Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Verveyko D. V., Verisokin A. Y., Lagosha S. V., Brazhe A. R. Competitive bidirectional pathways of vascular tone regulation via arachidonic acid metabolites [Вервейко Д. В., Верисокин А. Ю., Лагоша С. В., Браже А. Р. Конкурентные двунаправленные пути регуляции тонуса сосудов воздействием метаболитов арахидоновой кислоты] // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 2. С. 141-149. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-2-141-149, EDN: IWWZMM


Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.06.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 100)
Язык публикации: 
английский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
577.35
EDN: 
IWWZMM

Competitive bidirectional pathways of vascular tone regulation via arachidonic acid metabolites
[Конкурентные двунаправленные пути регуляции тонуса сосудов воздействием метаболитов арахидоновой кислоты]

Авторы: 
Вервейко Дарья Вячеславовна, Курский государственный университет
Верисокин Андрей Юрьевич, Курский государственный университет
Лагоша Станислав Витальевич, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Браже Алексей Рудольфович, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
Аннотация: 

Предпосылки и цели: Процессы, происходящие в каждом элементе нейроглиоваскулярной единицы, будут иметь последствия для всей структурной единицы. Астроциты продуцируют арахидоновую кислоту, и её метаболиты играют ключевую роль в нейроглиоваскулярной динамике благодаря возможности двунаправленного контроля, в частности EETs и PGE2 оказывают сосудорасширяющее действие, а 20-HETE действует как вазоконстриктор. Для учёта влияние метаболитов арахидоновой кислоты на радиус кровеносных сосудов разработана минималистическая модель нейроглиоваскулярной единицы, определяющая кровоток и активность элементов. Материалы и методы: Для проверки модели используются два сценария ее поведения, включая внешнее воздействие, приводящее к увеличению нейронального калия, и внешнее воздействие на EETs. Результаты: Предложена новая математическая модель нейроглиоваскулярной единицы, включающая в себя уравнения, описывающие IP3-зависимую кальциевую динамику в астроците, нейронную активность, васкулярную динамику с учётом синтеза арахидоновой кислоты и её производных. Проведена численная проверка работоспособности модели, показавшая, что она успешно воспроизводит известные пути регуляции активности элементов нейроглиоваскулярной единицы, связанные с влиянием метаболитов арахидоновой кислоты на тонус сосудов и опосредованно на синаптическую активность. Модель может быть использована для дальнейших теоретических исследований функционирования нервной ткани головного мозга и, в частности, механизмов перфузии.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-74-00146).
Список источников: 
  1.  Kettenmann H., Hanisch U. K., Noda M., Verkhratsky A. Physiology of microglia. Physiol. Rev., 2010, vol. 91, pp. 461–553. https://doi.org/10.1152/physrev.00011.2010
  2. Li Z., McConnell H. L. Stackhouse T. L., Pike M. M., Zhang W., Mishra A. Increased 20-HETE signaling suppresses capillary neurovascular coupling after ischemic stroke in regions beyond the infarct. Front. Cell. Neurosci., 2021, vol. 15, article no. 762843. eCollection 2021. https://doi.org/10.3389/fncel.2021.762843
  3. Petzold G. C., Murthy V. N. Role of astrocytes in neurovascular coupling. Neuron, 2011, vol. 71, pp. 782–97. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2011.08.009
  4. Koehler R. C., Gebremedhin D., Harder D. R. Role of astrocytes in cerebrovascular regulation. J. Appl. Physiol., 2006, vol. 100, pp. 307–317. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00938.2005. https://doi.org/10.1126/science.1156120
  5. Schummers J., Yu H., Sur M. Tuned responses of astrocytes and their influence on hemodynamic signals in the visual cortex. Science, 2008, vol. 320, pp. 1638–1643. https://doi.org/10.1126/science.1156120
  6. Shen X. Y., Gao Z. K., Han Y., Yuan M., Guo Y. S., Bi X. Activation and Role of Astrocytes in Ischemic Stroke. Front. Cell. Neurosci., 2021, vol. 15, article no. 755955. https://doi.org/10.3389/fncel.2021.755955
  7. Abusnaina A., Abdullah R. Spiking Neuron Models: A Review. JDCTA, 2014, vol. 8, pp. 14–21. https://doi.org/10.3390/brainsci12070863
  8. Manninen T., Havela R., Linne M. L. Computational Models for Calcium-Mediated Astrocyte Functions. Front. Comput. Neurosci., 2018, vol. 12, article no. 14. https://doi.org/10.3389/fncom.2018.00014
  9. Huneau C., Benali H., Chabriat H. Investigating Human Neurovascular Coupling Using Functional Neuroimaging: A Critical Review of Dynamic Models. Front. Neurosci., 2015, vol. 9, pp. 467. https://doi.org/10.3389/fnins.2015.00467
  10. Iadecola C., Yang G., Ebner T. J., Chen G. Local and propagated vascular responses evoked by focal synaptic activity in cerebellar cortex. J. Neurophysiol., 1997, vol. 78, pp. 651–659. https://doi.org/10.1152/jn.1997.78.2.651
  11. Iadecola C. The Neurovascular Unit Coming of Age: A Journey through Neurovascular Coupling in Health and Disease, Neuron, 2017, vol. 96, pp. 17–42. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.07.030
  12. Farr H., David T. Models of neurovascular coupling via potassium and EET signaling. J. Theor. Biol., 2011, vol. 286, pp. 13–23. https://doi.org/10.1016/j.jtbi.2011.07.006
  13. Kenny A., Plank M. J., David T. The role of astrocytic calcium and TRPV4 channels in neurovascular coupling. J. Comput. Neurosci., 2018, vol. 44, pp. 97–114. https://doi.org/10.1007/s10827-017-0671-7
  14. Chander B. S., Chakravarthy V. S. A computational model of neuro-glio-vascular loop interactions. PLoS ONE, 2012, vol. 7, article no. e48802. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0048802
  15. Tesler F., Linne M.-L., Destexhe A. A key role of astrocytic calcium dynamics to link neuronal activity with the BOLD signal. bioRxiv, 2021, article no. 04.23.441146. https://doi.org/10.1101/2021.04.23.441146
  16. Nippert A., Biesecker K., Newman E. Mechanisms Mediating Functional Hyperemia in the Brain. Neuroscientist, 2018, vol. 24, pp. 73–83. https://doi.org/10.1177/1073858417703033
  17. Ullah G., Jung P., Cornell-Bell A. H. Anti-phase calcium oscillations in astrocytes via inositol (1, 4, 5)-trisphosphate regeneration. Cell Calcium, 2006, vol. 39, pp. 197–208. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2005.10.009
  18. Verisokin A. Yu., Verveyko D. V., Postnov D. E., Brazhe A. R. Modeling of astrocyte networks: towards realistic topology and dynamics. Front. Cell. Neurosci., 2021, vol. 15, article no. 645068. https://doi.org/10.3389/fncel.2021.645068
  19. MacVicar B. A., Newman E. A. Astrocyte regulation of blood flow in the brain. Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 2015, vol. 7, article no. a020388. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a020388
  20. Chen K., Pittman R. N., Popel A. S. Nitric oxide in the vasculature: where does it come from and where does it go? A quantitative perspective. Antioxid. Redox Signal, 2008, vol. 10, pp. 1185–1198. https://doi.org/10.1089/ars.2007.1959
  21. Picón-Pagès P., Garcia-Buendia J., Muñoz F. J. Functions and dysfunctions of nitric oxide in brain. Biochim. Biophys. Acta Mol. Basis Dis., 2019, vol. 1865, pp. 1949–1967. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2018.11.007
  22. Wieroсska J. M. Cieњlik P., Kalinowski L. Nitric Oxide-Dependent Pathways as Critical Factors in the Consequences and Recovery after Brain Ischemic Hypoxi. Biomolecules, 2021, vol. 11, no. 8, article no. 1097. https://doi.org/10.3390/biom11081097
  23. Chizhov A. V., Zefirov A. V., Amakhin D. V., Smirnova E. Y., Zaitsev A. V. Minimal model of interictal and ictal discharges “Epileptor-2”. PLoS Comput. Biol., 2018, vol. 14, article no. e1006186. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1006186
  24. Cressman J. R., Ullah G. Ziburkus J., Schiff S. J., Barreto E. The influence of sodium and potassium dynamics on excitability, seizures, and the stability of persistent states: I. Single neuron dynamics. J. Comput. Neurosci., 2009, vol. 26, no. 2, pp. 159–170. https://doi.org/10.1007/s10827-008-0132-4
  25. Jiang C., Haddad G. G. Oxygen deprivation inhibits a K+ channel independently of cytosolic factors in rat central neurons. J. Physiol., vol. 481, pp. 15–26. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1994.sp020415
  26. Attwell D., Buchan A., Charpak S., Lauritzen M., MacVicar B. A., Newman E. Glial and neuronal control of brain blood flow. Nature, 2010, vol. 468, pp. 232–243. https://doi.org/10.1038/nature09613
Поступила в редакцию: 
03.03.2023
Принята к публикации: 
24.03.2023
Опубликована: 
30.06.2023