ИССЛЕДОВАНИЕ ПАТТЕРНОВ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В СЕТЯХ АСТРОЦИТОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА
PDF

Ключевые слова

астроцит
кальций
астроцитарная сеть
обработка информации

Как цитировать

Браже, А. Р., Доронин, М. С., Попов, А. В., Денисов, П., & Семьянов, А. В. (2019). ИССЛЕДОВАНИЕ ПАТТЕРНОВ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В СЕТЯХ АСТРОЦИТОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 105(11), 1436–1451. https://doi.org/10.1134/S0869813919110037

Аннотация

Астроциты кодируют информацию о состоянии окружающей нервной ткани в виде пространственно-временных паттернов Ca2+ активности. В свою очередь, Ca2+ события в астроцитах через ряд механизмов влияют на синаптическую пластичность, высвобождение глиопередатчиков и локальный кровоток. Использование генетически кодируемых Ca2+ индикаторов позволило визуализировать астроцитарную Ca2+ активность на уровнях от тонких периферических отростков до целых клеточных доменов и сетей клеток. Интерпретация экспериментальных результатов требует использования адекватных методов обработки данных, включая стабилизацию изображений, подавление шума, разделение сигнала на быстрые и медленные компоненты, сегментацию отдельных событий сигнализации и установление возможных закономерностей в появлении этих событий. В данной работе демонстрируется, что спонтанная Ca2+ активность в отдельных астроцитах имеет вид локализованных событий. Эти события возникают преимущественно на периферии пространственных доменов астроцита и характеризуются распределениями с тяжелым хвостом по размерам и длительностям. Локальные кинетические параметры нарастания и затухания флуоресценции привязаны к морфологии клетки; в зависимости от степени вовлеченности крупных отростков в наблюдаемые события, присутствуют градации средней амплитуды и пиковой скорости изменения флуоресценции. На уровне астроцитарной сети наблюдаются флуктуации суммарной Ca2+ активности, наибольший вклад в пики активности вносят одиночные события, охватывающие целиком пространственный домен астроцита. Разработанные методические подходы и полученные данные могут пролить свет на принципы формирования пространственно-временных паттернов астроцитарной Ca2+ активности и их вовлеченность в когнитивные процессы.

https://doi.org/10.1134/S0869813919110037
PDF

Литература

Verkhratsky A., Nedergaard M. Physiology of Astroglia. Physiol. Rev. 98(1): 239-389. 2018.

Bushong E. A., Martone M. E., Jones Y. Z., Ellisman M. H. Protoplasmic astrocytes in CA1 stratum radiatum occupy separate anatomical domains. J. Neurosci. 22(1): 183-192. 2002.

Gavrilov N., Golyagina I., Brazhe A., Scimemi A., Turlapov V., Semyanov A. Astrocytic Coverage of Dendritic Spines, Dendritic Shafts, and Axonal Boutons in Hippocampal Neuropil. Front. Cell. Neurosci. 12(248). 2018.

Giaume C., Koulakoff A., Roux L., Holcman D., Rouach N. Astroglial networks: a step further in neuroglial and gliovascular interactions. Nat. Rev. Neurosci. 11: 87. 2010.

Plata A., Lebedeva A., Denisov P., Nosova O., Postnikova T. Y., Pimashkin A., Brazhe A., Zaitsev A. V., Rusakov D. A., Semyanov A. Astrocytic Atrophy Following Status Epilepticus Parallels Reduced Ca2+ Activity and Impaired Synaptic Plasticity in the Rat Hippocampus. Front. Mol. Neurosci. 11(215). 2018.

Zorec R., Araque A., Carmignoto G., Haydon P. G., Verkhratsky A., Parpura V. Astroglial excitability and gliotransmission: an appraisal of Ca2+ as a signalling route. ASN Neuro. 4(2). 2012.

Wu Y.-W., Tang X., Arizono M., Bannai H., Shih P.-Y., Dembitskaya Y., Kazantsev V., Tanaka M., Itohara S., Mikoshiba K., Semyanov A. Spatiotemporal calcium dynamics in single astrocytes and its modulation by neuronal activity. Cell Calcium. 55(2): 119-129. 2014.

Semyanov A. Spatiotemporal pattern of calcium activity in astrocytic network. Cell Calcium. 78: 15-25. 2019.

Ye L., Haroon M. A., Salinas A., Paukert M. Comparison of GCaMP3 and GCaMP6f for studying astrocyte Ca2+ dynamics in the awake mouse brain. PloS one. 12(7): e0181113-e0181113. 2017.

Nakai J., Ohkura M., Imoto K. A high signal-to-noise Ca2+ probe composed of a single green fluorescent protein. Nat. Biotechnol. 19(2): 137-141. 2001.

Tong X., Shigetomi E., Looger L. L., Khakh B. S. Genetically encoded calcium indicators and astrocyte calcium microdomains. Neuroscientist. 19(3): 274-291. 2013.

Chen T.-W., Wardill T. J., Sun Y., Pulver S. R., Renninger S. L., Baohan A., Schreiter E. R., Kerr R. A., Orger M. B., Jayaraman V., Looger L. L., Svoboda K., Kim D. S. Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature. 499: 295. 2013.

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. 67(2): 246-262. 2019.

Paxinos G., Watson C. The rat brain in stereotaxic coordinates. 6th ed. Amsterdam; Boston. Acad. Press/Elsevier. 2007.

Gavish M., Donoho D. L. The Optimal Hard Threshold for Singular Values is 4/sqrt (3). IEEE Transact. Informat. Theory. 60(8): 5040-5053. 2014.

Patrushev I., Gavrilov N., Turlapov V., Semyanov A. Subcellular location of astrocytic calcium stores favors extrasynaptic neuron-astrocyte communication. Cell Calcium. 54(5): 343-349. 2013.

Pnevmatikakis Eftychios A., Soudry D., Gao Y., Machado T. A., Merel J., Pfau D., Reardon T., Mu Y., Lacefield C., Yang W., Ahrens M., Bruno R., Jessell T. M., Peterka Darcy S., Yuste R., Paninski L. Simultaneous Denoising, Deconvolution, and Demixing of Calcium Imaging Data. Neuron. 89(2): 285-299. 2016.

Giovannucci A., Friedrich J., Gunn P., Kalfon J., Brown B. L., Koay S. A., Taxidis J., Najafi F., Gauthier J. L., Zhou P., Khakh B. S., Tank D. W., Chklovskii D. B., Pnevmatikakis E. A. CaImAn an open source tool for scalable calcium imaging data analysis. eLife. 8: e38173. 2019.

Brazhe A. R., Postnov D. E., Sosnovtseva O. Astrocyte calcium signaling: Interplay between structural and dynamical patterns. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 28(10): 106320. 2018.

Cornell-Bell A., Finkbeiner S., Cooper M., Smith S. Glutamate induces calcium waves in cultured astrocytes: long-range glial signaling. Science. 247(4941): 470-473. 1990.

Jung P., Cornell-Bell A., Madden K. S., Moss F. Noise-induced spiral waves in astrocyte syncytia show evidence of self-organized criticality. J Neurophysiol. 79(2): 1098-101. 1998.

Hoogland T. M., Kuhn B., Göbel W., Huang W., Nakai J., Helmchen F., Flint J., Wang S. S.-H. Radially expanding transglial calcium waves in the intact cerebellum. Proc. Nat. Acad. Sci. U. S. A. 106(9): 3496-3501. 2009.

Nimmerjahn A., Mukamel E. A., Schnitzer M. J. Motor Behavior Activates Bergmann Glial Networks. Neuron. 62(3): 400-412. 2009.

Mathiesen C., Brazhe A., Thomsen K., Lauritzen M. Spontaneous Calcium Waves in Bergman Glia Increase with Age and Hypoxia and may Reduce Tissue Oxygen. J. Cereb. Blood Flow Metabolism. 33(2): 161-169. 2013.

Brazhe A., Mathiesen C., Lauritzen M. Multiscale vision model highlights spontaneous glial calcium waves recorded by 2-photon imaging in brain tissue. NeuroImage. 68: 192-202. 2013.

Fordsmann J. C., Murmu R. P., Cai C., Brazhe A., Thomsen K. J., Zambach S. A., Lønstrup M., Lind B. L., Lauritzen M. Spontaneous astrocytic Ca2+ activity abounds in electrically suppressed ischemic penumbra of aged mice. Glia. 67(1): 37-52. 2019.

Semyanov A. Can diffuse extrasynaptic signaling form a guiding template? Neurochem. Internat. 52(1-2): 31-33. 2008.