Научные направления

Предыстория

Лаборатория Системной организации нейронов ИТЭБ РАН была организована в 1968 г. заслуженным деятелем науки РФ, профессором Ольгой Сергеевной Виноградовой. С самого основания в лаборатории велись исследования гиппокампа, медиальной септальной области и энторинальной коры. Мы изучаем внимание и память у здоровых животных, а также механизмы развития височной эпилепсии и болезни Альцгеймера.

До 1953 года нейронаука не знала о функциях гиппокампа в нормальном мозге. Однако было известно, что гиппокамп может быть источником нейронной гиперактивности и синхронизации, что приводит к развитию височной эпилепсии. В этом году молодому человеку удалили часть гиппокампа в обоих полушариях для прекращения судорожных приступов, угрожавших его жизни. После операции эпилепсия отступила, но он не помнил, что с ним было последние полгода (т.е., наблюдалась частичная ретроградная амнезия), и перестал запоминать новую информацию. За последующие 55 лет своей жизни он так и не запомнил ни имена исследователей, работавших с ним много лет, ни расположение комнат дома, в который его семья переехала через несколько лет после операции. При этом он оставался внешне нормальным человеком, помнил свое отдаленное прошлое, и в старости даже любил разгадывать кроссворды, если в них были слова, которые он знал до операции. Этот молодой человек вошел в историю как пациент HM и стал самым известным клиническим случаем в нейронауках.

Хотя на людях подобных операций больше не проводили, нейрофизиологи начали активно исследовать гиппокамп у животных. Гиппокамп - это древняя кора, в отличие от новой коры (коры больших полушарий) он имеет всего один слой принципиальных нейронов, а количество клеток в нем составляет всего 0,1% от нейронов новой коры. Всех интересовали вопросы: Почему такая небольшая и анатомически простая структура как гиппокамп играет незаменимую функцию в памяти? Хранит ли гиппокамп информацию? Если хранит, то как долго? А если не хранит, то как участвует в передаче информации в мозге?

В 1971 году случилось еще одно важное открытие для всей нейронауки. Джон О`Киф и его аспирант Джонатан Достровски обнаружили в гиппокампе крыс нейроны, которые генерировали потенциалы действия только тогда, когда животное находилось в определенном месте лабиринта. Эти нейроны были названы ”клетками места”. У каждой клетки места «свое» место, при попадании в которое она генерирует импульсы. Многие исследователи стали проверять результаты О`Кифа, и эффект клеток места оказался хорошо воспроизводимым. В самом факте реакции нейронов на стимулы не было ничего необычного. Еще в 60-е годы Хьюбел и Визел обнаружили в зрительной коре нейроны, которые кодируют признаки зрительного образа, за что в 1981 году они получили Нобелевскую премию. Однако клетки места отличались тем, что кодировали намного более сложные признаки, включая расположение значимых объектов и пространственных меток друг относительно друга. В одном эксперименте часто наблюдают несколько клеток места разных мест, что говорит о том, что одно место кодирует не один нейрон, а нейронный ансамбль. Клетки места быстро стали самым популярным объектом исследования памяти на нейронном уровне. Были открыты другие нейроны, кодирующие пространство -- клетки поворота головы, клетки границ, клетки скорости и клетки решетки. Они были обнаружены не только в гиппокампе, но и в энторинальной коре, связанной с гиппокампом. За свое открытие клеток места в 2014 году О`Кифу и его ученикам супругам Мозерам была присуждена нобелевская премия. Открытие клеток, кодирующих пространство, подтвердило гипотезу о том, что гиппокамп - это временное хранилище памяти, прежде всего пространственной.

Однако и другая гипотеза также получила подтверждение. Примерно в то же время в нашей лаборатории под руководством О.С. Виноградовой изучалась реакция нейронов гиппокампа на новые стимулы. Было обнаружено, что многие нейроны увеличивали частоту потенциалов действия в моменты неожиданных вспышек света или звуковых сигналов, при этом в серии стимулов реакция нейронов угасала. Виноградова пришла к выводу, что гиппокамп - это центральный элемент внимания и компаратор сигналов, он сравнивает информацию, приходящую от органов чувств, с информацией, хранящейся в памяти. Если информация новая и важная, то гиппокамп посылает сигнал в другие отделы мозга о запоминании. Работы О.С. Виноградовой получили широкое международное признание. В 1979 году она была удостоена престижной премии им. Кеннета Крайка (Кэмбриджский университет, Великобритания) за фундаментальный вклад в изучение функций гиппокампа.

Одновременно с изучением клеточных механизмов внимания и памяти развивалось исследование ритмов гиппокампа. Во второй половине 60-х годов был открыт тета-ритм - колебания электрического поля на частоте 4-12 Гц, порождаемое синхронными постсинаптическим токами в пирамидных нейронах. Синхронизация нейронов гиппокампа осуществляется медиальной септальной областью - стволовой структурой мозга, выполняющей роль водителя ритма (пейсмекера). Тета-ритм необходим для памяти и внимания. Если заблокировать разряды нейронов в медиальной септальной области, то тета-ритм в гиппокампе пропадает, клетки места не формируются, а животное не запоминает новую информацию. Внутри тета-ритма происходит более высокочастотный гамма-ритм (25-100 Гц), который координирует работу нейронных ансамблей и передачу информации между областями гиппокампа.

Исследования гиппокампа развивались не только на живых животных. На препаратах гиппокампа была открыта синаптическая пластичность в системе коллатералей Шаффера - внутригиппокампальной системе волокон. Синапсы мшистых волокон имеют большие размеры и стали популярным объектом микроструктурных исследований строения синапсов. Гиппокамп - одна из двух структур мозга, в которой во взрослом возрасте продолжается нейрогенез. Все это сделало гиппокамп главным объектом нейронауки, подобно дрозофиле в генетике или кишечной палочке в микробиологии.



Текущие направления

В нашей лаборатории ведутся исследования по следующим направлениям:

Механизмы ритмов и их роль в когнитивных функциях. Мы ищем ответы на вопросы: Как нейроны медиальной септальной области выполняют пейсмекерную функцию для тета-ритма? Какие нейроны гиппокампа вовлечены в формирование тета-ритма? Как тета- и гамма-ритмы участвуют в обнаружении новизны? Методы: поведенческие эксперименты с регистрацией гиппокампальных ритмов и оптогенетической стимуляцией структур мозга, математическое моделирование.

Роль энергетического метаболизма в патологии эпилепсии и болезни Альцгеймера. Ухудшение выработки АТФ в клетках - один из самых ранних признаков формирующейся нейропатологии. Мы пытаемся найти оптимальную точку воздействия на энергетический метаболизм с целью лечения и предотвращения развития патологии. Методы: моделирование на животных нейропатологии (эпилепсии, болезни Альцгеймера и травмы мозга), поведенческие эксперименты с одновременной регистрацией гиппокампальных ритмов, переживающие срезы мозга, биохимический анализ гомогената мозга, иммуногистохимическая окраска клеток в срезах мозга, математическое моделирование.

Ультраструктурные исследования синапсов мшистых волокон. С помощью электронной микроскопии мы исследуем строение синапсов и изменение их морфологии при различных воздействиях.

Подробнее о методах тут.