ИСТИНА

Многие отклонения нейроонтогенеза характеризуются аберрантной пролиферацией и миграцией нейральных предшественников и, как следствие, измененными паттернами активации нейронов в развивающейся и сформированной нервной системе. Эти отклонения от нормального развития головного мозга могут варьировать от явных проявлений (например, как у микроцефалии, вызванной вирусом зика) до более тонких (как в некоторых проявлениях расстройств аутического спектра). Дефекты в делении клеток и миграции, наряду с измененной синаптической функцией и измененным метаболизмом, могут представлять существенный вклад в нейроанатомические, и, в конечном итоге, поведенческие проявления различных нарушений развития нервной системы. Одним из ограничений в выявлении изменений в делении нервных предшественников и их миграции в случаях нарушенного развития нервной системы является очень сложная пространственная и временная структура этих процессов в развивающемся (эмбриональном и перинатальном) мозге. Традиционный анализ, обычно ограниченный двумерными сегментами мозга человека или животных, как правило, не охватывает весь масштаб изменений, происходящих в пространстве и времени, и не позволяет обнаружить тонкие отклонения от основного плана развития мозга; а именно такие отклонения сопровождают ряд заболеваний, затрагивающих нейроонтогенез. Кроме того, обычный анализ с использованием маркеров клеточного цикла не позволяет различить возможные сценарии каскадов деления, дифференцировки, и выживания клеток в развивающемся мозге. Даже когда изменения в пролиферации и миграции клеток при нейроонтогенетических отклонениях могут быть выявлены, следующая задача состоит в том, чтобы понять клеточные и молекулярные механизмы, лежащие в основе этих дефектов. Часть заболеваний, связанных с нарушениями развития мозга, тесно связаны с идентифицированными генами и сигнальными каскадами, которые регулируются этими генами. Однако в большинстве случаев нарушений развития мозга, включая расстройства аутического спектра (в дальнейшем – аутизм), генетический анализ указывает на большое количество генов и сигнальных путей, участвующих в расстройстве, затрудняя или делая невозможным прямой генетический анализ. Животные модели, в особенности мышиные модели, воспроизводят некоторые важные особенности дефектов развития мозга и, в частности, аутизма. Дефекты в делении клеток и миграции, наряду с изменениями поведения, очевидны в нескольких мышиных моделях аутизма, указывая на адекватность и пользу этих моделей для изучения изменений развития нервной системы. Важной задачей является визуализация и количественная оценка изменений в динамике деления клеток и миграции во целом мозге животного (т.е., пространственно-временной паттерн). Еще одна проблема заключается в масштабировании подобных методов, с тем чтобы можно было анализировать десятки мозгов животных моделей параллельно. До сих пор эти проблемы не были решены, и именно на них направлен предлагаемый план исследований. Целью предлагаемого исследования является использование животных моделей аутизма для определения изменений в делении и миграции клеток и в общем паттерне активации нейронов при аутизме. Наш план исследований направлен на использование мышиных генетических моделей аутизма: линии 16p11.2 (df/+), содержащей делецию участка хромосомы, гомологичного человеческому участку 16p11.2, связанного с частью случаев аутизма, а также комплементарной ей линии 16p11.2 (dp/+) с дупликацией этого участка. Наш план базируется на разработанных нами новых методах выявления дефектов в пространственном и временном паттернах деления клеток и их миграции в перинатальном мозге, а также изменений в активации нейронов в этих моделях. Таким образом, конечная цель проекта - получить информацию о клеточных и молекулярных механизмах, ведущих к нормальному развитию мозга и изменениям, вызванным аутизмом. Важно отметить, что предлагаемое к расмотрению исследование фокусируется на механизмах, которые могут быть общими для большинства расстройств нервно-психического развития, в том числе с неопределенными или неясными этиологиями и генетическими основами.

Numerous neurodevelopmental disorders are characterized by aberrant proliferation and migration of neural precursors and altered signaling within and in close proximity of these precursors and their progeny. These deviations from the normal course of brain development may range from severe (as in zika infection-induced microcephaly) to much more subtle (as in some manifestations of the autism spectrum disorders, hereafter in the proposal called autism for brevity). Defects in cell division and migration may be essential contributors to the neurobiological (and ultimately behavioral) manifestations of various neurodevelopmental disorders, along with changes in synaptic function and altered metabolism. One of the limitations in identifying the changes in division of neural progenitors and their migration in neurodevelopmental disorders is the highly complex spatial and temporal pattern of these processes in the developing (embryonic and perinatal) brain. Conventional analysis, usually limited to two-dimensional sections of the human or animal model brain does not grasp the entire scale of perturbations occurring in space and time; likewise, it is difficult to detect subtle deviations from the basic plan that accompany neurodevelopmental disorders. In addition, the usual analysis, employing cell cycle markers, does not discriminate between various scenarios of the division/differentiation/survival cascades that take place in the developing brain. Even if the defects in cell proliferation and migration in the affected brain are identified, the next challenge is to understand the cellular and molecular mechanisms that underlie those defects. For a number of neurodevelopmental disorders the defects are closely linked to identified genes and the pathways that they regulate. However, for most neurodevelopmental disorders, including autism, genetic analysis points to a large number of genes and signaling pathways involved in the disorder, complicating direct genetic analysis. Mouse models reproduce some of the features of autism. Defects in cell division and migration are obvious in several mouse autism models, justifying their use for studying proliferation-related changes in brain development. An important challenge is to visualize and quantify alterations in the dynamics of cell division and migration in the entire brain of the animal (i.e. the spatio-temporal pattern). Yet another challenge is to visualize the spatio-temporal pattern of signaling during normal and aberrant brain development. An additional challenge is to scale up the methods for processing dozens of brains in parallel. So far these challenges have not been met. Our proposal specifically targets these challenges. The goal of the proposed study is to use animal models of autism to determine changes in cell division and cell migration and in the general pattern of neuron activation in autism. Our research plan focuses on the use of mouse genetic autism models: the 16p11.2 (df / +) line, containing a deletion of a chromosome region homologous to the 16p11.2 human segment, associated with cases of autism, as well as a complementary 16p11.2 line (dp/+) with duplication of this site. The plan is based on a suite of new methods developed by us for detecting defects in the spatial and temporal patterns of cell division and their migration in the perinatal brain, as well as changes in neuronal activation, as applied to these models. Thus, proposal's overarching goal is to gain insights into the cellular and molecular mechanisms driving normal brain development and understand the autism-induced changes. Importantly, it focuses on the mechanisms that may be common to most neurodevelopmental disorders, including those with uncertain or obscure etiology and genetic underpinnings.

(1) Аутизм связан с пока неясными дефектами нейроразвития, связанными с множественными генами и с различными процессами, такими как пролиферация, миграция, и активация. Мы определим пространственно-временные закономерности деления и миграции нейральных предшественников на мышиных моделях аутизма. (2) Аутизм проявляется в отклонениях активации нейронных цепей и, в конечном итоге, в поведении. Мы определим изменения в глобальных паттернах активации нейронов, визуализируемых за счет экспрессии гена c-fos, который маркирует возбужденные нейроны. (3) Мы применим набор новых методов, разработанных в нашей группе, и сделаем их доступными исследователям, изучающим различные нейропсихиатрические расстройства. (4) Разработанный нами 4D-анализ постнатального развития в моделях аутизма может быть применен, в том числе, и другими научными группами, для исследования других нарушений нервно-психического развития, в том числе таких, чья генетика и этиология пока неясны.