Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пластические перестройки в таламокортикальных нейронных сетях

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Силькис, Изабелла Гершовна, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ

/ /

/

К №

и О/

/

На правах рукописи УДК 612.822.3+612.821.6

-7 :

/ иС'Ь '-■( -

У . ■ .. -'ИЧ' / ( ' /

СИЛЬКИС ИЗАБЕЛЛА ГЕРШОВНА

ПЛАСТИЧЕСКИЕ ПЕРЕСТРОЙКИ В ТАЛАМО-КОРТИКАЛЬНЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЯХ; ОБЩИЕ ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ В

ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ

Специальность 03. 00. 13 - физиология человека и животных

диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 6

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 13

1.1. Длительная потенциация и длительная депрессия эффективности синаптической передачи в нейронных сетях и их возможная роль в

обучении. 13

1.1.1. Свойства длительной потенциации и депрессии эффективности синаптической передачи 13

1.1.2. Участие длительной потенциации в обучении. 15

1.1.3. Участие модификации синаптической передачи в пластических

перестройках рецептивных полей. 18

1.1.4. Нейронный ансамбль как функциональное объединение клеток ;

спонтанная активность кортикальных нейронов. 21

1.2. Общепринятые постсинаптические механизмы модификации возбудительной передачи в новой коре , гиппокампе и мозжечке. 23 1.2 1. Различные механизмы модификации возбудительной передачи в новой

коре и гиппокампе. 23

1.2.2. Постсинаптические механизмы модификации гомосинаптической возбудительной передачи в новой коре и гиппокампе 25

1.2.3. Гетеросинаптическая и ассоциативная модификация возбудительной

передачи в новой коре и гиппокампе. 26

1.2.4. Механизмы модификации возбудительных входов к клетке Пуркинье мозжечка. 28 1.2 5. Модификация тормозной передачи в новой коре, гиппокампе и мозжечке. 28

1.3. О некоторых противоречиях общепринятых моделей синаптической пластичности. 30

1.3.1. Возможна ли индукция длительной потенциации и депрессии, не удовлетворяющих правилу Хебба? 30

1.3.2. Является ли уровень Са2+, при котором развиваются длительная

потенциация и депрессия величиной абсолютной, а не относительной? 31

1.3.3. Существуют ли метапластичность и переменный порог модификации? 32

1.3.4. Может ли ДДм являться следствием фосфорилирования АМРА

рецепторов на клетке Пуркинье? 33

1.3.5. Является ли действие N0 на растворенную гуанилатциклазу единственным

механизмом образования цГМФ в клетке Пуркинье? 34

1.3.6. Неопределенность, возникающая при исследовании свойств ДП и ДД с использованием аппликации веществ, влияющих на активацию рецепторов и активность внутриклеточных веществ. 35

1.4. Предлагаемые подходы к созданию унифицированной модели синаптической пластичности. 35

ГЛАВА II. МЕТОДЫ 37

2.1. Методы проведения электрофизиологических экспериментов. 37

2.2. Методы исследования межнейронных взаимодействий. 43

2.3. Особенности математическое моделирование посттетанических метаболических процессов. 46 Рисунки 48 ГЛАВА III. ДЛИТЕЛЬНЫЕ ПОСТТЕТАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ В МОТОРНОЙ И ЗРИТЕЛЬНОЙ КОРЕ КОШКИ 53

3.1. Модификация таламо-кортикальных и кортико-кортикальных возбудительных входов. 53

3.2. Свойства гомосинаптической длительной депрессии. 54

3.3. Свойства гетеросинаптической длительной депрессии и потенциации 56

3.4. Особенности модификации возбудительной и тормозной передачи в нейронных микросетях моторной коры. 59

3.5. Обсуждение результатов. 66

3.5.1. Возможное участие дисинаптического торможения в длительной

депрессии возбуждения. 66

3.5.2. Длительная потенциация синаптической передачи в "общем конечном

пути" как возможный механизм гетеросинаптической ДП. 68

3.5.3. Сравнительный анализ модификации моносинаптических и

и о л и с и 11 апти ч ее ких входов. 68

3.5.4. Экспериментальные условия, способствующие модификации таламо-кортикальных входов. 69

3.5.5. Модификация паттерна межнейронных связей как элемент обучения 71 Рисунки. 73 ГЛАВА IV. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И МОДИФИКАЦИЯ МЕЖНЕЙРОННЫХ СВЯЗЕЙ В ТАЛАМО-КОРТИКАЛЬНЫХ СЕТЯХ, ВКЛЮЧАЮЩИХ КЛЕТКИ СЛУХОВОЙ КОРЫ И МЕДИАЛЬНОГО КОЛЕНЧАТОГО ТЕЛА. 84

4.1. Функциональная организация возбудительных связей. 84

4.2. Модификация эффективности возбудительных связей 87

4.3. Функциональная организация тормозных связей. 90

4.4. Модификация эффективности тормозной передачи. . 91

4.5. Обсуждение результатов. 97

4.5.1. Особенности функциональной организации возбудительных и тормозных связей в таламо-кортикальных сетях. 97

4.5.2. Особенности модификации возбудительных связей в таламо-кортикальных сетях. 101 Рисунки. 105 ГЛАВА V. ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ ПЕРЕСТРОЙКИ РЕЦЕПТИВНЫХ ПОЛЕЙ НЕЙРОНОВ В ТАЛАМО-КОРТИКАЛЬНЫХ СЕТЯХ, ВКЛЮЧАЮЩИХ КЛЕТКИ СЛУХОВОЙ КОРЫ И МЕДИАЛЬНОГО КОЛЕНЧАТОГО ТЕЛА 117

5.1. Сопоставление рецептивных полей нейронов, расположенных в

различных локусах слуховой коры и медиального коленчатого тела. 117

5.2. Пластические перестройки рецептивных полей нейронов слуховой коры и медиального коленчатого тела, вызванные микростимуляцией слуховой

коры. 118

5.3. Обсуждение результатов. 121

5.3.1. Отклонения от принципа тонотопической организации как следствие дивергенции и конвергенции таламо-кортикальных и кортико-кортикальных

связей. 121

5.3.2. Модификация рецептивных полей кортикальных и таламических нейронов

как следствие модификации эффективности связей в таламо-кортикалыюй сети. 123 Рисунки. 126

ГЛАВА VI. УНИФИЦИРОВАННЫЙ ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ, ЛЕЖАЩИЙ В ОСНОВЕ РАЗНЫХ ВИДОВ ПЛАСТИЧНОСТИ В НОВОЙ КОРЕ И ГИППОКАМПЕ 131

6.1. Оригинальные экспериментальные данные, использованные при разработке унифицированной модели синаптической пластичности. 131

6.2. Предполагаемый постсинаптический Са2+ зависимый механизм модификации тормозной передачи. 132 6.2.1. Участие ГАМКб-рецепторов в модификации тормозной передачи. 132

6.2.2. Предполагаемое участие ретроградных мессенджеров в модификации торможения. 136

6.2.3. Модификация торможения как результат модификации возбудительного

входа к тормозному нейрону. 137

6.3. Механизмы одновременной модификации эффективности

возбудительной и тормозной передачи 138

6.3.1. Разнонаправленный характер модификации одновременно активируемых возбудительного и тормозного входов. 138

6.3.2. Участие торможения в индукции длительной депрессии возбуждения. 140

6.3.3. Участие возбуждения в индукции длительной депрессии торможения. 141

6.3.4. Следствия предложенной модели и сопоставление с экспериментальными данными. 142

6.4. Механизмы ассоциативной и гетеросинаптической пластичности. 146

6.4.1. Предполагаемое участие торможения в индукции ассоциативной длительной депрессии; экспериментальные свидетельства в пользу предложенного механизма. 146

6.4.2. Предполагаемое участие торможения в индукции гетеросинаптической длительной депрессии. 148

6.4.3. Одновременная модификация гомо- и гетеросинаптического входов. 151 Рисунки. 155 ГЛАВА VII. ИССЛЕДОВАНИЕ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Са2+-ЗАВИСИМЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПИРАМИДНОЙ КЛЕТКЕ ОБЛАСТИ САЗ ГИППОКАМПА 160

7.1. Особенности математической модели. 160

7.2. Условия модификации синаптической передачи; сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными 162

7.2.1. Зависимость числа фоефорилированных АМРА-рецепторов от параметров ритмической стимуляции и увеличения уровня Са2+ в постсинаптической клетке. 162

7.2.2. Зависимость числа дефосфорилированных ГАМКа-рецепторов от параметров ритмической стимуляции и увеличения уровня Са2+ в

постсинаптической клетке. 165

7.2.3. Влияние различных ПК и ПФ1 на степень фосфорилирования рецепторов. 169

7.3. Свойства синаптической пластичности. 172 7.3.1. Основные свойства синаптической пластичности, вытекающие из

результатов моделирования; сопоставление с экспериментальными данными. 172

7.3.2. Сопоставление с моделью, базирующейся на существовании

метапластичности. 176

7.4. Длительное контрастирование синаптического сигнала на пирамидном нейроне как результат одновременной модификации возбудительных и тормозных входов. 177

7.4.1. Контрастирование как способ выделения афферентного сигнала. 177

7.4.2. Выраженность эффекта ДП и баланс между "силой" возбуждения и торможения 179

7.4.3. Участие ДДг в выделении сигнала. 181

7.4.4. Экспериментальные свидетельства влияния торможения на усиление синаптической связи между нейронами моторной коры. 183

7.4.5. О возможном влиянии торможения на модификацию таламо-кортикальных синапсов; сравнение с модификацией кортико-кортикальных синапсов. 184 Рисунки. 188 ГЛАВА VIII. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ ПОСТСИНАПТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ОДНОВРЕМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗБУДИТЕЛЬНОЙ И ТОРМОЗНОЙ ПЕРЕДАЧИ В КЛЕТКЕ ПУРКИНЬЕ МОЗЖЕЧКА 195

8.1. Механизм модификации возбудительного входа к клетке Пуркинье. 195

8.1.1. Основные постулаты модели. 195

8.1.2. Изменение уровня Са2+ в клетке Пуркинье при стимуляции

возбудительного и тормозного входов. 196

8.1.3. Зависимость чувствительности АМРА-рецепторов от активности протеинкиназ и протеинфосфатаз в клетке Пуркинье. 198

8.2. Механизмы образования цГМФ в клетке Пуркинье. 200

8.3. Механизм модификации эффективности тормозных входов к клетке Пуркинье. 201

8.4. Одновременная модификации эффективное™ возбудительных и тормозных входов к клетке Пуркинье. 202 Рисунки. 205 ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 206 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 213 СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ. 216 СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 220

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Синаптическая и нейронная пластичность рассматриваются в качестве основы таких функций мозга как распознавание образов, обучение, хранение и извлечение информации (Hebb, 1949; Marr, 1969; Анохин, 1968; Соколов, 1981). Особое внимание уделяется изучению длительной потенциации и длительной депрессии эффективности возбудительной синаптической передачи (ДП и ДД), 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 ДД 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 ДД 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 взрослых животных при различного рода воздействиях (Merzenich et al., 1988; Villa et al., 1991; Edeline et al., 1993; Шевелев и др., 1994). Поскольку имеет место топически организованная реципрокная система возбудительных синаптических связей между нейронами релейного ядра таламуса и проекционной зоны неокортекса (Winer, Larue, 1987; Snow et al., 1988), полагают, что изменения РП кортикальных нейронов могут просто отражать изменения РП нейронов таламуса. Однако не исключено, что перестройка РП нейронов новой коры происходит в результате перераспределения относительной эффективности различных конвергирующих на нейроне таламо-кортикальных и кортико-кортикальных возбудительных и тормозных входов.

Механизмы гомосинаптической ДП и ДД хорошо изучены для нейронов коры и гиппокампа (НКиГ) (Bliss, Collingridge, 1993; Bear, Malenka, 1994; Lisman, 1994). Показано, что при значительном повышении внутриклеточной концентрации Са2+ преобладает активность протеинкиназ (ПК), которые фосфорилируют АМРА- и НМДА-рецепторы, увеличивая их чувствительность к глутамату, в результате чего развивается ДП, а при небольшом увеличении уровня Са2+ преобладает активность протеинфосфатазы 1 (ПФ1), дефосфорилирующей рецепторы, что приводит к ДД. Общепринятый механизм модификации возбудительной передачи не позволяет объяснить ряд экспериментальных данных и содержит некоторые противоречия. Например, не объяснены новые данные о том, что концентрация Са2+ или частота стимуляции, при которой развивается ДП или ДД, является величиной не абсолютной, как предполагалось ранее (Artola, Singer, 1993), а относительной (O'Dell, Kandel, 1994; Grassi et al., 1996). Зависимость модификации синапса от начальной эффективности принято объяснять наличием переменного порога перехода от ДД к ДП и существованием "метапластичности" (Bear, 1995), базирующейся на изменении уровня Са2+ и на экспрессии генов. Однако имеются данные, противоречащие этому утверждению (Heynen et al., 1996); кроме того, эффекты, относимые на счет "метапластичности", входоспецифичны (Huang et al., 1992; Abraham, Bear, 1995), тогда как специфичность экспрессии генов в отдельных шипиках не показана, а необходимое для экспрессии генов время превышает те десятки минут, в течение которых развивались ДП и ДД. Нельзя считать экспериментально доказанным и наличие переменного порога модификации.

Показано, что характер зависимости условий модификации синапсов в НКиГ и в клетке Пуркинье (КлП) мозжечка от посттетанического увеличения концентрации Са2+ различен (Linden, 1994), однако причины этого феномена не ясны. Полагают, что ДД в КлП (ДДм) является следствием фосфорилирования АМРА-рецепторов (Ito, Karachot, 1992), вызванного

значительным увеличением концентрации Са2+, тогда как малое повышение уровня Са2~ приводит к ДПм (Hirano, 1990; Hartell, 1994). Вследствие этого считают, что механизмы индукции ДДм отличаются от тех, которые лежат в основе ДД в НКиГ (Linden, 1994). Если в основе ДДм 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 (ПКО). 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 ДДм (Linden, 1994).

Модификация торможения также является Са2+-зависимым эффектом, причем в отличие от ДД, для индукции ДДт в коре требуется не уменьшение, а дополнительное увеличение уровня Са2 (Komatsu, 1994). В КлП, наоборот, для индукции ДДтм 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 ДД (ДПа и ДДа) и гетеросинаптические ДД 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 ДДг, т.к. этот эффект имеет место в отсутствие синаптической активации. ДДа также рассматривается как "не Хеббовская", поскольку может развиваться, когда активация синаптического вход