ИСТИНА

В настоящее время активно развивается область исследования роли астроцитов — самого распространенного типа глиальных клеток мозга — в различных когнитивных процессах, от обработки сенсорной информации до формирования памяти, паттернов поведения, регуляции циркадных ритмов и т.д. Однако количество все возрастающего объема новых экспериментальных данных кальциевого имиджинга астроцитов еще не перешло в качество понимания основных закономерностей их функционирования. Для совершения этого качественного скачка к описанию и понимания роли кальциевой сигнализации астроцитов в регуляции работы мозга требуются новые подходы к обработке и анализу экспериментальных данных. Экспериментальные данные указывают на важность кальциевой сигнализации астроцитов для работы ЦНС, но эта активность — в отличие от нейрональной — носит стохастический, непредсказуемый характер по месту возникновения, области распространения и длительности каждого кальциевого транзиента в пределах пространственного домена каждого астроцита. Мы представляем разрабатываемый нами набор алгоритмов для обработки и анализа экспериментальных данных кальциевой активности в астроцитах — компенсацию артефактов движения, определения локальных значений фонового уровня флуоресценции, подавление шума и поиск значимых локальных флуктуаций флуоресценции относительно фонового уровня. Для подавления шума и реконструкции отдельных эпизодов активности используется понижение размерности данных, факторизация сигнала на пространственные и временные компоненты и частичная реконструкция после отбрасывания не значащих элементов. Наблюдаемые эпизоды кальциевой активности можно также интерпретировать как стохастический процесс, но открытым остается вопрос о наличии или отсутствии определенных закономерностей или повторяющихся паттернов активации на уровне отдельных клеток или астроцитарного синцития. Рассматриваются подходы к поиску таких закономерностей с использованием упрощенных динамических моделей, основанных на данных. Для дальнейшего понимания механизмов, вовлеченных в инициацию и распространение событий кальциевой сигнализации необходимо создание нелинейных математических моделей, описывающих предполагаемые биофизические механизмы кальциевой динамики в астроцитах. Мы рассматриваем такие распределенные модели, реализованные на реалистичных пространственных паттернах, а также закономерности кальциевой динамики в этих моделях, определяемые локальной морфологией астроцита. Данные кальциевого имиджинга астроцитов на фоне спонтанной локомоции животного на подвижной платформе указывают на устойчивую активацию астроцитов при инициации движения. Выявлен характерный паттерн активации отдельных астроцитарных доменов: ответ инициируется на периферии домена и распространяется центростремительно, постепенно достигая тела клетки и активируя ее. Отдельные астроциты в разных участках поля зрения могут активироваться неодновременно, но в пределах каждого пространственного домена данный паттерн воспроизводится. Экспериментальные данные проанализированы с позиций методов понижения размерности и поиска динамических компонент. Основные характеристики паттернов кальциевых ответов воспроизведены на генеративных моделях, диктуемых данными (DMDc). Реализованы компьютерные симуляции математической модели кальциевой динамики на реалистичных трехмерных пространственных шаблонах.