Заведующий лабораторией – д.ф.-м.н. Чернавский Алексей Викторович

Тел.: (095) 209-42-25, (095) 952-33-03; E-mail: chernav@iitp.ru

Ведущие ученые лаборатории:

Общей темой лаборатории является анализ информационных процессов в клеточных системах и в моторном управлении. Главными направлениями теоретико-экспериментальных работ в этих рамках служат: биология развития (анализ принципов реализации генетической информации в развивающихся системах), нейробиология (нейронная коммуникация и биохимическая модуляция в нервных центрах), моторное управление (изучение геометрии манипулятивного пространства и управление целенаправленными движениями). Также разрабатываются принципы биоинформатики и искусственного интеллекта, включая построение компьютеризированной системы организации экспертного знания.

Биология развития. В группе д.б.н. В. П. Божковой изучаются механизмы развития, приводящие к возникновению пространственно упорядоченной дифференциации клеток. В дополнение к широко исследуемым в настоящее время принципам генетического программирования развития показано значение для дифференцировки той информации, которая поступает в клетки через межклеточные связи и, в первую очередь, через высокопроницаемые (щелевые) контакты. Обнаружено, что свойства проницаемости и селективности щелевых контактов имеют более широкий диапазон вариаций, чем ранее предполагалось. Показана связь этих свойств с последующей судьбой клеток в развитии. Предполагается, что обмен информацией по щелевым контактам позволяет однотипным клеткам поддерживать их изначальные потенции и стабилизирует их функцию.

Продолжается анализ компьютерного моделирования морфогенеза с участием щелевых контактов с различной проницаемостью. Ядро модели состоит в автоволновом процессе, такого, какой наблюдается при экспериментальной активации эмбриональных клеток вторичным посредником инозитол-1,4,5-трифосфатом. Модель основана на допущении, что IP3 и его производные, вовлеченные в трехкомпонентный фосфатидилинозитольный цикл, различным образом проходят щелевые контакты в клетках разных типов. Моделирование показало, что параметры активации этого цикла и отношение коэффициентов диффузии его компонентов оказывают влияние на скорость и амплитуду автоволнового процесса. Разрабатываемая модель является частью более общей модели обработки текущей информации в клетках, в которой массивные белковые комплексы трансформируются более подвижными и небольшими молекулами-посредниками, которые могут передаваться как через плазматическую мембрану, так и через межклеточные соединения. (В. П. Божкова, Н. В. Розанова)

Свойства клеточных мембран играют важную роль в клеточных процессах, в том числе патологических. Детально исследовалось (И. М. Плонским) слияние клеточных мембран, вызванное белками вируса гриппа и бакуловируса. Основываясь на своем усовершенствовании стандартного метода исследования слияния, автор показал , что свойства начальной поры слияния определяются белками слияния, а не механическими характеристиками сливающихся мембран, зависящими от их химического состава. (Работа проводилась в сотрудничестве с Лабораторией Клеточной и Молекулярной Биофизики Национального Института Здоровья США.)

Межклеточная коммуникация через щелевые контакты изучалась также Д. А. Вороновым на различных видах нематод и на различных стадиях дробления. Существование такой связи было показано электрофизиологически, размеры каналов оценивались с помощью флюоресцентных проб разного молекулярного веса. Показано, что ранние стадии развития нематод весьма эволюционно пластичны, но в ходе эмбрионального развития представителей разных видов нематод сходство зародышей последовательно возрастает. Это эмпирическое правило противоречит традиционному биогенетическому закону Геккеля, но хорошо соответствует современной модели "песочных часов" Дюбуля (1994).

На морском моллюске Clione (Ю. В. Панчиным) исследования механизмов регенерации и клеточного узнавания. Разработаны уникальные методы, позволяющие в условиях культивирования отдельных нейронов и тканей исследовать механизмы избирательного установления синаптических контактов нервными клетками. В частности, разработан метод трансплантации одиночных идентифицированных нейронов из одной нервной системы в другую. Из идентифицированных нейронов выделены, клонированы и охарактеризованы несколько генов белков, необходимых для правильного образования нервных связей. Гомологи этих генов найдены у других видов вплоть до человека, они могут играть важную роль в нервной системе позвоночных и человека в норме и при патологиях. Работа ведется совместно с Институтом биоорганической химии РАН.

Нейробиология. Нервная система – основа информационного взаимодействия многоклеточных животных – изучалась в лаборатории на нескольких уровнях. В многолетней серии работ коллектива авторов, руководимого Ю. И. Аршавским, была детально изучена нервная система морского моллюска Clione limacina (морского ангела). Авторы опирались на оригинальный метод изоляции ганглиев и отдельных нейронов, сохраняющих связь с нервной системой. Были изучены различные системы, главным образом управляющие движениями ангела. В последнее пятилетие был изучен нейронный базис стабилизации пространственной ориентации в поле тяжести. Она основана на рефлексах, инициированных активацией рецепторных клеток статоциста, и опосредована интернейронами, которые возбуждают моторные нейроны хвоста и крыльев. Детальное исследование активности этих нейронов было сопоставлено с поведенческой активностью животного, которое перемещается в воде в различных направлениях и с различной ориентацией. Были выделены группы нейронов, ответственных за определенные реакции, объяснено согласование движений хвоста и крыльев, приводящее к устойчивости нормального положения головой вверх и инвертирование этого положения в некоторых условиях. В частности, оно вызывается повышением температуры, когда моллюск должен опуститься в холодные слои воды. В результате был сделан вывод, что система нервного контроля позы у Clione не является жестко запаянной, она может модифицироваться так, что возникает почти "новая" сеть с противоположными ответами к тем же гравитационным входам. (В сотрудничестве с Институтом нейробиологии Университета Пуэрто Рико и Каролинского института Стокгольма, Швеция.)

В группе И. А. Кедер-Степановой изучается организация генератора дыхательного ритма. Ранее была предложена модель этой системы. Возник вопрос, как эта система формируется в онтогенезе и как меняются свойства ее нейронов. Показано, что исходная автоматическая ритмическая активность замкового типа исчезает на более поздних стадиях онтогенеза. Эксперименты проводились на срезах продолговатого мозга новорожденных мышей до возраста 12 дней. В течение первой недели имеется автономная ритмическая активность нейронов с различными периодами, но пейсмекерная взрывная активность исчезает к 7-8 дню. В дальнейшем наблюдается только непрерывная импульсация. Особенно интересно то, что в первые дни нейроны одного среза ядра, становящегося в дальнейшем дыхательным имели различные периоды взрывной активности.

Параллельно проводилось гисто-морфологическое изучение нейронов. Показано, что автоматизм исчезает в период полного развития ветвления отростков в ядре. Развитие нейронных структур и их связи во время первой постнатальной недели связывается с влиянием GABAa и активацией GABAa рецепторов. Вероятно, что существует связь между ветвлением дендритов, появлением GABAb рецепторов и тормозных синапсов. Но неясно, каков источник GABA синаптогенеза.

Центральное место в организации двигательных синергий занимает мозжечок. Его исследование – традиционная тема лаборатории. В частности, многолетнее исследование клеток Пуркинье проводилось группой В. Л. Дунина-Барковского. Было экспериментально доказано предсказанное им 20 лет назад существование пар клеток Пуркинье, активируемых общим лианным волокном. Детальный анализ этого явления позволит экспериментально оценивать фактическую эффективность работы мозжечковых модулей. (Исследование ведется совместно с Ростовским институтом нейрокибернетики, Техасским технологическим университетом и Научным центром здоровья Техасского университета, США.)

Н. В. Самосудовой и Н. П. Ларионовой изучается зависимость структуры нейронной сети мозжечка от дисбаланса основных медиаторов мозжечка (L-глутамата и NO). Проведено электронно-микроскопическое изучение влияния избытка L-глутамата в экстраклеточной среде. Показано, что это приводит к повреждению структуры и нарушению взаимодействия зернистых клеток и функции генома. В настоящее время известно, что патоморфологические изменения, вызванные избытком L-глутамата, лежат в основе таких заболеваний как эпилепсия, болезни Паркинсона и Альцгеймера. Известно, что NO может синтезироваться в нейронах на одной из стадий глутаматного каскада и, являясь свободным радикалом, быть очень токсичным веществом. Выявлено, что наиболее чувствительными к воздействию NO являются мембраны нейронов и глиальных клеток. При этом оксид азота преимущественно "перфорирует" клеточные мембраны, а глутамат способствует увеличению их текучести и расслоению.

Наряду с патологическими изменениями в нейронной системе мозжечка, как в глутамате, так и в NO, были отмечены изменения, которые расцениваются как компенсаторные. Появляются многорядные спиральные структуры вокруг синапсов, образованные отростками глиальных клеток, а также шипиковая инкапсуляция бутонов с обкруткой шипиков под влиянием глутамата и бутонная инкапсуляция шипиков с обкруткой бутонов под влиянием NO. Эти результаты неожиданны, т.к. основные нейроны мозжечка дают противоположные реакции на раздельное применение веществ, которые в норме работают в едином глутаматном каскаде. (Работа ведется совместно с Институтом ВНД РАН.)

В плане анализа информационных процессов в нервной системе беспозвоночных Ю. М. Бурмистровым проводится исследование работы центральной нервной системы высших ракообразных при некоторых поведенческих актах. Им разработан метод электрофизиологической регистрации деятельности специализированных вентиляторных придатков ракообразных. Проведена регистрация и анализ электрического поля, возникающего при движении придатков, в различных точках окружающего их водного пространства. Исследование корреляционных отношений между деятельностью симметричных генераторов вентиляторного ритма свидетельствует о более сложно организованном контроле поведенческих реакций со стороны высших отделов ЦНС рака, чем это можно было предположить при сопоставлении поведения и вентиляторной функции в одной половине тела. (Работа проводится совместно с Институтом ВНД РАН и Институтом ядерной физики при физфаке МГУ.)

Д.б.н. З. Х.-М. Хашаев проводит изучение молекулярного механизма действия ряда фармокологических препаратов широкого профиля (нейропептиды, анальгетики, анестезирующие препараты, наркотические и психотропные средства, а также супертоксиканты диоксинового ряда) с точки зрения влияния вышеперечисленных препаратов на проницаемость биологических мембран. Эти исследования проводились в сотрудничестве с Институтом экспериментальной и теоретической биофизики РАН в г. Пущино, а также в Институте биохимической физики РАН.

Моторное управление. М. Б. Беркинблитом и С. В. Адамовичем было проведено систематическое экспериментальное изучение указывающих движений руки к запомненным целям, которые предъявлялись как зрительно, так и кинестетически в различных условиях, как здоровым испытуемым разного возраста, так и больным паркинсонизмом. Основным методом было изучение вариативности движения по точности, по скорости и ускорению. Показано, что человек планирует движения руки к зрительно и к проприоцептивно предъявленным целям во внешнем пространстве независимо по трем направлениям. Отчасти эти результаты были известны, но в полной общности исследованы впервые. Показано принципиальное отличие движений к запомненным и к актуальным целям, которое выражается, в частности, в независимости вариабельных ошибок от скорости при движении к запомненным целям. Это объясняется отсутствием корректирования движений к запомненным целям.

При сравнении движений к зрительно и кинематически запомненным целям было обнаружено, что а) люди делятся на две группы: одни показывают более высокую точность при зрительном предъявлении целей, другие – при кинестетическом; б) феномен "сжатия пространства" – результат взаимодействия системы планирования движений с зрительной системой. Моторные программы сложного движения, состоящего из нескольких простых, вырабатываются до движения или в его начале, а не "сшиваются" из нескольких простых программ. Обнаружены различные корреляции значений суставных углов, скорости руки и туловища, ускорений, которые снижают вариабельные ошибки указывания.

Независимое планирование движений по разным направлениям, независимое планирование точности и динамики позволяет предположить, что при планировании движений используются параллельно работающие модули, взаимодействующие друг с другом.

Движения пожилых людей сравнивались с движениями паркинсоников. Сравнение показало, что у больных затруднена интеграция афферентных сигналов разной модальности, а именно зрительной информации (как хранящейся в пространственной памяти, так и актуальной) с проприоцептивной информацией от конечности. Показано также, что у больных нарушено временное согласование движений руки и туловища при указывании с наклонами корпуса. Эти результаты дают новую важную информацию о функциях базальных ганглиев, которые страдают при болезни Паркинсона.

Характеристики ритмики для одиночных мотонейронов в широком диапазоне частот сопоставлялись в экспериментах Л. П. Кудиной и Н. М. Жуковской с длительностью следовой гипеpполяpизации, Это сопоставление позволило указать косвенный показатель "быстроты" мотонейрона, который может быть применен в клинических исследованиях при неpвно-мышечной патологии. Результаты работы используются при моделировании механизмов моторного контроля. В 1999 г. начата новая работа по исследованию тормозных механизмов, управляющих ритмической импульсацией мотонейронов у здорового человека. В частности, анализируется эффективность возвратного торможения при произвольном сокращении мышцы. Показано, что, в отличие от искусственных условий стимуляции нерва, исследованных ранее, при естественной ритмической активности мотонейронов их влияние друг на друга через клетки Pеншоу выражено довольно слабо. Эта работа проводится в рамках совместных исследований отделом бионики Института биокибеpнетики и биомедицинской инженерии Польской академии наук.

В группе А. В. Чернавского проводились эксперименты по изучению психофизики пространственного зрительного восприятия. Получен статистически достоверный вывод о существовании систематических искажений при оценке линейных свойств пространства. Экспериментально показано, что схема “сначала деление отрезка на n частей, затем удлинение одной части в n раз” при чётном n (n = 2, 4, ...) приводит к систематической ошибке преуменьшения восстанавливаемого отрезка по сравнению с первоначальным, а при нечётном n (n=3) – наоборот, к систематической ошибке преувеличения восстанавливаемого отрезка. Оценено искривление пространства в окрестности точки схождения прямых в известной зрительной иллюзии “веера”. (Работа проводилась совместно с Cектором компьютерной логики в информационных процессах Института.)

Принципы биоинформатики. Метод структурной организации слабо формализованной информации и профессиональных знаний разработан И. П. Лукашевич. Он был использован для создания баз знаний в неврологии, нейропсихологии и электроэнцефалографии. В последнем случае база знаний была реализована в виде компьютерной автоматизированной диагностической системы “ЭЭГ-ЭКСПЕРТ”. Система включает в себя три параллельно функционирующие подпрограммы. Подпрограмма “Диалог” представляет из себя организованную в виде опросника схему описания данных визуального анализа ЭЭГ. В отличие от других систем, в предлагаемом диалоге-схеме однородные по функциональному значению ЭЭГ-признаки объединены в структурные блоки, характеризующие состояние головного мозга человека и его отдельных структур. Вся информация хранится в памяти в виде архива данных. Подпрограмма “Справка” позволяет получить рекомендации для описания уровня, характера и выраженности отмеченных изменений. Подпрограмма “Вывод” автоматически формирует и выводит на экран, а затем на печать описание ЭЭГ и заключение о функциональном состоянии мозга. Система предназначена (и уже используется) для практической работы в неврологических стационарах и поликлиниках, для обучения и повышения квалификации молодых специалистов, а также в исследовательских целях.

Комплексный анализ позволил определить диагностические и прогностические критерии при восстановлении двигательной активности и речевых функций у больных перенесших ишемический инсульт, исследовать влияние афферентных подкорковых проводящих путей на электрическую активность мозга, а также провести ее сравнительную оценку мозга детей в возрасте от 5 до 8 лет (старший дошкольный и младший школьный возраст) в норме и с задержкой психического развития разной степени выраженности. (При участии Института возрастной физиологии РАО и Институтата коррекционной педагогики РАО.)

• Российский фонд фундаментальных исследований (№ 97-04-48499): (В. П. Божкова).
• Российский фонд фундаментальных исследований (№ 97-04-48324): (В. Л. Дунин-Барковский).
• Российский фонд фундаментальных исследований (№ 97-04-50759): (Е. А. Либерман).
• Российский фонд фундаментальных исследований (№ 98-04-48836): (Д. А. Воронов, Ю. В. Панчин).
• Российский фонд фундаментальных исследований, поддержка ведущих научных школ (№ 97-15-98035): (Л. М. Чайлахян, В. П. Божкова, В. Л. Дунин-Барковский).