Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Моделирование транссинаптической передачи сигналов в химических синапсах

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование транссинаптической передачи сигналов в химических синапсах"

На правах рукописи

Матухно Алексей Евгеньевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНССИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ В ХИМИЧЕСКИХ СИНАПСАХ

03.00.02 - Биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж-2005

Работа выполнена в Ростовском государственном педагогическом университете и в НИИ нейрокибернетики им. А Б. Когана Ростовского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент

ПОПОВ Игорь Васильевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

КОВАЛЕВА Тамара Андреевна; доктор биологических наук, доцент УЗДЕНСКИЙ Анатолий Борисович.

Ведущая организация: Институт биофизики клетки РАН.

Защита состоится 27 мая 2005 г. в//'на заседании диссертационного совета Д 212.038.03 при Воронежском государственном университете (394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1)

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Воронежского государственного университета

Автореферат разослан^/апреля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат биологических наук, доцент

2 сю 6 SZ96

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Экспериментальные исследования одиночного синапса в режиме периодической и стохастической стимуляции пресинаптического волокна (Katz, 1962,1972; Экклс, 1966; Hubbard, 1973; Глебов, и др. 1978; Шепперд, 1987; Ашмарин, 1996; Николе и др. 2003) совместно с теоретическим анализом транссинаптической передачи сигналов математическими методами (Попов, 1969; 1998; 1999; 2001), показали, что медиаторный синапс представляет собой шумящий перестраиваемый канал связи с памятью, который осуществляет вероятностное преобразование входных сигналов в местные постсинаптические потенциалы (МПСП) на постсинаптической мембране (ПСМ). Учитывая так же тот факт, что свойства каждого синапса могут изменяться в зависимости от функционирования нервной системы, от изменений окружающей среды т.е. тот факт, что синапсы являются эволюционирующими функционально дифференцированными образованиями в составе нервной системы, можно показать, что синапс играет ведущую роль в пространственно-временных преобразованиях информации на всех уровнях нервной системы. Поэтому очень важно иметь представления о преобразованиях сигналов, осуществляемых синапсами с учетом особенностей их морфо-функциональной организации.

Трудность экспериментальных исследований синаптических структур на основе ультрастроения таких морфо-функциональных единиц синапса как синаптический бутон (СБ), синаптическая щель (СЩ) и ПСМ общеизвестна. А если говорить об исследованиях транссинаптической передачи сигналов с учетом особенностей молекулярного уровня организации синаптических образований, то прямое экспериментальное решение этой задачи, даже с развитием современных микроэлектродных технологий, представляется весьма проблематичным. Поэтому, на наш взгляд, в исследованиях синаптических процессов весьма полезной является разработка компьютерной модели, имитирующей базовые процессы в медиаторном синапсе, включающей молекулярные механизмы рассматриваемых явлений.

Цель и задачи исследования.

Цель настоящей работы состоит в создании комплексной компьютерной модели транссинаптической передачи сигналов в медиаторных синапсах, а так же в исследовании с ее помощью роли структурно-функциональных характеристик синоптического бутона, синоптической щели и постсинаптической мембраны в этом процессе.

В целом, проблема разработки имитационных моделей трансинаптической передачи сигналов медиаторного синапса приводит к необходимости решения следующих задач:

1. Создание, опираясь на известные экспериментальные материалы, программного блока модели, обеспечивающего формирование входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками.

2. Разработка алгоритмов и соответствующих программных блоков, определяющих морфо-функциональные особенности организации медиаторного синапса и его фунга элементов (СБ, СЩ,

ПСМ).

3. Разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для исследовательского блока модели, позволяющего производить варьирование всех параметров, определяющих различные физиологические характеристики элементов синапса (СБ, СЩ,ПСМ), и в целом, всего медиаторного синапса.

4. Формирование полной компьютерной модели синаптического образования с учетом известных экспериментальных данных и, с использованием различных режимов ее работы, определение направленности и силы влияния всех включенных в состав модели параметров, описывающих морфо-функционапьные особенности организации синапса.

Научная новизна.

Впервые, создана принципиально новая компьютерная модель медиаторного синапса, обеспечивающая возможность исследования функциональных свойств транссинаптической передачи сигналов с учетом всех этапов синаптических преобразований (СБ, СЩ, ПСМ). Особенность разработанной модели заключается в том, что сформированные и программно реализованные алгоритмы транссинаптической передачи сигналов описывают, на наш взгляд, все важнейшие морфо-функциональные особенности организации целого синаптического образования. Выбранный состав вариабельных параметров имитационной модели обеспечивает возможность формирования медиаторных синапсов разных типов.

Получены новые результаты модельных исследований в виде зависимостей характеристик выходных потоков как на уровне целого синаптического образования, так и на промежуточных уровнях транссинаптической передачи сигналов (СБ, СЩ и ПСМ). Установлены направленность и степень влияния всех параметров модели, определяющих структурные и физиологические особенности синапса в процессах преобразования нервной информации. Следует отметить, что целый ряд полученных зависимостей является ранее неизвестным, поскольку на данном этапе развития натурных экспериментальных технологий их получение возможно только на основе имитационного моделирования с применением компьютерных технологий.

Практическая значимость.

Пакет программ «Синапс» позволяет в соответствии с известными экспериментальными данными или гипотетическими предположениями сформировать модель конкретного синапса с определенными морфо-функциональными характеристиками и в различных режимах работы моделирующей системы провести комплекс многофакторных экспериментов. Пакет программ можно использовать для реализации целого ряда научно-исследовательских задач, а также в образовательных целях. Результаты компьютерного эксперимента помогают существенно расширить представления о механизмах активности синапсов лежащих в основе деятельности НС.

Апробация работы.

Материалы диссертации были представлены на XVII Съезде Всероссийского физиологического общества (Ростов-на-Дону, 1998), на XII Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 1999), на XVIII съезде Физиологического общества и. И.П, Павлова. (Казань, 2001), на Юбилейной Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-иа-Дону, 2002), на 7-й

s

Пущинской школе-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА» (Пущино, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ: из них 5 статей и 6 тезисов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Действующая компьютерная модель медиаторного синапса с учетом тонкой структуры его строения, характеристик функциональных параметров СБ, СЩ, ПСМ в условиях периодической и стохастической стимуляции пресинаптического волокна.

2. Комплекс экспериментальных зависимостей, определяющих роль и место синаптического бутона в медиаторной транссинаптической передаче сигналов.

3. Полученные с помощью' модели новые экспериментальные данные, описывающие синаптическую щель как арену активных преобразований передаваемой через синапс информации на молекулярном уровне.

4. Ряд выявленных зависимостей, характеризующих постсинаптические механизмы, являющиеся важнейшим звеном в завершающей стадии работы медиаторного синапса.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, исходных предпосылок и описания блока-схемы компьютерной модели, четырех разделов, содержащих результаты исследования, обсуждения полученных результатов, выводов, списка литературы и Приложения. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста и, содержит 7 таблиц и 167 рисунков. Библиография включает 67 отечественных и 98 зарубежных источников.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объекты исследований. Объектом исследований служила комплексная компьютерная модель транссинаптической передачи сигналов, описывающая базовые процессы в химических синапсах. Поскольку анализ известных моделей ряда авторов (Смит и др. 1965; Birk 1970; Wang et al. 1996; Sen et al. 1996; Wicks et al. 1996; Bazhenov et al. 1998; Jaeger et al. 1999; Medina et al. 1999; Bartos et al. 2001) показал, что в этих моделях не рассматривается морфология каждой элементарной единицы синапса (СБ, СЩ, ПСМ), механизмы функционирования и взаимодействия в едином процессе синаптической передачи сигналов, поэтому, нами разработана модель особенность которой заключается в детальном описании процесса транссинаптической передачи сигналов, с учетом морфо-функцональных особенностей организации каждой элементарной единицы синаптических образований (СБ, СЩ и ПСМ).

Методы исследований моделей СБ, СЩ, ПСМ и целого синапса. Основные принципы постановки экспериментов с использованием моделей пресинаптической терминали, СЩ, ПСМ и целого синапса заключались в следующем. Исследование моделей проводилось в различных режимах работы. С этой целью предварительно для программных блоков СБ, СЩ, ПСМ и всего синапса формировались соответствующие входные потоки двух типов: регулярные и стохастические. Для регулярных потоков

задавались определенные значения сигналов, а для стохастических, соответствующих равномерному закону распределения вероятностей, устанавливались среднее значение и дисперсия. Все параметры моделируемой системы фиксировались на уровне средних значений в диапазоне допустимых отклонений. Далее, организовывалось изменение значений интересующего параметра в диапазоне от ггнп до тах с заданным шагом. В месте с этим для каждого нового установленного значения выбранного параметра моделируемая система загружалась по входу сначала регулярным, а затем стохастическим потоками сигналов с заданными характеристиками. В ходе работы этой модели в установленном режиме определялись последовательности выходных сигналов, описывающих функциональное состояние моделируемой системы. В итоге, рассчитывались статистические или иные характеристики выходных сигналов модели. Строились графики зависимостей полученных характеристик от значений варьируемого параметра.

ТРЕХУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ ТРАНССИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ В МЕДИАТОРНЫХ СИНАПСАХ.

Созданная принципиально новая компьютерная модель медиаторного синапса, обеспечивает возможность исследования функциональных свойств транссинаптической передачи сигналов на всех уровнях синаптического образования (СБ, СЩ, ПСМ). Сформированные и программно реализованные алгоритмы транссинаптической передачи сигналов (согласно литературным данным), вместе с набором варьируемых параметров модели, описывают, на наш взгляд, все важнейшие механизмы функционирования синаптического образования, с учетом его ультраструктурных особенностей организации (включая молекулярный уровень).

Синоптический бутон.

На уровне синаптического бутона моделируются процессы высвобождения медиатора со сложными механизмами модуляции секреторного процесса.

В модели учитываются структурные и физиологические свойства Пре-СМ. Предусмотрена возможность формирования сети синаптопор в Пре-СМ (площадь активной зоны и плотность синаптопор в ней вариабельны). В модели СБ, на основе созданной сети синаптопор, определяется пространственное расположение активированных синаптопор (т.е. синаптопор через которые осуществился выброс квантов медиатора в СЩ), в зависимости от рассчитанных вероятностей взаимодействия синаптических пузырьков с Пре-СМ (согласно равномерному закону распределения вероятностей). Иными словами, выброс молекул медиатора из активной синаптопоры происходит с некоторой вероятностью, которая меняется в процессе стимуляции Пре-СМ, согласно заданному закону.

Ключевым звеном секреции медиатора служит входящие ионы Са2+, что так же учитывается в расчетах параметров выбрасываемых квантов медиатора Поэтому, на Пре-СМ задается количество Са2+-канапов в области АЗ и их физиологические свойства (время активации каналов и количество ионов Са2+, проходящих через один канал за время развития потенциала действия). Учитывается так же исходное количество внутренних ионов Са2+. А с помощью специальных коэффициентов, согласно заданной функциональной зависимости утилизации свободных ионов Са в

СБ, можно установить скорость процессов активного выноса свободных ионов из СБ, захвата их митохондриями, связывание эндоплазматическим ретикулумом и другими органеллами. Расчет текущего количества ионов Са2+ (К,^)) в СБ осуществляется согласно следующим уравнениям:

где

=кс.ос,

Здесь К,с0 - исходная количество ионов Са2+ в СБ, К,С| - количество ионов Са2+, входящих в СБ при развитии ПД, Кц(1:) - коэффициент утилизации внутрисинаптических ионов Са2+, Кс - количество активированных кальциевых каналов в Пре-СМ, вс - пропускная способность кальциевого канала, отражающая количество вошедших в СБ ионов Са2+ при развитии ПД к - постоянная времени экспоненциального спада, А1 - межимпульсный интервал входных сигналов, 1а - время активации кальциевых каналов.

В модели учитываются так же функциональные характеристики запаса квантов медиатора в пресинаптической терминали. Соответствующим параметром задается исходное количество квантов в СБ, а специальным коэффициентом, согласно заданной функции пополнения запаса медиатора, можно определить скорость процессов синтеза и депонирования молекул медиатора в синаптические пузырьки, обратного захвата медиатора из синаптической щели, притока готовых квантов от сомы клетки. Пополнение запаса квантов медиатора в синаптическом бутоне определяется в соответствии со следующим уравнением:

где: - текущий запас квантов медиатора в СБ, 20 - исходный квантовый запас медиатора, к„, - коэффициент пополнения запаса медиатора в СБ, Д1 - интервал времени между смежными импульсами входного потока сигналов. Кроме того, учитывается количество молекул медиатора, входящих в состав одного кванта.

В модели СБ, подробно рассматриваются процессы формирования потенциала действия (ПД) на Пре-СМ. С учетом фазы абсолютной рефрактерное™, фазы относительной рефрактерности, порога и амплитуды потенциала действия развитие ПД на Пре-СМ в моделирующей системе определено согласно следующему уравнению: рПРе-СМ (/) = рПре-СМ + ^ + ^А,

где РПре~см(1:) - текущее значение мембранного потенциала на Пре-СМ, Р0Пре"см(1)-исходное значение мембранного потенциала Пре-СМ, а - изменение мембранного потенциала Пре-СМ при однократной стимуляции Пре-СМ, А - амплитуда потенциала действия на Пре-СМ, к| и к2 - коэффициенты редукции мембранного потенциала Пре-СМ, Д1 - интервал времени между смежными импульсами входного потока сигналов.

В целом, вариабельные параметры модели синаптического бутона, определяющие ее основные морфо-функциональные свойства можно представить в таблице I (в скобках указаны фиксированные значения параметров, определяющие морфо-функциональные особенности синаптических элементов в ходе экспериментов).

Таблица 1. Основные параметры модели СБ.

Вариабельные параметры модели СБ I. Структурные характеристики 1. Конфигурация активной зоны 1. а). Размеры активной зоны (2 мкм2)

1. б). Плотность синаптопор (100 шт. на 1 мкм2)

2. Количество Са* -каналов (55 на 1 мкм')

II. Функциональные характеристики 1. Медиатор в СБ (1000 СП) 1. а). Непополняемый

1. б). Пополняемый (*)

1. в). Неограниченный

1. Мембранный потенциал покоя (- 90 мВ)

3. Коэффициент редукции мембранного потенциала (1)

4. Порог ПД (-70 мВ)

5. Абсолютная рефрактерность (0,2 мс)

6. Величина кванта (5000 молекул в 1 СП)

7. Количество ионов Са", инициирующих выброс одного кванта медиатора (4 иона)

8. Начальная концентрация Са2+ в терминали (10'" М)

9. Количество ионов Саг\ входящих через 1 ионный канал за время ПД (6000 ионов)

10. Время активации Са"-каналов (0,2 мс)

11. Коэффициент утилизации и выноса Саг* из СБ (2)

12. Пиковое значение амплитуды ПД (10 мВ)

13. Величина изменения МП при раздражении НИ (30 мВ)

14. Коэффициент разряжения активных синаптопор (10)

Для блока СБ входные потоки данных описывают длительность межимпульсных интервалов сигналов, раздражающих Пре-СМ. Выходные - квантовый состав, временные параметры выбросов медиатора и координаты активированных синаптопор.

Синоптическая щель.

Основная функция, которую выполняет программный блок СЩ, заключается в моделировании транспортировки медиатора через синаптическую щель, расчете количества молекул медиатора в области каждого хеморецептивного центра на ПСМ с учетом их пространственного расположения и определении времени диффузии молекул медиатора к доступным хеморецепторам.

В модели СЩ учитывается ширина щели (пре- и постсинаптическая мембраны рассматриваются как две параллельные плоскости). Важно отметить, что в основу алгоритмов работы модели СЩ заложено развитие электрокинетических эффектов, под воздействием которых происходит преобразования ширины СЩ за счет изменения разности зарядов на Пре- и ПСМ. С этой целью в моделирующей системе отслеживается текущее значение трансмембранного потенциала между Пре-СМ и ПСМ. Воздействие электрокинетических явлений на ширину синаптической щели описывается следующим уравнением:

где: - ширина синаптической щели, "У^сз - исходная ширина СЩ, к) - постоянный коэффициент изменения ширины СЩ, к2 - коэффициент восстановления ширины СЩ,

Аг, - время между смежными выбросами квантов медиатора из СБ, и(0 -трансмембранная разность потенциалов между Пре-СМ и ПСМ.

В модели СЩ подробно рассматриваются механизмы влияния синаптических нитей, пронизывающих пространство щели и обладающих полианионными свойствами, на диффузию молекул медиатора от Пре-СМ к ПСМ. Их пространственная переориентация при изменении зарядов на поверхности мембран вносит свой вклад в расчеты пространственно-временного распределения молекул медиатора по поверхности ПСМ. Поэтому учитывается плотность синаптических нитей, встроенных в пре- и постсинаптическую мембраны. Для определения степени воздействия синаптических нитей рассчитывается коэффициент влияния синаптических нитей (Кс„) согласно уравнению:

Ксн(П = а + Ьи(ОУсн г

где: а и Ь - некоторые константы, 11(0 - трансмембранная разность потенциалов, Ус„ -плотность синаптических нитей в СЩ.

Диффузия медиатора в пространстве СЩ рассматривается как молекулярная диффузия, с учетом механического сопротивления сети синаптических нитей. Пространственно-временное распределение молекул медиатора по поверхности ПСМ в хеморецептивные области определяется вероятностью попадания молекул медиатора в заданную область, согласно нормальному (Гауссовскому) закону распределения вероятностей двумерных случайных величин.

(х-т,)* (.у-т ,)2

/ \ 1 2а/

<р(х,у) = --е

2па ха у

где: <р(х,у) - плотность распределения вероятностей «осаждения» молекул медиатора в стандартные хеморецептивные зоны на ПСМ, х,у — координаты центра стандартной хеморецептивной зоны, ти ту - координаты центра источника медиатора (активированной синаптопоры), ах2, с^,2-дисперсии.

В геометрической интерпретации такие функции распределения (количества молекул медиатора и времени их диффузии) можно трактовать как совместную вероятность попадания молекул медиатора за некоторое время их диффузии в заданную область в заданной системе координат.

Основные вариабельные параметры, определяющие морфо-функционапьные особенности СЩ, как элементарной единицы синапса представлены в таб. 2.

Таблица 2. Основные вариабельные параметры модели СЩ.

зз 1. Начальная ширина СЩ (50 нм)

| 2. Плотность синаптических нитей (125 на 1 мкм^)

П 3. Максимальное время диффузии молекулы медиатора от Пре-СМ к ПСМ (50 мкс)

з В 4. Коэффициент влияния синаптических нитей (0,75).

Й- Й о и 2 5. Коэффициент изменения ширины СЩ при развитии электрокинетического эффекта (1).

и 6. Скорость восстановления ширины СЩ при завершении ЭК-эффекта (25 нм/мс)

Входные потоки для модели СЩ описывают квантовый состав и временные параметры выбросов медиатора из СБ, а так же пространственное распределение

активированных синаптопор. Выходные - пространственно-временное распределение молекул медиатора по стандартным хеморецептивным зонам на поверхности ПСМ.

Постсинаптическая мембрана.

Основная задача, которая ложится на модель ПСМ, заключается в анализе развивающихся событий в области каждого хеморецептора (ХР), интеграции взаимодействия ионных токов в заданной точке, вызванных развивающимися миниатюрными местными постсинаптическими потенциалами (мин.МПСП) при активации хеморецепторов молекулами медиатора, и далее, расчете (в этой же точке) формирующегося местного постсинаптического потенциала (МПСП), его амплитудных и временных параметров, в зависимости от количественных и временных характеристик «осаждения» молекул медиатора на поверхность ПСМ.

Модель ПСМ включает сеть хеморецепторов на постсинаптической мембране. Существует возможность формирования сети хеморецепторов любой конфигурации, со свободной мозаикой распределения хеморецепоторов различных типов (ионотропных, метаботропных, возбуждающих, тормозных, причем, одновременно локализованных в ПСМ). В модели ПСМ так же определяется площадь исследуемой области, плотности различных типов рецепторов и количество молекул аннигилятора в каждой стандартной хеморецептивной зоне.

Координаты хеморецепторов, используются для расчета МПСП на ПСМ, который составляется из взвешенной алгебраической суммы мин.МПСП. При расчетах МПСП так же учитывается целый комплекс физиологических особенностей хеморецепторов (необходимое количество молекул медиатора для активации одного ХР, время активации и существования комплекса медиатор+рецептор+ионный канал, для ионотропных и метаботропных ХР соответственно, амплитуда мин.МПСП и коэффициент его редукции), влияния аннигиляционных процессов, физиологических свойств ПСМ (комплексное сопротивление мембраны, мембранный потенциал для каждой хеморецептивной зоны, амплитуду ВМПСП и ТМПСГО.

В упрощенной форме уравнения для расчетов МПСП (Р" (0) на ПСМ в заданной точке можно представить следующим образом:

Здесь: Pl0ncM(t) - исходный мембранный потенциал постсинаптической мембраны в области заданного ХР, m - количество хеморецепторов на ПСМ, сЦ - декремент затухания мембранного потенциала, к - коэффициент редукции мембранного потенциала ПСМ, t - время, п - количество активаций ХР, 1сь - изменение мембранного потенциала при однократном активировании ХР, 5t - интервал времени пребывания ХР в активном состоянии, z - комплексное сопротивление линейного участка ПСМ на расстоянии 1 мкм, /j -расстояние от центра ХР до заданной точки.

В целом, вариабельные параметры, модели ПСМ, описывающие основные ее морфо-функциональные особенности представлены в таб. 3.

, где

Входные потоки для модели ПСМ описывают пространственно-временное распределение молекул медиатора по стандартным хеморецептивным зонам. Выходные потоки характеризуют амплитудные характеристики и временные параметры развивающихся на ПСМ МПСП.

Модель целого синаптического образования основана на интеграции приведенных выше моделирующих СБ, СЩ и ПСМ блоков.

Таблица 3. Вариабельные параметры модели ПСМ.

Вариабельные параметры ПСМ I. Структурные характеристики 1. Размеры АЗ ПСМ. (2 мкм2)

2. Плотность ХР. (49 на 0,1 мкм2)

3. Диаметр ХР (4 нм).

4. Диаметр синаптических нитей (4 нм).

II. Функциональные характеристики 1. Количество ионотропных рецепторов на 0,1 мкм2 (33).

2. Количество метаботропных рецепторов на 0,1 мкм2 (16).

3. Количество возбуждающих рецепторов на 0,1 мкм2 (40).

4. Количество тормозных рецепторов на 0,1 мкм2 (9).

5. Количество молекул аннигилятора для 1 ХР области. (6 мол.)

6. Количество молекул медиатора активирующих 1 ХР. (2 мол.)

7. Время активации и существования ионотропного комплекса медиатор+рецептор+ионный канал (2 мс)

8. Время активации и существования метаботропного комплекса медиатор+рецептор+ионный канал. (30 мс)

9. Изменение мин.МПСП при активации 1 ХР (0,6 мВ).

10. Постоянная уменьшения мин.МПСП для каждого ХР. (0,1)

11. Коэффициент, учитывающий комплексное сопротивление ПСМ (2).

12. Номер исследуемого ХР. (2207)

13. Мембранный потенциал покоя для каждого ХР (-30 мв).

14. Максимальное значение амплитуды ВМПСП (10 мв).

15. Максимальное значение амплитуды ТМПСП (-45 мв).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Результаты экспериментов, полученных на основе моделей СБ, СЩ, ПСМ и целого синапса можно представить следующим образом.

Модель СБ. Влияние параметров отдельных нервных импульсов и характеристик всего входящего потока импульсов в целом на характеристики молекулярного потока медиатора.

Эксперименты проводились с использованием регулярного и стохастического режимов стимуляции Пре-СМ. Анализ данных, полученных в условиях регулярной стимуляции Пре-СМ показал, что варьирование амплитуды ПД на Пре-СМ обуславливает развитие пороговых эффектов в процессах высвобождения медиатора. Результаты экспериментов согласуются с данными КМг (1961, 1972), Экклса (1966). Выявлено весьма значительное влияние фазы абсолютной рефрактерности и коэффициента, определяющего скорость реполяризации мембранного потенциала Пре-СМ на количественный состав и временные характеристики потока медиатора из СБ. Уменьшение длительности межимпульсных интервалов входного потока приводит к

развитию эффектов облегчения, а затем депрессии, что согласуются с данными Шмидта, Тевса (1996).

В режиме стохастической стимуляции Пре-СМ выявлено весьма существенное влияние статистических характеристик входного потока межимпульсных интервалов (среднего значения и дисперсии) на количественные и временные параметры выбросов медиатора. При сравнении дифференциальных и интегральных гистограмм распределения вероятностей входных межимпульсных интервалов и соответствующих временных интервалов между смежными выбросами медиатора, с помощью критериев Пирсона и Колмогорова-Смирнова (уровень значимости 5%), установлены достоверные преобразования входного потока сигналов в выходной поток выбросов медиатора.

Роль характеристик запаса медиатора в СБ.

На основе модели СБ проведен ряд экспериментов раскрывающих влияние функциональных характеристик запаса медиатора (пополняемый, непополняемый и неограниченный), скорости его пополнения (в случае пополняемого запаса) и начального количества квантов в СБ (при непополняемом запасе) на количественные и временные параметры высвобождения медиатора. Анализ результатов, полученных в режимах регулярной и стохастической стимуляции Пре-СМ, свидетельствует о большом значении функциональных характеристик запаса медиатора в процессах его высвобождения из СБ. Например, установлено, что коэффициент пополнения медиатора (определяет скорость его пополнения) оказывает существенное воздействие на количество выбрасываемого медиатора (временные параметры выбросов остаются независимыми). Величина начального запаса квантов в СБ оказывает значительное влияние на количество, и временные параметры выбрасываемого медиатора, что подчеркивает огромное значение степени готовности системы СБ перед началом ее включения в режим работы. Полученные зависимости являются новыми.

Роль ионов Ca1* и кальциевых каналов в формировании выходного молекулярного потока медиатора из СБ.

В результате использования модели СБ получены экспериментальные данные, описывающие зависимости влияния количества Саг+-каналов в области активной зоны Пре-СМ, коэффициента воздействия ионов Са2+ (определяет количество ионов инициирующих секрецию одного кванта), коэффициента утилизации свободных ионов Са2+ в СБ (описывает скорость процессов активного выноса из терминали и связывания свободных ионов различными клеточными структурами), на формирование количественных и временных параметров выбросов медиатора. Полученные зависимости в большинстве случаев имеют нелинейный характер (Рис.1 а,б). Полученные результаты согласуются с данными (Rubin, 1970; Llinas, 1982; Llinars, et al. 1992; Heidelberger, et al. 1994; Николлс и др., 2003).

Роль структуры сети синаптопор.

Сеть синаптопор в Пре-СМ, имеющая вид гексональных структур, образованных плотными выростами на внутренней поверхности мембраны, обуславливает место комплементарного взаимодействия синаптических пузырьков с Пре-СМ, с последующей секрецией молекул медиатора в СЩ (Puszkin et al. 1974; Немечек, 1978; Шепперд, 1987). По мнению Akert (1973), Pfenninger et al. (1974), Heuser (1974), структура таких выростов изменяется в процессе функционирования синапса.

заоо

3000

2400 2200

О кв.

—«—»—♦—»—♦—*—

------,-,-|Кс

20 « « ВО ТО 120

4000 1 а кв. б

*

1000

•

а _«-»--<--- к ч

Рис. 1. Зависимость "квантового" выхода медиатора (<3) из синаптического бутона от количества Са2+-каналов (Кс) в области активной зоны - (а); зависимость "квантового" выхода медиатора из синаптического бутона от коэффициента утилизации ионов Са2+ (К„) в пресинаптической терминала - (б).

На основе модели СБ в условиях регулярной стимуляции Пре-СМ установлено, что варьирование коэффициента разрежения синаптопор (определяет их плотность) приводит к большому изменению квантового состава высвобождаемого медиатора (временные параметры выбросов в данном случае независимые) (Рис. 2, а, б).

Установлены с помощью критериев Пирсона и Колмогорова-Смирнова достоверные отличия дифференциальных (рис. 2 в, г) и интегральных гистограмм распределения вероятностей квантового состава выбросов медиатора, полученных при различных значениях плотности синаптопор в условиях стохастической стимуляции Пре-СМ. Что так же свидетельствует о существенном воздействии структуры сети синаптопор на высвобождение медиатора. Полученные данные являются новыми.

Рис.2. Зависимость "квантового" выхода медиатора (0) из СБ от коэффициента разрежения

синаптопор (Кс„) - (а); зависимость времени выброса медиатора из СБ (Т) от Ксп - (б); распределение вероятностей (Р(я)) квантового состава выбросов медиатора из СБ (я) при разной плотноста синаптопор: 10 синаптопор на 1 мкм1 - (в); 12 синаптопор на 1 мкм2 -(г).

Поляризация Пре-СМ и спонтанный выброс медиатора.

Полученные на основе модели СБ результаты, с использованием регулярного и стохастического режимов стимуляции Пре-СМ, показали, что смещение уровня

мембранного потенциала в сторону деполяризации приводит к экспоненциальному увеличению квантового состава высвобождаемого медиатора. Временные параметры выбросов свидетельствуют, в этом случае о неустойчивом поведении испытуемой системы. Подпороговые флюктуации мембранного потенциала обуславливают колебательный характер количественного состава выброшенного медиатора. Временные параметры выходного потока медиатора так же изменяются по нелинейному закону. В условиях спонтанной активности модели увеличение концентрации свободных ионов Са2+ в СБ и смещение мембранного потенциала в сторону деполяризации приводит к увеличению среднего количества выбрасываемых квантов. Полученные зависимости то же нелинейны и имеют колебательный характер.

Нужно отметить, что описанные выше результаты согласуются с данными Katz (1962; 1972), Экклс (1966), Pamas et al. (1982), Pamas et al.(2000).

Модель СЩ. Влияние синоптических нитей на диффузию медиатора.

На основе компьютерной модели СЩ появилась возможность оценить воздействие синаптических нитей на процессы диффузии молекул медиатора в пространстве СЩ от Пре-СМ к ПСМ. Выявлены зависимости, описывающие воздействие таких параметров модели как: плотность и коэффициент влияния синаптических нитей на пространственно-временное распределение молекул медиатора по стандартным хеморецептивным зонам на поверхности ПСМ. Коэффициент влияния синаптических нитей определяет ориентацию их относительно поверхности мембран в момент выброса медиатора с учетом трансмембранной разности потенциалов между Пре-СМ и ПСМ, а так же свойств самих нитей, обусловленных наличием отрицательных зарядов в их структуре. Наиболее интересные примеры полученных экспериментальных данных представлены на Рис. 3 (а, б, в, г). На Рис. 3 (а, б) показано влияние плотности синаптических нитей (VCH) (в условиях регулярного выброса квантов медиатора из СБ) на среднее количество молекул медиатора (тЧ|,), осевших в стандартных хеморецептивных областях и среднее время диффузии этих молекул (шц,). В данном случае, линейный характер зависимости mqh=(p(Vai) указывает на то, что с увеличением плотности синаптических нитей в пространстве СЩ диффузия молекул медиатора становится более организованным процессом в направлении от Пре-СМ к ПСМ, однако, время диффузии молекул к доступным хеморецепторам существенно не изменяется (зависимость mql=<p(VCH)). Результаты экспериментов, полученных в условиях стохастического выброса квантов медиатора из СБ в СЩ представлены на Рис. 3 (в, г). В ходе таких экспериментов оценивалась вероятность совместного события P(qh,th), в результате которого, в области заданной хеморецептивной зоны, осядет некоторое количество молекул медиатора (qh), за определенное время их диффузии к этой области ПСМ от момента выброса (th), на заданный момент времени. В качестве наблюдаемой области принималась стандартная хеморецептивная зона, удаленная от центра выброса медиатора (синаптопоры), на расстояние равное 0,14 мкм.

Разброс вероятностей P(qh,th) по количеству молекул медиатора, дошедших до заданного хеморецептора, при плотности 100 синаптических нитей на 0,1 мкм2 (Рис. 3 в) заметно отличается (менее компактное распределение вероятностей) от аналогичных данных, представленных на рис.3 (г), полученных при плотности 150 синаптических

нитей на 0,1 мкм2, что так же свидетельствует о влиянии синаптических нитей на процессы диффузии молекул медиатора в пространстве СЩ.

Рис. 3. Влияние плотности синаптических нитей (Ус„) на среднее количество молекул медиатора (тЧ|,) в стандартных хеморецептивных зонах - (а); на среднее значение времени диффузии молекул - (б). Динамика распределения вероятностей Р(цЬ,Й») количества молекул медиатора в заданной стандартной хеморецептивной зоне в зависимости от времени наблюдения (Т) при плотности синаптических нитей 100 на 0,1 мкм2- (в); при плотности синаптических нитей 150 на 0,1 мкм2 - (г).

Представленные результаты исследований согласуются с данными Глебова, Крыжановского (1978), Глебова (1984), Косицина (1976,2001).

Влияние электрокинетических смещений синаптических мембран на диффузионные процессы в синаптической щели.

В модели СЩ исследовались так же электрокинетаческие явления. Результаты, полученные в ходе экспериментов с применением различных режимов выбросов медиатора из СБ, свидетельствуют о существенном влиянии эффектов изменения ширины СЩ при взаимодействии электрических полей между Пре-СМ и ПСМ на пространственно-временное распределение молекул медиатора по стандартным хеморецептивным зонам на поверхности ПСМ. Установлено, что в условиях регулярного выброса квантов медиатора из СБ среднее количество молекул медиатора, попадающих в стандартные хеморецептивные зоны, изменяется по нелинейному закону (колебательный характер зависимости), при увеличении ширины СЩ в момент выброса медиатора. В условиях стохастического выброса квантов, так же выявлено очевидное преобразование формы дифференциальных гистограмм распределения вероятностей количества молекул медиатора, осевших в заданной хеморецептивной

зоне, в зависимости от времени наблюдения, при различных значениях ширины СЩ. Полученные результаты согласуются с данными Попова и др. (1998).

Модель ПСМ. Зависимость амплитуды местных постсинаптических потенциалов от характеристик осаждения молекул медиатора на поверхность постсинаптической мембраны.

На основе модели ПСМ проводились исследования воздействий параметров осаждения молекул медиатора (количественных и временных характеристик для регулярных и стохастических потоков) в стандартные хеморецептивные зоны по поверхности ПСМ на формирование местных постсинаптических потенциалов (МПСП). Поученные результаты описывают существенное влияние статистических характеристик как регулярных, так и стохастических входных потоков молекул в образовании МПСП. В условиях равномерного распределения медиатора на ПСМ амплитуда МПСП росла (по нелинейному закону) с увеличением количества молекул медиатора попадающих в хеморецептивные зоны и уменьшалась при изменении интервала времени между их осаждением. В условиях стохастического распределения молекул среднее значение амплитуды МПСП так же увеличивалось с ростом среднего количества молекул, попадающих в хеморецептивные зоны, и уменьшалось при снижении частоты молекулярного осаждения.

Зависимость амплитуды МПСП от структуры сети хеморецепторов на ПСМ.

Получены данные модельных экспериментов, описывающие влияние таких параметров модели как: площадь сети хеморецепторов на ПСМ, плотность рецепторов в сети, коэффициенты разрежения ионотропных, метаботропных, возбуждающих и тормозных рецепторов, определяющие количественное соотношение перечисленных типов рецепторов в структуре сети. Важно отметить, что, согласно данным СаМеЛ (1994), Ашмарина (1996), Силькис (1998), в модели ПСМ предусмотрена возможность построения сети хеморецепторов со смешанной структурой, где возможно совместное существование ионотропных и метаботропных рецепторов, одни из которых могут быть возбуждающими, другие тормозными. Полученные результаты иллюстрируют весьма значительное влияние перечисленных выше параметров модели на амплитудные характеристики развивающихся МПСП, в различных условиях осаждения молекул медиатора на поверхности ПСМ.

На Рис. 4 а представлена зависимость амплитуды МПСП от плотности хеморецепторов на ПСМ (Рис. 4 а). Триггерный характер зависимости полученной в условиях равномерного распределения молекул медиатора по хеморецептивным зонам, описывает пороговые эффекты развития МПСП на ПСМ при изменении плотности хеморецепторов. Очевидное преобразование формы дифференциальных гистограмм распределения вероятностей пиковых значений амплитуды МПСП при различной плотности хеморецепторов (4 хеморецептора на 0,1 мкм2 (Рис. 4 в) и 49 хеморецепторов на 0,1 мкм2 (Рис. 4 г), полученное в условиях стохастического распределения молекул медиатора по хеморецептивным зонам на поверхности ПСМ, так же свидетельствует о существенном влиянии плотности упаковки хеморецепторов на амплитудные характеристики МПСП. Однако, увеличение площади ПСМ при фиксированной плотности упаковки хеморецепторов приводит к уменьшению

амплитуды МПСП (Рис. 4 б). Полученные результаты согласуются с данными Isaas et al. (1995), Lledo et al. (1998), Shi (1999), Malenka et al. (1999), Engert (1999).

20 40 60 BO 100 R ХИМКМ2

A м л с n MB

Р(Ампсп)

P( Ампсп}

г- рТ| ■j: и

ш-

9 12 Ампсл мВ

Рис. 4. Влияние плотности хеморецепторов (Я) на формирование амплитуды местных постсинаптических потенциалов (Ампсп) - (а); зависимость Ампсп от площади активной зоны ПСМ (в) - (б). Дифференциальная гистограмма распределения вероятностей (Р(Ампсп)) амплитуды местных постсинаптических потенциалов при плотности 4 хеморецептора на 0,1 мкмг ПСМ - (в); при плотности 49 хеморецептора на 0,1 мкм2 ПСМ - (г);

На Рис. 5 (а) представлено изменение амплитуды МПСП (Ампсп) при замещении ионотроных рецепторов метаботропными в составе хеморецептивной сети на ПСМ (осуществляется при увеличении коэффициента разрежения ионотропных рецепторов (1хрц)). Эта зависимость получена в условиях равномерного распределения молекул медиатора по хеморецептивным зонам. Можно отметить уменьшение амплитуды ВМПСП с ростом количества метаботропных рецепторов. Преобразование формы дифференциальных гистограмм распределения вероятностей пиковых значений Ампсп, полученные в условиях стохастического распределения молекул медиатора по хеморецептивным зонам при замещении ионотропных хеморецепторов метаботропными (I метаботропный хеморецептор против 15 ионотропных на 0,1 мкм (Рис. 5 (б) и 15 метаботропных хеморецепторов против 1 ионотропного Рис. 5 (в)), так же свидетельствует о большой роли структуры сети хеморецепторов в процессах , формирования МПСП на ПСМ.

Зависимость параметров МПСП от функциональных характеристик хеморецепторов, аннигиляциопной системы и постсипаптической мембраны. • Функциональные характеристики ПСМ в модели описываются следующими

параметрами: количество молекул аннигилятора в каждой хеморецептивной зоне, количество молекул медиатора необходимое для активации одного хеморецептора, время существования комплекса «медиатор+рецептор» и активации ионного канала (для ионотропных и метаботропных рецепторов это время отличается), величина пикового значения амплитуды миниатюрного МПСП, обусловленная изменением

мембранного потенциала при активации одного хеморецептора и декремент затухания, учитывающий комплексное сопротивление мембраны. Анализ полученных зависимостей свидетельствует об уникальности характера влияния каждого из перечисленных параметров на формирование амплитуды МПСГТ.

»У

»И

г-п & 4

9 12 АмлспмВ

-12

-9

АмпспмВ

Рис. 5. Развитие амплитуды МПСП (Ампсп) при замещении ионотропных рецепторов метаботропными в структуре хеморецептивной сети на ПСМ - (а). Распределение вероятностей Р(Ампсп) амплитуды МПСП при различных соотношениях ионотропных/метаботропных рецепторов на ПСМ: 15/1 - (б); 1/15 - (в).

Модель целого синапса. Связь характеристик МПСП с параметрами потока импульсов, приходящих к синоптическому бутону.

На основании модели целого синапса получены данные, описывающие зависимости среднего значения амплитуды МПСП (Мдмпсп) и интервалов времени между смежными приращениями МПСП от параметров входного потока межимпульсных интервалов.

На Рис. 6 (а) представлена зависимость амплитуды МПСП от длительности интервалов времени между смежными импульсами для регулярного потока сигналов стимулирующих Пре-СМ (100 шт. для каждого входного потока при каждом значении межимпульсного интервала). На рис. 6 (б, в) представлены дифференциальные гистограммы распределения вероятностей интервалов времени между смежными импульсами для входного потока, приходящего к Пре-СМ и распределения вероятностей интервалов между смежными приращениями МПСП. Эти данные иллюстрируют характер существенных преобразований входного потока нервных импульсов, раздражающих Пре-СМ в выходной (в виде МПСП на ПСМ).

Рассчитанные критерии согласия Пирсона и Колмогорова-Смирнова для дифференциальных и интегральных гистограмм распределения вероятностей входных межимпульсных интервалов времени и выходных интервалов между смежными приращениями МПСП так же свидетельствуют о достоверном преобразовании входного потока в выходной (уровень значимости 5%).

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Р(т.) в

Г-1 г

га ..И. 1 11 В га шП^ я п ь

2 4 б I 10 12 14 16 II 20 22 24 26 21 30 32 34 36

Ш1 мс

Рис. 6. Влияние длительности входных межимпульсных интервалов (Д) на величину среднего значения амплитуды МПСП (шдцпс,,) - (а); распределение вероятностей (Р(т,))

межимпульсных интервалов (п^) для входного потока сигналов - (б); распределение вероятностей (Р(гпц)) интервалов между смежными приращениями МПСП (шп) на ПСМ после воздействия того же входного потока импульсов - (в)

Таким образом, можно сделать вывод о том, что медиаторный синапс с заданными параметрами морфо-функционапьной организации синаптических элементов (СБ, СЩ и ПСМ) является активным преобразующим каналом связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Представления о том, что медиаторный синапс является вероятностным шумящим каналом связи, осуществляющим нелинейное преобразование входных потоков нервных импульсов развиты в работах Попова (1969, 1999, 2001). Однако, непосредственное исследование медиаторных синапсов в таком ключе с учетом их ультра-строения (включая молекулярный уровень) представляет порой непреодолимые трудности. На наш взгляд, эффективной альтернативой изучения транссинаптической передачи сигналов, может послужить имитационное моделирование синапсов с применением компьютерных технологий.

Поэтому, разработана комплексная компьютерная модель транссинаптической передачи сигналов в медиаторных синапсах, учитывающая важнейшие морфо-функциональные особенности синаптичсского образования и его элементов строения СБ, СЩ и ПСМ. Такой подход предоставляет возможность получить детальное представление о передаче сигналов на каждом уровне строения синапса (СБ, СЩ и ПСМ), с учетом различных режимов работы моделируемой системы.

Для модели СБ полученные данные свидетельствуют о том, что, во-первых, различные режимы работы системы существенно сказываются на характеристиках квантового высвобождения медиатора и временных параметров его выброса из СБ, а

во-вторых, практически все варьируемые параметры, описывающие морфо-функциональные особенности организации пресинаптической терминали (таб. 1), оказывают существенное влияние на выходной поток медиатора из СБ.

Для оценки степени влияния всех параметров были рассчитаны скорости их приращения по независимой переменной соответствующих функций в конечных разностях (приведены в таблице в материалах диссертации). Можно сказать, в частности, что по степени влияния на количество выбрасываемого медиатора первое место имеет коэффициент редукции мембранного потенциала Пре-СМ (определяет скорость фазы реполяризации). Второе место занимает длительность межимпульсных интервалов (задает частоту входного потока). Третье принадлежит коэффициенту разрежения синаптопор (в условиях периодической стимуляции Пре-СМ). Для временных параметров выбросов медиатора первое место принадлежит длительности межимпульсных интервалов, в том случае, когда запас медиатора неограниченный. Второе - тому же параметру, но при условии, что запас медиатора пополняемый. Остальные параметры модели такого сильного влияния не оказывают.

На основании полученных результатов важно отметить так же, что СБ является синаптическим элементом, осуществляющим преобразование входного потока сигналов в выходной (количественные и временные характеристики выбросов медиатора), что согласуется с данными Katz et al. (1966, 1972), Шепперда (1987), Воронина и др. (1988), Воронина (1989,1998,2001) Edwards et al. (1990), Heidelberger et al. (1992), Walmsley et al. (1998).

Анализируя результаты, полученные на основе модели СЩ можно отметить следующее. Пространственно-временное распределение молекул медиатора по поверхности ПСМ весьма значительно зависит как от статистических характеристик входного потока медиатора, так и от характеристик электрокинетических явлений, от параметров и плотности синаптических нитей, заполняющих пространство СЩ.

В условиях регулярного входного потока молекул медиатора варьирование количеством выделяемых квантов из СБ приводит к изменениям статистических характеристик количества молекул в стандартных хеморецептивных зонах на ПСМ и времени их диффузии. Однако, варьирование временным интервалом между смежными выбросами квантов из СБ не вызывает трансформаций пространственно-временного распределения по поверхности ПСМ.

Результаты полученные в условиях стохастического режима выбросов медиатора из СБ так же указывают на существенное влияние статистических характеристик входного потока медиатора и вышеперечисленных параметров модели на пространственно-временное распределение молекул по поверхности ПСМ.

Рассчитанные скорости приращения параметров модели СЩ раскрывают степень их влияния на формирование статистических характеристик распределения медиатора на ПСМ. Можно отметить, что наибольшее значение по степени воздействия на диффузию молекул медиатора в пространстве СЩ имеет коэффициент влияния синаптических нитей. Начальная ширина СЩ в покое занимает второе место. Третье принадлежит плотности синаптических нитей, заполняющих пространство СЩ.

Полученные результаты подтверждают данные Глебова (1984), Кривого и др. (1987), Косицина (2001) свидетельствующие о том, что СЩ является активным элементом синапса, осуществляющим преобразование нервной информации.

Анализ данных, полученных на основе модели ПСМ, выявил следующее. Различные режимы осаждения молекул медиатора на поверхность ПСМ в стандартные хеморецептивные зоны оказывают существенное влияние на формирование МПСП. Важно так же, что варьирование каждого параметра модели (таб. 3), определяющего структурно-функциональные свойства ПСМ, приводит к изменениям амплитудных и временных характеристик образующихся МПСП.

Согласно рассчитанным скоростям приращения соответствующих функций параметров модели, можно сказать, что по степени влияния на амплитудные характеристики МПСП наиболее значительным параметром является приращение миниатюрного МПСП для каждого хеморецептора. Второе место по значимости занимает интервал времени между смежными актами осаждения молекул медиатора в стандартные хеморецепторные зоны на ПСМ. Третье место принадлежит декременту затухания, определяющему комплексное сопротивление мембраны. Влияние остальных параметров менее значительно и сильно варьирует.

Полученные результаты подтверждают мнение Поттера (1979), Сергеева и др. (1987), Хухо (1990), Ашмарина (1996), Lledo et al. (1998), Sanes et al. (1999), Malenka et al. (1999) о том, что ПСМ является важнейшим элементом транссинаптической передачи сигналов, обеспечивающим преобразование нервной информации.

Экспериментальные данные, полученные на основе модели целого синапса, основанной на моделях СБ, СЩ и ПСМ, свидетельствуют о том, что развитие МПСП на ПСМ существенно зависит от частоты стимуляции пресинаптической терминали (как в регулярном, так и стохастическом режимах работы модели). Этот факт уже хорошо известен И является следствием сложной организации синаптического образования. Важно отметить другое: создана реальная модель целого синапса, на основе которой, при заданных значениях ряда вариабельных параметров, определяющих морфо-функциональные свойства его элементов (СБ, СЩ и ПСМ), можно оценить результат транссинаптической передачи сигналов в целом.

Таким образом, имеется возможность сформировать модель любого синаптического образования, с заданными характеристиками, описывающими его морфо-функциональные особенности организации и, затем, применяя различные режимы работы моделируемой системы, установить основные закономерности его функционирования. На наш взгляд, подобная перспектива исследований может оказать существенную помощь в изучении нейро-биологических основ передачи и преобразования нервной информации.

ВЫВОДЫ:

1. На основе современных представлений синапсологии создана комплексная компьютерная модель транссинаптической передачи сигналов в медиаторном синапсе. Входящие в состав модели программные блоки базируются на алгоритмах, описывающих важнейшие, на наш взгляд, морфо-функциональные особенности отдельных элементов синаптического образования синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптической мембраны и всего синапса в целом. В составе модели обеспечивается возможность формирования входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками. Разработан

диспетчерский программный блок, организующий максимально удобные условия для проведения компьютерных экспериментов.

2. На основе использования модели синаптического бутона, в результате проведения ряда экспериментов с различными режимами работы, получены зависимости (в том числе ранее неизвестные) характеристик выходящего молекулярного потока медиатора от параметров отдельных нервных импульсов, от статистических характеристик всего входящего потока импульсов, от параметров и функциональных особенностей запаса медиатора, от структурно-функциональных параметров кальциевых каналов, от структуры сети синаптопор в пресинаптической мембране, от параметров поляризации пресинаптической мембраны и спонтанного выброса медиатора. Определены направленность и степень влияния всех варьируемых параметров модели синаптического бутона высвобождение медиатора.

3. При исследовании модели синаптической щели, выявлены зависимости характеристик (в том числе ранее не известные) пространственно-временного распределения выброшенных из синаптического бутона молекул медиатора по поверхности постсинаптической мембраны от структурно-функциональных параметров синаптических нитей, заполняющих пространство синаптической щели. Получены зависимости, описывающие влияние электрокинетических явлений на диффузию молекул медиатора. Описана статистическая динамика количества молекул медиатора в области постсинаптической мембраны в зависимости от параметров квантового выброса медиатора из синаптического бутона. Установлены направленность и сила влияния вариабельных параметров модели синаптической щели на процессы диффузии молекул медиатора.

4. На основании экспериментальных исследований, проведенных на модели постсинаптической мембраны, получены зависимости параметров местных постсинаптических потенциалов от пространственно-временных характеристик «осевших» молекул медиатора на поверхность постсинаптической мембраны. Изучены закономерности формирования местных постсинаптических потенциалов в зависимости от структуры сети хеморецепторов на постсинаптической мембране, от физиологических особенностей хеморецепторов, от характеристик аннигиляционной системы и от функциональных параметров самой постсинаптической мембраны. Направленность и степень влияния параметров модели постсинаптической мембраны расписаны в соответствующей таблице.

5. В экспериментальных исследованиях модели целого синаптического образования получена функциональная зависимость характеристик местных постсинаптических потенциалов от параметров потока импульсов приходящих к пресинаптической терминали (рассматривались периодический и стохастический режимы стимуляции пресинаптической мембраны).

6. Анализ результатов, полученных при исследовании моделей синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптической мембраны и целого синапса свидетельствует о том, что преобразование входной информации (в виде раздражающих пресинаптическую мембрану импульсов) в выходной поток местных постсинаптических потенциалов осуществляется на всех уровнях

морфо-функциональной организации синапса (синаптический бутон, синаптическая щель, постсинаптическая мембрана) В целом, создана компьютерная модель, позволяющая детально исследовать характер процессов протекающих в медиаторных синапсах в задачах фундаментальной и прикладной нейро-биологии.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Попов И В , Матухно А Е. Токарев М В Компьютерные технологии исследования структурно-функциональных свойств моно и полисинаптических систем // В сб. мат. XVII съезда физиологов России. - Ростов-на-Дону, 1998. -с. 388.

2. Попов ИВ., Матухно А.Е. Структурно-функциональное моделирование моноси-наптического канала связи //В сб. НИР РГПУ. - Ростов-на-Дону, 1998. - С. 140-146.

3. Попов И.В., Матухно А.Е. Компьютерные технологии обучения в задачах биофизического практикума//В сб. НИР РГПУ,- Ростов-на-Дону, 1998,- С. 151-156.

4. Попов И.В., Матухно А.Е. Синаптические преобразования вероятностных сигналов в нейронных структурах // В сб. Проблемы нейрокибернетики. - Ростов-на-Дону, 1999.-С. 144-146.

5. Матухно А.Е. Синаптическая динамика молекулярных потоков медиатора в области Пре-СМ синаптического бутона // В сб. трудов молодых ученых РГПУ. - Ростов-на-Дону, 2000, - С. 59-60.

6. Матухно А.Е. Исследование вероятностных преобразований входных потоков нервных импульсов на уровне синаптического бутона с применением компьютерного моделирования // В сб. научных работ аспирантов и преподавателей РГПУ. - Ростов-на-Дону, 2001. - С. 83-89.

7. Попов И.В., Матухно АЕ. Трехуровневая модель медиаторного синаптического канала связи // В сб. «Нейроинформатика и ее приложения». Красноярск, 2001. - С. 146-147.

8. Попов И.В., Матухно А.Е. Стохастическое зондирование синаптических структур // В сб. мат. XVIII съезда Физиологического общества и И.П, Павлова. - Казань, 2001. -С. 199.

9. Попов И.В., Матухно'А.Е. Корреляционные преобразования в полисинаптических структурах // В сб. мат. Юбилейной Международной конференции по нейрокибернетике. - Ростов-на-Дону, 2002. - С. 25-31.

Ю.Матухно А.Е. Компьютерные технологии исследования медиаторных синапсов как многоуровневых систем преобразования информации // В сб. мат.7-й Пущинской школы-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА». -Пущино, 2003.-С. 112.

П.Попов И.В., Матухно А.Е. Полисинаптические сети в качестве основы вероятностных синаптических нейрокомпьютерных систем // Ж. «Нейрокомпьютеры: разработка и применение». - М., Изд. предприятие редакции журнала «Радиотехника», 2004 г. - №11, С. 63-71.

Статья №11 опубликована в печатном издании, которое состоит в списке

журналов, рекомендованных ВАК РФ

€ 8 1 Т *

РНБ Русский фонд

2006-4 5296

Печать цифровая. Бумага офсетная Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-изд -л.

Заказ № 503. Тираж 100 экз Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Матухно, Алексей Евгеньевич

Введение.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Структура медиаторных синапсов.

1.2. Основные функциональные характеристики медиаторных синапсов.

1.3. Модели синаптических структур.

2. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ОБЩАЯ БЛОК-СХЕМА МОДЕЛИ.

2.1. Структурно-функциональные характеристики синаптического бутона и пресинаптической мембраны, используемые в компьютерной модели.

2.2. Структурно-функциональные характеристики, принятые за основу для построения компьютерной модели синаптической щели.

2.3. Свойства постсинаптической мембраны как морфо-функциональной единицы синапса, взятые за основу в компьютерной г модели постсинаптической мембраны.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Влияние структурно-функциональных параметров синаптического бутона на характеристики молекулярного потока медиатора.

3.1.1. Влияние параметров отдельных нервных импульсов и характеристик всего входящего потока импульсов в целом.

3.1.2. Роль характеристик запаса медиатора в синаптическом бутоне.

3.1.3. Влияние Са в формировании выходного молекулярного потока из синаптического бутона.

3.1.4. Роль структуры сети синаптопор.

3.1.5. Поляризация пресинаптической мембраны и спонтанный выброс медиатора.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Моделирование транссинаптической передачи сигналов в химических синапсах"

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Экспериментальные исследования одиночного синапса в режиме периодической и стохастической стимуляции пресинаптического волокна (Katz, 1962, 1972, Экклс, 1966, Hubbard, 1973, Глебов, Крыжановский, 1978, Шепперд, 1987, Ашмарин, 1996) совместно с теоретическим анализом транссинаптической передачи сигналов математическими методами (Попов, 1969; 1998; 1999; 2001), показали, что медиаторный синапс представляет собой шумящий перестраиваемый канал связи с памятью, который осуществляет вероятностное преобразование входных сигналов в местные постсинаптические потенциалы (МПСП) на постсинаптической мембране (ПСМ). Еще Экклс (1966) показал, что в медиаторных синапсах концентрация медиатора в синаптической щели (СЩ) логарифмически зависит от интенсивности входного потока нервных импульсов. Учитывая так же тот факт, что свойства каждого синапса могут изменяться в зависимости от функционирования нервной системы, от изменений окружающей среды то есть тот факт, что синапсы являются эволюционирующими функционально дифференцированными образованиями в составе нервной системы, можно показать, что синапс играет ведущую роль в пространственно-временных преобразованиях информации на всех уровнях НС. Поэтому очень важно иметь представления о преобразованиях сигналов, осуществляемых синаптическими структурами с учетом особенностей их морфо-функциональной организации.

Трудность экспериментальных исследований синаптических структур непосредственно на самой клетке общеизвестна. А если говорить об исследованиях на уровне ультрастроения таких морфо-функциональных единиц синапса как синаптический бутон (СБ), СЩ и ПСМ, то прямое экспериментальное решение этой задачи, даже с развитием современных микроэлектродных технологий, представляется весьма проблематичным. Поэтому наиболее перспективным направлением исследований в этой области, на наш взгляд, является разработка компьютерной модели, имитирующей базовые процессы в медиаторном синапсе.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель настоящей работы состоит в создании комплексной компьютерной модели транссинаптиче-ской передачи сигналов в медиаторных синапсах, а так же в исследовании с ее помощью роли структурно-функциональных характеристик синоптического бутона, синаптической щели и постсинаптической мембраны в этом процессе.

В целом, проблема разработки имитационных моделей трансинаптической передачи сигналов медиаторного синапса приводит к необходимости решения следующих задач:

1. Создание, опираясь на известные экспериментальные материалы, программного блока модели, обеспечивающего формирование входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками.

2. Разработка алгоритмов и соответствующих программных блоков, определяющих морфо-функциональные особенности организации медиа-торного синапса и его функционально обособленных элементов (синап-тического бутона, синаптической щели и постсинаптической мембраны).

3. Разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для исследовательского блока модели, позволяющего производить варьирование всех параметров, определяющих различные физиологические характеристики элементов синапса (СБ, СЩ, ПСМ), и в целом, всего медиаторного синапса.

4. Формирование полной компьютерной модели синаптического образования с учетом известных экспериментальных данных и с использованием различных режимов ее работы, определение направленности и силы влияния всех включенных в состав модели параметров, описывающих морфо-функциональные особенности организации синапса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Впервые, создана принципиально новая компьютерная модель медиаторного синапса, обеспечивающая возможность исследования функциональных свойств транссинаптической передачи сигналов как регулярного, так и стохастического характера, с учетом всех этапов синаптических преобразований (си-наптический бутон, синаптическая щель и постсинаптическая мембрана). Особенность разработанной модели заключается в том, что сформированные и программно реализованные алгоритмы транссинаптической передачи сигналов описывают, на наш взгляд, все важнейшие морфо-функциональные особенности организации целого синаптического образования. Выбранный состав вариабельных параметров имитационной модели обеспечивает возможность формирования медиаторных синаптических образований разных типов.

Получены многочисленные новые результаты модельных исследований в виде зависимостей характеристик выходных потоков как на уровне целого синаптического образования, так и на промежуточных уровнях отдельных морфо-функциональных единиц синапса (СБ, СЩ и ПСМ). Установлена значимость (по мере вклада и направленности воздействия) всех параметров модели, определяющих структурные и физиологические особенности синапса в процессах преобразования информации. Следует отметить, что целый ряд полученных зависимостей является ранее неизвестным, поскольку на данном этапе развития натурных экспериментальных технологий их получение возможно только на основе имитационного моделирования с применением компьютерных технологий.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Пакет программ «Синапс» позволяет в соответствии с известными экспериментальными данными или гипотетическими предположениями сформировать модель конкретного синаптического образования с определенными морфо-функциональными характеристиками и в различных режимах стимуляции (в том числе с автоматическим варьированием интересующих параметров, с заданным шагом, при фиксированных остальных параметрах) провести комплекс многофакторных экспериментов. Пакет программ можно использовать для реализации целого ряда научно-исследовательских задач, а также в образовательных целях. Результаты компьютерного эксперимента помогают существенно расширить представления о механизмах активности синаптических образований, лежащих в основе деятельности нервной системы.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации были представлены на XVII Съезде Всероссийского физиологического общества (Ростов-на-Дону, 1998), на XII Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 1999), на XVIII съезде Физиологического общества и. И.П, Павлова. (Казань, 2001), на Юбилейной Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2002), на 7-й Пущинской школе-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА» (Пущино, 2003).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ: из них 5 статей и 6 тезисов. Одна статья опубликована в печатном издании, которое состоит в списке журналов, рекомендованных ВАК РФ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Действующая компьютерная модель медиаторного синапса с учетом тонкой структуры его строения, характеристик функциональных параметров синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптиче-ской мембраны в условиях периодической и стохастической стимуляции пресинаптического волокна.

2. Комплекс экспериментальных зависимостей, определяющих роль и место синаптического бутона в медиаторной транссинаптической передаче сигналов.

3. Полученные с помощью модели новые экспериментальные данные, описывающие синаптическую щель как арену активных преобразований передаваемой через синапс информации на молекулярном уровне.

4. Ряд выявленных зависимостей, характеризующих постсинаптические механизмы, являющиеся важнейшим звеном в завершающей стадии работы медиаторного синапса.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Матухно, Алексей Евгеньевич

выводы.

1. На основе современных представлений синапсологии создана комплексная компьютерная модель транссинаптической передачи сигналов в ме-диаторном синапсе. Входящие в состав модели программные блоки базируются на алгоритмах, описывающих важнейшие, на наш взгляд, морфо-функциональные особенности отдельных элементов синаптического образования синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптиче-ской мембраны и всего синапса в целом. В составе модели обеспечивается возможность формирования входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками. Разработан диспетчерский программный блок, организующий максимально удобные условия для проведения компьютерных экспериментов.

2. На основе использования модели синаптического бутона, в результате проведения ряда экспериментов с различными режимами работы, получены зависимости (в том числе ранее неизвестные) характеристик выходящего молекулярного потока медиатора от параметров отдельных нервных импульсов, от статистических характеристик всего входящего потока импульсов, от параметров и функциональных особенностей запаса медиатора, от структурно-функциональных параметров кальциевых каналов, от структуры сети синаптопор в пресинаптической мембране, от параметров поляризации пресинаптической мембаны и спонтанного выброса медиатора. Определены направленность и сила влияния всех варьируемых параметров модели синаптического бутона.

3. В ходе проведенных экспериментов с использованием модели синаптической щели, выявлены зависимости характеристик (в том числе ранее не известные) пространственно-временного распределения выброшенных из синаптическлго бутона молекул медиатора по поверхности постсинапти-ческой мембраны от структурно-функциональных параметров синаптиче-ских нитей, заполняющих пространство синаптической щели. Получены функциональные зависимости, описывающие влияние электрокинетических явлений на диффузию молекул медиатора. Описана статистическая динамика количества молекул медиатора в области постсинаптической мембраны в зависимости от параметров квантового выброса медиатора из синаптического бутона. Установлены направленность и сила влияния вариабельных параметров модели синаптической щели на процессы диффузии молекул медиатора.

4. На основании экспериментальных исследований, проведенных на модели постсинаптической мембраны, получены зависимости параметров местных постсинаптических потенциалов от пространственно-временных характеристик «осевших» молекул медиатора на поверхность постсинаптической мембраны. Изучены закономерности формирования местных постсинаптических потенциалов в зависимости от структуры сети хемо-рецепторов на постсинаптической мембране, от физиологических особенностей хеморецепторов, от характеристик аннигиляционной системы и от функциональных параметров самой постсинаптической мембраны. Направленность и сила влияния параметров модели постсинаптической мембраны расписаны в соответствующей таблице.

5. В экспериментальных исследованиях сформированной модели целого синаптического образования получена функциональная зависимость характеристик местных постсинаптических потенциалов от параметров потока импульсов приходящих к пресинаптической терминали (рассматривались периодический и стохастический режимы стимуляции пресинаптической мембраны).

6. Анализ полученных в ходе экспериментальных исследований моделей синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптической мембраны и целого синапса результатов свидетельствует о том, что преобразование входной информации (в виде раздражающих пресинаптическую мембрану импульсов) в выходной поток местных постсинаптических потенциалов осуществляется на всех уровнях морфо-функциональной организации синапса (синаптический бутон, синаптическая щель, постсинап-тическая мембрана). В целом, создана компьютерная модель, позволяющая детально исследовать характер процессов протекающих в медиатор-ных синапсах в задачах фундаментальной и прикладной нейро-биологии.

3.4.3. Заключение.

Таким образом, исходя из представленных выше материалов, можно сделать вывод о том, что формирование местных постсинаптических потенциалов на ПСМ весьма существенно зависит от частоты как регулярной, так и стохастической стимуляции синаптического образования. Очевидным также является преобразование входного потока межимпульсных интервалов в выходной (в виде развивающихся на ПСМ МПСП). Однако, этот факт не является открытием, важно другое: на основе модели целого синапса, при каких-то конкретных т.е. заданных значениях ряда вариабельных параметров его морфо-функциональных элементов (СБ, СЩ и ПСМ), определяющих тип и свойства медиаторного синаптического образования, можно оценить процессы транссинаптической передачи сигналов. Иными словами, имеется возможность, по заранее собранным данным, сконструировать модель представляющего интерес синаптического образования (где учитываются все его параметры и функционально-значимые характеристики, например такие как: ацетилхолинэргический, адреналинэргиче-ский, возбуждающий или тормозный и многое другое) и далее, в ходе его испытаний, с применением различных режимов работы, установить его физиологические особенности. Особо нужно отметить, что при варьировании некоторых характеристик, заложенных в основу такой модели, можно так же изучить влияние внешних воздействий или условий на функционирование медиаторного синапса.

4. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Ранее показано (Попов 1969; 1998; 1999; 2001), что медиаторные синапсы представляют собой вероятностный шумящий канал связи, осуществляющий нелинейное преобразование входных импульсных потоков. Прямое исследование медиаторного синапса на тонком уровне его строения представляет, порой, непреодолимые препятствия. Эффективной альтернативой, на наш взгляд, может служить компьютерное моделирование. В этом случае мы имеем возможность получить детальное представление процессов транссинаптической передачи сигналов с учетом ультрастроения и функциональных свойств каждой функционально значимой единицы синапса. (СБ, СЩ и ПСМ).

Основные трудности при создании компьютерной модели СБ, СЩ, ПСМ и целого синапса заключались в определении, на основании литературных данных, важнейших компонентов ультрастроения, их свойств и оценке роли их воздействия на механизмы синаптической передачи в связи с недостаточностью, неточностью или противоречивости данных литературы. Тем не менее, после анализа литературных данных создана комплексная компьютерная модель транссинаптической передачи сигналов в медиаторных синапсах, описывающая важнейшие, на наш взгляд, морфо-функциональные особенности си-наптического образования и его элементов. Кроме того, реализован программный блок, обеспечивающий формирование входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками и реализован программный пакет, организующий максимально удобные условия для проведения компьютерных экспериментов с возможностью варьирования параметров модели в автоматическом режиме.

С учетом выше сказанного, на основе моделей СБ, СЩ, ПСМ и целого синапса были поставлены эксперименты, результаты которых можно обобщить следующим образом.

Модель СБ. Влияние параметров отдельных нервных импульсов и характеристик всего входящего потока импульсов в целом на характеристики молекулярного потока медиатора.

Эксперименты проводились с применением различных режимов стимуляции Пре-СМ (регулярный и стохастический). В условиях регулярного входного потока оценивалось влияние характеристик приходящих импульсов (амплитуды ПД, длительности ПД (фазы абсолютной рефрактерности), длительности межимпульсных интервалов, коэффициента редукции мембранного потенциала Пре-СМ, определяющего скорость реполяризации потенциала мембраны, на квантовый состав и временные параметры выбросов медиатора из СБ. Анализ полученных результатов указывает на очевидную зависимость выходного потока медиатора от выше перечисленных характеристик входного.

В частности, в ходе испытаний модели установлено, что варьирование амплитуды ПД на Пре-СМ приводит к развитию порогового эффекта, выражающегося как в квантовом составе, так и во временных параметрах выбрасываемого медиатора. Этот эффект вполне согласуется с данными Экклса, 1966 и Katz 1962, 1972. На наш взгляд, описанное пороговое явление имеет исключительное значение в нейронных структурах, где амплитуда ПД может существенно изменяться в широком ряду различных нейронов. В данном случае полученные зависимости дают весьма полезные представления о квантовом выходе медиатора в межнейронных синаптических контактах. Установлено достаточно весомое влияние длительности ПД (фазы абсолютной рефрактерности) на количественный состав и временные параметры потока медиатора из СБ. Причем, влияние этого параметра выражено в большей степени на квантовом составе выбросов медиатора, чем на его временных характеристиках. Полученные зависимости ранее не описаны. Влияние длительности межимпульсных интервалов входного потока (частота нервных импульсов) раскрывает эффекты депрессии и облегчения, сказывающиеся только на количественном содержании выброшенного медиатора. Что не противоречит известным данным на этот счет (Hodgkin, Huxley, Katz, 1952; Экклс, 1966; Шмидт, Тевс, 1996). Можно отметить адекватное поведение модели СБ, соответствующее реальным синаптиче-ским образованиям. Однако, время высвобождения медиатора изменяется по линейному закону от величины межимпульсного интервала, хотя и здесь можно отметить линейные преобразования входного потока в выходной. Нужно отметить так же весьма существенное влияние коэффициента редукции мембранного потенциала Пре-СМ (он определяет скорость реполяризации мембранного потенциала) на формирование количественного содержания и временных характеристик выбрасываемого медиатора. Выявленный пороговый эффект, на наш взгляд, обеспечивает разрежение входного потока нервных импульсов. Влияние пороговых свойств клеточной мембраны на частоту входного потока нервных импульсов хорошо изучено еще в ранних работах Rapoport (1950, а, Ь, c,d). Полученные в наших модельных экспериментах данные подтверждают выводы этого автора.

В режиме стохастической стимуляции Пре-СМ исследовались среднее значение квантового состава выброшенного медиатора (mq) и среднее значение между смежными выбросами (mt), в зависимости от статистических характеристик (среднее значение шд, и дисперсия dA) входного потока межимпульсных интервалов. Полученные результаты описывают весьма существенную зависимость количественного содержания высвобождаемого медиатора mq и временных параметров его выделения mt от параметров входного потока тд и <1д. При сравнении дифференциальных и интегральных гистограмм распределения вероятностей входных межимпульсных интервалов и соответствующих временных интервалов между смежными выбросами медиатора, (в дифференциальной форме с помощью критерия Пирсона, а в интегральной - Колмогорова-Смирнова) нужно отметить, что на уровне СБ в условиях стохастической стимуляции Пре-СМ происходят достоверные преобразования входного потока нерных импульсов в выходной поток выбросов медиатора.

Роль характеристик запаса медиатора в СБ.

По мнению многих авторов (Ленков, 1972; Katz, 1972; Model, 1975; Шеп-перд, 1987) запас квантов медиатора в СБ играет ключевую роль в процессах его экзоцитоза. На основе модели СБ проведен ряд экспериментов с целью выявления зависимостей количественных и временных параметров высвобождения медиатора от различных характеристик его запаса (пополняемый, непопол-няемый и неограниченный), а так же от скорости его пополнения (в случае пополняемого запаса) и от начального количества квантов в СБ (при непополняе-мом запасе). Анализ полученных результатов показал следующее. Коэффициент пополнения медиатора (задает скорость его пополнения) как в регулярном, так и стохастическом режиме работы модели является значимым параметром только для количественного содержания выбрасываемого медиатора, а временные параметры выбросов остаются независимыми. Опираясь на полученные результаты можно судить о значимости и характере влияния процессов, обеспечивающих пополнение медиатора (скорость синтеза и депонирование свободного медиатора в СП, обратный захват медиатора из СЩ, поступлений готовых квантов от сомы нейрона (Germain, Poulx, 1965; Харченко, 1973; Глебов, Кры-жановский, 1978; Шепперд, 1987) на формирование квантового состава выделяемого медиатора. Испытание системы с качественно новыми характеристиками запаса медиатора (непополняемый и неограниченный) так же раскрывает интересные явления. В частности, если сравнивать полученные зависимости квантового состава выбрасываемого медиатора от параметров входного потока (как для регулярного, так и стохастического режимов стимуляции Пре-СМ) при различных характеристиках запаса (пополняемый, непополняемый и неограниченный), то бросается в глаза их несоответствие. В свою очередь, зависимости временных параметров выходного потока медиатора, полученные в этих же экспериментах, в большинстве случаев остаются сходными. Особо следует отметить независимость количественного выхода медиатора (стохастический режим) от статистических характеристик входного потока нервных импульсов в случае неограниченного запаса квантов. Здесь наблюдается максимальный выход медиатора при всех средних значениях длительности межимпульсных интервалов, а также существенное влияние начального количества квантов в СБ (непополняемый запас) как на количественное содержание, так и на временные параметры выбрасываемого медиатора, что подчеркивает значение готовности системы СБ (в квантовом отношении) к моменту ее включения в работу.

Эти обстоятельства, с одной стороны, указывают на значительную роль процессов, обеспечивающих поддержание постоянства квантового запаса медиатора, в формировании количественного состава выбрасываемого медиатора. С другой стороны, описывают поведение моделируемой системы СБ при различных функциональных состояниях. Полученные зависимости ранее не описаны и, на наш взгляд, могут оказаться полезными в случае искусственного изменения эффективности синаптической передачи в живых системах путем воздействия на квантовый запас медиатора в СБ.

Роль Са2+ в формировании выходного молекулярного потока из СБ.

Модель СБ представляет возможности для исследования Са -влияния на процессы экзоцитоза медиатора. Известно, что воздействие ионов Са2+ является одним из ключевых звеньев цепочки сложных процессов секреции медиатора. На наш взгляд, весьма интересными данными представляются установленные зависимости, описывающие влияние количества кальциевых каналов в области л t активной зоны Пре-СМ (Кс), коэффициента влияния ионов Са (Kv) (определяющего необходимое количество ионов Са для инициации секреции одного кванта), коэффициента утилизации свободных ионов Са в СБ (Кц) (описывающего процессы активного выноса ионов из терминали, захвата их митохондриями, связывания элементами цитоскелета и др.) на формирование количественного состава и временных параметров выходного потока медиатора. Полученные результаты свидетельствуют о нелинейном характере этих зависимостей (кроме Т= ф(Кс) и mt=cp (Kv), где Т-суммарное время выбросов, a mr среднее значение интервалов между выбросами) при различных режимах стимуляции Пре-СМ. Эти данные раскрывают роль и характер воздействия структурно-функциональных характеристик кальциевого влияния на процессы секреции медиатора. Подобные результаты экспериментов не противоречат имеющимся представлениям о процессах экзоцитоза медиатора (Экклс 1966; Katz, Miledi 1968; Rubin 1970; Шмидт, Тевс 1996).

Роль структуры сети синаптопор.

Как уже отмечалось, согласно литературным данным, Puszkin, Kochwa 1974, Немечек, 1978, сеть синаптопор на внутренней поверхности Пре-СМ (гек-сональные структуры в виде плотных выростов) определяет место комплементарного взаимодействия синаптических пузырьков с Пре-СМ, с последующим опорожнением кванта медиатора. Akert 1973; Pfenninger, Rovainen 1974; Heuser, 1974 полагают, что структура таких выростов может изменяться в процессе функционирования синапса. Однако, авторы высказывают лишь предположения о возможном влиянии таких перестроек на передачу нервных импульсов через синапсы. Полученные на основе модели СБ данные описывают необычайно сильную зависимость квантового содержания выбрасываемого медиатора (временные параметры в данном случае являются независимыми) от коэффициента разрежения синаптопор, который определяет их плотность на Пре-СМ в активной зоне, с учетом различных режимов стимуляции пресинаптической терминали. Выявленные зависимости ранее не описаны. На основании анализа этих зависимостей, можно утверждать следующее: конформационные перестройки сети синаптопор в Пре-СМ, вызванные естественными или искусственными причинами, существенно влияют на эффективность синаптической передачи, выражающейся, в частности, в количественном изменении квантового состава выбрасываемого из СБ медиатора.

Поляризация Пре-СМ и спонтанный выброс медиатора.

Модель СБ предоставляет широкие возможности для изучения влияния уровня потенциала покоя мембраны и подпороговых колебаний мембранного потенциала Пре-СМ, обусловленных внешними воздействиями (например, пре-синаптическим аксо-аксональным переходом) на характеристики потока медиатора из СБ. Особенный интерес представляет режим спонтанной активности Пре-СМ, выполняющий шунтирующие функции и обеспечивающий процессы автогенерации сигналов.

Полученные результаты показывают, что смещение уровня покоя мембранного потенциала в сторону деполяризации приводит к экспоненциальному увеличению квантового состава высвобождаемого медиатора. Однако, временные параметры выбросов медиатора указывают на неустойчивое поведение системы. Подпороговые колебания мембранного потенциала являются дестабилизирующим фактором, обуславливающим колебательный характер количественного состава выбросов медиатора. Среднее значение интервалов между выбросами так же существенно изменяется (закономерность нелинейная). Анализируемые результаты не противоречат имеющимся представлениям о механизмах экзоцитоза медиатора (Экклс 1966; Katz 1962; 1972). Полученные зависимости в режиме моделирования спонтанной активности Пре-СМ показывают, что увеличение концентрации свободных ионов Са2+ в СБ и смещение мембранного потенциала в сторону деполяризации приводит к увеличению среднего количества выбрасываемых квантов. Однако, формы этих зависимостей нелинейны и соответствуют колебательным явлениям. Такое поведение системы является вполне ожидаемым, поскольку, согласно Pamas, Dudel, Pamas, 1982, свободные ионы способны стимулировать непроизвольный выброс квантов, а уровень поляризации Пре-СМ определяет готовность СБ к реализации секрети-руемого процесса.

Обобщая полученные результаты на основе модели СБ, хотелось бы отметить следующее. Различные условия стимуляции Пре-СМ существенным образом сказываются на количественных и временных характеристиках потока медиатора из СБ. Варьирование практически каждого параметра модели, описывающего структурные или функциональные особенности организации СБ, приводит к заметным изменениям в процессах секреции медиатора. Это указывает на сложность и многофакторную зависимость выходного потока медиатора из СБ от внешних и внутренних условий. Очевидным оказалось и то, что СБ является синаптическим элементом, осуществляющим преобразование входного потока НИ в выходной поток носителей информации (количественные и временные характеристики высвобождаемого медиатора). Это обстоятельство согласуется с данными Katz, Miledi (1966, 1972), Kusano (1968), Глебова, Крыжанов-ского (1978), Шепперда (1987), Воронина (1988, 1990, 1998, 2001). Приведенные выше в таблице скорости приращения соответствующих функций для всех вариабельных параметров модели описывают степень их влияния, позволяя, таким образом, произвести оценку структурно-функциональных предпосылок физиологии синаптической передачи.

Модель СЩ. Влияние синаптических нитей на диффузию медиатора.

Структура и роль СН в передаче сигналов через медиаторные синапсы достаточно подробно описаны в работах Косицина, 1976, 2001; Глебова, Крыжа-новского, 1978; Немечека, 1978; Глебова 1984. Однако, прямое экспериментальное подтверждение высказанных предположений о влиянии синаптических нитей еще не получено в силу сложности природы рассматриваемых явлений. Компьютерная модель СЩ позволяет осуществить оценку воздействия синаптических нитей на процессы диффузии молекул медиатора от Пре-СМ к Г1СМ через пространство СЩ, с учетом принятых во внимание, дополненных и внесенных в модель гипотетических представлений о механизмах функционирования синаптических нитей. В экспериментах рассматривалось влияние таких параметров модели, как плотность синаптических нитей (Усн) и коэффициент их влияния (Ксн) на диффузию медиатора в пространстве СЩ. Напомним, что Ксн отображает ориентацию синаптических нитей относительно поверхности мембран согласно величине трансмембранной разности потенциалов между Пре-СМ и ПСМ в момент выброса медиатора, в зависимости от свойств нитей (наличие отрицательных зарядов в их структуре).

Анализ полученных результатов в различных режимах работы модели (регулярный и стохастический поток медиатора из СБ с вариабельными параметрами квантового состава выбросов, длительности ПД на Пре-СМ, времени между выбросами) указывает на достаточно сильное воздействие Усн и Кс„, а также параметров входного потока, на характер пространственно-временного распределения молекул медиатора по стандартным хеморецептивным областям на поверхности ПСМ. Таким образом, результаты исследований свидетельствуют о непременном участии синаптических нитей в регуляции процессов транспортировки молекул медиатора через СЩ. На наш взгляд, описанные явления непротиворечивы и подтверждают мнение вышеуказанных авторов на этот счет.

Влияние электрокинетических явлений на диффузионные процессы в синаптической щели.

В модели СЩ учитывается электрокинетический эффект. Его природа и физиологические механизмы, внесенные в модель СЩ, описаны в соответствующих главах. Нужно отметить, что, на наш взгляд, наибольший интерес представляет такой параметр модели как начальная ширина СЩ (М'сз) или ширина СЩ в покое. Напомним, что \УСЗ вместе с рассчитываемым текущим значением трансмембранной разности потенциалов между Пре-СМ и ПСМ определяет пределы изменения ширины СЩ во время выброса медиатора и последующей его диффузии.

Анализируя полученные результаты в ходе проведенных экспериментов с применением регулярного и стохастического режимов потока медиатора из СБ, можно сделать вывод о том, что \УСЗ оказывает непосредственное влияние на пространственно-временное распределение молекул медиатора по стандартным ХРЦ зонам на поверхности ПСМ (во всех режимах работы модели). Это означает, что ширина СЩ играет немаловажную роль в процессах диффузии медиатора в пространстве СЩ. Полученные данные непротиворечивы и согласуются с результатами исследования электрокинетического эффекта Попова, Головеровой, 1998.

Модель ПСМ. Зависимость амплитуды местных постсинаптических потенциалов от параметров входного потока молекул медиатора.

Модель ПСМ предусматривает возможность управления осаждением молекул медиатора в стандартные ХРЦ зоны на поверхности мембраны. С целью исследования воздействий параметров входного потока молекул медиатора на формирование амплитуды МПСП, осуществлены эксперименты с различными режимами осаждения медиатора (в случае регулярного режима варьировались количество молекул и интервал времени осаждения для каждой ХРЦ зоны, в стохастическом режиме средние значения количества и времени осевших молекул).

Анализ полученных результатов показывает существенное влияние параметров входного потока на характеристики амплитуды МПСП (как в регулярном, так и стохастическом режимах). Причем, варьирование количественным составом осаживающихся молекул медиатора приводит к развитию пороговых эффектов на ПСМ. Полученные результаты не противоречат известным данным о постсинаптических явлениях в синапсах, Глебов, Крыжановский 1978; Пурвес 1983; Шепперд 1987.

Зависимость амплитуды МПСП от пространственного распределения и состояния ХРЦ на ПСМ.

Напомним, что в модели ПСМ структурно-функциональные особенности сети ХРЦ определяют следующие параметры: площадь поверхности испытуемой ПСМ (8), плотность ХРЦ в заданной области (Я), коэффициенты разрежения ионотропных (1хрц), метаботропных (Мхрц), возбуждающих (Ехрц) и тормозных рецепторов (Шхрц). Важно отметить, что согласно данным СаМег! 1994, Ашмарина 1996, Силькис 1998 в модели существует возможность формирования сети ХРЦ со смешанной структурой, т.е. с помощью коэффициентов разрежения организуется совместное существование ионотропных и метаботропных ХРЦ в ПСМ, где те и другие могут быть как возбуждающими, так и тормозными. На основании выше изложенного, проведены эксперименты, позволяющие детально рассмотреть влияние различных вариантов организации сети ХРЦ на формирование МПСП. Анализ полученных результатов свидетельствует о существенном влиянии 8, Я, 1хрц, Мхрц, Ехрц и Шхрц на характеристики развивающихся МПСП при различных условиях осаждения молекул медиатора на ПСМ. Полученные данные ранее не описаны и, на наш взгляд, являются вполне логичными. Опираясь на них, можно сделать следующее заключение. Каждая конкретная конфигурация сети ХРЦ с присущими размерами, плотностью и мозаикой распределения различных рецепторов обуславливает уникальные свойства ПСМ как элемента синаптической передачи, обеспечивающего исключительно индивидуальное (для такой сети ХРЦ) формирование МПСП в ответ на входной поток молекул медиатора. Такое обстоятельство дает все основания рассматривать ПСМ как структурно-функциональное устройство распознавания сигналов (Попов, Матухно 1998; 1999; 2001). Данные Ашмарина 1996 о синтезе и деструкции ХРЦ в ПСМ приписывают таким системам свойства самоорганизации .

Зависимость параметров МПСП от функциональных характеристик ПСМ.

В модели ПСМ физиологические свойства мембраны описываются такими параметрами как количество молекул аннигилятора (Кап), приходящегося на одну ХРЦ зону, количество молекул медиатора (Кт), необходимых для активации одного ХРЦ, время существования комплекса медиатор+рецептор и активации ионного канала (11с и М^ для ионотропных и метаботропных рецепторов соответственно), величина миниатюрных МПСП (ДМПСП), обусловленного изменением мембранного потенциала при активации одного ХРЦ, декремент затухания (сЬ), определяющий комплексное сопротивление мембраны. Результаты поставленных экспериментов, направленных на исследование влияния перечисленных выше параметров на формирование амплитуды МПСП, указывают на их существенное воздействие при различных режимах осаждения медиатора на ПСМ. Характер полученных зависимостей характеристик амплитуды МПСП от К.ап, Кт, ^с, М1с, дМПСП и dz свидетельствуют об уникальности воздействия каждого параметра модели, описывающих физиологические свойства мембраны. Полученных зависимости являются вполне логичными и соответствуют современной теории возбуждения постсинаптических мембран.

Обобщая полученные результаты с использованием модели ПСМ, хотелось бы отметить следующее. Во-первых, различные режимы осаждения медиатора на поверхность мембраны оказывают весьма существенное воздействие на амплитудные характеристики развивающихся МПСП. Причем наибольшее влияние заметно при варьировании частотных характеристик входного потока медиатора. Во-вторых, варьирование любого структурного или функционального параметра ПСМ приводит к изменению амплитуды формирующихся МПСП. Это говорит о сложности и многофакторной зависимости процессов развития МПСП на ПСМ от внутренних и внешних условий. Очевидно, что ПСМ является важнейшим элементом синаптичесой передачи, обеспечивающим преобразования нервной информации. Представленные в соответствующей таблице скорости приращения функций для вариабельных параметров модели описывают значимость их по степени влияния.

Модель целого синапса. Связь характеристик ПМСП с параметрами потока импульсов, приходящих к синоптическому бутону.

Основываясь на моделях СБ, СЩ и ПСМ, описывающих функциональные особенности передачи нервных сигналов на уровне отдельных элементов синапса, исследована комплексная модель целого синаптического образования. В ходе поставленных экспериментов получены зависимости характеристик амплитуды МПСП на ПСМ (средние значения амплитуды Мдмпсп и интервалов времени между смежными приращениями МПСП mt) от параметров межимпульсных интервалов приходящих к Пре-СМ сигналов. Анализ полученных результатов показал, что частотные характеристики входного потока импульсов оказывают непосредственное воздействие на МАмпсп и mt, что согласуется с данными Экклса 1966, Katz 1972, Когана, Чораяна 1980, Шепперда 1987, Шмидта, Тевса 1996. Рассчитанные критерии согласия Пирсона и Колмогорова-Смирнова для дифференциальных и интегральных гистограмм распределения вероятностей входных межимпульсных интервалов времени и выходных интервалов между смежными приращениями МПСП указывают на достоверные преобразования входных потоков (при условии, что среднее значение межимпульсных интервалов < 10 мс). Важно отметить, что, на наш взгляд, создана эффективная возможность построения модели синапса любого интересующего типа с заданными морфо-функциональными параметрами для исследования физиологических особенностей транссинаптической передачи сигналов. Такая модель позволяет оценить влияние как внутренних, так и внешних воздействий на функционирование медиаторного синапса.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Матухно, Алексей Евгеньевич, Ростов-на-Дону

1. Аничков C.B. Избирательное действие медиаторных веществ / C.B. Аничков. - J1. : Медицина, 1974. - 176 с.

2. Армстронг К. Ионные поры, ворота и воротные токи / К. Армстронг //Мембраны : ионные каналы. -М., 1981.-С. 98-128.

3. Ашмарин И.П. Нейрохимия / И.П. Ашмарин. М. : Изд-во ИБХ РАМН, 1996.-469 с.

4. Ашмарин И.П. Нейромедиаторы в синаптической передаче/ И.П. Ашмарин, М.А. Каменская. М. : ВИНИТИ, 1968. - 180 с. - ( Итоги науки и техники ; т. 34).

5. Бабминдра В.П. О некоторых вопросах современной синаптосологии / В.П. Бандминдра, Т.А. Брагина//Нервная система. Л., 1975. - С. 3-17.

6. Березин В.А. Специфические белки нервной ткани / В.А. Березин, Я.В. Белик. Киев : Наукова думка, 1990. - 278 с.

7. Болдырев A.A. Биохимические аспекты электрохимического сопряжения / A.A. Болдырев. М. : Изд. МГУ, 1977. - 208 с.

8. Браун А.Д. Выход белков, аминокислот и карнозина из скелетных мышц, находящихся в покое и при действии на них повышенного гидростатического давления / А.Д. Браун, B.JL Немчинская // Вопросы цитологии и общей физиологии. М., 1960. - С. 32-42.

9. Бухараев Э.А. Механизм модулирующего влияния холинэргических агентов на процесс освобождения медиатора из двигательных нервных окончаний : автореф. дис. канд. биол. наук / Э.А. Бухараев. Л., 1988. - 15 с.

10. Виноградова И.М. Влияние гиалуронидазы на миниатюрные потенциалы и токи концевой пластинки лягушки / И.М. Виноградова, Д.П. Матюшкин //Нейрофизиология. 1988. - Т. 20, №1. - С. 113-119.

11. Воронин Л.Л. Квантовый анализ длительных посттетанических изменений минимальных постсинаптических потенциалов переживающих срезов гиппокампа / Л.Л. Воронин, У. Кунт, Г. Хесс // Нейрофизиология. -1990. Т. 22, №6. - С. 752-761.

12. Воронин Л.Л. Новый тип межнейронного взаимодействия в ЦНС: синап-тическая эфаптическая обработка связи / Л.Л. Воронин // Материалы XVIII съезда физиологического общества им. И.П. Павлова. Казань, 2001. - С. 55.

13. Глебов Р.Н. Локальный и зависимый от аксотока синтез белка и РНК в нервных окончаниях / Р.Н. Глебов // Успехи нейрохимии. Л., 1974. - С. 39-49.

14. Глебов Р.Н. Мозг, синапсы и передача информации / Р.Н. Глебов. М. : Знание, 1984,- 115 с.

15. Глебов Р.Н. Аксональный ток веществ при различных физиологических и патологических состояний нервной системы / Р.Н. Глебов, Г.Н. Крыжа-новский // Успехи совр. биологии. 1976. - Т. 82, №3(6). - С. 417-436.

16. Глебов Р.Н. Синаптические АТФ-азы и секреция медиаторов / Р.Н. Глебов, Г.Н. Крыжановский. // Успехи физиол. наук. 1975. - Т. 6, №4. - С. 333.

17. Глебов Р.Н. Функциональная биохимия синапсов / Р.Н. Глебов, Г.Н. Крыжановский. М. : Медицина, 1978. - 328 с.

18. Грин У. Стаут. Синаптическая передача / У. Стаут Грин, Д.Тейлор // Физиология центральной нервной системы и сенсорных систем : хрестоматия. М., 1999. - С. 59-67.

19. Кагава Я. Биомембраны / Я. Кагава. М. : Высш. шк., 1985. - 208 с.

20. Катц Б. (Ка1г В) Нерв, мышца и синапс Б. Катц. М. : Мир. 1968. - 220 с.

21. Коган А.Б. Вероятностные механизмы нервной деятельности / А.Б. Коган, О.Г. Чароян. Ростов н/Д : РГУ, 1980. - 176 с.

22. Коммисаров И.В. Элементы теории рецепторов в молекулярной фармакологии / И.В. Коммисаров. М. : Наука, 1969. - 187 с.

23. Косицин Н.С. Микроструктура дендритов и аксодендритических связей в центральной нервной системе / Н.С. Косицын. М. : Наука, 1976. - 155 с.

24. Косицин Н.С. Эндогенная неспецифическая потенциация синапса при действии экстремальных факторов / Н.С. Косицын, М.М. Свинов // Материалы XVIII съезда физиологического общества им. И.П. Павлова. Казань, 2001.-С. 127.

25. Кривой И.И. Нервно-мышечный синапс и антихолинэстеразные вещества / И.И. Кривой, В.И. Кулешов, Д.П. Матюшкин. JI. : Изд-во ЛГУ, 1987. -238 с.

26. Ленков Д.Н. Везикулярная гипотеза синаптической передачи / Д.Н. Ленков // Физиология человека и животных. М., 1972. - Т. 10 : Физиология нейрона. - С. 40-123.

27. Манухин Б.Н. Физиология адренорецепторов / Б.Н. Манухин. М. : Наука, 1968.-211 с.

28. Манухин Б.Н. Анализ регуляторного влияния эффекторной клетки на синтез катехоламинов 3Н в адренергическом нейроне / Б.Н. Манухин, Е.В. Волина//Физиол. журн. СССР. 1978. - Т. 64, №10. - С. 1406-1413.

29. Манухин Б.Н. Механизм регуляторного влияния эффекторной клетки на захват норадреналина3Н адренергическим нейроном / Б.Н. Манухин, Е.В. Волина, A.A. Мелентьева // Физиол. журн. СССР. 1977. - Т. 63, №6. - С. 830-837.

30. Мартынюк А.Е. Действие внеклеточных ионов калия на калиевый выходящий ток, зависящий от внеклеточных ионов кальция / А.Е. Мартынюк // Нейрофизиология. 1987. - Т. 19, №3. - С. 351-356.

31. Матюшкин Д.П. О функциональных обратных связях в синапсе (факты и гипотезы) / Д.П. Матюшкин. Л. : ЛГУ, 1975. - 39 с.

32. Матюшкин Д.П. Обратные связи в синапсе / Д.П. Матюшкин. Л. : Наука, 1989. - 77 с.

33. Матюшкин Д.П. Парадоксальные реакции нервно-мышечного препарата / Д.П. Матюшкин // Физиол. журн. СССР. 1986. - Т. 42, №8. - С. 10091015.

34. Немечек С. Введение в нейробиологию / С. Немечек. Прага : Ауюепит : Изд-во мед. лит., 1978. - 413 с.

35. Неэффективные синапсы в переживающих срезах гиппокампа / Л.Л. Воронин и др. // Докл. АН СССР. 1988. - Т. 302, №3. - С. 746-749.

36. Никольский Е.Е. Влияние карбохолина на миниатюрные потенциалы и токи концевой пластинки скелетной мышцы крысы / Е.Е. Никольский // Нейрофизиология. 1982. - Т. 14, №2. - С. 185-189.

37. Никольский Е.Е. Исследование механизма блокирования передачи с нерва на скелетную мышцу при нейронном редком раздражении / Е.Е. Никольский, Г.И. Полетаев // Нейрофизиология. 1977. - Т. 9, №1. - С. 78-85.

38. О биохимической роли карнозина / С.Е. Северин и др. // Биохимия. -1963. Т. 28, №3. - С. 510-516.

39. От нейрона к мозгу / Дж.Г. Николлс и др.. М. : ЕдиториалУРСС, 2003. - 672 с.

40. Попов И.В. Анализ вероятностных процессов в нейронных структурах с учетом функциональных свойств синапсов : автореф. дис. канд. биол. наук / И.В. Попов. Ростов н/Д, 1969. - 24с.

41. Попов И.В. Электрокинетический эффект мембранных структур в жидких средах / И.В. Попов, Л.П. Головерова // Сборник НИР /РГПУ. Ростов н/Д, 1998. - С. 36-41.

42. Попов И.В. Компьютерные технологии исследования структурно-функциональных свойств моно- и полисинаптических систем / И.В. Попов, А.Е. Матухно, М.В. Токарев // Сборник материалов XVII съезда физиологов России. Ростов н/Д, 1998. - С. 388.

43. Попов И.В. Структуроно-функциональное моделирование моносинапти-ческого канала связи / И.В. Попов, А.Е. Матухно // Сборник НИР / РГПУ.- Ргостов н/Д, 1998. С. 140-146.

44. Попов И.В. Синаптические преобразования вероятностных сигналов в нейронных структурах / И.В. Попов. А.Е. Матухно. // Проблемы нейро-кибернетики. Ростов н/Д, 1999. - С. 144-146.

45. Попов И.В. Стохастическое зондирование нейронных структур / И.В. Попов, А.Е. Матухно // Сборник материалов XVIII съезда Физиологического общества им. Павлова. Казань, 2001. - С. 199.

46. Поттер JI. Рецепторы ацетилхолина как компоненты каналов проницаемости / Л. Поттер // : Взаимодействие гормонов с рецепторами М., 1979.- С. 390-423.

47. Пурвес Р.Д. Физиология мускариновых рецепторов ацетилхолина / Р.Д. Пурвес // Рецепторы клеточных мембран для лекарств и гормонов: междисциплинарный подход. М., 1983. - С. 82-95.

48. Робертис Е. (Robertis Е.) Синаптическая нейрохимия : некоторые предположения / Е. Робертис // Биохимия и физиология нервной системы. Л., 1967.-С. 60-75.

49. Робертис Е. Биология клетки / Е. Робертис, В. Новинский, Е. Саэс. М. : Мир, 1973.-487 с.

50. Рубин А.Б. Биофизика клеточных процессов / А.Б. Рубин. М. : Высш. шк, 1987. - Кн. 2. -300 с.

51. Северин С.Е. О пресинаптическом эффекте имидазола и карнозина / С.Е. Северин, A.A. Болдырев, В.Б. Петухов // Докл. АН СССР. 1970. - Т. 194, №2. - С. 471-474.

52. Северин С.Е. Содержание карнозина в различных участках мышц лягушки / С.Е. Северин, П.А. Вульфсон, Л.П. Трандефилова // Докл. АН СССР.- 1962. Т. 145, №1. - С. 215-217.

53. Сергеев П.В. Рецепторы физиологически активных веществ / П.В. Сергеев, Н.Л. Шимановский. М. : Медицина, 1987. - 400 с.

54. Силькис И.Г. Пластические перестройки в таламо-кортикальных нейронных сетях: общие постсинаптические механизмы пластичности в ЦНС : автореф. дис. д-ра биол. наук / И.Г. Силькис. М., 1998. - 36 с.

55. Скок В.И. Синаптическая передача в симпатическом ганглии / В.И. Скок // Совместные проблемы общей физиологии возбудимых образований. -Киев, 1978.-С. 92-97.

56. Харченко Н.К. Влияние катионов на АТФ-азную активностьсинаптиче-ских пузырьков / Н.К. Харченко, С.А. Кудинов, Н.М. Полякова // Укр. 6ioxiM. журн. 1973. - №3. - С. 318-322.

57. Хилле Б. Ионная селективность Na+- и К+-каналов в мембранах нервного волокна / Б. Хилле. Мембраны : ионные каналы. - М. 1981. - С. 25-97.

58. Хилле Б. Ионные каналы в возбудимых мембранах / Б. Хилле. Мембраны : ионные каналы. - М., 1981. - С. 9-24.

59. Ходоров Б.И. Общая физиология возбудимых мембран / Б.И. Ходоров. -М. : Наука, 1975. 406 с. - (Руководство по физиологии).

60. Хухо Ф. Нейрохимия: основы и принципы / Ф. Хухо. М. : Мир, 1990. -383 с.

61. Шабунова И.А. О пресинаптическом действии гистидина в нервно-мышечном соединении / И.А. Шабунова // Физиол. журн. СССР. 1977. -Т. 63, №7. - С. 964-987.

62. Шепперд Г. Нейробиология / Г. Шепперд. М. : Мир, 1987. - Т. 1. - 454 с.

63. Шмидт Р. Физиология человека / Р. Шмидт, Г.Тевс. М. : Мир. 1996. - Т. 1.-321 с.

64. Шульговский В.В. Основы нейрофизиологии / В.В. Шульговский. М. : Аспект пресс. 2000. - 275 с.

65. Экклс Дж. (J. Eccls) Физиология синапсов / Дж. Экклс. М. : Мир, 1966. -395 с.

66. A muscarine receptors on the rat phfenic nerve evidence for positive and negative muscarinic feedback mechanisms / I. Wessler et al. // Naunyn-Schmiedeberg's Arch. Pharmacol. 1987. - Vol. 335. - P. 605-612.

67. Acetylcholine modulates two types of presynaptic potassium channels in vertebrate motor nerve terminals / E. Hevron et al. // Neurosci. Lett. 1986. -Vol. 72. - P. 87-92.

68. Aizenman E. Botulinum toxin prevents stimulus induced backfiring produced by neostigmne in the mouse phrenic nerve - diaphragm / E. Aizenman, G.TG. Bierkamper, E.F. Stanley // J. Physiol. - 1986. - Vol. 372. - P.395-404.

69. Akert K. Dynamic aspects of synaptic ultrastructure / K. Akert // Brain Res. -1973. Vol. 49. - P. 511-518.

70. Alien intracellular calcium chelators attenuate neurotransmitter release at the squid giant synapse / E.M. Adler et al. // Journal of Neuroscience. 1991. -Vol. 11. - P. 1496-1507.

71. Armstrong C.M. Sodium channels and gating currents / C.M. Armstrong // Physiol. Rev. 1981. - Vol. 61. - P. 644-683.

72. Berl S. Actomyosin-like protein in brain / S. Berl, S. Puszkin,W.J. Nicklas // Science . 1973. - Vol. 179. - P. 441-446.

73. Birdsall N.J. Biochemical studie on muscarine acetylcholine receptors / N.J. Birdsall, E.C. Hulme // J. Neurochem. 1976. - Vol. 27. - P. 7-16.

74. Birk I.R.A. Hypothetical synaptic neurobehavioral model efficient training / I.R.A. Birk // Kybernetic. 1970. - Vol. 1. - P. 13-22.

75. Blitz A.L. Muscle-like contractile proteins and tubulin in synaptosomes / A.L. Blitz, R.E. Fine // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1974. - Vol. 71. - P. 44724476.

76. Bloom F.E. Chemical coding: modulation and level setting / F.E.Bloom // The Reticular formation revisited: specifying function for a nonspecific system. N.Y., 1980. P. 227-284.

77. Bowman W.C. Prejunctional and postjunctional cholinoceptors at the neuromuscular function / W.C. Bowman // Anestesia a Analgesia. 1980. - Vol. 59. -P. 935-943.

78. Boyd I.A. The release of adenosine triphosphate from frog skeletal muscle in vitro / L.A. Boyd, T. Forrester // J. Physiol. 1968. - Vol. 199. - P. 115-135.

79. Burden S. Monoclonal antibodies to the frog nerve-muscle synapse / S. Burden // Monoclonal antibodies neural antigens : Gold spring Harbor. 1981. - P. 247-257.

80. Burnstock G. Purinergic nerves / G. Burastock // Pharmacol. Rev. 1972. -Vol. 24. - P. 509-581.

81. Castillo del S. Mechanism of the increased acetylcholine sensitivity of skeletal muscle in low rH solution / S. Castillo del, 1. Nelson, V.Sancher // J. Cell. C. Physiol. 1962. - Vol. 59. - P. 35-39.

82. Caudry-Talarmain Y.M. The effect of lactate on acetylcholine release evoked by various stimuli torpedo synaptosomes / Y.M. Caudry-Talarmain // Europ. J. Pharmacol. 1986. - Vol. 129. - P. 235-243.

83. Christ D.D. Effect of adrenaline on nerve terminals in the superior cervical ganglion of the rabbit / D.D. Christ, S. Nishi // Brit. J. Pharmacol. 1971. -Vol. 41. - P. 331-338.

84. Computational Models of Thalamocortical Augmenting Responses / M. Baz-henov et al. // J. Neurosci. 1998. - Vol. 18, № 16. - P. 6444-6465.

85. Cooke J.D. The specific effects of potassium on transmitter release by motor nerve termnals and its inhibitions by calcium / J.D. Cooke, D.M.J. Quastel // J. Physiol. 1973. - Vol. 228. - P. 435-458.

86. Csillik B. Functional structure of the postsynaptic membrane in the myoneural junction / B. Csillik. Budapest : Ac. Press, 1967. - 154 p.

87. De Robertis E. Synaptic receptors proteins. Isolation and reconstitution in artificial membranes / E. De Robertis // Reviews of physiology, biochemistry and pharmacology. Berlin, 1975. - P. 9-38.

88. De Robertis E. Isolation of hydrophobic proteins binding amino acids. Stereoselectivity of the binding of l-14C.-glutamic acid in cerebral cortex / E. De Robertis, S. Fiszer de Plazas // J. Neurochem. 1976. - Vol. 26. - P. 12371244.

89. Diffusion coefficients of neurotransmitters and their metabolites in brain extracellular fluid space / M.E. Rice et al. // Neurosci. 1985. - Vol. 15. - P. 891-902.

90. Dionne V.E. Voltage dependence of agonist effectiveness at the frog neuromuscular junctions: resolution of a paradox / V.E. Dionne, C.F. Stevens C.F.// J. Physiol. (London). 1975. - Vol. 251. - P. 245-270.

91. Dodge F.A. Co-operative action of calcium ions in transmitter releaase at the neuromuscular junction / F.A. Dodge, R. Rahamimoff // J. Physiol, (london). -1967. Vol. 193. - P. 419-432.

92. Erulkar S.D. The modulation of transmitter release at synaptic junctions / S.D. Erulkar//Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 1983. - Vol. 98. - P. 63-185.

93. Erulkar S.D. Extracellular potassium and transmitter release at the giant synapse of squid / S.D. Erulkar, F.F. Weight // J. Physiol 1977. - Vol. 226. - P. 209-218.

94. Fatt P. Sponyaneous subthreshold activity of motor nerve endings / P. Fatt, B. Katz // J. Physiol. 1952. - Vol. 117. - P. 109-128.

95. Gage P.W. Generation of end-plate potentials / P.W. Gage // Physiol. Rev. -1976. Vol. 56. - P. 177-247.

96. Gaudry-Talarmain Y.M. The effect of lactate on acetylcholine release evoked by various stimuli torpedo synaptosomes / Y.M. Gaudry-Talarmain // Europ. J. Pharmacol. 1986. - Vol. 129. - P. 235-243.

97. Gaugully D.K. Effect of oxotremorine demonstrate presynaptic muscarinic and dopaminergic receptors on motor nerve terminals / D.K. Gaugully, M. Das // Nature. 1979. - Vol. 278. - P. 645-646.

98. Geffen L.B. Synaptic vesicles in sympathetic neurons / L.B. Geffen, B.G. Li-vett//Physiol. Rev. 1971. - Vol.51. - P. 98-157.

99. Germain M. ATPase activity in synaptic vesicles of rat brain / M. Germain,P. Proulx // Biochem. Pharmacol. 1965. - Vol.14. - P. 1815-1819.

100. Ginsborg B.L. Ion movements junctional transmission / B.L. Ginsborg // Pharmacol. Rev. 1967. - Vol. 19. - P. 289-316.

101. Hebb The organization of Behavior / Hebb // J. Willy. N. Y. 1949.

102. Heuser J.E. Evidence for recycling of synaptic vesicle membrane during transmitter release at the frog neuromuscular function / J. E. Heuser, T.S. Reese // J. Cell. Biol. 1973. - Vol. 57. - P. 315-344.

103. Hnik P. Ion-selective microelectrodes a new tool for studying ionic movements in working muscles / P. Hnik, F. Vyskocil // The application of ion-selective microelectrodes. - Amsterdam, 1981. - Ch. 10. - P. 157-172.

104. Hodgkin A.L. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve / A.L. Hodgkin, A.F. Huxley // J. Physiol. (London). 1952. - V. 117. - P. 500-544.

105. Hodgkin A.L. Current carried by sodium and potassium ions through the membrane of the giant axon of Loligo /A.L. Hodgkin, A.F. Huxley // J. Physiol. (London). 1952. - V. 116. - P. 449-472.

106. Hodgkin A.L. Measurements of currentvoltage relations in the membrane of the giant axon of Loligo / A.L. Hodgkin, A.F. Huxley, B. Katz // J. Physiol. (London). 1952. - V. 116. - P. 424-448.

107. Hohlfeld R. Does the subsynaptic potassium currant have a presynaptic effect? / R.Hohlfeld // Pfltigers Arch. ges. Physiol. 1978. - Vol. 377, Suppl. R, 44. -P. 173.

108. Hubbard J.I. Microphysiology of vertebrate neuromuscular transmission / J.l. Hubbard // Physiol. Rev. 1973. - Vol. 53. - P. 674-723.

109. Interactions between paired-pulse facilitation and long-term potentiation of minimal excitory postsynaptic potentials in rat hippocampal slices: a patch-clamp stady / L.L. Voronin et al. // J. Neuroscience. 1998. - V. 85, №1. - P. 1-13.

110. Jaeger D. Synaptic Control of Spiking in Cerebellar Purkinje Cells: Dynamic Current Clamp Based on Model Conductances / D. Jaeger, J.M. Bower // J. Neuroscience. 1999. - Vol. 19, №14. - P. 6090-6101.

111. Karlin A. Molecular interactions of the acetylcholine receptor / A. Karlin // Fed. Proc. 1973. - Vol. 32. - P. 1847-1853.

112. Katz B. The transmission of impulses from nerve to muscle, and the subcellular unit of synaptic action / B. Katz // Proc. Roy Soc. B. 1962. - Vol.155. - P. 455-477.

113. Katz N.L. The effects of frog neuromuscular transmission of agents which act upon microtubulos and microfilaments / N.L. Katz // Europ. J. Pharmacol. -1972.-Vol. 19.-P. 88-93.

114. Katz B. The statistical nature of the acetylcholine potential and its molecular components / B.Katz, R. Miledi // J. Physiol. Lond. 1972. - Vol. 224. - P. 665-699.

115. Katz B. The role of calcium in neuromuscular facilitation / B. Katz,R. Miledi // J. Physiol. (Lond.). 1968. - Vol. 195. - P. 481-492.

116. Kodas M. An attempt at an analysis of the factors determining the time course of the end-plate current. II. Temperature / M. Kodas // J. Physiol. (London) -1972. Vol. 224.-P. 333-348.

117. Koelle G.B. A new general concept at the neuromuscular functions of acetylcholine and acetylcholinesterase / G.B. Koelle // J. Pharm. Pharmacol. 1962. -Vol. 14. - P. 65-90.

118. Kuroda Y. Feedback regulation of synaptic transmission by adenosine derivatives in mammalian brain / Y. Kuroda, K. Kobayashi // Neurosci. Lett. 1979. -Vol. 13, Suppl. 2. - P. 5.

119. Lauger P. Ionic channels with conformational substates / P. Lauger // J. Bio-phys. 1985. - Vol. 47. - P. 581-590.

120. Loescher A.R. Receptor characteristics of periodontal mechanosensitive units supplying the cat's lower canine / A.R. Loescher, P.P. Robinson // J. Neurophysiology. 1989. - Vol 62, Issue 4. - P. 971-978.

121. Loescher A.R. Properties of reinnervated periodontal mechanoreceptors after inferior alveolar nerve injuries in cats / A.R. Loescher, P.P. Robinson // J. Neurophysiology. 1989. - Vol 62, Issue 4. - P. 979-983.

122. Magleby K.L. The effect of (+) tubocurarine on neuro-muscular transmission during repetitive stimulation in the rat, mouse and frog / K.L. Magleby, P S. Pallota, D.A. Terrar// J. Physiol. -1981. - Vol. 312. - P. 97-113.

123. Medina J.F. Simulations of Cerebellar Motor Learning: Computational Analysis of Plasticity at the Mossy Fiber to Deep Nucleus Synapse / J.F. Medina, M.D. Mauk//J. Neuroscience. 1999. - Vol. 19, № 16. - P. 7140-7151.

124. Meves H. Inactivation of the sodium permeability in squid giant nerve fibres / H. Meves // Prog. Biophys. Mol. Biol. 1978. - Vol. 33. - P. 207-230.

125. Miyamoto M.D. The action of cholinergic drugs on motor nerve terminals / M.D. Miyamoto //Pharmacol. Rev. 1978. - Vol. 29. - P. 221-247.

126. Model P.G. Depletion of vesicles and fatigue of transmission at a vertebrate central synapse / P.G. Model, S.M. Highstein, M.V.L. Bennet // Brain. Res. -1975.-Vol. 98.-P. 209-228.

127. Molecular structure of the nicotinic acetylcholine receptor / S. Numa S.et al. // Cold spring Harbor Symposia Quat. Biol. 1983. - Vol. XLVIII. - P.57-69.

128. Mullins L. //Physiol. 1960. - Vol. 43. - P. 105.

129. Nicotinic and muscarinic activation of motoneurons in the crayfish locomotor network / D. Cattaert et al.// J. Neurophysiology. 1994. - Vol 72, Issue 4. -P. 1622-1633.

130. Paraas H. Neurotransmitter release and its facilitation in crayfish. 1. Saturation kinetics of release and of entry and removal of calcium / H. Paraas, J. Dudel, I. Parnas //Pflugers Arch. 1982. - Vol. 393. - P. 1-14.

131. Peripheral Neuropathy in Mice Transgenic for a Human MDR3 P-Glycoprotein Mini-Gene / P. Borst et al. // J. Neurosci. 1996. - Vol. 16, № 20. - P. 6386-6393.

132. Pfenninger K.H. Stimulation and Ca-dependence of vesicle attachment sites in the presynaptic membrane: a freezecleave study on the lamprey spinal cord / K.H. Pfenninger, C.M. Rovainen // Brain Res. 1974. - Vol. 72. - P. 1-23.

133. Poisner A.M. Release of transmitters from storage: a contractile model / A.M. Poisner // Biochemistry of simple neuronal model. N.Y., 1970. - P. 95-108.

134. Popot J.L. Nicotinic receptor of acetylcholine: structure of anoligomeric integral membrane protein / J.L. Popot, J.P. Changeux // Physiol. Rev. 1984. -Vol. 64. - P. 1162-1239.

135. Potter L.T. Properties of nicotinic acetylcholine receptors / L.T. Potter // Neu-rochemy cholinergic receptors. N.Y., 1974. - P. 31-35.

136. Puszkin S. Regulation of neurotransmitter release by a complex of actin with relaxing protein isolated from rat brain synaptosomes / S. Puszkin, S. Kochwa //J.Biol. Chem. 1974. - Vol. 249. - P. 7711-7714.

137. Rapid Signaling at Inhibitory Synapses in a Dentate Gyrus Interneuron Network / M. Bartos et al. // J. Neurosci. 2001. - Vol. 21, № 8. - P. 26872698.

138. Rapoport A. Contribution to the probabilistic theory of neural nets: I. Randomization of refractory periods and of stimulus intervals / A. Rapoport // Bull. Math. Biophis. 1950. - Vol. 12, №2. A.

139. Rapoport A. Contribution to the probabilistic theory of neural nets: II. Facilitation and threshold phenomena / A. Rapoport // Bull. Math. Biophis. 1950. -Vol. 12, №2. B.

140. Rapoport A. Contribution to the probabilistic theory of neural nets: III. Specific inbubition / A. Rapoport // Bull. Math. Biophis. 1950. - Vol. 12, №2. C.

141. Rapoport A. Contribution to the probabilistic theory of neural nets: VI. Various models for inbubition / A. Rapoport // Bull. Math. Biophis. 1950. - Vol. 12, №2. D.

142. Rapoport A. Input actput curve of aggregates of "simple center "neurons / A. Rapoport // Bull. Math. Biophis. 1952. - Vol. 14, №1.

143. Reinert H. Role and origin of noradrenaline in the superior cervical ganglion / H. Reinert // J. Physiol. 1963. - Vol. 167. - P. 18-29.

144. Related changes in amounts of Ach and ATP in resting and active Torpedo nerve electroplaque synapses / M. Israel et al. // J. Neurophysiol. 1977. -Vol. 28. - P. 1259-1267.

145. Ribeiro J. A. Action of adenosine triphosphate on endplate potentials recorded from muscle fibers at the rat diaphragm and frog sartorius / J.A. Ribeiro, J. Walker // Brit. J. Pharmacol. 1973. - Vol. 49. - P. 724-725.151.

146. Robison G.A. Cyclo AMP / G.A. Robison, R.W. Butcher, E.W. Sutherland. -N.Y., 1971.

147. Rubin R.P. The role of calcium in the release of neurotransmitters substances and hormones / R.P. Rubin // Pharmacol. Rev. 1970. - Vol. 22. - P. 389-428.

148. Decoding Synapses K. Sen et al. // J. Neuroscience. 1996. - Vol. 16. - № 19. - P. 6307-6318.

149. Sherry H. // Ion exchange. N.Y., 1968. - P. 89.

150. Silinsky E.M. Evidence for specific adenosine receptors at cholinergic nerve ending / E.M. Silinsky / E.M. Silinsky // Brit. J. Pharmacol. 1980. - Vol. 71. -P. 191-194.

151. Silinsky E.M. On the association between transmittes secretion and the release of adenine nucleotides from mammalian motor nerve terminals / E.M.Silinsky // J. Physiol. 1975. - Vol. 247. - P. 145-162.

152. Silinsky E.M. Release of ATP from rat motor nerve terminals / E.M. Silinsky, J.I. Hubbard //Nature. 1973. - Vol. 243. - P. 404-405.

153. Stone T.W. Physiological roles for adenosine 5-triphosphate in the nervous system / T.W. Stone //Neurosci. -1981. Vol. 6. - P. 523-555.

154. Theselff S. Different kinds of acetylcholine release from the motor nerve / Theselff S. // Int. Rev. ofNeurobiol. 1986. - Vol. 28. - P. 59-88.

155. Trautwein W. Voltage dependent gating of single calcium channels in cardiac cell membranes and its modulation by drugs / W. Trautwein, D. Pelzer // Calcium physiology. Berlin ; Heidelberg ; N.Y. ; Toronto, 1986. - P. 111-119.

156. Trussel Laurence O. Dependence of an adenosine-activated potassium current on a GTP-binding protein in mammalian cerebral neurons / Laurence O. Trussel, Meyer B. Jackson // J. Neurosci. 1987. - Vol. 7. - P. 3306-3316.

157. Wang X. Gamma Oscillation by Synaptic Inhibition in a Hippocampal interneuronal Network Model / X.Wang, G. Buzsaki // J. Neurosci. 1996. - Vol. 16, №20. - P. 6402-6413.

158. Wicks S.R. A Dynamic Network Simulation of the Nematode Tap Withdrawal Circuit: Predictions Concerning Synaptic Function Using Behavioral Criteria / S.R. Wicks , C.J. Roehrig, C.H. Rankin // J. Neurosci. 1996. - Vol. 16. № 12. -P. 4017-4031.