивные функции и обработку информации.

Целью исследования являлось изучение влияния астроцитарных Cx43 на спонтанную биоэлектрическую активность нейронных сетей гиппокампа при гипоксическом повреждении in vitro. Объектом исследования служили первичные культуры клеток гиппокампа, полученные от эмбрионов мышей линии C57BL/6 18-го дня гестации. Клетки культивировали на мультиэлектродных матрицах MEA60 (Multichannel Systems, Германия), с исходной плотностью 9000 кл./мм2. На 14 день культивирования in vitro культуры подвергали воздействию острой нормобарической гипоксии путем замены нормоксической культуральной среды на среду с низким содержанием кислорода в течение 10 мин. С целью разобщения межастроцитраных взаимодействий за 20 минут до моделирования гипоксического повреждения в среду культивирования осуществлялось добавление селективного ингибитора Cx43 – Gap19 (10 мкМ, Sigma-Aldrich, Германия). Регистрация электрофизиологических сигналов с первичных культур гиппокампа, культивируемых на мультиэлектродных матрицах MEA60, осуществлялась при помощи установки MEA2100-2x60-System-E (Multichannel systems, Германия). Полученные электрофизиологические данные анализировались с помощью оригинального пакета математических алгоритмов. Помимо основных параметров спонтанной биоэлектрической активности (количество сетевых пачек и спайков в пачке), были исследованы особенности реорганизации внутренней функциональной структуры нейросетевого ответа посредством построения корреляционных графов и паттернов активации, определяемых по времени возникновения последовательности спайков внутри сетевой пачки импульсов.

В результате проведенных исследований было показано, что в условиях нормоксии блокада астроцитарных Cx43 приводит к модуляции спонтанной нейросетевой активности. Через 2 часа после добавления блокатора Gap19 наблюдается снижение количества сетевых пачечных событий и спайков, формирующих сетевую пачку импульсов. В раннем (24 часа) и отдаленном (7 суток) периоде после воздействия все анализируемые параметры спонтанной биоэлектрической активности в группе «Gap19» превышали значения исходного уровня активности (14 DIV), тем не менее количество сетевых пачечных событий было снижено относительно значений интактной группы. При анализе паттернов активации и корреляционных взаимодействий установлено, что, как и в случае интактной группы, в процессе развития первичных культур на фоне блокады Cx43 наблюдается реструктуризация внутренней функциональной архитектоники нейронной сети, направленная на сохранение уже имеющихся и появление новых активных групп нейронов. Блокада Сх43 при гипоксическом повреждении способствовала частичному сохранению спонтанной биоэлектрической активности первичных культур гиппокампа. В отдаленном постгипоксическом периоде (7 суток) показатели группы «Гипоксия+Gар19» были сравнимы с исходным уровнем активности (14 DIV) и достоверно превышали значения группы «Гипоксия». Тем не менее, в группе «Гипоксия+Gар19» количество сетевых пачек и спайков их формирующих было снижено относительно значений интактной группы в среднем в 1,6 и 2,2 раз соответственно. Поддержание основных параметров спонтанной биоэлектрической активности первичных культур способствовало частичному сохранению функциональной архитектоники нейронных сетей с последующей положительной реструктуризацией в отдаленном постгипоксическом периоде. На фоне потери части активных групп клеток вследствие гипоксического повреждения отмечается появление новых функциональных элементов сети, задействованных в формировании сетевого пачечного ответа.

Полученные результаты исследования демонстрируют важную роль межатроцитарных взаимодействий в нейропротекторных механизмах, участвующих в функциональной адаптации нейронных сетей головного мозга к гипоксическому повреждению, более подробное изучение которых может заложить основу для разработки эффективной антигипоксической стратегии.

Работа выполнена в рамках проекта РНФ № 18-75-10071-П с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Молекулярной биологии и нейрофизиологии» ННГУ им. Н.И.Лобачевского.

Study of functional architectonics restructuring of brain neural networks under hypoxic damage and blockade of astrocytic connexins 43 (Cx43)

M.V. Vedunova1*, T.A. Mishchenko1, A.I. Kalyakulina1, R.S. Yarkov1, M.V. Ivanchenko1

1.National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, Russia;

* mvedunova(at)yandex.ru

Investigation of pathogenetic aspects of brain hypoxia and peculiarities of the development of systemic responses and adaptation to oxygen deficiency remain of extreme relevance. Of particular interest is the study of the mechanisms of hypoxic damage at the level of neural networks which considers as the main functional units of the CNS responsible for the implementation of information processing, storage and transmission of information as well as for realization of higher cognitive functions, including memory, consciousness, emotional reactions. Such approach, using modern electrophysiological methods and mathematical algorithms of data analysis, allows the analysis of fine mechanisms of restructuring the functional architectonics of neural networks under hypoxic damage, as well as the contribution of each network element to the development of the functional network response to the stress. However, accumulating evidence suggested that physiological and pathological processes in the neural networks critically depend on the activity of glial cells, and particularly astrocytes. Following in the formation of their own networks, astrocytes perform not only homeostatic and trophic functions for neurons, but, more importantly, being in close bidirectional dynamic communication with neural networks, they can regulate their functional activity and, therefore, take an active participation in signal transmission affecting brain functions, including cognitive function and processing information.

The goal of this study was to assess the influence of astrocytic Cx43 on the spontaneous bioelectrical activity of primary hippocampal cultures in the hypoxic damage in vitro. Primary hippocampal cultures obtained from C57BL/6 mice embryos (day 18 of gestation) were served as a study object. The cells were cultured on multielectrode arrays MEA 60 (Multichannel Systems, Germany) at an initial density of 9000 cells/mm2. On day 14 of cultivation in vitro, the cultures were subjected to acute normobaric hypoxia by replacing normoxic culture medium with a medium with a low-oxygen content for 10 min. In order to uncouple interastrocyte communications, the selective Cx43 inhibitor Gap19 (10 μM, Sigma-Aldrich, Germany) was added to the culture medium 20 min before the hypoxia modelling. Electrophysiological signals from primary hippocampal cultures cultivated on multielectrode arrays were recorded using a MEA2100-2x60-System-E system (Multichannel Systems, Germany). The data obtained were then analyzed using an original software package of mathematical algorithms. In addition to the basic parameters of spontaneous bioelectrical activity (ex., the number of network busts and spikes in a burst), we investigated the specifics of reorganization of the internal functional structure of the neural network response by constructing correlation graphs and activation patterns, determined by the time of the appearance of the spike sequence within a network burst.

We showed that in normoxia, the blockade of astrocytic Cx43 resulted in modulation of spontaneous neural network activity of primary hippocampal cultures. Significant decrease in the number of bursts and spikes forming the network burst was detected 2 hours after addition of Gap19. In early (24 hours) and late (7 days) post-hypoxic periods all analyzed parameters of spontaneous bioelectrical activity in the “Gap19” group exceeded the values of the baseline (14 DIV); on the other hand, the number of network bursts was reduced relative to the values of the intact group. Analysis of the activation patterns and correlative interactions revealed that the development of primary cultures against the background of Cx43 blockade was similar to the intact group and characterized by the restructuring of the internal functional architectonics of the neural network mainly focused on the preservation of the existing and formation of new active groups of neurons. Blockade of Cx43 in hypoxia modelling contributed to the partial preservation of spontaneous bioelectrical activity of primary hippocampal cultures. In the remote post-hypoxic period (7 days), the values of the “Hypoxia+Gap19” group were comparable with the baseline activity (14 DIV) and significantly exceeded the values of the “Hypoxia” group. However, in the “Hypoxia+Gar19” group, the number of network bursts and spikes in a burst was decreased relative to the intact group on average by 1.6 and 2.2 times, respectively. Maintenance of the main parameters of spontaneous bioelectrical activity of primary hippocampal cultures contributed to partial preservation of functional architectonics of neural networks with subsequent positive restructuring in the remote post-hypoxic period. Against the background of the loss of some active cell groups due to hypoxic damage, new functional network elements involved in the formation of the network burst are observed to appear.

Overall, our findings demonstrate crucial role of interastrocyte communications in neuroprotective mechanisms involved in the functional adaptation of brain neural networks to hypoxic damage, a more detailed study of which could lay the basis for developing an effective antihypoxic strategy.

This research was funded by a grant from the Russian Science Foundation (RSF), project no. 18-75-10071-p. This research was carried out using The Core Facilities “Molecular Biology and Neurophysiology”.


Докладчик: Ведунова М.В.
156
2022-11-01

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists