Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анализ неоднородности вероятностей выделения передатчика в межнейронных синапсах спинного мозга лягушки

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Анализ неоднородности вероятностей выделения передатчика в межнейронных синапсах спинного мозга лягушки"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ИНСТИТУТ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ имени И. М. СЕЧЕНОВА

АНАЛИЗ НЕОДНОРОДНОСТИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ВЫДЕЛЕНИЯ ПЕРЕДАТЧИКА В МЕЖНЕЙРОННЫХ СИНАПСАХ СПИННОГО МОЗГА ЛЯГУШКИ

Специальность: 03.00.13 — Физиология человека и животных

А ВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканне ученой степени кандидата биологических наук

На правах рукописи

ДИТЯТЕВ

Александр Эдуардович

УДК 612.832+612.815+519.281

ЛЕНИНГРАД 1991

Работа выполнена в Институте эволюционной физиологии и биохимии имени И. М. Сеченова Академии наук СССР.

Научный руководитель — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник В. М Кожанов.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук В. И. Говардов-ский; доктор медицинских наук Г. А. Поддубский.

Ведущая организация — НИИ мозга АМН СССР. ^

Защита диссертации состоится ДО^О^ЗЬ- 1991 г. в « //» часов

на заседании Специализированного совета К 002.89.01 при Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова АН СССР по адресу: 194223, Ленинград, пр. М. Тореза, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат биологических наук

Л. В. Зуева

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ -ертаций Актуальность проблекш. Анализ квантового освобождения •-медиатора в межнейронных соединениях во многом основан на применении биномиальной модели. В основе этой модели лежит представление о межнейронном синапсе как конечной совокупности генераторов квантов, работающих независимо друг от друга с равной вероятностью и дающих равный вклад в регистрируемый постсинаптичес-кий ответ.

Применение этой модели позволило в ряде случаев добиться хорошего согласия теоретических и экспериментальных распределений амплитуды постсинаптических потенциалов и получить интересные данные о близости оцениваемого числа квантовых генераторов к числу синаптических бутонов (Korn et al., 1981 ). В тоже время имеются данные, не укладывающиеся в биномиальную схему. Во-первых, иногда наблюдаются статистически значимые отличия между экспериментальными и биномиальными распределениями. Во-вторых, в ряде случаев оценка числа генераторов оказывается меньше числа морфологически определяемого числа контактов. В-третьих, при изменении внеклеточной концентрации ионов кальция наблюдается • изменение биномиального параметра п (числа генераторов), что противоречит структурной-интерпретации этого параметра. Все эти несоответствия' были получены в экспериментах на нервно-мышечном препарате (Robotailla, ТгешЫеу, 1987) и, частично, в межнейронных соединениях (Redman, 1990). В частности, в работе Грантынь и соавторов (1984) была отмечена близость параметра п в сенсомото-нейронном соединении лягушки не к числу контактов, а к количеству контактных зон, образуемых группами близлежащих контактов. Авторами было высказано предположение о возможности взаимодействия между синапсами, входящими в одну контактную зону.

С другой стороны, известен ряд работ, связывающих отклонения от биномиалъности с неоднородностью вероятностей освобождения медиатора в отдельных синаптических контактах в пределах одного соединения. Работы нескольких групп исследователей (Bennett, Lavidis, 1979; Alonso, Grlnnell, 1985; Зефиров, 1985) дали убедительные доказательства существования пространственной неоднородности генераторов квантов - в нервно-мышечных синапсах. Для межнейронных синапсов прямые доказательства, основанные на анализе активности отдельных контактов, пока отсутствуют. В то же время результаты, полученные в. исследованиях Редмана и Вомсли

(Redman, Walmsley, 1983) при помощи модельного подхода, свидетельствуют в пользу существования функциональной неоднородности контактов в межнейронных соединениях кошки. г.

Целью исследования являлись разработка математических, моде- ' лей, учитывающих возможность функциональной неоднородности, и взаимодействия мест освобождения медиатора в межнейронных синапсах спинного мозга лягушки, и экспериментальная проверка применимости этих моделей при некоторых воздействиях на синаптическую передачу.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи исследования:

1. Разработать математические модели, описывающие влияние ряда факторов (неоднородность вероятностей освобождения кванта медиа-' тора, неоднородность амплитуд одноквантовых ответов, взаимодействие близлежащих контактов, выпадения ответов от групп контактов) на распределение амплитуды постсинаптических потенциалов; сравнить согласие модельных и экспериментальных распределений. '

2. Изучить зависимость средней амплитуды, размера кванта, параметров биномиальной модели и модели свертки биномов от внеклеточной концентрации кальция. •

Научная новизна результатов.

Впервые описан ряд вероятностных моделей синаптической передачи, получены выражения для первых трех центральных моментов_и оценки параметров моделей,- а также предложен новый критерий для проверки согласия теоретически^ распределений с экспериментальными данными.

- Впервые получены доказательства неоднородности вероятностей освобождения кванта медиатора в отдельных контактах, образующих сенсомотонейронный синапс лягушки. Количественно охарактеризован закон распределения этих вероятностей. Показано участие в передаче сигнала в сенсомотонейрокном соединении большого числа низкоэффэктивных контактов, работающих одновременно с меньшим по • мощности пулом высокоэффективных контактов, в которых вероятность освоооадения медиатора близка к единице.

•Впервые для сенсомотонейронного синапса лягушки получена характеристика зависимости средней амплитуды, среднего квантового состава минимальных возбуждающа, постсинаптических потенциалов (ВПСП) от внеклеточной концентрации ионов кальция. Прове-

денный анализ показал, что наблюдаемый характер неоднородности эффективности секреции медиатора может бить объяснен неоднородностью распределения потенциал-зависимых. Са2* -каналов.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Полученные данные подтверждают гипотезу о неоднородности эффективности мест освобождения медиатора в межнейронных соединениях. Разработанные модели достаточно универсальны и могут быть применены для изучения синаптической передачи в различных синапсах. .

Проведенный при помощи моделирования анализ вариации амплитуд ВПСП, обусловленной действием различных факторов, позволил выявить их функциональную значимость для обеспечения стабильности передачи сигнала и сформулировать некоторые возможные направления эволюции межнейронных синапсов.

Проведенное исследование позволило дать новую интерпретацию параметрам биномиальной модели, интенсивно используемой в прикладных исследованиях для оценки влияния на синаптическую передачу различных ионов и фармакологических веществ, для изучения созревания и регенерации, пластических и других свойств нейронов. ;

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Синаптические контакты, образующие сенсомотонейронное соединение лягушки, отличаются между собой по эффективности секреции ■ медиатора. Эти отличия носят ярко выраженный характер: значения вероятности освобождения кванта медиатора в отдельных синапти-ческих бутонах лежат в пределах всего допустимого интервала значений -. от 0 до 1. Существует большая фракция практически всегда "молчащих" контактов и меньшая доля контактов, в которых освобождение медиатора происходит почти на каждый афферентный импульс.

2. Увеличение внеклеточной концентрации кальция приводит к переходу •части низкоэффективных контактов в эффективный режим работы ,, а часть среднеэффективных синаптических контактов становится высокоэффективными. При понижении концентрации кальция происходит обратное перераспределение контактов.

3. Неоднородность эффективности синаптических бутонов, вероятно, связана с отличиями в плотности потенциал-зависимых Са2+-каналов, обеспечивающих вход гонов кальция внутрь нервной терминали, и имеет значение для обеспечения стабильности передачи сигнала.

Апробация рабой и публикации. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на конкурсах молодых ученых ИЭФиБ им.И.М.Сеченова АН СССР (1986, 1987, 1989), на Всесоюзной конференции "Вио-мэдки0ернетика-85" (Ленинград, 1985), на конференции молодых' ученых "Механизмы регуляции физиологических функций" (Ленинград,

1988), на Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых, по биотехническим системам БИМК-88 (Лосево, 1988), на Всесоюзной школе-семинаре по эволюционной физиологии (Репино, 1989), на Всесоюзной конференции "Регуляция .физиологических функций" (Винница,.

1989), на Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия медиа-торных процессов" (Москва, 1990), на 10-м совещании по, эволкн ционной физиологии (Ленинград, 1990). По материалам диссертации опубликовано 11 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (Глава I), описания объекта и методик исследования (Глава II), изложения результатов собственных исследований (Глава III), обсуждения результатов (Глава IV), выводов и списка литературы.

Материалы диссертации изложены на 176 страницах машшогшс-. ного текста, включая 15 таблиц и 35 рисунков. Список использованной литературы состоит из 200 источников, в том числе '168 иностранных.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ Для анализа использовались электрофизиологические и морфологические данные, полученные в лаборатории.эволюции межнейронного взаимодействия ГГЗФиБ в 80-е годы, и собственные данные, полученные совместно с В.М.Кожановым и С.О.Гапановичем.'

Объект исследования. Опыты ставились.на лягушках Rana rldí-ЪигиЗа весом 60-140 г. Животные наркотизировались эфиром, после чего производилась дорзальная ламинэктомия всего мозгового канала приблизительно до черепных костей. Долее вырезалась пластина, содержащая всю вскрытую часть канала вместе с отростками позвонков. Она переносилась в камеру с раствором.Рингера, аэрируемую ■ карОогеном (98 % Ог и 2 % С02). Задние и передние корешки 9-го и 10-го сегментов, соответствующие поясничному утолщению левой •стороны, обрезались дистально, остальные - проксимально. Затем' производилась гемисекция в- дорзовентральной плоскости. Мозг перерезался поперек приблизительно по 6-7 сегментам, вынимался из мозгового канала, и этот отрезок переносился в другую камеру,

в которой мозг находился во время эксперимента. Передние и задние корешки Э-го и 10-го сегментов извлекались из раствора Рин-гера и помещались на раздражающие электроды.

Регистрация сенсомотонейронных ВПСП производилась в мотонейронах 9-10-го поясничного сегмента при внутриклеточной или внеклеточной стимуляции волокон дорсального корешка. При внеклеточной стимуляции использовали микроэлбктрод с сопротивлением порядка 1 МОм, хорошо пропускавший толчки тока до 120 нА, приводящие к вызову мотонейронного ответа, отводимого микроэлектродом с сопротивлением 20-30 МОм. Первый электрод заполнялся 4 М NaCl, второй - 3 М KCl. При внутриклеточной стимуляции аксона использовался микроэлектрод, аналогичный регистрирующему, через который подавались импульсы тока величиной 1-2 нА и длительностью 0.1-1 мс. Состав раствора Рингера при различных концентрациях ионов Саг+ подбирался исходя из изоосмотичности растворов.

Анализ данных. Используемые для анализа минимальные потенциалы имели в норме амплитуду до 1 мВ и простую форму. После измерения амплитуд потенциалов методом "шаблона" строили гистограммы распределения амплитуд, которые анализировались либо при помощи биномиальной модели, либо при помощи подхода, предложенного Эдвардсом и соавторами (Edwards et al., 1976).

Согласно этому подходу, измеряемая амплитуда представляет собой сумму экспериментального шума и сигнала, описываемого случайной величиной, имеющей произвольное, а не обязательно биномиальное, дискретное распределение. Методом максимального правдоподобия оценивались величина кванта и величины компонентов дискретной плотности. После этого производилось сравнение очищенных дискретных распределений сигнала с различными- теоретическими распределениями либо по критерию хи-квадрат,- либо путем сопоставления значений первых трех- центральных моментов сравниваемых распределений.

• РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЮС ОБСУЖДЕНИЕ Квантовый анализ на основе моделей неоднородности -вероятности освобождения кванта медиатора.

Сравнение очищенных дискретных плотностей с биномиальными показало, что наблюдаются систематические отличия экспоримен-тальнчх и модельных распределений (экспериментальные распределе-Ш1Я имеют более высокие положительные значения коэффициента асимметрии). • '

- а -

Для объяснения этих отклонений было выдвинуто предположение о существовании двух типов генераторов, работающих с разными вероятностями. Применение модели свертки двух биномиальных распределений, основанной на этом принципе, показало, что она лучше, чем бином согласуется с очищенными экспериментальными распределениями по критерию хи-квадрат. При этом оценка вероятности работы одного из двух типов генераторов была близка к единице, в то время как вероятность работы генераторов второго типа, оцененная при помощи метода минимума хи-квадрат, была в npev делах 0.13-0.29 (в среднем 0.21). Количество высокоэффективных генераторов (Ы2) было значительно меньше числа менее эффективных генераторов (N1).

Результаты, полученные при помощи модели свертки биномов, стимулировали поиск других моделей для описания неоднородности генераторов. Для анализа использовалась бета-модель (Зефиров, Столов, 1932), -в которой предполагается, что распределение вероятности секреции в отдельных зонах шОроса (р.,) подчиняется бета-закону, и модель с произвольным симметричным распределением вероятностей освобождения (Miyamoto, 1935). Для сравнения модельных п экспериментальных дашшх, а такке сравнения моделей ыбжду собой нами оыл применен анализ допустимых значений первых трэх шаэнтов: математического оздшшя, дисперсии и третьего момента, описывающего асимметрию распределений. Находились оо-ласти значений R (отнонинпе дисперсии к математическому ожиданию) и Rg (отношение третьего момента к дисперсии), при которых параметры моделей принимают допустимые• значения (вероятность освобождения находится в пределах от 0 до 1, число генераторов больше 0).

Заштрихованный треугольник на рис. 1 Д представляет собой область допустимых значений моментов .(ОДЗМ), соответствующую свертке биномов. Для биномиальной модели возможные значения показателей R1 и R£ задаются гипотенузой этого треугольника (I). Допустимые значения моментов для модели, с симметричным рас. прэделением вероятности освобождения кванта медиатора показаны на рис. 1 ,Б, а ОДЗМ бета-модели на рис. 1 ,В. Анализ расположения . точеж, вычисленных по экспериментальным выборкам амплитуд сенсо-мотонейронных ВПСП, показал:- 1) 18 из 21 точек расположены выше ОДЗМ биномиального ' распределения - эти отличия статистически значимы (Р<0.01, критерий однородности хи-квадрат); 2) эти точки

А

Е5

ЕВ

5'

Рис. 1. Области допустимых значения моментов для четырех моделей флуктуации амплитуд ВПСП. • ■

А - область допустимых значений для свертки двух биномиальных распределений и биномиального распределения (1); Б - область для модели с симметричным распределением вероятности освобождения кванта медиатора; В - область для бета-модели; Г- диаграмма рассеивания характеристик распределения амплитуды сенсомотонейрон-ннх ВПСП и границы областей допустимых значений анализируемых модг-жчТ. + - центр рассеивания, А - отклоняющиеся наблюдения. По оси абсцисс - отношение дисперсии к математическому ожиданию, по осп ординат-отношение третьего центрального момента к дисперсии.

попадают в ОДЗМ свертки биномов; 3) точки плохо попадают в ОДЗМ модели с симметричным распределением вероятностей срабатывания отдельных генераторов; 4) центр тяжести точек лежит ii ОДЗМ для бетатмодели. Имитация выборок, описывающихся бета-моделью с параметрами, оцененными по центру разброса экспериментальных точек показала, что наблюдаемая диаграмма рассеивания значений R1, R2 может быть объяснена статистическими флуктуациями, связанными с ограниченностью объема экспериментальных данных. Из этого сле-дут, что вероятности освобождения медиатора в отдельных бутонах в различных соединениях сенсомотонейронного типа, по-видимому, подчиняются общему для данного типа соединений закону, описываемому при помощи бета-распределения. Оценки числа квантовых генераторов, полученные при помощи этой модели, были близки к числу морфологически идентифицированных бутонов (коэффициент корреляции г=0.95, 5 экспериментов), в то время как оценки биномиального параметра и'были в 3 раза меньше и коррелировали с числом контактных зон (г=0.84). При этом биномиальный параметр п был близок к количеству генераторов, работающих с вероятностью большей 0.2, оцененному при помощи бета-модели (г=0.85, 14 экспериментов). Аналогично, параметр свертки биномов был близок к чисЛу генераторов, работающих с вероятностью превышающей 0.-8 (г=0.81, 15 экспериментов).

Корреляция биномиального параметра il с числом контактных зон может означать существование в контактной зоне, в среднем,, одного эффективного (работаюцего с вероятностью превышающей 0.2) бутона. Учитывая известные для нервно-мышечных соединений данные по наличию проксимально-дистального градиента в уменьшении вероятности секреции. (Bennett, Lavldis, 19Т9.; .Alonzo, Grlrmell, 1985), можно предположить, что наиболее эффективный бутон в контактной зоне, образованной бутонами транзиторного типа, будет расположен в точке установления первого контакта акеонной терми-' нали с дендритным деревом. Гипотеза о том, что наличие низкоэффективных бутонов связано с кластеризацией контактов, согласуется с данными, полученными при анализе синаптической передачи в, проприосшшальнык синапсах.- Согласно нашим результатам и предшествующим результатам других авторов (БаОалян, Чмыхова, 1987), в этих соединениях наблюдается хорошее соответствие между оценкой биномиального параметра п и количеством синаитичеСких- бутонов при значительно меньшем их агрегировании.

Квантовый анализ фиуктуаций сенсомотонейронних ВПСП после изменения внеклеточной концентрации ионов кальция.

Изменение концентрации Са2+ в суперфузирущем растворе приводило к значительным изменениям амплитуды и среднего квантового состава регистрируемых сенсомотонейронних ВПСП (Р<0.01, критерий знаков) и не оказывало влияния на величину кванта (Р>0.05; рис. 2,А). .

Сравнение параметров биномиальной модели (рис. 2,Б), вычисленных до и после изменения внеклеточной концентрации ионов кальция . (ССа2+1н), показало, что при меньших концентрациях наблюдаются меньшие значения п в 14 из 16 случаев (Р <0.001), в то время как изменение р носило гораздо менее выраженный характер (10 из 15 случаев, Р>0.05).

Аналогично вели себя параметры свертки биномиальных распределений, описывающей работу системы с двумя типами разноэффек-тйвных контактов. Прослеживались 2-3-кратные изменения числа высокоэффективных генераторов (Н2), менее выраженные, но также значимые изменения числа среднеэффективных генераторов Н, (РсО.01, критерий знаков). Значительные изменения п й при изменении ССаг+1н свидетельствуют о "рекрутировании" низкоэффок-. тивных (Б0) генераторов, то есть о том, что происходит увеличение р до пороговой величины, выше которой биномиальная модель и модель свертки начинают "чувствовать" эти генераторы как работающие. В свою очередь некоторые среднеэффективные (Б ) генераторы переходят в категорию высокоэффективных (>. о чем сигнализирует увеличение значений параметра Н2. Средние вероятности работы' генераторов каждого класса при этом существенно не- меняются. Такие изменения могут быть описаны схемой с тремя состояниями и : согласуются с перераспределенной числа низкоэффекгивных (работающих с вероятностями р1<0.2), среднеэффективных (0.2<р1<0.8) и высокоэффективных контактов (р >0.8), индицируемым при помощи Сета-модели (рис. 3).

Предположение о том, что наблюдаемая неоднородность вероятности . работы отдельных контактов связана с отличиями в числе (плотности) потенциал-зависимых Са2+-каналов, привело к модели, согласующейся с экспериментальными данными о зависимости средне., го квантового состава и биномиальных параметров от [Са1-*) . Кинетика связывания Са2+ с наружной частью кальциевого канала описывалась при помощи уравнения Михаэлиса-Ментена. Так же пред-

250 200 150

100

б О О

1/4 1/2 4 В

С=)п ЧШр

200 150

100

50 • О

1/4 1/2 4 8

Рис. 2. Изменение основных параметров квантового освобождения (А) и параметров биномиальной модели (Б) поело изменения внеклеточной концентрации ионов кальция.

По оси абсцисс - отношение внеклеточной концентрации кальция к концентрации этого иона в норме, гю оси ординат - значения параметров в процентном выражении по отношению к норме, п - количество генераторов, р -вероятность освобождения, Т-ошиоки среднего.

освобовдвниэ медиатора

Р;«з. 3. Оцененные плотности бета-распределения при нормальной ч 8~?'рпт1ю увеличенной внеклеточной концентрации ионов кальция. 30 - низко^МектиБНое состояние, 3 - среднеэффективное состояние, Б, - внсокоэф'роктивнсе состояние. По оси абсцисс -значения'вероятности срабатывания отдельных квантовых генераторов, по оси ординат - плотность бета-распределения.

полагалось, что свобождение кванта медиатора вследствие связывания внутриклеточного кальция с рецепторными белками является кооперативным процессом и описывается уравнением Хилла. Модель предсказала, что 1) распределение числа Са2+-каналов имеет вид сильно асимметричной' функции; 2) изменение работы высокоэффективных зон выброса происходит в меньшей степени, чем низкоэффективных; 3) при уменьшении концентрации кальция происходит увеличение асимметрии распределений амплитуды ВПСП.

• Аналогичное исследование влияния неоднородности числа подготовленных пузырьков на характер неоднородности вероятностей освобождения медиатора и характеристики распределения амплитуд ВПСП показало, что такая модель адекватно описывает рост среднего квантового состава при увеличении СС^а2+ Зн, но не позволяет описать изменение остальных характеристик (п, р, й , й2).;

Обобщения биномиальной схемы: анализ согласия моделей.

Проведенный анализ показал, что гипотеза о.функциональной леоднородности квантовых генераторов позволяет объяснить все известные отклонения от биномиальной модели: левоассиметричносгь экспериментальных распределений амплитуда ВПСП, недооценку числа контактов и изменение числа генераторов при изменении концентрации ионов кальция. Однако приведенные данные оставляют-открытым ' вопрос о возможности объяснения этих противоречий участием факторов другой природы.

Для выяснения этого вопроса мы исследовали согласие различ-' ных моделей с экспериментальными' данными, используя предложенный нами критерий согласия асимметрий (высокие'значения Нг) и критерий соответствия модельных и морфологических параметров. Используя эти критерии, все модели удалось расположить в порядке возрастания- согласия с экспериментальными данными следующим образом: модели с флуктуацией кванта, окклюзией вкладов близкорасположенных генераторов и декремектным распостранением потенциалов по дендритному дереву < биномиальная модель < модель пресинэпти-ческого взаимодействия, модель с симметричным распределением вероятности освобождения кванта медиатора < модель активации перемешюго числа волокон, свертка биномиальных распределений, обобщенные биномиальные распределения Еарта, бета-модель.

Анализ этого ряда показывает, что наихудшее согласие (отрицательные значения коэффициента асимметрии) дают модели, в которых. ьеличина х.ранта оказывается непостоянной величиной. Подход

в сторону положительных значений коэффициента асимметрии дают модели неоднородности, связанной либо со стимуляцией переменного - числа волокон, либо с взаимодействием мест освобождения медиатора, либо с пространственными различиями в эффективности секреции медиатора. В пользу того, что отклонения от биномиалыюсти не связаны с первым из перечисленных факторов говорит стабильность амплитуды электрического компонента (Шаповалов, Ширяев, 1987) и высокие.значения коэффициента асимметрии, полученные в опытах с внутриклеточной стимуляцией одиночных афферентных волокон. Если модель с симметричным распределением вероятности срабатывания квантовых генераторов и модель, основанная на учете возможности взаимодействия между близкорасположенными контактами позволили добиться согласия лишь в небольшом числе случаев, то последняя в ряду группа моделей адекватно описывает асимметрию экспериментальных данных.

Оценки числа квантовых генераторов, полученные при помощи свертки биномиальных распределений, не имели структурной-интерпретации. Применение обобщенного биномиального ' распределения (Барт, 1987), построенного на основе принципа отражений* (зависимость между процессам! накопления и освобождения передатчика) . позволило получить интересные данные о связи одного из параметров этого распределения с отношением количества контактных зон к числу бутонов (коэффициент корреляции 0.8, 8 наблюдений). Наконец, бета-модель, по-видимому, является "статистическим микроскопом" для оценки числа синаптических бутонов в сенсомотонейрон-ном синапсе лягушки.

В пользу этой модели также свидетельствует ряд литературных данных;/Гистограммы вероятности освобождения кванта медиатора в ' • отдельный активных зонах, оцененные в нервно-мышечном синапсе жабы при различной внеклеточной концентрации ионов кальция, хорошо аппроксимировались бета-распределениями (Bennett, Lavldls, 1979).. Оцененные при помощи моделей распределения вероятности работы отдельных синаптических контактов в межнейронных синапсах кошки. (Hedjnan, Walmsley, 1983; Walmsley at al., 1989) также, по-видимому,- могли быть описаны при помощи сета-закона.

Каково функциональное- значение неоднородности контактов? Проведенное нами исследование показало, что система однородных по вероятности срабатывания генераторов имела бы отношение сигнал/шум более чем в 2 раза меньшее, чем неоднородная система,

работающая с такой же средней эффективностью освобождения медиатора. Таким образом, неоднородность вероятности "срабатывания" контактов способствует стабилизации амплитуды постсинаптического ответа. В то же время неоднородность размера кванта должна вызывать увеличение вариабельности амплитуд ответов, особенно значи тельное при низком квантовом составе элементарных потенциалов.

йце одним из возможных путей оптимизации стабильности пере дачи, наряду с усилением неоднородности вероятности, освобождения, являтся увеличение эффективности освобождения медиатора. Сравнение сэнсомотонейронных синапсов амфибий (лягушка) и млеко питающих (крыса, кошка) показало, что наряду с уменьшением общего числа контактов у млекопитающих наблюдается значительное увеличение доли высокоэффективных контактов, работающих С вероятностью, близкой к 1.

ВЫВОДЫ

1. Установлены систематические отклонения экспериментальных распределений амплитуда сенсомотояейронных ВПСП от биномиальных распределений по асимметрии.

2. Свертка двух биномиальных распределений лучше, чем биномиальная модель, согласуется с экспериментальными распределениями

. амплитуда сэнсомотонейронных и проприостшальных ВПСП по критерию хи-квадрат. Близость оценок вероятности срабатывания генераторов одного из двух типов к единице свидетельствует о существовании высокоэффективных синапткческих контактов.

3. Анализ областей допустимых зйачений первых трех центральных моментов модельных распределений показывает, что наблюдаемый разброс экпериментальннх данных может быть объяснен при помощи бета-модели и модели свертки биномиальных распределений.

4. Предсказываемое при помощи бета-модели-количество квантовых генераторов соответствует числу ' синаптических бутонов, определенному по морфологическим реконструкциям. При этом распределение вероятности освобоадения кванта медиатора имеет вид бимодальной функции, с основной модой в нуле и дополнительной модой - ' в единице. Это свидетельствует о существовании большого числа низкоэффективных контактов и относительно небольшого пула высокоэффективных бутонов.

5. Биномиальный параметр п соответствует числу эффективных, работали« с вероятностью большей 0.2, контактов. Один из параметров свертки биномиальных распределений (М ) позволяет оценить

количество высокоэффективных контактов, функционирующих с вероятностями болящими чем 0.8.

-6. Модели, учитывающие флуктуации величины кванта, разность вкладов от разноудаленных контактов, взаимодействие контактов на пре- и постсиналтическом уровне не позволяют добиться согласия с экспериментальными данными.

7. Изменения средней амплитуды и среднего квантового состава сенсомотонейронных ВПСП, вызываемые изменением внеклеточной концентрации ионов кальция, достигаются за счет перераспределения числа низко-,.средне- и высокоэффективных контактов.

8. Неоднородность эффективности работы синаптических бутонов, в основном, может быть объяснена отличиями в плотности потенциал-зависимых Ca2f-каналов.

9. Неоднородность эффективности синаптических контактов является одним из факторов, увеличивающих стабильность передачи сигнала в. мбжнейроншх соединениях.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ •

1. Барт А.Г., Дитятев А.Э., Кожанов В.М. Квантовый анализ пост-синаптических потенциалов в мекнейроншх соединениях: Выделение сигнала из шума.// Нейрофизиология.-1988.-Т. 20, H 4.- С.'479-

. 487. '

2. Барт А,Г., Дитятев А.Э., Кожанов В.М. Анализ передачи в мэж-нейронных синапсах с помощью свертки биноминальных распределений. // Нейрофизиология.-1988.-Т. 20,,M 4.- С. 487-494.

3. Дитятев А.Э., Косов O.G. Комплекс программно-аппаратных средств для регистрации, анализа и отображения электрофизиологичес-' ких данных с использованием аппаратуры KANAK. // Тез. докл. конференции' "Механизмы регуляции физиологических функций".-

''Ленинград.-1988.43. 159, .

4. Барт А.Г., Дитятев А.Э., Кожанов В.М. Анализ передачи сигналов в межнейронных синапсах на основа принципа отражений. // Ж. доклада АН СССР.-1989.-Т. 306, N б.-С. 1503-1,507.

5. Барт А.Г., Дитятев А.Э., Кожанов В.М. Анализ процессов управления в межнейронных синапсах. // Мат. 9-ой Всесоюзной конференции понайрокибврнетике.-Ростов-на-Дону.-1989.-С. 422.

6. Дитятев А.Э. Вероятностные модели функциональной неоднород-( ности межнейронних синапсов. // Маг. 9-ой Всесоюзной конференции

по нейрокибернетике.-Ростов-нп-Дону.-1989.-С. 434.

7. Дитятев А.Э. Анализ функциональной неоднородности сенсомото-

нейронного синапса лягушки., // Нейрофизиология.-1989.-Т. 21, N 6.-С. 780-7888. Кожанов В.М., Дитятев А.Э., Барт А.Г. Математические модели передачи информации в мэжнейрокных соединениях. // Тез. докл. Международной конференции "Количественные методы в пульмонологии".-Москва.-1989.-С. 61.

9. Кожанов В.М., Дитятев А.Э., Карамян O.A., Чмыхова Н.М. Неоднородность выделения передатчика в еенсомоторных синапсах амфибий и млекопитающих. // Тез. докл. Всесоюзной конференции "Регуляция физиологических функций".-Вшшица.-1989.-С. 75. • Ю. Гапанович (J.O., Дитятев А.Э., Кожанов В.М. Влияние внеклеточных ионов Саг+ на эффективность выделения передатчика в сен-сомотонейронных синапсах амфибий. // Teq. докл. 5-ой Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия медиаторных процессов".-Москва.-1990.-С. 6в.

11. Дитятев А.Э., Кожанов В.М. Возможные пути эволюции элементарных систем передачи информации в центральной нервной системе позвоночных.// Тез. докл. 10-го Всесоюзного совещания по эволюционной физиологии'.-Ленинград.-1990.-0. 164.

?"Ш.Тип.ВЯ?.Зак.218,ТпрД00. 18.01.91 .Бесплатно.