Новый тип поведения нейронов

Компьютерная модель сложного колебательного режима нейронной активности Лев Ряшко

Ученые из Уральского федерального университета исследовали сложный режим поведения нервных клеток с помощью новой математической модели, в которой учитываются случайные внешние воздействия на нейроны. Результаты исследования и предложенная модель могут быть полезны для более точных предсказаний реакции нейронов на разнообразные стимулы, в том числе на лекарственные препараты. Исследование поддержано грантом РНФ и опубликовано в журнале Physical Review E.

«Наш проект, проводимый в рамках гранта Российского научного фонда, посвящен анализу биологических систем, выраженных на математическом языке. Мы изучили и представили в виде математической модели то, как разные случайные воздействия меняют поведение нейронов», – рассказал доктор физико-математических наук Лев Ряшко, один из авторов исследования, профессор УрФУ.

Авторы работы изобрели новый метод 3D моделирования нейронов и использовали его, чтобы описать особый сложный тип поведения нейрона. Нервная клетка переходит из состояния покоя в состояние возбуждения, которое, в свою очередь, проявляется в разных формах. Возбуждение нейрона можно сравнить с пульсацией или мерцанием маяка, который ритмично вспыхивает и гаснет. Авторы работы обнаружили и исследовали неизвестный ранее сложный ритм возбуждения нейронов, который возникает при воздействии случайных факторов. В современных исследованиях по математическому моделированию нейронной динамики случайные факторы зачастую не принимаются в расчет. Поэтому на практике такие модели оказываются нерабочими и плохо предсказывают поведение нейронов.

Результаты случайных воздействий на нейрон. Источник: Лев Ряшко

«Обычно к случайным влияниям относятся не очень серьезно, как к насморку. Ведь человек все так же хорошо видит, слышит и ведет себя обычным образом. К случайным воздействиям (их еще называют случайными возмущениями) относятся как к простому искажению четкой картинки. Но в сложных процессах, которые наблюдаются в живых организмах, эти возмущения могут качественно менять поведение системы в целом. Студентам я всегда привожу такой пример: вы видите на экране телевизора зайца, из-за случайных воздействий может появиться рябь, “белый шум”, и картинка станет размытой. Вам будет плохо видно, какое у зайца выражение глаз, какие уши. Но при определенных влияниях и изменениях заяц вообще может превратиться в волка, а это уже качественно новая картинка. То же самое происходит и с нейронами. При определенных воздействиях их поведение полностью меняется. Так, например, даже малое случайное воздействие на нейрон, находящийся в состоянии покоя, может привести к резкому всплеску его активности, причем в сложной колебательной форме. Именно это наша модель и описывает», – объяснил Ряшко.

Поскольку нейроны находятся в неизолированной системе, на их активность влияет большое число факторов, в том числе температурные колебания, электромагнитные поля. «Допустим, вы включили микроволновую печь, она дает излучение, оно носит случайный характер, что тоже может воздействовать на деятельность нейронов. Случайностями пронизана вся наша жизнь, мы в них живем, но иногда они радикально меняют наш путь», – пояснил Ряшко.

В своей работе ученые использовали методы компьютерного и математического моделирования, а также разработали специальную технику стохастической чувствительности. Она позволяет определять, будет ли нейрон реагировать на случайные воздействия и, если да, каким образом.

По словам ученых, результаты исследования и предложенная математическая модель будут особо полезны при изучении и лечении болезней и расстройств нервной системы, а также в области психологии и психиатрии. Так, например, понимание тонких механизмов влияния случайных воздействий на нейроны поможет создать новые, более эффективные препараты для лечения нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера, Паркинсона, расстройств памяти и других заболеваний, затрагивающих широкие слои населения.