Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Пластические перестройки в таламо-кортикальных нейронных сетях; общие постсинаптические механизмы пластичности в центральной нервной системе
ВАК РФ 03.00.13, Физиология
Автореферат диссертации по теме "Пластические перестройки в таламо-кортикальных нейронных сетях; общие постсинаптические механизмы пластичности в центральной нервной системе"
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ
со
-Г:
СГ5
12Е На правах рукописи
3 УДК 612.822.3+612.821.6
СМ
СИЛЫСИС ИЗАБЕЛЛА ГЕРШОВНА
ПЛАСТИЧЕСКИЕ ПЕРЕСТРОЙКИ В ТАЛАМО-КОРТШСАЛЬНЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЯХ; ОБЩИЕ ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ
Специальность 03. 00. 13 - физиология человека и животных
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва - 1998
Работа выполнена в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (директор - академик РАН П.В.Симонов)
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор, академик РАО Соколов E.H. (психологический факультет МГУ им.М.ВЛомоносова)
доктор биологических наук, профессор Скребицкий В.Г. (Институт Мозга РАМН) доктор биологических наук, профессор Фролов A.A. (ИВНД и НФ РАН)
Ведущее учреждение: Кафедра высшей нервной деятельности биологического факультета Московского государственного университета им. М.ВЛомоносова
Защита состоится 2? мпя 1998 г. в ТУ часов
на заседании Специализированного совета Д 003.10.01 Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН по адресу: 117865, г. Москва, ул. Бутлерова 5-а
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН
Автореферат разослан .Л ¿f мая 1998 г. Ученый секретарь Специализированного совета
доктор биологических наук
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Синаптическая и нейронная пластичность рассматриваются в- качестве основы таких функций мозга как распознавание образов, обучение, хранение и извлечение информации (Hebb, 1949; Магг, 1969; Анохин, 1968; Соколов, 1981). Особое внимание уделяется изучению длительной потенциации и длительной депрессии эффективности возбудительной синаптической передачи (ДП и ДЦ), которые могут участвовать в процессах запоминания и обучения благодаря таким свойствам как входоспецифичность, ассоциативность, аддитивность, а также в связи с тем, что характер модификации зависит от активности пре- и постсинаптической клеток и от предыстории синапса (Tsumoto, 1992; Linden, 1994; Abraham, Bear, 1996). К настоящему времени свойства ДП и ДД наиболее полно изучены в гиппокампе, коре и мозжечке (Скребицкий, 1978; Воронин, 1982; Artola, Singer, 1993; Ito, 1989; Bliss, Collingridge, 1993; Bear, Malenka, 1994). Недавно были обнаружены ДП и ДЦ эффективности тормозной передачи (ДПт и ДДт) в новой коре (Komatsu, Iwakiri, 1993; Силькис, 1994), гиппокампе (McLean et al., 1996) и мозжечке (ДПтм и ДДтм) (Llano et al., 1991; Капо et al., 1992). Модификация торможения также является входоспецифичной и ассоциативной.
В начале 80-х годов значительное внимание уделялось изучению свойств и механизмов ДП; гомосинаптическая ДЦ еще не была обнаружена. Исследования проводились преимущественно на срезах гиппокампа. Поскольку существенную роль в процессах памяти и обучения играет новая кора, в дальнейшем были предприняты исследования особенностей ДП и ДД именно в этой структуре, причем не только на срезах, но и в экспериментах in vivo. Значительный интерес представляет вопрос о том, могут ли в одном и том же синапсе поочередно индуцироваться ДП и ДД? Такой синапс должен обладать качественно новыми свойствами, поскольку ДД препятствует насыщению синапса, вызванного его потенциацией, и может способствовать "забыванию". Большинство исследований посвящено анализу изменений эффективности изолированного входа к нейрону. Однако, не меньший интерес представляет выявление особенностей одновременной модификации эффективности синаптических связей в нейронном ансамбле, включающем таламические и кортикальные клетки, и сравнительный анализ модификации таламических и кортикальных входов к нейрону. Необходимость такого исследования вызвана тем, что от эффективности различных конвергирующих на нейроне возбудительных и тормозных входов зависит его реакция на внешний стимул и конфигурация рецептивного поля (РП). Таким образом, перестройка РП может являться одним из проявлений синаптической пластичности. Действительно, современные исследования показали, что длительные перестройки РП нейронов неокортекса
и таламуса могут иметь место не только на ранних стадиях онтогенеза, но и у взрослы: животных при различного рода воздействиях (Merzenich et al., 1988; Villa et al., 1991; Edelim et al., 1993; Шевелев и др., 1994). Поскольку имеет место топически организованна реципрокная система возбудительных синаптических связей между нейронами релейног ядра таламуса и проекционной зоны неокортекса (Winer, Larue, 1987; Snow et al., 1988^ полагают, что изменения РП кортикальных нейронов могут просто отражать изменения PI нейронов таламуса. Однако не исключено, что перестройка РП нейронов новой Kopi происходит в результате перераспределения относительной эффективности различны конвергирующих на нейроне таламо-кортикальных и кортико-кортикальных возбудительны и тормозных входов.
Механизмы гомосинаптической ДП и ДЦ хорошо изучены для нейронов коры : гиппокампа (НКиГ) (Bliss, Collingridge, 1993; Bear, Malenka, 1994; Lisman, 1994). Показаш что при значительном повышении внутриклеточной концентрации Ca2* преобладае активность протеинкиназ (ПК), которые фосфорилируют АМРА- и НМДА-рецепторь увеличивая их чувствительность к глутамату, в результате чего развивается ДП, а пр небольшом увеличении уровня Са2+ преобладает активность протеинфосфатазы 1 (ПФ1 дефосфорилирующей рецепторы, что приводит к ДД. Общепринятый механиз: модификации возбудительной передачи не позволяет объяснить ряд экспериментальны данных и содержит некоторые противоречия. Например, не объяснены новые данные о ton что концентрация Ca2" или частота стимуляции, при которой развивается ДП или Д1 является величиной не абсолютной, как предполагалось ранее (Artola, Singer, 1993), относительной (O'Dell, Kandel, 1994; Grassi et al., 1996). Зависимость модификации синапс от начальной эффективности принято объяснять наличием переменного порога перехода с ДД к ДП и существованием "метапластичности" (Bear, 1995), базирующейся на изменен» уровня Ca2* и на экспрессии генов. Однако имеются данные, противоречащие этой утверждению (Heynen et al., 1996); кроме того, эффекты, относимые на сч( "метапластичности", входоспецифичны (Huang et al., 1992; Abraham, Bear, 1995), тогда кг специфичность экспрессии генов в отдельных шипиках не показана, а необходимое ju экспрессии генов время превышает те десятки минут, в течение которых развивались ДП ДД. Нельзя считать экспериментально доказанным и наличие переменного nopoi модификации.
Показано, что характер зависимости условий модификации синапсов в НКиГ и в клеп Пуркинье (КлП) мозжечка от посттетанического увеличения концентрации Ca2* различ( (Linden, 1994), однако причины этого феномена не ясны. Полагают, что ДД в КлП (ДД! является следствием фосфорилирования АМРА-рецепторов (Ito, Karachot, 1992), вызванно:
значительным увеличением концентрации Са:\ тогда как малое повышение уровня Са2* приводит к ДПм (Hirano, 1990; Hartell, 1994). Вследствие этого считают, что механизмы индукции ДЦм отличаются от тех, которые лежат в основе ДЦ в НКиГ (Linden, 1994). Если в основе ДЦм лежит фосфорилирование АМРА-рецепторов, то свойства АМРА-рецепторов в КлП и в НКиГ должны отличаться, что экспериментально не доказано. В НКиГ в модификации синапсов участвует цАМФ-зависимая протеинкиназа А (ПКА), а в индукции ДДм участвует цГМФ-зависимая протеинкиназа G (FIKG). При этом предполагают, что цГМФ в КлП образуется под влиянием окиси азота (N0) на растворимую гуанилатциклазу, хотя имеются доказательства того, что N0 не участвует в индукции ДЦм (Linden, 1994).
Модификация торможения также является Са2*-зависимым эффектом, причем в отличие от ДЦ, для индукции ДЦт в коре требуется не уменьшение, а дополнительное увеличение уровня Са2* (Komatsu, 1994). В КлП, наоборот, для индукции ДЦтм необходимо понизить уровень Са2\ тогда как существенное его увеличение приводит к индукции ДПтм (Капо et al., 1992). Поскольку сам феномен модификации торможения обнаружен только недавно, механизмы, лежащие в его основе, не исследованы. К недостаткам современных исследований относится то, что особенности модификации возбуждения изучаются в условиях блокады торможения, а модификация торможения, наоборот - в условиях блокады возбуждения. По-видимому, необходимо изучать взаимовлияние процессов, запускаемых одновременной активацией разных синаптических входов, на модификацию каждого из них. Именно исследование эффективности двух возбудительных входов к нейрону позволило показать, что могут развиваться ассоциативные ДП и ДЦ (ДПа и ДДа) и гетеросинаптические ДЦ и ДП (ДДг и ДПг) (Вебер и др. 1988; Силькис и др., 1993; Linden, 1994; Otani et al., 1995). Следует отметить, что эти эффекты также являются Са2+-зависимыми. Согласно общепринятым представлениям, выполнение принципа Хебба не является обязательным для индукции ДЦг, т.к. этот эффект имеет место в отсутствие синаптической активации. ДДа также рассматривается как "не Хеббовская", поскольку может развиваться, когда активация синаптического входа не сопровождается разрядом гиперполяризованной постсинаптической клетки. К "не Хеббовской" относят и ДП в некоторых путях, где происходят только пресинаптические изменения (Linden, 1994). По-видимому, для решения задач, связанных с обучением, целесообразно, чтобы модификация синаптической передачи определялась как изменением пресинаптической активности, так и реакцией постсинаптической клетки. При выполнении правила Хебба увеличивается информационная емкость нейронного ансамбля (Фролов, Муравьев, 1987). Одной из задач данного исследования являлось создание унифицированной модели, которая позволила бы описать известные виды синаптической пластичности, основываясь на единых принципах, была бы
свободной от противоречий, характерных для общепринятых механизмов пластичности в НКиГ и КлП, и позволила понять экспериментальные данные, кажущиеся парадоксальными с точки зрения существующих представлений.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Определение условий возникновения и свойств длительной потенциации и длительной депрессии возбудительной и тормозной синаптической передачи; исследование пластических перестроек во взаимозависимой фоновой и вызванной активности нейронов в таламо-кортикальных нейронных ансамблях в экспериментах ¡n vivo. Выявление общих принципов и механизмов модификации возбудительной и тормозной синаптической передачи, разработка унифицированной модели синаптической пластичности в различных структурах ЦНС.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Исследовать условия возникновения и свойства длительной посттетанической гомо- и гетеросинаптической потенциации и депрессии возбудительной и тормозной передачи в новой коре.
2. Исследовать функциональную организацию и характер одновременной модификации межнейронных связей, а также особенности пластических перестроек рецептивных полей нейронов в ансамбле, включающем клетки релейного таламического ядра и нескольких локусов соответствующей проекционной зоны новой коры.
3. Выявить общие механизмы, лежащие в основе гомо-, гетеро- и ассоциативной модификации возбудительной и тормозной синаптической передачи в различных структура) ЦНС, разработать унифицированную модель синаптической пластичности, базирующуюс; на собственных и известных из литературы экспериментальных данных.
4. Исследовать влияние параметров стимуляции и функциональных особенностей клето! на характер модификации синаптических входов и изменение реакций нейронов с помощьк математического моделирования постсинаптических процессов; провести сравнительны? анализ экспериментальных данных и результатов моделирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
Применен принципиально новый подход, заключающийся в одновременном исследованш модификации эффективности возбудительных и тормозных входов к нейронам таламо
кортикального ансамбля, а также в изучении пластических перестроек реакций нейронов, тогда как общепринятым является изучение пластичности либо возбудительного, либо тормозного входа к отдельному нейрону.
В таламо-кортикальных нейронных ансамблях в экспериментах in vivo впервые обнаружены: 1) входоспецифичные ДП и ДЦ эффективности возбудительной и тормозной передачи в кортико-кортикальных, таламо-кортикальных и кортико-таламических синапсах; 2) последовательная индукция ДП и ДЦ в одном и том же синапсе; 3) одновременная модификация возбудительных и тормозных входов к нейрону; 4) одновременная модификация связей между многими элементами таламо-кортикальной нейронной сети в результате тетанизации небольшой группы кортикальных или таламических нейронов; 5) одновременная модификация рецептивных полей нейронов из нескольких локусов слуховой коры и медиального коленчатого тела в результате ритмической микростимуляции одного из локусов коры.
Впервые для нейронов новой коры, гиппокампа и клеток Пуркинье мозжечка предложены и подтверждены современными исследованиями: 1) постсинаптический механизм модификации тормозной передачи, основанный на активации ГАМКб-рецепторов; 2) унифицированный постсинаптический механизм, приводящий к одновременной модификации гомо-, гетеро- и ассоциативных возбудительных и тормозных входов к нейрону; 3) нейрофизиологический аналог правила Хебба (модифицируются только те синапсы, которые активируются медиатором); 4) условие, обеспечивающее модификацию эффективности гетеросинаптического входа (должна модифицироваться передача в "общем конечном пути", образованном гомо- и гетеросинаптическими афферентами); 5) условие, обеспечивающее индукцию всех типов ДЦ возбудительной передачи при высокочастотной стимуляции (моносинаптическое возбуждение должно быть дополнено дисинаптическим торможением).
Впервые предложены: 1) механизм, позволяющий при наличии торможения осуществлять длительное относительное усиление (контрастирование) афферентного сигнала на отдельном нейроне; 2) механизм образования цГМФ в клетках Пуркинье, основанный на активации ГАМКб-рецепторов и последующей активации мембрано-связанной гуанилатциклазы (некоторые предсказания, основанные на предложенных механизмах, подтверждены экспериментально).
Различия в характере синаптической пластичности в нейронах новой коры/гиппокампа и клеток Пуркинье мозжечка впервые объяснены участием цАМФ и цГМФ, соответственно.
Впервые с помощью математического моделирования постгетанических процессов в пирамидной клетке показано, что в стационарном состоянии эффективность синапса зависит
только от активности пре- и постсинаптической клеток и не зависит от его начальной эффективности (подтверждено современными исследованиями); на основании этого результата утверждается, что не требуется предполагать наличие "метапластичности".
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ
Проведен сравнительный анализ одновременной модификации эффективности возбудительных и тормозных входов к нейронам таламо-кортикального ансамбля и длительных изменений РП таламических и кортикальных нейронов; предложен унифицированный механизм синаптической пластичности для нейронов новой коры, гиппокампа и клеток Пуркинье мозжечка, согласно которому одни и те же постсинаптические процессы лежат в основе гомо-, гетеро- и ассоциативной ДП, ДД и депотенциации возбудительной и тормозной передачи; сформулированы новые правила синаптической модификации; продемонстрирована независимость постгетанической эффективности синапса в стационарном состоянии от его предыдущей истории; выявлена зависимость характера модификации синаптического входа от параметров его стимуляции. Результаты настоящего исследования позволяют обобщить и систематизировать накопленные к настоящему времени экспериментальные данные. Выявленные особенности и механизмы пластичности могут способствовать более глубокому пониманию процессов лежащих в основе обучения; использоваться при планировании экспериментов, цельк которых является дальнейшее изучение механизмов модификации синаптической передачи; применяться при разработке моделей обучения и памяти, основанных на нейронных сетях с синаптической пластичностью. Полученные результаты могут быть использованы пр! чтении лекций по курсам нейрофизиологии, биохимии и биофизики в высших учебны? заведениях.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Единый постсинаптический механизм лежит в основе длительной потенциации I длительной депрессии эффективности гомо-, гетеро- и ассоциативных возбудительных I тормозных входов к нейронам новой коры, гиппокампа и клеткам Пуркинье мозжечка. Пр1 наличии дисинаптического торможения гомо-, гетеро- и ассоциативные возбудительны! входы к нейронам новой коры и гиппокампа в результате тетанизации могут переходить и потенциированного состояния в депрессированное, что обеспечит "активное забывание".
2. В зависимости от параметров ритмической активации нескольких кортикальных ил1 таламических нейронов эффективность возбудительных и тормозных связей между многим] элементами таламо-кортикального нейронного ансамбля модифицируется различны;
образом. Такая модификация может лежать в основе одновременного взаимозависимого "переобучения" нейронов ансамбля, проявляющегося в длительном изменении рецептивных полей нейронов, т.е. в изменении реакций нейронов на внешние стимулы .
3. Взаимозависимая модификация конвергирующих на нейроне возбудительных и тормозных входов, возникающая в результате ритмической активации одного входа, определяет длительное изменение результирующей реакции нейрона на афферентный сигнал. Модифицируемое торможение может способствовать относительному усилению (контрастированию) активируемого возбудительного входа. В основе контрастирования лежат взаимосвязанные внутриклеточные процессы, протекающие в дендритных шипиках нейрона.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Материалы диссертации доложены на международном физиологическом конгрессе (Будапешт, 1980), на XXVIII совещании по высшей нервной деятельности (Ленинград 1989), на конференции " Нейронные механизмы памяти и обучения" (London 1990), на семинаре отделения нейрофизиологии Пенсильванского Университета (Филадельфия, 1992), на лабораторной конференции в Рокфеллеровском центре (Нью-Йорк, 1992), на международном симпозиуме "Физиологические и биохимические основы активности мозга (С-Петербург, 1994), на международном симпозиуме "Обучение и память" (Магдебург, 1995), на семинаре Института Физиологии Лозаннского Университета (Лозанна, 1996), на международном симпозиуме "Нейронное кодирование" (Париж, 1997); на международном физиологическом конгрессе (С-Петербург, 1997); на ежегодных конференциях Института ВИД и НФ РАН (1990-1996).
ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертации опубликовано 40 работ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения; литературного обзора; описания методов иследования, трех экспериментальных глав, включающих обсуждение; трех теоретических глав; заключения; выводов; списка литературы. Работа изложена на 250 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц, 50 рисунков. Список литературы включает 523 источника.
ГЛАВА II. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для решения поставленных задач использовали различные экспериментальные подходы:
изучали пластические перестройки на одном нейроне, в группе из нескольких соседних клеток, в ансамбле, содержащем нейроны из разных локусов коры и таламуса. При этом исследовали длительные изменения эффективности одного или нескольких моно- и полисинаптических входов к нейрону; определяли характер модификации моносинаптических связей в таламо-кортикальном нейронном ансамбле параллельно с пластическими перестройками рецептивных полей кортикальных и таламических нейронов, а затем сопоставляли эти изменения.
ДВЕ СЕРИИ экспериментов проведены в острых опытах на 20 взрослых кошках, обездвиженных d-тубокурарином и находившихся под нембуталовым наркозом (15-20 мг/кг). Раздражающие электроды (нихромовую проволоку диаметром 100-200 мкм) стереотаксически вживляли в вентролатеральное (BJI) и вентропостеролатеральное (ВПЛ) ядра таламуса, красное ядро (КЯ), пирамидный тракт (ПТ), наружное коленчатое тело (НКТ) и в область зрительной радиации. Локализацию электродов контролировали морфологически. Импульсные реакции нейронов моторной коры (МК) и нейронов, расположенных на границе 17/18 полей зрительной коры (ЗК), регистрировали стеклянными микроэлектродами (МЭ), заполненными 2,5М раствором NaCl. Определяли индекс моносинаптического разряда (ИМР) как вероятность возникновения этих разрядов на предъявление серии из 10 тест-стимулов с частотой 0,05-0,1 Гц. К моносинаптическим относили реакции, разброс латентных периодов (ЛП) которых не превышал 0,2-0,4 мс, и которые воспроизводили частоту тестирования 100-300 Гц (Berry, 1976). Кондиционирующее раздражение, длившееся 0,5-1,5 мин, представляло собой пачки из 4 импульсов (амплитудой 0,3-3,0 мА и длительностью 0,1 мс) с частотой 100 Гц; периодичность пачек повторяла межспайковые интервалы в спонтанной активности нейрона ПТ. Чтобы исключить влияние на кору эффектов, возникающих в таламусе вследствие тетанизации, в двух опыта> осуществляли электрокоагуляцию НКТ и тетанизировали зрительную радиацию. Реакцш нейронов в пре- и постгетаническом периоде исследовали не менее часа. Значимосп изменений ИМР оценивали по критерию Стьюдента (р< 0,01); дисперсии сравнивали пс критерию Фишера.
В ТРЕТЬЕЙ СЕРИИ экспериментов, также проведенной в острых опытах н; наркотизированных и обездвиженных кошках, раздражающие электроды помещали i сенсорную кору (СК), в ПТ, ВЛ, ВПЛ, в симметричную точку коры контралатеральног полушария (КК). Мультинейронную активность регистрировали в 44 микроучастках МК, каждом из которых по крайней мере один из нейронов отвечал моносинаптическим! разрядами на раздражение одного или двух входов. В этих опытах потенциалы действи: (ПД) нейронов четко различались по форме. Отличались и ЛП ответов этих нейронов. Дт
каждого из нейронов в серии из 10 тест-проб определяли число импульсов в моно- и полисинаптическом разряде. В остальном использовали ту же методику, что и в первых двух сериях экспериментов.
ЧЕТВЕРТАЯ СЕРИЯ экспериментов, выполненная в Пенсильванском Университете, проведена на 27 взрослых крысах, наркотизированных кетамином и нембуталом. В вентральную часть медиального коленчатого тела (MKT) погружали один-два вольфрамовых МЭ. Определяли РП клеток MKT и фиксировали МЭ акрилатом. В поле Al слуховой коры (СлК) регистрировали мультинейронную активность с помощью линейки из 3-4 фиксированных МЭ, расстояние между которыми составляло 400-500 мкм. Линейка располагалась в ростро-каудальном направлении. С целью регистрации активности тонотопически связанных нейронов коры и тал&муса, в начале эксперимента в одном из локусов СлК находили нейроны, РП которых были сходными с РП нейронов MKT. Для определения РП использовали 15 звуковых тонов в интервале 4-45 кГц, подававшиеся в случайном порядке. Каждый тон предъявляли 50 раз. РП представляли в виде нормированной постстимульной гистограммы (ПСГ). РП исследовали не менее одного-двух часов до и одного-двух часов после микростимуляции (МКС), осуществляемой через один из регистрирующих МЭ в коре. МКС представляла собой пачки из 13 импульсов тока амплитудой 5 мкА и частотой 200 Гц, предъявлявшиеся с частотой 2 Гц в течение двух часов. Спайки отдельных нейронов выделяли по форме ПД. Определяли среднюю частоту и рассчитывали авто- и кросскорреляционные гистограммы (АКГ и ККГ). При построении ККГ действие стимула исключалось. Значимые пики на ККГ с 95% вероятностью отличались от случайных событий. ККГ и АКГ строили при большом и малом разрешении. Эпоха анализа составляла, соответственно, 15-20 и 50-100 мс. К моносинаптическим кортико-кортикальным связям, определенным по ККГ, относили связи, ЛП которых не превышали 3 мс. Эффективность возбудительной связи определяли по величине ЛП и по отношению амплитуды несимметричного пика на ККГ к средней амплитуде, рассчитанной для всех бинов гистограммы, исключая бины, образующие пик. Эффективность торможения, проявлявшегося на ККГ в виде несимметричного "провала", определяли по длительности и глубине "провала". Глубину тормозной паузы оценивали как отношение средней амплитуды в тех бинах гистограммы, в которых наблюдался "провал", к средней амплитуде, рассчитанной для всех остальных бинов гистограммы. Стабильность связи до МКС контролировали в течение одного-двух часов. После МКС изменения связей прослеживали также в течение одного-двух часов. В контрольных экспериментах в отсутствие воздействий в течение 6-8 часов вариабельность связей, оценивавшихся по указанным параметрам, обычно не превышата 20-30%. Связь считали изменившейся, если после МКС величина хотя
бы одного из параметров, принятого для оценки данного вида взаимодействия, менялась более чем на 50%.
ГЛАВА III.
ДЛИТЕЛЬНЫЕ ПОСТТЕТАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ В МОТОРНОЙ И ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЕ КОШКИ
Некоторые свойства гомо- и гетеросинаптическон ДП и ДЦ в таламо-кортнкальных и кортико-кортикальных синапсах.
Посттетанические ДП и ДЦ моносинаптических разрядов нейронов МК, ЗК и СК на раздражение одной из структур - ВЛ, ВПЛ, НКТ, КЯ, ПТ или КК проявлялись в виде увеличения и уменьшения ИМР, а также уменьшения и увеличения ЛП моносинаптических разрядов. Эффекты наблюдались на тетанизируемом входе, т.е. являлись входоспецифичными. После коагуляции НКТ тетанизация зрительной радиации также приводила к ДП, что свидетельствует о посттетанических изменениях эффективности кортико-кортикальных синапсов в отсутствие влияний из таламуса. Особое внимание было уделено исследованию ранее не изученных свойств ДД в коре. Уменьшение ИМР наблюдалось в результате тетанизации ВЛ в 35% случаев (N=49); СК - в 50% случаев (N=44); КЯ - в 22% случаев (N=9); НКТ - в 13% случаев (N=32). Повторная тетанизация могла приводить к усилению эффекта ДД (свойство аддитивности). В ряде случаев ДД удавалось индуцировать лишь в результате увеличения силы и/или длительности тетанизации (свойство кооперативное™). Для 9 нейронов ДД наблюдалась только в результате одновременного кондиционирования двух входов (свойство ассоциативности). Эти свойства аналогичны тем, которые присущи ДП. При последовательном увеличении силы тетанизации ДД сменялась ДП. В ряде опытов одновременно наблюдались ДЦ моно- и ДП полисинаптических ответов. ДП (ДД) не сопровождались увеличением (уменьшением) фоновой частоты исследуемых нейронов. Эти наблюдения могут свидетельствовать о том, что модификация эффективности синапсов не была обусловлена изменением возбудимости постсинаптических клеток.
ДЦг была выявлена в 40% случаев (N=22). В основном ДДг индуцировалась тогда, когде на гомосинаптическом входе развивалась ДП, но могла наблюдаться и тогда, когда на гомосинаптическом входе возникала ДД либо модификация отсутствовала. В двух опытах е результате тетанизации ПТ наблюдали гетеросинаптическую ДПг на раздражение ВЛ Корреляции между возможностью индукции ДЦг и модальностью входа не обнаружено. ДД] можно рассматривать нами как ассоциативный эффект, поскольку для ее возникновенш необходимо, чтобы постсинаптическая клетка разряжалась за счет активации других входов
В тех опытах, в которых клетки отвечали моносинаптическими разрядами на 3 разномодальных раздражения, ДП на тетанизируемом входе могла сопровождаться ДДг на обоих некондиционированных входах; либо на одном из входов наблюдалась ДДг, на другом - ДПг. Таким образом, гетеросинаптические эффекты нельзя рассматривать как неспецифические. Если первоначальная тетанизация не приводила к модификации гомо- и гетеросинаптических входов, индукции ДД' и ДДг способствовало увеличение силы кондиционирования (свойство кооперативности). В ряде случаев ДДг на одном из трех входов развивалась только после совместной тетанизации двух других. Эти данные свидетельствуют о присущем ДДг свойству кооперативности. На основании полученных результатов предположено, что ДДг, также как и ДП и ДД возникает лишь при достижении определенного уровня деполяризации мембраны.
Особенности посттетаннческой модификации возбудительной н тормозной передачи в нейронных микросетях новой коры.
В 44 микроучастках МК сопоставляли постгетанические изменения моно- и полисинаптических реакций соседних нейронов. ДП таламо-кортикальных синапсов обнаружена в 20% случаев. Полисинаптические реакции потенциировались в 70% случаев. Эти данные позволяют заключить, что кортико-кортикальные синапсы, обеспечивающие полисинаптическое проведение, модифицируются лучше таламо-кортикальных. В 32 микроучастках МК из мультинейронной активности была выделена импульсация 164 клеток. Межнейронные взаимодействия оценивали для 870 нейронных пар, при этом по ККГ было выявлено 144 (17%) возбудительных и 8 (1%) тормозных моносинаптических связей. Модификация связей между соседними нейронами в микроучастке МК проявлялась в виде ДП и ДД эффективности как возбудительной, так и тормозной передачи. Модифицировалось 70% первоначально эффективных кортикальных связей. Такой же процент модифицированных кортикальных связей был получен на основании анализа полисинаптических ответов. ДД наблюдалась значительно чаще после стимуляции BJI, чем после стимуляции СК или КЯ (табл. 1).
Таблица 1. Количественное распределение модифицированных моносинаптических
возбудительных связей между соседними нейронами МК
Тетанизируемая Число Число модифицированных связей (%)
структура исследованных связей
ДП ДЦ Всего
СК 51 40 20 60
ВЛ 66 32 43 75
КК 10 60 20 80
КЯ 37 60 14 74
Исследование моносинаптических тормозных связей показало, что тормозный нейрон МК может активироваться несколькими соседними клетками и оказывать влияние на несколько соседних клеток. Наблюдалась как ДПт, так и ДДт. Были выявлены следующие особенности модификации синаптических входов: а) эффективность синапсов, образованных аксонными коллатералями одной клетки на соседних нейронах, могла изменяться различным образом; б) при наличии в микросети нейронов, на которых конвергировали несколько возбудительных входов, тетанизация приводила к ДП большинства из них; в) при наличии моносинаптического возбуждения и дисинаптического торможения между соседними нейронами ДПт (ДДт) развивалась одновременно с ДЦ (ДП). В В экспериментах последовательно (с интервалом не менее двух часов) тетанизировали два различных таламических ядра, либо ВЛ и СК. В результате тетанизации разных структур в нейронной микросети создавались и сохранялись в течение десятков минут различные паттерны межнейронных связей. Эти паттерны складывались за счет облегчения/проторения передачи в одних синапсах и за счет депрессии/блокирования передачи в других синапсах.
ГЛАВА IV.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И МОДИФИКАЦИЯ МЕЖНЕЙРОННЫХ СВЯЗЕЙ В ТАЛАМО-КОРТИКАЛЬНЫХ СЕТЯХ, ВКЛЮЧАЮЩИХ КЛЕТКИ СЛУХОВОЙ КОРЫ И МЕДИАЛЬНОГО КОЛЕНЧАТОГО ТЕЛА.
Особенности функциональной организации возбудительных и тормозных связен.
В исследованных нейронных ансамблях, включающих клетки СлК и MKT, взаимозависимая работа нейронов проявлялась на ККГ в виде возбудительных связей и/или в виде синхронизации, обычно объясняемой действием "общего источника", (табл. 2). Моносинаптические возбудительные связи выявлялись между всеми элементами таламо-кортикального ансамбля. Число связей убывало с увеличением расстояния между МЭ.
Таблица 2. Количественное распределение возбудительных связей в талачо-
кортикальных нейронных сетях
Тип связей Расстояние между электродами (мкм)
и число связей (%)
Кортико- <200; 400-500; 800-1000;
кортикальные 15,0 (N=242) 12,2 (N=206) 7,2 (N=124)
Таламо- <200; 300-400;
таламическне 21,0 (N=204) 10,0 (N=110)
Таламо- Топически связанные локусы Топически не связанные локусы
кортикатьные 11,6 (N=448) 7,6 (N=300)
В каждом эксперименте рассчитывали ККГ для всех возможных комбинаций пар нейронов, расположенных в разных локусах СлК и MKT, и составляли схему организации связей в сети. Выявлены реципрокные таламо-кортикальные и кортико-кортикальные возбудительных связи. Обнаружено, что один и тот же нейрон MKT (СлК) может одновременно возбуждать как соседние клетки, так и нейроны из одного или нескольких локусов СлК (MKT) (дивергентность); а также, что нейрон СлК (MKT) может одновременно возбуждать клетки, расположенные в разных локусах СлК и MKT (конвергентность).
Характерно, что в случае наличия в таламо-кортикальной сети тормозного интернейрона его действие наблюдалось в ККГ для нескольких нейронных пар. Торможение обнаружено в 30 нейронных парах из 1234 (2%). В трех опытах ЛП тормозных связей не превышал 1,5 мс и они были отнесены к моносинаптическим. По-видимому, в этих опытах непосредственно регистрировали активность тормозных интернейронов. Тормозные взаимодействия проявлялись между различными элементами .таламо-кортикальной сети; их длительность (протяженность "провала" на ККГ) составляла десятки или сотни мс. Особенности функционирования тормозных нейронов СлК заключались в следующем: а) нейрон мог избирательно тормозить только одну соседнюю клетку либо активность нескольких клеток, удаленных друг от друга более чем на 1 мм (дивергентность); б) на один тормозный нейрон оказывали возбудительное действие клетки, расположенные в разных локусах СлК и MKT (конвергентность); в) одновременное афферентное торможение удаленных клеток СлК могло приводить к синхронизации их активности. . Кортико-фугатьные тормозные нейроны также обладати "дивергентными" свойствами и могли одновременно тормозить активность клеток как MKT, так и СлК. В MKT нами зарегистрирован "дивергентный" тормозный нейрон, одновременно тормозивший активность соседних клеток MKT и нейронов из разных локусов СлК. Этот результат согласуется с данными современных морфологических и электрофизиологических исследований, хотя ранее полагали, что таламо-кортикатьные входы являются возбудительными.
Модификация эффективности возбудительных н тормозных связен.
Посттетанические изменения эффективности возбудительных связей исследованы для 1070 нейронных пар; число выявленных связей составило 210. Обнаружено, что в результате МКС небольшой группы нейронов СлК модифицировались связи между многими регистрировавшимися элементами нейронной сети кора-таламус-кора. Изменения, проявлявшиеся в виде ДП и ДЦ, наблюдались в 70% случаев. Эффективность остальных связей значимо не изменялась в течение всего времени эксперимента; эти случаи могут являться свидетельством стабильности связей. В основном потенциировались связи между
нейронами стимулируемого и соседнего локусов коры и связи между тонотопически связанными нейронами СлК и MKT. Характер модификации синапсов, образованных аксонными коллатералями одной клетки на нескольких элементах сети, мог быть различным. В каждой сети имелись нейроны, на которых складывались более благоприятные (по сравнению с другими элементами) условия для индукции ДП.
Наблюдались также ДП и ДД эффективности моно- и дисиналтической тормозной передачи между различными элементами сети. ДПт наблюдалась одновременно с увеличением частоты фоновой импульсации тормозного нейрона либо нейрона, являвшегося пресинаптическим по отношению к тормозному. Таким образом, ДПт могла являться следствием увеличения выброса ГАМК. С другой стороны, эффективность тормозного действия одного нейрона на разные постсинаптические клетки могла изменяться разнонаправленно, что свидетельствует об участии постсинаптических процессов в модификации торможения. На разных входах одной постсинаптической клетки могли наблюдаться одновременно ДПт и ДП. Кроме того, ДПт (ДДт) на одном из входов не сопровождалась уменьшением (увеличением) частоты импульсации постсинаптической клетки. Эти результаты дают основания полагать, что модифицируемые тормозные синапсы располагаются не на соме постсинаптического нейрона, что привело бы к изменению возбудимости всей клетки, а на дендритных шипиках.
Глава V.
ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ
ПЕРЕСТРОЙКИ РЕЦЕПТИВНЫХ ПОЛЕЙ НЕЙРОНОВ В ТАЛАМО-КОРТИКАЛЬНЫХ СЕТЯХ, ВКЛЮЧАЮЩИХ КЛЕТКИ СЛУХОВОЙ КОРЫ И МЕДИАЛЬНОГО КОЛЕНЧАТОГО ТЕЛА
Характер рецептивных полей нейронов, расположенных в различных локусах СлК и MKT.
РП нейронов, расположенных в нескольких локусах СлК и в MKT, исследовались одновременно. По характеру РП было выделено три типа нейронов: моно-, би- и полимодальные (табл.3).
Таблица 3. Количественное соотношение нейронов СлК и MKT с разными типами РП.
Структура Число клеток Типы рецептивных полей Мономодальные Бимодальные Полимодальные
СлК MKT 124 43 49% 24% 27% 61% 27% 12%
В СлК число полимодальных клеток, т.е. клеток, у которых наблюдались ответы во всем спектре звуковых частот, вдвое превышало число таких нейронов в MKT. Это может быть связано с более высоким уровнем конвергенции сигналов на нейронах СлК. В 12 из 22 (55%) микроучастков СлК и в 9 из 12 (75%) микроучастков MKT РП соседних нейронов были сходными. Исследование РП показало, что нейроны, располагающиеся в каудальной части поля AI, отвечают преимущественно на тоны низкой частоты, а клетки, расположенные в ростральной части - на тоны высокой частоты: т.е. соблюдается известный характер тонотопической организации (Sally, Kelly, 1991). Однако, имело место и обратное соотношение. Показано также, что РП соседних нейронов СлК (или MKT) могут быть различными, и наоборот, РП нейронов СлК, удаленных друг от друга в ростро-каудальном направлении более чем на один мм, могут быть сходными.
Пластические перестройки рецептивных полей нейронов СлК и MKT, вызванные микростимуляцией СлК.
МКС одного из локусов СлК могла приводить к изменениям РП нейронов в стимулируемом и соседних локусах СлК, а также в тонотопически связанных с ними локусах MKT. Изменения РП сохранялись в течение всего времени наблюдения (не менее часа). Они проявлялись в смещении предпочтительной частоты, в изменении модальности, ширины моды, избирательности к тонам определенной частоты. Изменения РП наблюдались в стимулируемом микроучастке коры у 75% клеток (N=34), в близлежащем локусе коры - у 42% нейронов (N=34), в отдаленных локусах коры - у 55% клеток (N=23), в таламусе - у 57% нейронов (N=35). Ответы одного и того же нейрона СлК (или MKT) на тоны разной частоты могли изменяться различным образом. Одним из механизмов, лежащих в основе этого феномена, может являться различный тип модификации (ДП или ДД) эффективности возбудительных и тормозных синапсов, оканчивающихся на нейроне. РП тонотопически связанных нейронов СлК и MKT изменялись преимущественно сходным образом. С другой стороны, РП соседних нейронов, которые для 50% микроучастков СлК до МКС были сходными, могли существенно различаться после МКС. По-видимому, это связано с разной функциональной организацией локальных цепей, в которые были включены эти нейроны. Сопоставление результатов этой и предыдущей главы дают основания полагать, что изменения эффективности синаптической передачи, возникающие в различных звеньях цепи кора-таламус-кора, могут лежать в основе длительных изменений РП кортикальных и таламических нейронов, вызванных МКС коры,
18
ГЛАВА VI.
УНИФИЦИРОВАННЫЙ ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ, ЛЕЖАЩИЙ В ОСНОВЕ РАЗНЫХ ВИДОВ ПЛАСТИЧНОСТИ В НОВОЙ КОРЕ И ГИППОКАМПЕ,
Оригинальные экспериментальные данные, использованные при разработке унифнцировашшой модели синаптической пластичности.
Основой для создания унифицированной модели синаптической пластичности послужили следующие полученные нами экспериментальные данные и вытекающие из них предположения. 1) Были обнаружены модифицируемые тормозные синапсы, свойства которых позволили предположить, что они находятся не на соме, а на дендритных шипиках. Таким образом, в модификации торможения могут участвовать располагающиеся на шипиках метаботропные ГАМКб-рецепторы. 2) Показана входоспецифичность модификации торможения и возможность последовательной индукции ДПт и ДЦт в одном и том же синапсе. Это позволяет провести аналогию с известным механизмом пластичности возбудительной передачи и предположить наличие общих механизмов, лежащих в основе ДПт и ДЦт. 3) Установлено, что на знак модификации тормозного входа влияют условия стимуляции. Этот результат может свидетельствовать о зависимости характера модификации от количества выделившегося медиатора. 4) Обнаружено, что характер модификации синапсов, образованных аксонными окончаниями одной пресинаптической клетки (возбудительной либо тормозной) на разных постсинаптических нейронах является разнонаправленным. Эти данные указывают на участие в модификации постсинаптических процессов. 5) Показано, что ДП и ДЦ могут быть последовательно индуцированы в одном синаптическом пути при одинаковых параметрах предыдущей и последующей стимуляции. Этот результат позволяет предположить, что в возникновении ДЦ может участвовать неконтролируемое дисинаптическое торможение. 6) Обнаружен разнонаправленный характер модификации моно- и дисинаптической реакций нейрона. Этот результат может свидетельствовать о влиянии интернейронов на модификацию передачи в дисинаптической цепи. 7) Установлено, что в случае моносинаптического возбуждения и дисинаптического торможения клетки-мишени ДП (ДЦ) возбудительного входа сопровождается одновременной ДЦ (ДП) тормозного входа. Таким образом, модификация одновременно активируемых входов к нейрону является взаимозависимой. 8) Выявлено сходство свойств гетеро- и гомосинаптических эффектов. Эти данные указывают на возможное сходство механизмов, лежащих в основе разных типов пластичности. 9) Обнаружена гетеросинаптическая потенциация в дисинаптическом пути в отсутствие моносинаптического возбуждения клетки-мишени. Для объяснения этого эффекта
предположена модификация передачи в "общем конечном синаптическом пути". 10) Показано, что характер модификации синапса не коррелирует с постгетаническим изменением средней частоты импульсации постсинаптического нейрона. Этот результат свидетельствует о независимости модификации синапса от изменений возбудимости сомы клетки.
Предлагаемый механизм модификации эффективности тормозной передачи.
Предложенный механизм модификации тормозной передачи (Силькис, 1995) основан на том, что модификация торможения имеет место только в тетанизируемом пути (Komatsu, 1993), т.е. в результате воздействия ГАМК на рецепторы. Последовательность процессов, которая могла бы привести к модификации тормозной передачи, схематически представлена на рис.а. Мы основывались на известных данных о том, что активация метаботропных ГАМКб-рецепторов, располагающихся на дендритных шипиках (Kanter, Haberly, 1993), приводит к уменьшению концентрации Ca2* и цАМФ (Kuriyama et al., 1993) и, следовательно, к инактивации ПКА и других ПК. Кроме того, нами использованы известные из литературы данные о том, что Ca2* и ПК принимают участие в модификации не только возбудительной передачи, но и тормозной. Примечательно, что одни и те же ПК фосфорилируют как глутамат-, так и ГАМК-чувствительные рецепторы (Sigel, Baux, 1988). В отношении тормозной передачи показано, что увеличение уровня Ca2*, активация ПК и последующее фосфорилирование ГАМКа-рецепторов приводят к снижению их чувствительности и уменьшению амплитуды ТПСП (Moss et al., 1992; Krishek et al., 1994), a инактивация ПК, т.е. уменьшение степени дефосфорилирования ГАМК-рецепторов, приводит к длительному увеличению амплитуды ТПСП (Porter et al., 1990). Недавно получено прямое экспериментальное доказательство (Komatsu, 1996) выдвинутого нами предположения о необходимости активации ГАМКб-рецепторов для индукции ДПт. Косвенным свидетельством в пользу этого предположения могут служить данные о депрессии ТПСП в результате инактивации G-протеина (Lambert, Wilson, 1993). Следует отметить, что предложенный механизм модификации тормозной передачи аналогичен общепринятому механизму модификации возбудительной передачи, который заключается в следующем: активации АМРА-, НМДА- и метаботропных глутаматных (мГлу)-рецепторов приводит к увеличению уровня Ca2* и концентрации цАМФ, а также к активации различных ПК (рис.а). При значительном повышении концентрации Ca2* ПК фосфорилируют AMP А- и НМДА-рецепторы, увеличивая их чувствительность к глутамату, в результате чего наблюдается ДП, а при небольшом увеличении уровня Ca2* преобладает активность протеинфосфатазы 1 (ПФ1), дефосфорилирующей рецепторы, что приводит к ДД.
а
1 Г
N0
Рис.1. Схема посттетанических процессов в дендритном шипике, приводящих к одновременной модификации возбудительной и тормозной синаптической передачи в пирамидном нейроне коры/(гиппокампа (а) и клетке Пуркинье (б).
АМРА, НМДА, мГлу -рецепторы, чувствительные к глутамату; ГАМКа, ГАМКб -рецепторы, чувствительные к ГАМК; СаМ - кальмодулин; ПФ2В - кальцинейрин; ПКА, ПКС, ПКО и СаМКН - протеинкиназы А, С, в и кальций-кальмодулин-зависимая; ПФ1 -протеинфосфатаза 1; И1, в (й-субстрат) - ингибиторы ПФ1.ПК - протеинкиназы. Стрелка -увеличение; квадрат - уменьшение.
Предполагаемый механизм одновременной модификации эффективности возбудительной и тормозной передачи.
Наиболее важным в предложенном механизме является то, что активация глутамат-чувствительных- и ГАМК-чувствительных рецепторов приводит к разнонаправленным воздействиям на внутриклеточные метаболиты. Увеличенный выброс глутамата приводит к повышению уровня Са~* и активации ПК, а увеличенный выброс ГАМК - к снижению уровня Са:* и к инактивации ПК (рис.а). Согласно современным данным, глутамат-чувствительные и ГАМК-чувствительные рецепторы могут располагаться на одном шипике (Dehay et al., 1991; Fifkova et al., 1992). Поскольку ЛП моносинаптического ВПСП и дисинаптического ТПСП различаются мало (Miles, 1990), при тетанизации афферентного входа глутамат-чувствительные- и ГАМК-чувствительные рецепторы могут активироваться почти одновременно. Если в результате тетанизации в шипике преобладает активность ПК, рецепторы фосфорилируются и развиваются ДП с ДДт, а если превалирует активность ПФ1, рецепторы дефосфорилируются и индуцируются ДД с ДПт. Для того, чтобы в результате высокочастотной стимуляции (ВЧС) развилась ДД, необходимо понизить уровень Са2* по отношению к уровню, вызванному предыдущей стимуляцией возбудительного входа, и уменьшить активность ПК. Этого можно достигнуть, вовлекая торможение и активируя ГАМКб-рецепторы. Действительно, показано, что использование антагониста ГАМКб-рецепторов препятствует индукции ДД, в то время как в присутствии антагониста ГАМКа-рецепторов ДД развивается (Wagner, Alger, 1995).
Предполагаемое участие торможения в модификации эффективности гетеросинаптического входа.
При разработке унифицированной модели ' пластичности постулировано, что все типы синаптической модификации подчиняются правилу Хебба. Для того, чтобы это правило выполнялось, необходимо предположить, что могут модифицироваться только те рецепторы, которые активируются медиатором (Силькис, 1995). Правильность этого предположения подтверждается экспериментальными данными (Otani et al., 1996; Christie, Johnston, 1996). В соответствии с принятым постулатом, возбудительный гетеросинаптический вход, не активируемый во время тетанизации, не должен модифицироваться. Предположено что изменение гетеросинаптического ПСП представляет собой отражение изменения амплитуды ТПСП, в то время как амплитуда ВПСП не меняется. Согласно принятой нами гипотезе, для индукции ДДг необходимо и достаточно, чтобы гомо- и гетеросинаптические афференты конвергировали не только на клетке-мишени, но и на "общем" тормозном нейроне, являющемся входным по отношению к клетке-мишени, а также чтобы изменилась эффективность передачи в "общем конечном тормозном пути". Наличие "общих" тормозных
нейронов подтверждено морфологическими и электрофизиологическими исследованиями (Buzsaki, 1982). Для модификации эффективности тормозного входа в шипике, на котором оканчиваются гетеросинаптические афференты, должны иметься ГАМК-рецепторы и должна измениться концентрация Са2*. Молекулы Са2* не диффундируют через шейку шипика, на котором оканчиваются тетанизируемые афференты, однако необходимое увеличение уровня Са2" в шипике, где оканчиваются гетеросинаптические афференты, может произойти вследствие распространения к нему деполяризационного потенциала и открывания ПЗСК. В дальнейшем при поступлении на гетеросинаптический вход тестирующего сигнала в результате суммации не изменившегося ВПСП с измененным ТПСП должна наблюдаться модификация суммарного ПСП. При значительном увеличении концентрации Са2*, вследствие преобладания активности ПК, могут индуцироваться ДДг и ДПг, тогда как для индукции ДПт и ДДг необходимо, чтобы увеличение уровня Са2* было небольшим и преобладала активность ПФ1. Наличие в синапсе, где оканчиваются гетеросинаптические афференты, ГАМКб-рецепторов может препятствовать существенному увеличению концентрации Са2*. Подтверждением участия ГАМКб-рецепторов в индукции ДДг могут служить данные о том, что использование антагониста ГАМКб-рецепторов или блокирование ПЗСК препятствовало возникновению ДДг (Davies, Collingridge, 1989; Wickens, Abraham, 1991)
ГЛАВА VII.
ИССЛЕДОВАНИЕ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Са2*-ЗАВИСИМЫХ
БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПИРАМИДНОЙ КЛЕТКЕ ОБЛАСТИ САЗ
ГИППОКАМПА
Зависимость характера модификации сииаптического входа от параметров ритмической стимуляции, посттетаничсского увеличения концентрации Са2* и от предшествующей активации.
Взаимосвязанные посттетанические метаболические процессы, протекающие в дендритном шипике пирамидного нейрона области САЗ пшпокампа и приводящие к модификации синаптической передачи, исследовались нами с помощью специально разработанной математической модели (Мурзина, Силькис, 1996), позволяющей рассчитать число фосфорилированных рецепторов (Рф) в зависимости от параметров стимуляции. В отличие от экспериментальных исследований механизмов синаптической пластичности, моделирование позволяет исключить такие неконтролируемые эффекты как
неспецифичность некоторых апплицируемых веществ; их одновременное влияние на пост- и на пресинаптическую клетку; их воздействие на множество соседних шипиков, добавляющее к гомосинаптическим эффектам ассоциативные и гетеросинаптические. Выполнение принципа Хебба в модели обеспечивается принятым нами постулатом, что место присоединения или отсоединения фосфора. на рецепторе становится доступным для протекания реакции, только если на рецептор действует медиатор. Правильность такого предположения в настоящее время подтверждена экспериментально (Nakazawa et al., 1995). Моделирование показало, что число Рф монотонно возрастает при увеличении частоты стимуляции и повышении постсинаптической концентрации Са2\ причем наибольшее влияние на степень фосфорилирования рецепторов оказывают ПКА и ПФ1, а значение Рф определяется отношением ПК/ПФ1.
Из результатов моделирования следует, что при достижении стационарного состояния эффективность синапса не зависит от его предшествующей эффективности, а определяется только количеством медиатора, выделившегося при ритмической стимуляции. Этот важный вывод подтверждают экспериментальные данные о том, что одно и то же посттетаническое увеличение амплитуды ВПСП имеет место на предварительно не стимулировавшемся входе и на входе, на котором ранее была индуцирована ДЦ (Wexler, Stanton, 1993; Heynen et al., 1996; Staubli, Chun, 1996; Debanne et al., 1997). Следовательно, нет необходимости в таком феномене как "метапластичность", предложенном для объяснения зависимости характера модификации от предыстории синапса (Abraham, Bear, 1996). Характер модифичшии (ДП или ДД) определяется разницей между числом фосфорилированных рецепторов до и после тетанизации. Таким образом, для модификации синаптической передачи необходимо не только совпадение активности пре- и постсинаптической клеток, но также изменение активности пре- и/или постсинаптической клеток в течение времени, достаточного для изменения отношения ПК/ПФ1 в постсинаптическом нейроне. Из монотонного характера зависимости Рф от частоты следует, что увеличение (уменьшение) Рф, т.е. индукция ДП (ДД) может иметь место лишь в случае, если частота тетанизации больше (меньше) частоты предшествующей стимуляции. Используя одну и ту же частоту стимуляции, можно индуцировать ДП или ДЦ в зависимости от того, является ли эта частота больше или меньше предшествующей. То же относится и к постгетаническому изменению уровня Са'". Следовательно, частота стимуляции (концентрация Са2*), при которой может развиваться ДП или ДД, является величиной не абсолютной, а относительной. Это следствие моделирования подтверждается экспериментальными данными (Grassi et al., 1996). Из монотонной зависимости Рф от частоты следует, что чем больше различие между предшествующей и последующей частотой стимуляции, тем сильнее выражен эффект модификации. Таким
образом, предшествующая ВЧС, с одной стороны, должна уменьшить эффект ДП или даже препятствовать ее индукции, а с другой стороны, должна усилить последующую ДД. Этот вывод соответствует многим экспериментальным данным (см. Abraham, Bear, 1996).
С учетом одновременной активации возбудительного и тормозного входов, нами предложены унифицированные правила модификации для гомо-, гетеро- и ассоциативной пластичности (табл. 4). Из расчетов так же как из экспериментальных данных следует, что лучшим условием для индукции ДП является ВЧС изолированного возбудительного входа. Дополнительная стимуляция тормозного входа существенно уменьшает фосфорилирование и может привести к ДЦ при том же уровне Са2\ который способствует индукции ДП в случае тетанизации изолированного возбудительного входа. Моделирование показало также, что при очень малых либо очень больших концентрациях ГАМК модификация тормозной передачи незначительна.
Таблица 4.
Правила модификации для разных типов пластичности
Тип модифи кации Активация модифицируемого шипика Уровень деполяризации шипика Сдвиг уровня Са2+ Сдвиг уровня цАМФ, цГМФ Фосфорилирование рецепторов Изменение амплитуды ВПСП и ТПСП Модификация ПСП
Воз-буж-де-ние Тор-мо-же-ние Шт Шк ВПСП ТПСП
Гомоси напти- ческая XXX XXX X XX ** ♦ + (+) (-) ' фосфорилир. дефосфорил. ДП ДЦ ДДт ДПп ДП ДД
Ассоциативная X X X XX * *** *** + (+) (-) фосфорилир. дефосфорил. ДПа ДДа ДДта ДПта ДПа ДДа
Гетеро-синапти ческая 0 0 X XX ** * *** *** + (+) (-) фосфорилир. дефосфорил. нет нет ДДтг ДПтг ДПг ДДг
КлП (а) КлП. XXX X XX XX ** * + Н [+] дефосфорил фосфорилир. ДЦм ДПмс ДПтм ДДтм ДЦм ДПм
Изменения ПСП приведены для случая: когда амплитуда ВПСП больше амплитуды ТПСП. КлПа - тетанизируются ПВ и ЛВ, КлП - тетанизируются только ПВ, в обоих случаях тестируется вход от ПВ; Шт и Шк - тестируемый и кондиционируемый шипики; 0 -отсутствие активации; ххх, хх, х - большое, среднее, малое количество медиатора; * **, ** , * - высокий, средний, низкий уровень деполяризации шипика; +, - ; (+, -) и [+, -] положительный, отрицательный сдвиг концентрации Са:\ цАМФ и цГМФ относительно предшествующего увеличения.
Длительное контрастирование синаптического сигнала на пирамидном нейроне как результат одновременной модификации возбудительных и тормозных входов.
С помощью математической модели исследовали посттетанические изменения ВПСП, ТПСП и результирующего ПСП не только для гомо-, но и для гетеросинаптического входа. Расчеты показали, что одновременная активация "слабого" моносинаптического возбудительного входа и дисинаптического тормозного входа к клетке-мишени приводит к ДП ПСП преимущественно за счет ДЦ ТПСП, в то время как ВПСП потенциируется незначительно. Этот эффект выражен тем сильнее, чем больше "сила" торможения. На гетеросинаптических входах ПСП депрессируются за счет потенциации передачи в "общем конечном тормозном пути". Следовательно, при наличии торможения, за счет усиления эффекта ДП на активируемом входе и индукции ДЦ на других входах, на отдельном нейроне может осуществляться относительное усиление (контрастирование) поступающего возбудительного сигнала. Это контастирование является таким же длительным, как ДП и ДЦ.
ГЛАВА VIII.
ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ УНИФИЦИРОВАННЫЙ ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ПЛАСТИЧНОСТИ ДЛЯ КЛЕТКИ ПУРКИНЬЕ МОЗЖЕЧКА
Предполагаемый механизм образования цГМФ.
При разработке модели синаптической пластичности для КлП нами принято во внимание, что в отличие от НКиГ, в КлП преобладает цГМФ, а не цАМФ (Kennedy, 1992); что в индукции ДДч участвует не ПКА, а цГМФ-зависимая nKG (Ito, Karachot, 1992; Hartell, 1994); что в этих структурах характер модификации возбудительной и тормозной передачи различным образом зависит от Са2* (табл.4). Кроме того, мы полагали, что и для КлП необходимо учитывать взаимовлияние возбудительного и тормозного входов на активность внутриклеточных метаболитов. Ранее считали, что стимуляция параллельных и лазающих волокон (ПВ и ЛВ) приводит к образованию N0, активации растворимой ГЦ и увеличению уровня цГМФ (Linden, 1994). Однако, NO-синтаза не содержится в окончаниях ЛВ и, возможно, ПВ (Ross et al., 1990). Поскольку показано, что NO-синтаза имеется в аксонных окончаниях тормозных интернейронов, а также что разряды тормозных клеток могут приводить к образованию N0 и увеличению уровня цГМФ в КлП (Wood et al., 1994), мы предположили (Силькис, 1996), что увеличение уровня цГМФ при стимуляции ПВ и ЛВ происходит потому, что эти волокна не только моносинаптически возбуждают, но и дисинаптически тормозят КлП (Ross et al., 1990; Vigot et al., 1993). Принимая во внимание, что уровень растворимой ГЦ в КлП мал (Luo et al., 1994), а концентрация цГМФ велика, мы
предположили, что важную роль в образовании цГМФ в этой клетке могла бы играть мембрано-связанная ГЦ, воздействовать на которую можно через G-белки при активации метаботропных ГАМКб-рецеоторов. (Имеющиеся на КлП мГлу-рецепторы активируют фосфолипазу С.)
Предполагаемый механизм модификации эффективности возбудительного входа.
Сходство механизмов синаптической пластичности для КлП и НЬСиГ базируется на выдвинутом постулате, что в разных структурах ЦНС свойства АМРА-рецепторов одинаковы. В соответствии с этим, к ДЦм должно приводить дефосфорилирование АМРА-рецепторов (табл.4), а не фосфорилирование, как полагают другие исследователи (Ito, Karachot, 1992; Nakazawa et al., 1995). В пользу этого постулата могут свидетельствовать данные о том, что дополнительная активация ПКС, т.е. увеличение числа фосфоршшрованных рецепторов, с большей вероятностью приводит к индукции ДПм, а не ДЦм (Crepel, Jaillard, 1991). Предполагаемая последовательность процессов, запускаемых ритмической стимуляцией ПВ и JIB, которая могла бы приводить к ДДм, схематически представлена на рис.б. В схеме учтено, что в фосфорилировании АМРА-рецепторов на КлП участвуют как nKG, так и ПКС (Ito, Karachot, 1992). Однако нами не исключается и участие CaMKII, поскольку при увеличении уровня Са2* активируется кальмодулин. Ингибитором ПФ1, дефосфорилирующей рецепторы в КлП, может являться G-субстрат, активируемый nKG (Kennedy, 1992). Так как ДДм (по нашей гипотезе - дефосфорилирование рецепторов) имеет место при высоких концентрациях Са2*, то именно при таких концентрациях активность ПФ1 должна преобладать над активностью ПК. Выполнение этого условия может обеспечиваться тем, что при увеличении уровня Са2* концентрация цГМФ в КлП уменьшается под действием фосфодиестераз (Olson et al., 1976); причем эффективность одной из них многократно увеличивается в присутствии даже незначительного количества цГМФ (Медведева, Бобрускин, 1994). Вследствие этого, в КлП при значительном (малом) повышении уровня Са1* уменьшается (увеличивается) концентрация цГМФ и активность nKG. Одновременно увеличивается (уменьшается) активность ПФ1 (рис.б), что должно привести к индукции ДДм (ДПм). Из предложенного механизма следует, что в основе различного характера зависимости от уровня Са2* знака модификации для НКиГ и КлП может лежать тот факт, что в НКиГ концентрация цАМФ и активность ПКА увеличиваются при повышении уровня Са2*, способствуя индукции ДП.
Предполагаемый механизм модификации эффективности тормозного входа.
Так как модификация торможения зависит от действия ГАМК на рецепторы, тормозное воздействие на КлП должно изменять баланс между активностью ПК и ПФ1. Судя по
известным данным, на эффективность торможения в КлП могут влиять ПКС и ITCG (McDonald, Moss, 1994). В результате выброса ГАМК может активироваться только ПК,, так как ПКС активируется при стимуляции возбудительного входа. Если свойства ГАМК-рецепторов в НКиГ и КлП идентичны, то чувствительность ГАМК-рецепторов в КлП должна увеличиваться в результате их дефосфорилирования и уменьшаться вследствие фосфорилирования (табл.4). Это предположение подтверждается данными о том, что увеличение активности ПК в КлП приводит к ДДтм (Pasqualotto et al., 1993). Предполагаемая последовательность процессов, приводящих к модификации торможения в КлП, представлена на рис.б. Если предложенный механизм реализуется, то при тетанизации только тормозных интернейронов, т.е. в отсутствие увеличения уровня Са2* и активации фосфодиестераз, должны увеличиться уровень цГМФ и активность nKG, что приведет к фосфорилированию ГАМКа-рецепторов и развитию ДДтм. В пользу предложенного механизма могут служить данные о том, что ритмическая стимуляция КлП (тормозной клетки) приводит к ДД ТПСП в нейронах глубинных ядер мозжечка (Morishita, Sastry, 1993). В этих нейронах не было увеличения уровня Са2*, не активировалась и ПКС. Без Са2* не могли активироваться кальмодулин, ПФ1, CaMKII и фосфодиестераза, разлагающая цГМФ. Исключено участие N0 в образовании цГМФ, так как в аксонных окончаниях КлП отсутствует NO-синтаза (Ross et al., 1990). Однако на клетках глубинных ядер мозжечка имеются ГАМКб-рецепторы (Billard et al., 1993). По-видимому, вследствие действия ГАМК на ГАМКб-рецепторы, активироватась nKG, которая фосфорилировала ГАМКа-рецепторы, в результате чего индуцировалась ДДтм.
Механизм одновременной модификации эффективности возбудительных и тормозных входов к клетке Пуркинье.
Из предложенного механизма синаптической пластичности в КлП следует, что в изменении эффективности возбудительной передачи от ПВ к КлП существенную роль может играть модификация дисинаптического торможения. Активация тормозных клеток должна приводить к уменьшению уровня Са2+ и увеличению концентрации цГМФ, что должно способствовать индукции ДПм и ДДтм вместо ДДм и ДПтм. Действительно, при снижении уровня Са2* наблюдатась ДПм, которая была объяснена одновременной ДДтм (Hartell, 1994). Блокада торможения, наоборот, могла бы способствовать индукции ДДм, поскольку это привело бы к увеличению концентрации Са2* в КлП, уменьшению уровня цГМФ и активности nKG, т.е. к уменьшению степени фосфорилирования и чувствительности АМРА-рецепторов. Этот вывод подтверждается экспериментами, в которых ДДм индуцироватась только в присутствии антагониста ГАМК (Schreurs, Alcon, 1993). В свою очередь, сильная
активация возбудительного входа или деполяризация КлП, приводящие к увеличению концентрации Са2\ должны влиять на модификацию торможения, способствуя ДПтм, что также согласуется с экспериментальными данными (Llano et al., 1991).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При исследовании РП нейронов поля Al СлК нами и другими экспериментаторами наблюдались отклонения от тонотопической организации, характерной для большинства клеток этой области коры. По-видимому, пространственно разнесенные нейроны могут иметь сходные РП, поскольку, судя по результатам данного исследования, аксонные коллатерали одного таламического нейрона эффективно возбуждают клетки из разных локусов коры. В то же время нами показано, что на соседние клетки коры поступает возбуждение от имеющих различные РП нейронов, расположенных в разных локусах таламуса. Этим можно объяснить наблюдавшиеся различия в конфигурации РП соседних кортикальных клеток. Представленные данные свидетельствуют о значительной конвергенции и дивергенции связей в таламо-кортикальных нейронных сетях. Благодаря этому, стимуляция небольшой группы таламических либо кортикальных клеток может приводить к длительной циркуляции импульсов и суммации сигналов на нейронах ансамбля. Это должно способствовать созданию благоприятных условий для модификации синаптической передачи между многими элементами таламо-кортикальной сети, что и было обнаружено в настоящем исследовании. Поскольку ДП и ДЦ эффективности возбудительной и тормозной синаптической передачи между различными элементами цепи кора-таламус-кора приводят к перераспределению относительной эффективности синаптических входов, конвергирующих на каждом из нейронов, есть основания полагать, что эти эффекты лежат в основе наблюдавшихся нами пластических перестроек РП нейронов СлК и MKT, возникающих в результате МКС коры.
Ряд принципиально новых результатов был получен благодаря тому, что одновременно исследовали модификацию эффективности возбудительной и тормозной синаптической передачи между нейронами ансамбля. Это дало возможность установить, что, с одной стороны, одновременно могут потенциироваться и депрессироваться синапсы, образованные аксонами разных пресинаптических клеток на одной постсинаптической, а с другой стороны, в синапсах, образованных аксонными коллатералями одной (возбудительной или тормозной) клетки на разных постсинаптических клетках, одновременно могут развиваться ДП и ДД. Эти данные дополнительно свидетельствуют об участии в синаптической пластичности как пре-, так и постсинаптических процессов. Показано также, что ДП тормозного входа к нейрону не сопровождается уменьшением возбудимости. Этот факт позволил предположить,
что модифицируемые тормозные синапсы располагаются не на соме, а на дендритных шипиках клеток-мишеней, и что в модификации тормозной передачи могут участвовать расположенные на дендритных шипиках метаботропные ГАМКб-рецепторы. Необходимость активации этих рецепторов для индукции ДПт в настоящее время подтверждена экспериментально (Komatsu, 1996).
Предложенный нами унифицированный постсинаптический механизм модификации возбудительных и тормозных входов к нейронам новой коры, гиппокампа и клеток Пуркинье мозжечка базируется на двух условиях. Во-первых, постулируется, что принцип Хебба выполняется для всех типов пластичности, включая ассоциативные и гетеросинаптические эффекты. Чтобы обеспечить выполнение принципа Хебба, нами предположено что может изменяться чувствительность только тех рецепторов (могут фосфорилироваться только те рецепторы), которые активируются медиатором. Необходимость выполнения данного условия подтверждается экспериментальными данными (Nakazawa et al., 1995; Otani, Connor, 1996). Во-вторых, постулировано, что чувствительность одноименных рецепторов на нейронах новой коры, гиппокампа и клетках Пуркинье мозжечка одинаковым образом зависит от степени их фосфорилирования. В этом случае ДЦм должна являться следствием дефосфорилирования АМРА-рецепторов, а не их фосфорилирования, как это принято считать. Фосфорилирование ГАМКа-рецепторов должно приводить к ДЦтм; по крайней мере для ГАМКа-рецепторов это условие выполняется (Pasqualotto et al., 1993). Эти данные могут свидетельствовать в пользу принятого постулата, так как маловероятно, что фосфорилирование одновременно приводит и к ДДм, и к ДЦтм. Существенным в предложенном унифицированном механизме пластичности является то, что несмотря на сходство постсинаптических процессов, участвующих в модификации входов к нейронам разных структур, различие в характере синаптической модификации в коре/гиппокампе и клетках Пуркинье можно объяснить участием цАМФ и цГМФ, соответственно.
Проведенное математическое моделирование постсинаптических процессов показало, что при неизменных параметрах стимуляции остается постоянной и эффективность синапса, но при возрастании (убывании) частоты стимуляции эффективность синапса монотонно увеличивается (уменьшается). Такой характер изменения эффективности синапса в настоящее время обнаружен и экспериментатьно (Grassi et al., 1996; Malen, Chapman, 1997). На этом основании сделано заключение, что для модификации гомосинаптического входа, кроме выполнения правила Хебба, т.е. совпадения активности пре- и постсинаптической клеток, необходимо также изменение активности пре- и/или постсинаптической клеток в течение времени, достаточного для изменения отношения между ПК и ПФ1 в постсинаптическом нейроне. Вопрос о том, лежат ли в основе разных типов пластичности
одни и те же, или различные механизмы, дискутируется и в настоящее время. Результаты данной работы позволяют считать, что одни и те же процессы могут привести к ДП и ДД возбудительных и тормозных гомо-, гетеро- и ассоциативных входов. В пользу общности механизмов, лежащих в основе различных типов пластичности, могут служить данные о полной окклюзии ДДа и ДДг (Christie et al., 1995), о взаимозависимых условиях индукции ДД и ДДг (Otani, Connor, 1996).
Согласно полученным результатам, при наличии торможения может иметь место длительное относительное усиление (контрастирование) эффективности активируемого синаптического входа за счет одновременно развивающихся ДП возбудительного и ДД тормозного гомосинаптических входов к нейрону, а также вследствие ДД гетеросинаптических (не активируемых) входов к этому же нейрону. Это следствие предложенного механизма пластичности подтверждается представленными экспериментальными данными. Нам удалось индуцировать гомосинаптическую ДП эффективности таламо-кортикальных входов из BJI в МК, ВПЛ в СК, НКТ в ЗК, MKT в СлК, хотя таламо-кортикальные синапсы модифицировались значительно реже, чем кортико-кортикальные. Однако, другие исследователи наблюдали в синаптическом пути из ВЛ в МК лишь ДПа. Поскольку возбудительные таламо-кортикальные синапсы располагаются на дендритах вблизи тормозных кортико-кортикальных синапсов (Kharazia, Weinberg, 1994) и поскольку таламо-кортикапьное торможение "сильнее" чем возбуждение (Серков, 1977; Amitai, 1996; Contreras et al., 1997), можно полагать, что оно препятствует индукции ДП. Однако в наших экспериментах из таламуса в кору поступал относительно "сильный" возбудительный сигнал. При этом за счет сравнительно "слабого" торможения могло осуществляться контрастирование сигнала. Поскольку релейные таламические нейроны также находятся под контролем афферентного торможения (Bava et al., 1986), может иметь место последовательное контрастирование афферентного сигнала при его поступлении в кору. По-видимому, указанную возможность следует учитывать при исследовании участия модифицируемого торможения в процессе обучения.
Математическое моделирование показато, что постгетаническая эффективность синапса не зависит от его начальной эффективности. Этот вывод подтверждается современными экспериментальными данными (Heynen et al., 1996; Staubli, Chun, 1996; Debanne et al., 1997). На основании этого результата сомнительно реальное существование такого феномена как "метапластичность", предположительно лежащего в основе зависимости синаптической пластичности от предыстории синапса (Abraham, Bear, 1996). Предлагаемый унифицированный механизм синаптической пластичности может быть применим для клеток из разных структур ЦНС, поскольку позволяет учитывать как индивидуальные особенности
нейронов, так и организацию их синаптических входов. Этот механизм не только позволяет обобщить и систематизировать накопленные к настоящему времени экспериментальные данные, но и объяснить некоторые результаты, казавшиеся парадоксальными с точки зрения ранее существовавших представлений. Например, были объяснены следующие эффекты: одновременная ДП раннего- и ДД позднего компонентов ответа клеток nucleus accumbens; наличие ДД в пути от коммиссуральных волокон к нейрону САЗ гиппокампа и отсутствие ДД в пути от мшистых волокон; отсутствие уменьшения частоты разрядов клеток глубинных ядер мозжечка при активации ГАМКб-рецепторов; увеличение эффекта ДП при активации тормозного входа; модификация входов к КлП в отсутствие N0.
ВЫВОДЫ
1. В таламо-кортикальных нейронных ансамблях в экспериментах in vivo выявлена значительная дивергенция и конвергенция возбудительных и тормозных синаптических связей, а также синхронизация активности пространственно разнесенных нейронов. Такая организация связей может лежать в основе наблюдавшихся отклонений характера РП нейронов поля Al слуховой коры от принципа тонотопической организации.
2. Показано, что ритмическая стимуляция небольшой группы кортикальных или тал омических нейронов приводит к ДП и ДД эффективности возбудительных и тормозных синаптических связей между многими элементами таламо-кортикальной сети и к одновременным изменениям рецептивных полей кортикальных и таламических нейронов. Сделано заключение, что в основе пластических перестроек рецептивных полей лежит изменение эффективности синаптических входов к нейрону, а созданию необходимых условий для модификации синапсов способствуют дивергенция и конвергенция связей, приводящие к длительной циркуляции импульсов и суммации сигналов на нейронах сети.
3. Обнаружено, что гомо-, гетеро- и ассоциативные ДП и ДД возбудительной передачи в кортико-кортикальных и таламо-кортикальных синапсах характеризуются такими свойствами как входоспецифичность и кооперативность. Последовательная индукция ДП и ДД в одном и том же синапсе, а также сходство свойств гомо- и гетеросинаптических эффектов указывают на общность механизмов, лежащих в их основе.
4. Установлено, что гомосинаптические ДП и ДД тормозной передачи также являются входоспецифичными. На основании того, что ДП торможения может развиваться одновременно с увеличением частоты импульсации постсинаптической клетки и с ДП возбуждения на других входах к нейрону, заключается, что модифицируемые тормозные синапсы располагаются не на соме, а на дендритных шипиках, и что в модификации
тормозной передачи могут участвовать имеющиеся на шипиках ГАМКб-рецепторы.
5. На основании анализа собственных и известных из литературы экспериментальных данных предположено, что в основе модификации эффективности одновременно активируемых возбудительных и тормозных гомо-, гетеро- и ассоциативных входов к нейронам новой коры, гиппокампа и клеткам Пуркинье мозжечка лежит унифицированный постсинаптический механизм. Этот механизм базируется на следующих постулатах: а) модифицируются только синапсы, активируемые медиатором; б) чувствительность одноименных рецепторов, расположенных на нейронах разных типов, одинаковым образом зависит от степени их фосфорилирования. В рамках предложенного механизма различия в характере модификации синапсов в нейронах новой коры/гиппокампа и клетках Пуркинье мозжечка можно объяснить участием в модификации цАМФ и цГМФ, соответственно.
6. Из предложенного механизма пластичности следует, что при наличии торможения, за счет одновременно развивающихся длительной потенциации возбудительного- и длительной депрессии тормозного гомосинаптических входов к кортикальному нейрону, а также вследствие длительной депрессии гетеросинаптических (не активируемых) входов к этому же нейрону, может иметь место длительное относительное усиление (контрастирование) эффективности активируемого синаптического входа. Этот эффект наблюдался в виде усиления моносинаптической возбудительной связи на фоне уменьшения средней частоты импульсации постсинаптической клетки.
7. С помощью математического моделирования постсинаптических процессов в пирамидном нейроне показано, что посттетаническая эффективность синапса не зависит от его начальной эффективности. Поскольку этот результат согласуется с экспериментальными данными, сделано заключение, что не следует предполагать существование такого феномена как "метапластичность", лежащего в основе зависимости модификации от предыстории синапса.
8. С помощью математического моделирования показано, что эффективность возбудительной (тормозной) передачи монотонно возрастает (убывает) при увеличении частоты стимуляции. Вследствие этого частота стимуляции, нобходимая для индукции ДП или ДД, должна быть больше или меньше предшествующей, т.е. является величиной относительной, а не абсолютной. При одной и той же частоте стимуляции знак модификации зависит от предшествующей активности, определяющей начальную эффективность синапса Одни и те же параметры стимуляции могут привести к индукции в кортикально;. синаптическом пути ДД вместо ДП, если в дополнение к возбудительному активируете] тормозный вход.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АКГ Автокорреляционная гистограмма;
АМРА а-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазол пропионовая кислота
BJI вентральное ядро таламуса;
ВПЛ Вентропостеролатеральное ядро TaTaviyca;
ВПСП возбудительный постсинаптический потенциал;
ВЧС высокочастотная стимуляция
ГАМК гамма-амино-масляная кислота
ГАМКа ионотропные, чувствительные к ГАМК (рецепторы)
ГАМКб метаботропные, чувствительные к ГАМК (рецепторы)
ДД длительная гомосиналтическая депрессия возбудительной передачи
ДЦа длительная ассоциативная депрессия возбудительной передачи
ДДг длительная гетеросинаптическая депрессия возбудительной передачи
ДДм длительная депрессия возбудительной передачи в мозжечке
ДЦт длительная гомосиналтическая депрессия тормозной передачи
ДДтм длительная депрессия тормозной передачи в мозжечке
ДП длительная потенциация возбудительной передачи;
ДДа длительная ассоциативная потенциация возбудительной передачи
ДПг длительная гетеросинаптическая потенциация возбудительной передачи
ДПм длительная потенциация возбудительной передачи в мозжечке
ДПт длительная гомосиналтическая потенциация тормозной передачи
ДПтм длительная потенциация тормозной передачи в мозжечке
ЗК зрительная кора
ИМР индекс моносинаптического разряда
КК контралатеральный участок коры
ККГ кросскорреляционная гистограмма
КлП клетка Пуркинье
КЯ красное ядро
ЛВ лазающие волокна
ЛП латентный период
мГлу метаботропные глутаматные (рецепторы)
МК моторная кора
МКС микростимуляция
MKT медиальное коленчатое тело
МЭ микроэлектрод
НКиГ нейроны коры и гиппокампа
HKT наружное коленчатое тело
НМДА М-метил-О-аспартат
НЧС низкочастотная стимуляция
ПВ параллельные волокна
ПД потенциал действия
ПЗСК потенциал-зависимые Са2*-канаты
ПК протеинкиназа;
ПКА протеинкиназа А
ПКС протеинкиназа С
ПКв протеинкиназа G
ПСГ постстимульная гистограмма
ПСП постсинаптический потенциал
ПТ пирамидный тракт
ПФ1 протеинфосфатаза 1
РП рецептивное поле
Рф фосфорилированные рецепторы
ТПСП ЦАМФ ЦГМФ ЦНС
CaMKII CK
СлК
Са2*-кальмодулин-зависимая протеинкиназа II Сенсорная кора Слуховая кора
тормозный постсинаптический потенциал циклический аденозин-монофосфат циклический гуанозин-монофосфат центральная нервная система.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Вебер Н.В., Рапопорт С.Ш., Силькис И.Г. Длительные изменения возбудимости нейронов пирамидного тракта у кошек// Журн.высш.нерв.деят. 1984. Т.ЗЗ. No 3. С.572-574.
2. Вебер Р.В., Рапопорт С.Ш., Силькис И.Г. О длительных гомо- и гетеросинаптических посттетанических изменениях реакций нейронов сенсомоторной коры// ДАН СССР 1985. T.281.No2. С.486-489.
3. Вебер Н.В., Рапопорт С.Ш., Силькис И.Г., Соколов С.С. Длительные посттетанические изменения импульсных реакций нейронов зрительной коры кошки// Журн.высш.нерв.деят.
1988. Т.38. No 5. С.963-966. (Перевод в Neurosci. and Behav.Physiol. 1989. V.19. No 5. P.374-376).
4. Вебер H.B., Рапопорт С.Ш., Силькис И.Г., Соколов С.С. Длительные посттетанические изменения импульсных реакций нейронов сенсомоторной коры кошки// Журн.высш.нерв.деят. 1988. Т.38. No 6. С.1158-1160. (Перевод в Neurosci. and Behav.Physiol.
1989. V.19. No 6. P.457-59).
5. Силькис И.Г., Рапопорт С.Ш., Вебер H.B., Гущин А.М. Длительная гомосинаптическая депрессия импульсных реакций нейронов моторной коры кошки// Журн.высш.нерв.деят
1993. Т.43. No 5. С.925-935.
6. Силькис И.Г., Рапопорт С.Ш., Вебер Н.В., Гущин А.М. О некоторых свойства» длительной посттетанической гетеросинаптической депрессии в моторной коре кошки// Журн.высш.нерв.деят. 1993. Т.43. No 6. С.1177-1185. (Перевод в Neurosci.and Behav.Physiol
1994. V.24, N6. Р.500-506.)
7. Силькис И.Г., Рапопорт С.Ш., Вебер Н.В. Длительные посттетанические измененш реакций соседних нейронов в микроучастках моторной коры кошек// Журн.высш.нерв.деят
1994. T_44.No 1. С.124-134. (Перевод в Neurosci.and Behav.Physiol. 1995. V.25. No 1. Р.15-24.)
8. Силькис И.Г. Длительные посттетанические изменения эффективности тормозньи связей в таламо-кортикальных нейронных сетях// ДАН РФ 1994. Т.337. No 3. С.413-419.
9. Силькис И.Г., Рапопорт С.Ш. Пластические перестройки рецептивных полей нейроно! слуховой коры и медиального коленчатого тела, вызванные микростимуляцией коры/ Журн.высш.нерв.деят. 1994. Т.44. No 3. С.548-568 (Перевод в Neurosci. and Behav.Physiol
1995. V.25. No 4. P.322-339.)
10. Силькис И.Г. О возбудительных взаимодействиях в нейронных сетях, включающих клетки слуховой коры и медиального коленчатого тела// Журн.высш.нерв.деят. 1994. Т.44. No 4-5. С.762-776. ( Перевод в Neurosci.and Behav.Physiol. 1995. V.25. No 6. Р.462-473.)
11.Силькис И.Г. Тормозные взаимодействия в нейронных сетях, включающих клетки слуховой коры и медиального коленчатого тела// Журн.высш.нерв.деят. 1994. Т.44. No б. С. 1046-1058. (Перевод в Neurosci.and Behav.Physiol. 1996. V.26. No 1. Р.62-72.)
12. Силькис И.Г. Активация ГАМКб рецепторов, уменьшение внутриклеточной концентрации Са2', ингибирование протеинкиназ - возможные механизмы длительной постгетанической модификации эффективности тормозной передачи в новой коре// Журн.высш.нерв.деят. 1995. Т.45. No 1. С.18-28. (Перевод в Neurosci.and Behav.Physiol. 1996. V.26. No 1. P.80-87.)
13. Силькис И.Г. Длительные изменения эффективности возбудительной синаптической передачи в таламо-кортикальных цепях, вызванные микростимуляцией неокортекса// Журн.высш. нерв.деят. 1995. Т.45. No 2. С.321-334. (Перевод в Neurosci.and Behav.Physiol. 1996. V.26. No 4. P.301-312.)
14. Силькис И.Г. Длительные изменения эффективности тормозной передачи в таламо-кортикальных нейронных сетях, вызванные микростимуляцией коры// Журн.высш.нерв.деят. 1995. Т.45. No 3. С.538-550. (Перевод в Neurosci.and Behav.Physiol. 1996. V.26. No 5. P.416-427.)
15. Силькис И.Г. Длительные изменения эффективности возбудительных и тормозных связей в нейронных микросетях моторной коры, вызванные тетанизацией таламических ядер и сенсорной коры// Журн.высш. нерв.деят. 1995. Т.45. No 5. С.932-947. (Перевод в Neurosci.and Behav.Physiol. 1997. V.27.No 1. Р.6-16.)
16. Силькис И.Г. Одновременная активация возбудительного и тормозного входов как условие индукции гомо-, гетеро- и ассоциативной длительной депрессии возбуждения// Журн.высш. нервн.деят. 1995. Т.45. No 6. С.1149-1163
17. Murzina G.B., Silkis I.Q. Biophysical model of posttetanic processes underlying simultaneous long-term modifications (LTP, LTD) in the efficacy of excitatory and inhibitory inputs to the dendritic spine// The Second International Symposium on Neuroinformatics and Neurocomputers. Rostov-on-Don. Russia. 1995. P.121-128.
18. Silkis I.G. New modification rules for neural networks with excitatory and inhibitory synaptic connections// The Second International Symposium on Neuroinformatics and Neurocomputers. Rostov-on-Don. Russia. 1995. P. 129-136.
18. Silkis I.G. A role of cyclic nucleotides in neuronal synaptic plasticity// Нейрохимия 1996. T.13.No l.C.3-6.
19. Silkis I.G. A possible role of GABAb receptors activation in cGMP production and in long-term depression of inhibitory synaptic transmission efficacy in cerebellar Purkinje cells// Нейрохимия 1996. T.13. No 1. C.7-11.
20. Мурзина Г.Б., Силькис И.Г. Математическое моделирование Са2+-зависимых постсинаптических процессов в гиппокампе (индукция длительной потенциации и депрессии)// Журн.высш.нерв.деят. 1996. Т.46. No 4. С.674-688.
21. Мурзина Г.Б., Силькис И.Г. Исследование длительной потенциации и депрессии тормозной передачи с помощью математического моделирования постсинаптических процессов//Журн.высш.нерв.деят. 1996. Т.46. No 5. С.917-928.
22. Мурзина Г.Б., Силькис И.Г. Контрастирование синаптических сигналов как результат одновременной модификации возбудительных и тормозных входов// Журн.высш.нерв.деят. 1996. Т.46. No 6. С.1076-1087.
23. Silkis I. The model of long-term modifications (LTD, LTP) in the efficacy of excitatory and inhibitory transmission to cerebellar Purkinje neurons// Neural Network World 1996. V.6. No 3. P.371-374.
24. Murzina G.B., Silkis I.G. Computational model of simulataneous long-term modifications in the efficacy of excitatory and inhibitory inputs to the hippocampal pyramidal neuron// Neural Network World 1996. V.6. No 3. P.331-338.
25. Мурзина Г.Б., Силькис И.Г. Об изменениях активности протеинкиназ и протеинфосфатаз в дендритном шипике (исследование с помощью математической модели// Нейрохимия 1997. Т.14. No 1. С.48-61.
26. Мурзина Г.Б., Силькис И.Г. Исследование длительной потенциации и депрессии возбудительной передачи с помощью математического моделирования постсинаптических процессов// ДАН РФ 1997. Т.352. No 3. С.240-243.
27. Силькис И.Г. Общие принципы синаптической пластичности в новой коре, гиппокампе и мозжечке//Журн.высш.нерв.деят. 1997. Т.47. No 2. С.374-392.
28. Мурзина Г.Б., Силькис И.Г. Модель постсинаптической эффективности дендритного шипика нейрона// Биофизика 1997. Т.42. No 3. С.702-710.
-
Силькис, Изабелла Гершовна
-
доктора биологических наук
-
Москва, 1998
-
ВАК 03.00.13
- Пластические перестройки в таламокортикальных нейронных сетях
- Исследование тета-зависимой пластичности синаптической передачи в нейронных колонках соматической коры крыс
- Идентификация глутаматергических синапсов в коре больших полушарий головного мозга
- Анализ механизмов внутриклеточно индуцированной потенции в нейронах виноградной улитки
- Структурно-функциональная организация колонок нейронов тактильного анализатора крысы в зоне проекции вибрисс
