Математическая модель помогла выявить нарушения «мозговых волн» при COVID-19

Ученые БФУ разработали математическую модель, имитирующую работу нейронных сетей головного мозга у больных COVID-19. При тяжелом течении этого заболевания вирус поражает астроциты — клетки, контролирующие передачу сигналов между нейронами. Авторы показали, что в результате инфекции нервные клетки перестают работать синхронно, а это может отрицательно сказываться на когнитивных способностях и памяти пациентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Многие функции головного мозга, например способность запоминать информацию и концентрировать внимание на чем-либо, обеспечиваются тем, что нервные клетки — нейроны — работают синхронно. Это значит, что определенные участки нейронной сети одновременно возбуждаются, после чего переходят в неактивное состояние. Далее цикл повторяется подобно тому, как волны то накатывают на берег, то отступают.

Исследования показали, что большую роль в активности головного мозга, в том числе в подобных «мозговых волнах» играют астроциты — вспомогательные клетки, окружающие нейроны и участвующие в передаче сигналов между ними. Во время этого процесса один нейрон высвобождает в место контакта с другим какую-либо сигнальную молекулу, например глутамат. Та, в свою очередь, может связаться с рецепторами на астроците и активировать в нем молекулярный каскад, приводящий к выработке собственных сигнальных молекул. С их помощью астроцит способен подавлять или активировать передачу сигнала между нейронами. Поскольку каждый астроцит оказывается связан с большим количеством нейронных окончаний, его активность одновременно влияет на целые группы нервных клеток, обеспечивая те самые «мозговые волны».

Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) с коллегами из Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского (Нижний Новгород) смоделировали работу нейронных сетей головного мозга у людей, больных COVID-19. Дело в том, что при тяжелом течении заболевания вирус может проникать в головной мозг и поражать астроциты. В результате клетки выделяют меньше глутамата. При этом, чем сильнее инфекция, тем хуже астроциты выделяют сигнальные молекулы.

Авторы создали искусственную нейронную сеть, моделирующую взаимодействия нервных клеток со здоровыми и инфицированными астроцитами. В последнем случае ученые видоизменили математическую формулу, описывающую выделение глутамата астроцитами, так, чтобы учесть наблюдаемое снижение уровня этой сигнальной молекулы.

Затем исследователи обучили модель синхронно активировать определенные группы нейронов подобно тому, как они возбуждаются при естественной работе головного мозга. Оказалось, что в «инфицированной» нейронной сети нормальные «мозговые волны» чередуются с периодами асинхронной работы. При этом несогласованная активация соответствовала тем фазам, когда астроциты совсем не вырабатывали глутамат или выделяли его в недостаточном количестве. Ожидаемо, чем сильнее была инфекция, тем менее согласованной становилась работа нейросети.

«Наша модель показала, что инфицирование астроцитов приводит к нарушению синхронной работы нейронов в головном мозге, при том что каждая отдельная клетка продолжает нормально функционировать. Это наблюдение позволяет понять глубинные причины того, почему некоторые больные COVID-19 сталкиваются с ухудшением памяти, повышенной тревожностью и нарушением внимания», — рассказывает Александр Храмов, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Балтийского центра нейротехнологий и искусственного интеллекта БФУ имени Иммануила Канта.