Neuroscience and Neurotechnologies: Fundamental Aspects and Applied Development 2016

Биологически реалистичные модели нейронных архитектур и  функций 

Изучение связей между структурами мозга, нейронными популяциями, индивидуальными нейронами – актуальная задача современной нейробиологии. Новый метод компьютерного моделирования, «процесс формирования связей», позволяет моделировать детальную архитектуру межнейронных связей на основе ограниченного набора экспериментальных измерений морфологических характеристик нейронов. Метод применялся для моделирования связей в спинном мозге 2х дневного головастика. Показано, что нейронная сеть (1500 нейронов) содержит около 100 тысяч синаптических связей. Статистические характеристики модельной сети близки к измененным характеристикам реальной нейронной сети. Смоделированная архитектура связей использовалась в функциональной электро-физиологической модели, состоящей из нейронов типа Ходжкина-Хаксли, генерирующих потенциалы действия. Показано, что модельный паттерн нейронной активности соответствует паттерну активности, возникающему в режиме плавания в реальном спинном мозге головастика (противофазные колебания на противоположных сторонах тела и распространение активности от головы к хвосту). Полученные результаты позволяют проследить (используя виртуальную реальность) распространение активности (от сенсоров к мото-нейронам)  при инициации плавания. Модельный паттерн плавательной активности чрезвычайно устойчив и сохраняется при различных повреждениях связей.  Результаты моделирования подтверждают гипотезу, что  структура связей нейронной сети определяет функцию, выполняемую этой схемой (плавание, в случае головастика).

Нейрофотоника и оптогенетика когнитивных нейронных сетей

Физика является сегодня ключевым генератором методов, продвигающих изучение высших функций мозга. В докладе будет рассмотрен комплекс перспективных подходов, использующих достижения лазерной физики и фотоники. Свет обладает выдающимися преимуществами для проникновения в механизмы работы мозга: он неинвазивен, не нарушает обычных нейронных функций, обеспечивает высокое пространственное разрешение, возможность фокусировки на разных типах и группах нужных клеток и мультиплексность за счет использования разных длин волн для контроля разных функций. В сообщении будет продемонстрировано, как эти свойства света позволяют сегодня нейрокартировать, динамически визуализировать и оптически контролировать ментальные процессы в головном мозге.

Оптогенетическое протезирование дегенеративной сетчатки

В результате выполнения проекта будет разработана технология оптогенетического протезирования сетчатки человека.
• Методами биоинженерии будут сконструированы и отобраны методом электрофизиологического скрининга эффективные гены светочувствительных катионных и анионных каналов (опсинов), отвечающие по своей световой чувствительности, быстродействию и спектральной настройке физиологическим требованиям для протезирования клеточных (нервных) элементов сетчатки глаза человека.
• Будут разработаны технологии доставки в нервные клетки дегенеративной сетчатки и эффективной локализованной экспрессии в них одновременно двух генов опсинов (катионных и анионных каналов).
• Будет проведена последующая физиологическая (электрофизиологическая) оценка успешности такого «протезирования» нервной клетки, а именно анализ реакции на свет её дендритного «дерева» и сомы.
• Будет проведена доклиническая стадия апробации оптогенетической технологии протезирования дегенеративной сетчатки на экспериментальных животных (полностью слепой трансгенной мыши – модель «пигментный ретинит»).
• Будет проведена первая клиническая стадия апробации этой технологии: испытания оптогенетического «протезирования» зрения на специально подобранной группе пациентов с абсолютной слепотой вследствие дегенеративного поражения сетчатки.
Полученные результаты откроют принципиально новый путь к восстановлению зрения у слепых людей.