Роль клеточных механизмов синаптической пластичности в работе нейронных сетей неокортекса in-vivo

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-15-00398

НазваниеРоль клеточных механизмов синаптической пластичности в работе нейронных сетей неокортекса in-vivo

Руководитель Малышев Алексей Юрьевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-106 - Нейробиология

Ключевые слова синаптическая пластичность, гетеросинаптическая пластичность, нейрон, шипик, зрительная кора, рецептивное поле, оптогенетика

Код ГРНТИ34.39.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Согласно одной из центральных парадигм современной нейробиологии клеточным механизмом обучения и памяти является синаптическая пластичность. Однако, поскольку клеточные и молекулярные механизмы синаптической пластичности исследуются главным образом на упрощенных препаратах, таких как культура нейронов или переживающие срезы мозга, представление о синаптической пластичности как основном механизме памяти является в значительной степени коррелятивным. Настоящий проект нацелен на изучение роли клеточных механизмов синаптической пластичности в функционировании сетей неокортекса в целом мозге in vivo. Особое внимание в нашем проекте будет уделено исследованию такого малоизученного типа синаптической пластичности, как неассоциативная или гетеросинаптическая пластичность. В качестве экспериментальной модели мы будем использовать формирование рецептивных полей нейронов зрительной коры мыши. Рецептивное поле нейрона зрительной коры является результатом взаимодействия множественных синаптических входов из таламуса и от других нейронов неокортекса. Известно, что рецептивные поля пластичны: они формируются в онтогенезе и могут перестраиваться в зрелом мозге. Ранее на срезах мозга, в том числе в наших работах, было показано, что внутриклеточная несочетанная тетаническая стимуляция нейрона пачками потенциалов действия вызывает массированные пластические изменения его синаптических входов: часть входов потенциируется, часть депрессируется, часть остается без изменений. Подобные синаптические перестройки относятся к типу гетеросинаптической пластичности. Из этих экспериментальных предпосылок вытекает основная идея настоящего проекта: внутриклеточная тетаническая стимуляция единичного нейрона в целом мозге также должна приводить к изменению его функциональных свойств, связанных с синаптическими входами, конвергирующими на данную клетку. В настоящем проекте мы предлагаем изучить вклад гетеросинаптической пластичности, индуцированной внутриклеточной тетанической стимуляцией отдельного нейрона, в организацию корковых микросетей, обеспечивающих формирование рецептивных полей нейронов зрительной коры. Мы изучим роль гетеросинаптической пластичности в перестройках рецептивных полей основных структурных элементов нейронных микросетей первичной зрительной коры мыши: пирамидных нейронов 2/3 и 5 слоев. Для регистрации активности пирамидных нейронов мы будем применять методики внутриклеточной (петч-клямп) и юкстаклеточной регистрации. Тетаническая стимуляция нейронов будет осуществляться, в том числе, оптогенетическими методами с использованием быстрого канального родопсина oChIEF, доставляемого в нейроны при помощи in utero электропорации. Планируется изучить влияние тетанической стимуляции единичного нейрона зрительной коры на активность локальной микросети при помощи оптической регистрации с использованием генетически кодируемого кальциевого сенсора GCamp6s, доставляемого при помощи адено-ассоциированных вирусов, и миниатюрных регистрирующих микроскопов «Минископ». Для выявления клеточно-молекулярных механизмов гетеросинаптической пластичности, мы планируем изучить роль оксида азота в индукции этого типа пластичности, а также определить морфологический субстрат гетеросинаптических изменений, сравнивая структурные изменения в шипиковом аппарате нейронов до и после индукции пластичности. Для определения физиологических условий, приводящих к гетеросинаптическим изменениям в целом мозге in vivo, мы планируем определить параметры зрительной стимуляции, которая будет вызывать в нейронах первичной зрительной коры паттерны активности, схожие с внутриклеточной тетанической стимуляцией и изучить влияние такой зрительной стимуляции на функциональные свойства нейронов зрительной коры. Выполнение настоящего проекта позволит получить принципиально новые экспериментальные данные о клеточных механизмах пластичности in vivo. Это новое знание внесет существенный вклад в преодоления пропасти между клеточно-молекулярными исследованиями и работами, проводимыми на уровне целого мозга и поведенческими исследованиями, и приведет к достижению нового уровня в понимании принципов работы мозга.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Смирнов И.В., Малышев А.Ю. Изменение ориентационной селективности нейронов пятого слоя первичной зрительной коры с помощью сочетанной оптогенетической стимуляции СБОРНИК ТРУДОВ XXIV НАУЧНОЙ ШКОЛЫ-КОНФЕРЕНЦИИ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ПО ФИЗИОЛОГИИ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ, с 107-108 (год публикации - 2020)

2. Чассе Р., Малышев А., Фитч Р.Х., Волгушев М. Altered Heterosynaptic Plasticity Impairs Visual Discrimination Learning in Adenosine A1 Receptor Knock-Out Mice Journal of Neuroscience, 41(21), 4631-4640 (год публикации - 2021)
10.1523/JNEUROSCI.3073-20.2021

3. Иванова В.О., Балабан П.М., Баль Н.В. Nitric Oxide Regulates GluA2-Lacking AMPAR Contribution to Synaptic Transmission of CA1 Apical but Not Basal Dendrites Frontiers in synaptic neuroscience, VOLUME 13, Article 656377 (год публикации - 2021)
10.3389/fnsyn.2021.656377

4. Иджилова О.С., Рощин М.В., Смирнова Г.Р., Малышев А.Ю. Central Targeting of Channelrhodopsin2 by the Motif of Potassium Channel Kv2. 1 Can be Altered Due to Overexpression of the Construct BioNanoScience, 11:408–416 (год публикации - 2021)
10.1007/s12668-021-00863-0

5. Смирнов И.В., Иджилова О.С., Абонакур А., Волгушев М.А., Малышев А.Ю. Modulation of the Amplitude of Gamma-Band Oscillations by Stimulus Phase in Mouse Visual Cortex Neurons Improves Signal Encoding Opera Medica et Physiologica, Vol. 8 (3) p. 21 (год публикации - 2021)
10.24412/2500-2295-2021-3-20-27

6. Иджилова О.С., Смирнов И.В., Малышев А.Ю. Detection of Spontaneous Action Potentials in Extracellular Recordings of Visual Cortex Neurons Using EEG Predictors for a Machine Learning-Based Approach Opera Medica et Physiologica, Vol. 8 (3) p. 7 (год публикации - 2021)
10.24412/2500-2295-2021-3-5-11

7. Смирнов И.В., Малышев А.Ю. СОЧЕТАННАЯ И НЕСОЧЕТАННАЯ СТИМУЛЯЦИЯ НЕЙРОНОВ ПЕРВИЧНОЙ ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЫ ПРИВОДИТ К ИЗМЕНЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ ЗРИТЕЛЬНЫХ ОТВЕТОВ Нейротехнологии будущего: тезисы участников конференции «Нейрокампус 2022 : старт!» (04–07 сентября 2022 г.), Нейротехнологии будущего: тезисы участников конференции «Нейрокампус 2022 : старт!» (04–07 сентября 2022 г.) / ФГАОУ ВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова — Москва : Квант Медиа, 2022, с. 10. (год публикации - 2022)
10.24412/CL-36983-2022-1-10-13

8. Симонова Н.А., Волгушев М.А., Малышев А.Ю. Enhanced Non-Associative Long-Term Potentiation in Immature Granule Cells in the Dentate Gyrus of Adult Rats Frontiers in Synaptic Neuroscience, Front Synaptic Neurosci. 2022; 14: 889947 (год публикации - 2022)
10.3389/fnsyn.2022.889947

Публикации