С целью развития молекулярно-клеточных исследований в Институте в 1986 г. была организована группа, преобразованная в 1989 г. в лабораторию регуляции функций нейронов мозга во главе с д.м.н. М.О. Самойловым. В состав нового научного подразделения вошли сотрудники лаборатории функциональной морфологии и физиологии нейрона, группы регуляции метаболизма мозга, лаборатории физиологии приматов и в 1997 г. – сотрудники лаборатории функциональной нейрохимии.

Основным направлением исследований лаборатории является изучение механизмов синаптической и внутриклеточной сигнальной трансдукции, лежащих в основе формирования адаптивных реакций мозга. Используется широкий спектр лабораторных животных и экспериментальных моделей (выработка простых и сложных форм обучения, гипоксический стресс и др.).

Благодаря применению комплекса современных нейрофизиологических и биохимических методов установлено, что различные адаптогенные воздействия (кратковременный гипоксический стресс, тетаническая стимуляция нейронов, применение антиоксидантов), модифицируя внутриклеточные механизмы холин- и глютаматергической сигнальной трансдукции, опосредуемые кальциевой и фосфоинозитидной регуляторными системами, повышают эффективность синаптической передачи. Выявлены закономерности изменений активности ключевых регуляторных систем (кальциевой, фосфоинозитидной, цАМФ), способствующих развитию протективного эффекта кратковременной гипоксии и антиоксидантов. Была показана возможность управления механизмами познавательных процессов у обезьян с использованием агонистов и антагониcтов холино- и глутаматных рецепторов, а также кратковременного гипоксического воздействия и антиоксидантов.

С использованием моделей простых нервных сетей на беспозвоночных (моллюсках) и переживающих срезах мозга млекопитающих исследуются молекулярно-клеточные механизмы формирования элементарных форм обучения (сенситизация, привыкание, долговременная посттетаническая потенциация, выработка условного рефлекса). Выявлены особенности вовлечения кальциевой регуляторной системы в механизмы организации различных форм обучения.

Впервые на переживающих срезах обонятельной коры обнаружен интересный феномен: при развитии долговременной посттетанической потенциации, а также после адаптогенного гипоксического стресса из клеток выделяются нейромодуляторные пептиды, которые модифицируют синаптическую пластичность и повышают устойчивость нейронов к повреждающим агентам. Таким образом, установлена важная роль пептидного компонента «объёмной» передачи сигналов в механизмах формирования приспособительных реакций нейронов мозга различного генеза. Проводится идентификация этих пептидов и изучение их функционального значения. В частности, получены экспериментальные доказательства участия компонентов «объемной» передачи сигналов – карнозина и белков теплового шока – в пластических адаптивных перестройках синаптической передачи.

В последние годы интенсивно исследуются молекулярные механизмы кратко- и долговременных эффектов гипоксического прекондиционирования, повышающего структурную и функциональную резистентность мозга к повреждающим воздействиям. Показана возможность протектирующего действия гипоксического прекондиционирования на нарушения функций нейронов мозга и поведенческих реакций (ориентировочно-исследовательская активность, эмоциональный статус, обучение, воспроизведение приобретенных навыков), вызываемых тяжелой повреждающей гипоксией. Обнаружено, что быстро индуцируемые эффекты прекондиционирования связаны с умеренной активацией внутриклеточных регуляторных систем и глютаматергической сигнальной трансдукции. С использованием методов радиоактивной in situ гибридизации и иммуноцитохимии выявлено вовлечение ранних генов (семейств NGFI-A, jun ) и фенотипспецифических генов позднего действия (пептидных антиоксидантов), а также их продуктов в реализацию долгосрочных эффектов гипоксического прекондиционирования.

На основании полученных результатов выдвинута концепция об универсальном принципе формирования разного вида долговременных адаптивных состояний мозга на молекулярно-клеточном уровне с вовлечением внутриклеточных регуляторных систем, генома, синтезируемых de novo нейромодуляторных пептидов. Предложена новая технология повышения адаптивных возможностей мозга путем эффективной активации механизмов внутриклеточной сигнальной трансдукции.

Одним из перспективных направлений исследований, развиваемых в настоящее время в лаборатории, является изучение механизмов регуляции экспрессии генов, связанных с процессами организации адаптивного поведения. С этой целью используются современные молекулярно-биологические методы (Western блот-гибридизации, gel shift assay и др.) В экспериментах на виноградной улитке впервые установлено, что в выработке условного оборонительного рефлекса принимает участие несколько семейств транскрипционных факторов: CRE, C/EBR, AP-1, Elk-1, каскадная активация которых зависит от цАМФ-индуцируемых, митогенактивируемых и Са 2+ -зависимых внутриклеточных сигнальных систем. Выдвинуто предположение, что нарушение образования AP-1 и дезактивация Elk-1 могут быть причинами неспособности животных (в частности, незрелых улиток) к выработке долговременных форм оборонительных рефлексов. Результаты исследований могут быть использованы для разработки способов управления геном-зависимыми механизмами формирования приспособительного поведения.

Лаборатория проводит комплексные совместные исследования с рядом лабораторий Института, а также с Институтом нормальной физиологии им. П. К. Анохина РАМН, Институтом цитологии и генетики СО РАН, отделом нейрохимии Медицинского исследовательского Центра Польской АН, Институтом медицинской технологии и отделом биологии развития Университета г. Тампере (Финляндия), Школой биохимии и молекулярной биологии Университета г. Лидс (Великобритания).

С 2017 г. лабораторию возглавляет д.б.н. Елена Александровна Рыбникова.