Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)

Статья имеет ранний доступ!

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF and_2025-1_ermolaeva_et-al_ranniy_dostup.pdf
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нелинейная динамика и нейронаука
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182
DOI: 
10.18500/0869-6632-003125
EDN: 
BIUYWZ

Эффекты динамики шумоиндуцированных кальциевых сигналов в биофизической модели астроцитарного отростка

Авторы: 
Ермолаева Анастасия Викторовна, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского (ННГУ)
Кастальский Иннокентий Алексеевич, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского (ННГУ)
Казанцев Виктор Борисович, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)
Гордлеева Сусанна Юрьевна, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского (ННГУ)
Аннотация: 

Цель данной работы — исследование эффектов пространственно-временной динамики спонтанной кальциевой сигнализации в морфологической структуре астроцита на субклеточном уровне методами биофизического математического моделирования.

Методы. В работе предлагается биофизическая многокомпартментная модель шумоиндуцированной кальциевой динамики в отростке астроцита. Модель описывает процесс генерации спонтанных Ca2+-сигналов, индуцированных стохастической работой потенциал-зависимых Ca2+-каналов на плазматической мембране астроцита. Модель позволяет исследовать динамику распространения спонтанных локальных Ca2+- сигналов и механизмов формирования пространственных Ca2+-паттернов в отростке астроцита.

Результаты. Разработанная модель позволяет исследовать влияние морфологии и внутриклеточных биофизических механизмов на характеристики спонтанной шумоиндуцированной Ca2+-сигнализации в отростке астроцита. Установлены области параметров, при которых модель качественно воспроизводит спонтанную Ca2+-активность на субклеточном уровне, наблюдаемую в эксперименте. Исследованы характеристики шумоиндуцированных Ca2+-паттернов, распространяющихся вдоль отростка, в зависимости от внутренней структуры отростка, его геометрии, равновесной концентрации молекул инозитол 1,4,5-трифосфата.

Ключевые слова: 
отросток астроцита
компартмент
кальциевый сигнал
инозитол 1
4
5-трифосфат
диффузия
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках проекта № FSWR-2023-0029 (концептуальная модель астроцитарного отростка и динамика модели) и проекта РФФИ № 20-32-90151 (разработка программного обеспечения для численного моделирования и анализа данных).
Список источников: 
  1. Semyanov A. Spatiotemporal pattern of calcium activity in astrocytic network // Cell calcium. 2019. Vol. 78. P. 15–25. DOI: 10.1016/j.ceca.2018.12.007.
  2. Li Y. X, Rinzel J. Equations for InsP3 receptor-mediated [Ca2+]i oscillations derived from a detailed kinetic model: a Hodgkin-Huxley like formalism // Journal of theoretical Biology. 1994. Vol. 166, no. 4. P. 461–73. DOI: 10.1006/jtbi.1994.1041.
  3. Ullah G., Jung P., Cornell-Bell A. H. Anti-phase calcium oscillations in astrocytes via inositol (1, 4, 5)-trisphosphate regeneration // Cell calcium. 2006. Vol. 39, no. 3. P. 197–208. DOI: 10.1016/ j.ceca.2005.10.009.
  4. Nett W. J., Oloff S. H., Mccarthy K. D. Hippocampal astrocytes in situ exhibit calcium oscillations that occur independent of neuronal activity // Journal of neurophysiology. 2002. Vol. 87, no. 1. P. 528–37. DOI: 10.1152/jn.00268.2001.
  5. Volterra A., Liaudet N., Savtchouk I. Astrocyte Ca2+ signalling: an unexpected complexity // Nature Reviews Neuroscience. 2014. Vol. 15, no. 5. P. 327–35. DOI: 10.1038/nrn3725.
  6. Skupin A., Kettenmann H., Falcke M. Calcium signals driven by single channel noise // PLoS computational biology. 2010. Vol. 6, no. 8. P. e1000870. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000870.
  7. Oschmann F., Mergenthaler K., Jungnickel E., Obermayer K. Spatial separation of two different pathways accounting for the generation of calcium signals in astrocytes // PLoS computational biology. 2017. Vol. 13, no. 2. P. e1005377. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005377.
  8. De Pitta M., Goldberg M., Volman V., Berry H., Ben-Jacob E. Glutamate regulation of calcium and IP3 oscillating and pulsating dynamics in astrocytes // Journal of biological physics. 2009. Vol. 35. P. 383–411. DOI: 10.1007/s10867-009-9155-y.
  9. Matrosov V. V, Kazantsev V. B. Bifurcation mechanisms of regular and chaotic network signaling in brain astrocytes // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2011. Vol. 21, no. 2. DOI: 10.1063/1.3574031.
  10. Kang M., Othmer H. G. Spatiotemporal characteristics of calcium dynamics in astrocytes // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2009. Vol. 19, no. 3. DOI: 10.1063/1.3206698.
  11. Kazantsev V. B. Spontaneous calcium signals induced by gap junctions in a network model of astrocytes //Physical Review E. 2009. Vol. 79, no. 1. P. 010901. DOI:10.1103/PhysRevE.79.010901. 
  12. Gordleeva S. Y., Stasenko S. V., Semyanov A. V., Dityatev A. E., Kazantsev V. B. Bi-directional astrocytic regulation of neuronal activity within a network // Frontiers in computational neuroscience. 2012. Vol. 6. P. 92. DOI: 10.3389/fncom.2012.00092.
  13. De Pitta M., Volman V., Berry H., Ben-Jacob E. A tale of two stories: astrocyte regulation of synaptic depression and facilitation // PLoS computational biology. 2011. Vol. 7, no. 12. P. e1002293. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1002293.
  14. Volman V., Ben-Jacob E., Levine H. The astrocyte as a gatekeeper of synaptic information transfer // Neural computation. 2007. Vol. 19, no. 2. P. 303–26. DOI: 10.1162/neco.2007.19.2.303.
  15. Postnov D. E., Koreshkov R. N., Brazhe N. A., Brazhe A. R., Sosnovtseva O. V. Dynamical patterns of calcium signaling in a functional model of neuron–astrocyte networks // Journal of biological physics. 2009. Vol. 35. P. 425–45. DOI: 10.1007/s10867-009-9156-x.
  16. Bindocci E., Savtchouk I., Liaudet N., Becker D., Carriero G., Volterra A. Three-dimensional Ca2+ imaging advances understanding of astrocyte biology // Science. 2017. Vol. 356, no. 6339. P. eaai8185. DOI: 10.1126/science.aai8185.
  17. Brazhe A., Verisokin A., Verveyko D., Postnov D. Astrocytes: new evidence, new models, new roles // Biophysical Reviews. 2023. P. 1–31. DOI: 10.1007/s12551-023-01145-7.
  18. Wu Y. W., Gordleeva S., Tang X., Shih P. Y., Dembitskaya Y., Semyanov A. Morphological profile determines the frequency of spontaneous calcium events in astrocytic processes // Glia. 2019. Vol. 67, no. 2. P. 246-62. DOI: 10.1002/glia.23537.
  19. Savtchenko L. P., Bard L., Jensen T. P., Reynolds J. P., Kraev I., Medvedev N., Stewart M. G., Henneberger C., Rusakov D. A. Disentangling astroglial physiology with a realistic cell model in silico // Nature communications. 2018. Vol. 9, no. 1. P. 3554. DOI: 10.1038/s41467-018-05896-w.
  20. Gordleeva S. Y., Lebedev S. A., Rumyantseva M. A., Kazantsev V. B. Astrocyte as a detector of synchronous events of a neural network // JETP Letters. 2018. Vol. 107. P. 440–5. DOI: 10.1134/ S0021364018070032.
  21. Gordleeva S. Y., Ermolaeva A. V., Kastalskiy I. A., Kazantsev V. B. Astrocyte as spatiotemporal integrating detector of neuronal activity // Frontiers in physiology. 2019. Vol. 10. P. 294. DOI: 10.3389/fphys.2019.00294.
  22. Kastalskiy I., Ermolaeva A., Kazantsev V., Gordleeva S. Impact of the steady state IP3 level on the intracellular Ca2+ signaling in spatially distributed model of astrocyte // 2020 4th Scientific School on Dynamics of Complex Networks and their Application in Intellectual Robotics (DCNAIR). 2020. P. 120–123. DOI: 10.1109/DCNAIR50402.2020.9216749.
  23. Zeng S., Li B., Zeng S., Chen S. Simulation of spontaneous Ca2+ oscillations in astrocytes mediated by voltage-gated calcium channels // Biophysical journal. 2009. Vol. 97, no. 9. P. 2429– 37. DOI: 10.1016/j.bpj.2009.08.030.
  24. Yaguchi T., Nishizaki T. Extracellular high K+ stimulates vesicular glutamate release from astrocytes by activating voltage-dependent calcium channels // Journal of Cellular Physiology. 2010. Vol. 225, no. 2. P. 512-8. DOI: 10.1002/jcp.22231.
  25. Letellier M., Park Y. K., Chater T. E., Chipman P. H., Gautam S. G., Oshima-Takago T., Goda Y. Astrocytes regulate heterogeneity of presynaptic strengths in hippocampal networks // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2016. Vol. 113, no. 19. P. E2685-94. DOI: 10.1073/pnas. 1523717113.
  26. Zamora N. N., Cheli V. T., Santiago Gonzalez D. A., Wan R., Paez P. M. Deletion of Voltage-Gated Calcium Channels in Astrocytes during Demyelination Reduces Brain Inflammation and Promotes Myelin Regeneration in Mice. The Journal of Neuroscience. 2020. Vol. 40, no. 17. P. 3332–3347. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1644-19.2020. 
  27. Hodgkin A. L., Huxley A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve // The Journal of physiology. 1952. Vol. 117, no. 4. P. 500–544. DOI: 10.1113/jphysiol.1952.sp004764.
  28. Dupont G., Goldbeter A. One-pool model for Ca2+ oscillations involving Ca2+ and inositol 1,4,5-trisphosphate as co-agonists for Ca2+ release // Cell calcium. 1993. Vol. 14, no. 4. P. 311–22. DOI: 10.1016/0143-4160(93)90052-8.
  29. Гордлеева С.Ю., Матросов В. В., Казанцев В. Б. Кальциевые колебания в астроцитах. Часть 1. Астроцит как генератор кальциевых колебаний // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2012. Vol. 20, № 3. C. 29–39. DOI: 10.3389/fphys.2019.00294.
  30. Cresswell-Clay E., Crock N., Tabak J. and Erlebacher G. A Compartmental Model to Investigate Local and Global Ca2+ Dynamics in Astrocytes // Frontiers in Computational Neuroscience. 2018. Vol. 12. P. 94. DOI: 10.3389/fncom.2018.00094.
  31. Verisokin A. Y., Verveyko D. V., Postnov D. E., Brazhe A. R. Modeling of Astrocyte Networks: Toward Realistic Topology and Dynamics // Frontiers in Cellular Neuroscience. 2021. Vol. 15. P. 645068. DOI: 10.3389/fncel.2021.645068.
  32. Santello M., Toni N., Volterra A. Astrocyte function from information processing to cognition and cognitive impairment // Nature neuroscience. 2019. Vol. 22, no. 2. P. 154–66. DOI: 10.1038/s41593- 018-0325-8.
  33. Popov A., Brazhe A., Denisov P., Sutyagina O., Li L., Lazareva N., Verkhratsky A., Semyanov A. Astrocyte dystrophy in ageing brain parallels impaired synaptic plasticity // Aging cell. 2021. Vol. 20, no. 3. P. e13334. DOI: 10.18500/0869-6632-2012-20-3-29-39.
  34. Olabarria M., Noristani H. N., Verkhratsky A., Rodrıguez J. J. Concomitant astroglial atrophy and astrogliosis in a triple transgenic animal model of Alzheimer’s disease // Glia. 2010. Vol. 58, no. 7. P. 831–8. DOI: 10.1002/glia.20967.
Поступила в редакцию: 
01.03.2024
Принята к публикации: 
21.05.2024
Опубликована онлайн: 
24.09.2024
  • 47 просмотров