10 июля 2023, 21:00

Тяжелое течение COVID-19 мешает астроцитам работать синхронно

Ученые БФУ с коллегами разработали математическую модель, имитирующую работу нейронных сетей головного мозга у больных COVID-19. При тяжелом течении этого заболевания вирус поражает астроциты — клетки, контролирующие передачу сигналов между нейронами. Авторы показали, что в результате инфекции нервные клетки перестают работать синхронно, а это может отрицательно сказываться на когнитивных способностях и памяти пациентов.

Тяжелое течение COVID-19 мешает астроцитам работать синхронно
Слева: схематическое изображение сети и астроцитарной модуляции синаптического тока. Справа: схема последовательности влияний и взаимодействий в трехстороннем синапсе

Многие функции головного мозга, например способность запоминать информацию и концентрировать внимание на чем-либо, обеспечиваются тем, что нервные клетки — нейроны — работают синхронно. Это значит, что определенные участки нейронной сети одновременно возбуждаются, после чего переходят в неактивное состояние. Далее цикл повторяется подобно тому, как волны то накатывают на берег, то отступают. 

Исследования показали, что большую роль в активности головного мозга, в том числе в подобных «мозговых волнах» играют астроциты — вспомогательные клетки, окружающие нейроны и участвующие в передаче сигналов между ними. Во время этого процесса один нейрон высвобождает в место контакта с другим какую-либо сигнальную молекулу, например глутамат. Та, в свою очередь, может связаться с рецепторами на астроците и активировать в нем молекулярный каскад, приводящий к выработке собственных сигнальных молекул. С их помощью астроцит способен подавлять или активировать передачу сигнала между нейронами. Поскольку каждый астроцит оказывается связан с большим количеством нейронных окончаний, его активность одновременно влияет на целые группы нервных клеток, обеспечивая те самые «мозговые волны».

Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) с коллегами из Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского (Нижний Новгород) смоделировали работу нейронных сетей головного мозга у людей, больных COVID-19. Дело в том, что при тяжелом течении заболевания вирус может проникать в головной мозг и поражать астроциты. В результате клетки выделяют меньше глутамата. При этом, чем сильнее инфекция, тем хуже астроциты выделяют сигнальные молекулы.

Авторы создали искусственную нейронную сеть, моделирующую взаимодействия нервных клеток со здоровыми и инфицированными астроцитами. В последнем случае ученые видоизменили математическую формулу, описывающую выделение глутамата астроцитами, так, чтобы учесть наблюдаемое снижение уровня этой сигнальной молекулы. 

Затем исследователи обучили модель синхронно активировать определенные группы нейронов подобно тому, как они возбуждаются при естественной работе головного мозга. Оказалось, что в «инфицированной» нейронной сети нормальные «мозговые волны» чередуются с периодами асинхронной работы. При этом несогласованная активация соответствовала тем фазам, когда астроциты совсем не вырабатывали глутамат или выделяли его в недостаточном количестве. Ожидаемо, чем сильнее была инфекция, тем менее согласованной становилась работа нейросети.

«Наша модель показала, что инфицирование астроцитов приводит к нарушению синхронной работы нейронов в головном мозге, при том что каждая отдельная клетка продолжает нормально функционировать. Это наблюдение позволяет понять глубинные причины того, почему некоторые больные COVID-19 сталкиваются с ухудшением памяти, повышенной тревожностью и нарушением внимания», — рассказывает Александр Храмов, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Балтийского центра нейротехнологий и искусственного интеллекта БФУ имени Иммануила Канта.

Источник:  Пресс-служба БФУ

Организации из новости

Публикации из новости

Читайте также

Цифровые астроциты улучшили память нейросети на 20%
Ученые разработали первую в мире нейронную сеть, полностью построенную на принципах взаимодействия клеток реального головного мозга. Так, модель воспроизводит передачу сигналов не только между нервными клетками, но и между нейронами и астроцитами — вспомогательными клетками мозга. Эксперименты показали, что «подключение» астроцитов в работу нейросети улучшает ее способность «запоминать», то есть воспроизводить ранее полученную информацию, на 20%.
Когнитивные науки
Математическое моделирование
Нейросети
30 января 2024
Алгоритм распознал глобальные особенности в мозге людей с депрессией
Авторы по снимкам активности мозга строили функциональные сети, отражающие взаимодействия разных отделов головного мозга больных и здоровых людей. Различить две эти группы удалось с точностью в 82,6%
Машинное обучение
Медицина
Нейробиология
Нейросети
4 июля 2023
Нейросеть научили выявлять болезнь Альцгеймера
Предложенный алгоритм смог рассортировать электроэнцефалограммы здоровых людей и пациентов с данным диагнозом с точностью более 70%
Нейробиология
Нейросети
19 июня 2023
Простая нейросеть смогла по сигналам ЭКоГ распознать сон и бодрствование
Новый метод анализа данных электрокортикографии оказался очень быстрым и простым с точки зрения вычислений, поэтому его можно использовать в экспериментах в реальном времени
Нейробиология
Нейросети
Новые методики
15 июня 2023
Новая матмодель поможет объяснить когнитивные нарушения при постковиде
Возможно, дело в нарушении синхронизации нейронных сетей мозга из-за поражения вспомогательных клеток астроцитов коронавирусом
Математическое моделирование
Нейробиология
24 апреля 2023
Модель показала: вирусы собираются по принципу максимально плотной упаковки
Ученые раскрыли механизм сборки вирусных оболочек, в которых «кирпичики» представляют собой комплексы из двух или трех молекул
Вирусология
Математическое моделирование
Молекулярное моделирование
20 октября 2022