Изучение нейрон-глиальных взаимодействий и синаптического гомеостаза

кап.jpg


Руководитель научной группы по изучению нейрон-глиальных взаимодействий и синаптического гомеостаза

Панкратов Юрий Владимирович

Профессор-исследователь БФУ им. И. Канта

Associate Professor, University of Warwick, UK

Кандидат биологических наук, PhD

Тел. +740125955956630 Y.Pankratov@warwick.ac.uk



Научные интересы:

  • Изучение роли астроцитов (глиальных клеток мозга) в регуляции синаптической пластичности при формировании памяти;
  • Норадренергическая система головного мозга, ее роль во взаимодействиях нейронов и глии;
  • Изменения в синаптической передаче при старении и нейродегенеративных заболеваниях, в частности, как следствие ослабления нейрон-глиальных взаимодействий.

Деятельность:

  • Реализация исследований нейрон-глиальных взаимодействий головного мозга млекопитающих (крысы и мыши) с применением технологий электрофизиологии (метод patch clamp и регистрация полевых возбуждающих потенциалов), а также флуоресцентной визуализации (визуализация ионов Ca2+),  методов поведенческого тестирования животных, и технологий молекулярной биологии.

Цели:

Целью исследований, проводимых нашей научной группой, является получение новых фундаментальных знаний о физиологии головного мозга. В результате исследователей мы бы хотели получить ответы на следующие вопросы:

  • Каким образом астроглия регулирует синаптическую пластичность и гомеостаз нейронных сетей гиппокампа и коры головного мозга  при различных физологических условиях?
  • Каким образом  норадренергическая система участвует  в регуляции взаимодействий нейронов и глии?
  • Что происходит с нейрон-глиальными взаимодействиями при старении головного мозга и как это отражается на когнитивных функциях? Какие механизмы лежат в основе этих процессов? 

Команда

Богданов.jpg           

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            Аспирант                                                                 

Богданов Александр Олегович

Тел. +7(931)6034677

AxeBogdanov@gmail.com


Брякиона.jpg



Аспирант

Брякина Полина Олеговна

Тел. +7(952)1108933

polina.bryakina@mail.ru

Сербина.jpg



Студент

Сербина Арина Валентиновна

Тел. +7(900)5706310

serbina_elena@bk.ru



Текущие научно-исследовательские проекты группы

В настоящее время на базе Института живых систем БФУ им. И. Канта проводятся исследования о влиянии обогащенной среды (богатого социального и пространственного окружения у экспериментальных животных) на синаптическую пластичность и изменения нейрон-глиальных взаимодействий в головном мозге грызунов. Проводимые исследования сочетают в себе мультидисциплинарный подход и не ограничены работой одной лаборатории, проводятся в тесной коллаборации с коллегами из БФУ им. Канта, а также из Университета Бристоля и Университета Уоррика в Великобритании. Для того, чтобы понять, какие изменения происходят с нейронами и глией при различных физиологических условиях мы используем методы молекулярной биологии, такие как ПЦР в реальном времени, а также технологию иммуногистохимического исследования (рис 1.). Оценку изменений на клеточном и тканевом уровне мы проводим с помощью методов электрофизиологии. Так, ресурсы лаборатории электрофизиологии мы используем для регистрации миниатюрных синаптических токов с помощью технологии пэтч-кламп (рис.2) на срезах головного мозга или одиночных клетках. Оценку нейрон-глиальных взаимодействий мы выполняем путем стимуляции глии (агентом TFLLR или норадреналином) и определения изменений, которые одновременно происходят с синаптической передачей. Кроме того, мы изучаем процессы, которые происходят с динамикой ионов кальция в астроцитах после фармакологической стимуляции, путем их флуоресцентной визуализации (рис. 3). Для изучения синаптической пластичности и регуляторной активности астроглии на клеточном уровне мы используем технологию регистрации полевых возбуждающих потенциалов. С помощью этой технологии мы воспроизводим долговременную потенциацию (один из механизмов пластичности синапсов) в нейронных сетях гиппокампа и коры головного и оцениваем способность нейронных сетей «запоминать» электрический стимул на клеточном уровне (рис. 4). Для того, чтобы проверить на самом ли деле экспериментальные животные в условиях обогащенной среды способны лучше обучаться и быстрее запоминать мы задействуем ресурсы лаборатории поведенческого тестирования. Животные проходят тестирование пространственной памяти в «лабиринте К. Барнс» (рис. 5) а также тест «открытое поле».  По результатам этих тестов мы делаем выводы о способности животных к обучению на уровне поведения, то есть на уровне целого организма.

Таким образом, мы изучаем роль астроглии в регуляции синаптической пластичности, а также нейрон-глиальные взаимодействия на всех уровнях организации: от молекулярного до уровня целого организма. Фундаментальные знания, полученные в ходе выполнения нашего исследования позволяют приблизиться к разгадке тайны функционирования головного мозга человека. Понимание роли астроглии в регуляции пластичности синапсов позволит не только лучше познать нормальную физиологию мозга, но может также способствовать разработке новых лекарственных препаратов против нейродегенерации и возрастного ослабления когнитивных функций. Кроме того, знания о работе нейронных сетей в тесных взаимодействиях с регуляторными «глиальными элементами» могут стать основой для создания принципиально нового нейроморфного компьютера, который станет прорывом в прогрессе всего человечества.

Часть полученных нами результатов легла в основу статьи, опубликованной в журнале “Frontiers in molecular neuroscience”, IF 5.07. В настоящее время обрабатываем новый массив информации, полученный в ходе экспериментов, и ведем подготовку публикаций. Материалы исследований станут основой кандидатских диссертаций аспирантов и дипломных работ студентов нашей научной группы. 

1.jpg

2.jpg

Рисунок 1. Иммуногистохимическое исследование. Норадренергическая иннервация гиппокампа (слева) и коры головного мозга (справа). Зеленая метка – дофамин-бета-гидроксилаза – маркер норадренергических волокон. Синий – ядерный маркер DAPI.

 

3.jpg       4.jpg

Рисунок 2. Запись миниатюрных синаптических токов нейрона 3 слоя коры головного мозга крысы (на рисунке снизу слева показан нейрон, с подведенной к нему микропипеткой). На рисунке снизу справа показана регистрация активности изолированного нейрона.

 5.jpg     6.jpg

Рисунок 3. Флуоресцентная визуализация ионов Ca2+ в астроцитах коры головного мозга. Фотографии сверху – распределение ионов кальция в соме и отростках клеток. 

7.jpg 8.png

Рисунок 4. Регистрация полевых возбуждающих потенциалов в коре головного мозга (слева). Воспроизведение долговременной потенциации нейронных сетей. На рисунке (справа) видно увеличение ответа синапсов через 30 и 60 минут после стимуляции.


Основные публикации (с 1 января 2013 года)

1.     Lalo U., Bogdanov A., Pankratov Y. (2018) Diversity of Astroglial Effects on Aging- and Experience-Related Cortical Metaplasticity. Front Mol Neurosci, 2018, 11:239. DOI: 10.3389.

2.     Boue-Grabot, E., and Pankratov, Y. (2017). Modulation of Central Synapses by Astrocyte-Released ATP and Postsynaptic P2X Receptors. Neural Plast 2017, 9454275. DOI: 10.1155/2017/9454275.

3.     Lalo, U., Pankratov, Y. Exploring the Ca2+-dependent synaptic dynamics in vibro-dissociated cells. (2017) Cell Calcium. DOI: 10.1016/j.ceca.2017.01.008.

4.      Lalo, U; Palygin, O; Verkhratsky, A; Grant, SGN; Pankratov, Y. ATP from synaptic terminals and astrocytes regulates NMDA receptors and synaptic plasticity through PSD-95 multi-protein complex. (2016) SCIENTIFIC REPORTS. Volume: 6. Article Number: 33609. DOI: 10.1038/srep33609.

5.     Pankratov, Y; Lalo, U. Role for astroglial alpha 1-adrenoreceptors in gliotransmission and control of synaptic plasticity in the neocortex. (2015) FRONTIERS IN CELLULAR NEUROSCIENCE. Volume: 9. Article Number: 230. DOI: 10.3389/fnce1.2015.00230.

6.     Pankratov, Y; Rasooli-Nejad, S; Lalo, U. Role for ATP receptors in astrocyte-neuron communications in neocortex. (2014) PURINERGIC SIGNALLING. Volume: 10 Issue: 4.

7.     Pankratov, Y; Verkhratsky, A; Lalo, U. Interaction between purinergic and glutamatergic synaptic inputs in the neocortex. (2014) PURINERGIC SIGNALLING. Volume: 10 Issue: 4.

8.     Lalo, U; Rasooli-Nejad, S; Pankratov, Y. Exocytosis of gliotransmitters from cortical astrocytes: implications for synaptic plasticity and aging. (2014) BIOCHEMICAL SOCIETY TRANSACTIONS. Volume: 42. DOI: 10.1042/BST20140163.

9.     Rasooli-Nejad, S; Palygin, O; Lalo, U; Pankratov, Y. Cannabinoid receptors contribute to astroglial Ca2+-signalling and control of synaptic plasticity in the neocortex. (2014) PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS OF THE ROYAL SOCIETY B-BIOLOGICAL SCIENCES. Volume: 369 Issue: 1654. DOI: 10.1098/rstb.2014.0077.

10.       Pankratov, Y; Lalo, U. Calcium permeability of ligand-gated Ca2+ channels. (2014) EUROPEAN JOURNAL OF PHARMACOLOGY. Volume: 739. DOI: 10.1016/j.ejphar.2013.11.017.

11.       Eales, KL; Palygin, O; O'Loughlin, T; Rasooli-Nejad, S; Gaestel, M; Muller, J; Collins, DR; Pankratov, Y; Correa, SAL. The MK2/3 cascade regulates AMPAR trafficking and cognitive flexibility. (2014) NATURE COMMUNICATIONS. Volume: 5. DOI: 10.1038/ncomms5701.

12.       Lalo, U; Palygin, O; Rasooli-Nejad, S; Andrew, J; Haydon, PG; Pankratov, Y. Exocytosis of ATP From Astrocytes Modulates Phasic and Tonic Inhibition in the Neocortex. (2014) PLOS BIOLOGY. Volume: 12 Issue: 1. DOI: 10.1371/journal.pbio.1001747

13.       Remenyi, J; van den Bosch, MWM; Palygin, O; Mistry, RB; McKenzie, C; Macdonald, A; Hutvagner, G; Arthur, JSC; Frenguelli, BG; Pankratov, Y. miR-132/212 Knockout Mice Reveal Roles for These miRNAs in Regulating Cortical Synaptic Transmission and Plasticity. (2013) PLOS ONE. Volume: 8 Issue: 4. DOI: 10.1371/journal.pone.0062509. 





























Главная страница