Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль кальций/кальмодулин-зависимой протеинкиназы II в формах моторного обучения, зависящего от функций мозжечка

ВАК РФ 03.01.07, Молекулярная генетика

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Андреев, Дмитрий Анатольевич, Роттердам

62 11/59

Роль кальций/кальмодулин-зависимой протеинкиназы II в формах моторного обучения, зависящего от функций

мозжечка

в Университете им. Эразма, г. Роттердам

(Erasmus Universiteit Rotterdam) по теме утвержденной почетным ректором профессором доктором наук S.W.J. Lamberts и в соответствии с решением комиссии по присуждению ученых степеней

Публичная защита состоялась в среду 13 сентября 2006 года в 13:45

Соискатель: Дмитрий Анатольевич Андреев Место рождения: город Анива, Российская Федерация

Диссертация

На соискание ученой степени доктора философии (Ph.D., doctorsgraad)

(перевод с английского языка)

Президиум ВАК Минобрнауки России

/

С

Соискатель: Дмитрий Анатольевич Андреев Место рождения: город Анива, Российская Федерация

Комиссия по присуждению ученых степеней:

Руководители: Prof.dr. C.I. De Zeeuw

Dr. Y. Elgersma Dr. M.T.G. De Jeu

Члены комиссии: Prof.dr. M.A. Frens

Dr.ir. N.J. Galjart Dr. C.R.W. Hansel

Оглавление

Глава 1 Общее введение

Глава 2 аСаМКП необходима для формирования долговременной

депрессии в мозжечке и двигательного обучения 31

Глава 3 Адаптация компенсаторных движений глаз зависит от

регуляторного фосфорилирования аСаМКП 55

Глава 4 Мутация в аСаМКП, характеризующаяся увеличением ее функциональной активности, приводит к нарушению адаптации движений глаз, но улучшает результаты теста на вращающемся стержне 82

Глава 5 Роль (ЗСаМКП в моторной координации 104

Глава 6

Заключительное обсуждение

123

Глава 1 Общее введение Формы памяти

Память может быть классифицирована по функциональным признакам, а также по времени ее формирования. По функциональным критериям у млекопитающих выделяют два основных вида памяти: 1) память на обстановку, события, элементы среды обитания, отдельные предметы, которая называется декларативной памятью или эксплецитной, и 2) память моторных навыков и перцептуальных программ, которую называют недекларативной или имплицитной памятью (рис.1 [Thompson 2005]). При этом, использование распространенных терминов памяти таких как «вспоминание» относится к высшим проявлениям сознания. Напротив, подсознательная память характеризуется бессознательной рефлекторной обработкой информации в нервных сетях. Эпизодическая память (память на события и индивидуальный опыт [Baddeley 2001]) и семантическая память (память на слова, понятия, правила и абстрактные идеи) являются различными формами эксплецитной памяти (Tulving 1987). Для формирования внешней памяти требуются высшие когнитивные функции мозга, при этом, связанные с ней формы обучения основываются на сознательном закреплении информации о произошедших событиях. Функциональное картирование мозга с помощью компьютерной томографии у людей и результаты клинических обследований показали, что эпизодическая и семантическая память различаются по отдельным характеристикам. Бессознательная процедуральная (недекларативная, имплицитная форма памяти), также известная как рабочая память включает следующие категории: запечатление, память привычек и навыков, простые условные рефлексы. Недекларативная память реализуется при подсознательном воспроизведении двигательных навыков и включает

простые ассоциативные механизмы запоминания, такие как сенситизация и габитуация. Недекларативная память формируется чаще всего непреднамеренно и выявляется непрямым, косвенным путем. Однако, недекларативное обучение, также как декларативное формируется на основе активной организации нейрональных сетей под действием сложных стимулов, а не путем простого пассивного вовлечения нервных структур различного уровня (Wright and Whittlesea, 1998).

Основываясь на временных характеристиках возникновения и воспроизведения информации, выделяют кратковременную и долговременную память. Термины: рабочая память, кратковременная, долговременная и пожизненная память, - отражают процесс обработки информации в мозге при формировании памяти.

Рис.1. Различные формы обучения и памяти. Субстраты памяти в мозге по Thompson R.F., (Annu Rev Psychol. 2005; 56:1-23). Адаптация компенсаторных движений глаз относится к левому столбцу (навыки).

Формы обучения и памяти различаются не только по временной шкале сохранения информации, но и по молекулярным механизмам.

Долговременная память связана с процессами, при которых нестойкая кратковременная память переходит в длительный и стабильный след памяти, и зависит от синтеза протеинов. Напротив, кратковременная память длится несколько часов после воздействия стимула и является не зависимой от синтеза новых белков (DeZazzo, J. and T. Tully, 1995). Однако, при этом, требуется реализация механизмов, которые изменяют структуру протеинов после процесса трансляции. Сохранение и консолидация памяти включает процессы транслокации энграмм кратковременной и долговременной памяти в нейрональные сети, в которых информация хранится на протяжении многих лет. Концепция рабочей памяти предложена David Olton и Werner Honig в 1970-х годах (Olton, 1977; Dudchenko, 2004). Рабочая память считается вариантом кратковременной памяти. Новая информация первоначально кодируется с помощью механизмов обучения и воспроизводится путем активации механизмов формирования рабочей памяти. Рабочая память крайне необходима для обработки информации при формировании декларативной сознательной памяти путем обеспечения процесса кодирования в буфере памяти. У грызунов рабочая память предоставляет возможности для воспроизведения информации об объекте, стимуле или пространственном контексте места пребывания, что позволяет реализовывать поведение в течение одной экспериментальной сессии. Использование тестов в лабиринтах и контекстуальных ящиках позволяет оценивать рабочую память. Хотя изучению кратковременной и долговременной памяти посвящено большое количество исследований в прошлом веке, многие вопросы по механизмам их формирования остаются не исследованными.

Например, остается открытым вопрос о том, до какой степени процессы обработки специфической для декларативной и недекларативной памяти информации сосуществуют в одних и тех же структурах мозга и

насколько отдельные нейронные и молекулярные механизмы обучения являются общими для двух перечисленных видов памяти.

Анатомическая организация нейрональных сетей мозжечка

Мозжечок является одним из основных анатомических субстратов недекларативной памяти. В коре мозжечка содержатся крупные ГАМК-эргические клетки Пуркинье, которые образуют основные функциональные модули мозжечка (рис. 2). Дендриты нейронов Пуркинье контактируют с параллельными волокнами, происходящими от зернистых клеток и с восходящими волокнами, которые проецируются из нижних олив. Зернистые клетки получают возбуждающий сигнал от мшистых волокон, которые происходят из различных ядер ствола мозга. Гранулярные клетки незначительные по размеру и размещаются очень плотно в зернистом слое. Такая высокая плотность клеток обеспечивает поступление информации в нейроны Пуркинье. Каждая клетка Пуркинье образует контакты со 100000 -200000 афферентными параллельными волокнами и только 1 мощный афферентный вход с восходящим волокном. Параллельные волокна участвуют в активации при развитии простых спайков клеток Пуркинье, лазающие волокна отвечают за формирование комплексных спайков. Кроме того, кора мозжечка содержит ингибиторные вставочные нейроны, такие как клетки Гольджи, звездчатые и корзинчатые клетки. Нейроны Гольджи контролируют активность зернистых клеток. При этом, корзинчатые и звездчатые клетки образуют соответственно синапсы непосредственно на теле и дендритных ветвях нейронов Пуркинье. В конечном итоге интегративные процессы в коре мозжечка сводятся к выработке определенного паттерна активности в клетках Пуркинье, которые регулируют работу церебеллярных и вестибулярных нейронов.

Молекулярный

слой

Слой клеток Пуржннье

улжрньш

слои

Рисунок 2. Нейрональная сеть мозжечка, участвующая в контроле компенсаторных движений глаз. Кора мозжечка составляет главную фнкциональную единицу. Пуркинье клетки получают вестибулярный и визуальный сенсорные сигналы от клеток зерен и нейронов нижней оливы соответственно. Аксоны нейронов Пуркинье направляются к вестибулярным ядрам (VN) и глубоким ядрам мозжечка (DCN), которые регулируют деятельность окуломоторной системы (OMS). Сокращения: VGC - клетки вестибулярного ганглия, NRTP - ретикулярное ядро покрышки продолговатого мозга, AOS - зрительная система. Стрелки указывают на участки пластичности, CF -лазающие волокна, 10 -нижняя олива.

Различные формы двигательного обучения, зависящего от функций

мозжечка

Навыки игры на пианино, катание на коньках или исполнение танцев в балете «Лебединое Озеро» зависят от слаженных, отточенных гибких движений, осуществление которых связано с реализацией двигательного обучения, зависящего от функции мозжечка. Необходимо отметить, что моторное обучение может также вносить вклад в развитие высших когнитивных функций, в частности, при развитии речи характерно сочетание моторных программ в совокупности с системами декларативной памяти (Akshoomoff, Courchesne et al., 1992; Ullman 2004; Richter, Dimitrova et al., 2005). Эта концепция также подтверждается результатами последних исследований, в которых показано, что специфическая блокада протеинкиназы С (РКС) в клетках Пуркинье влияет на пространственную память (Burguiere et al., 2005). Особая роль мозжечка в двигательном обучении выявляется при наблюдении за работой автоматизированных роботов, точность и аккуратность сложных движений которых возрастает с внедрением в системы управления искусственных нейрональных сетей, составленных на основе изучения нейрональных связей мозжечка (Shibata and Schaal, 1999; Ebadzadeh and Darlot, 2003). В отличие от сложноорганизованных движений конечностей, реализация оптокинетического и вестибулоокулярного рефлексов или условного рефлекса закрывания глаз связана с относительно простыми формами моторного научения, которые могут быть детально исследованы у мышей. Перечисленные навыки также служат хорошим объектом исследований того, как кора мозжечка интегрирует афферентные сигналы различных модальностей (например: вестибулярный и визуальный стимулы, или звонок и струя воздуха) для корректировки тонких движений (Koekkoek et al., 2003). Таким образом, в настоящей диссертации основное внимание уделяется адаптации компенсаторных рефлекторных движений глаз (оптокинетический [ОКР] и вестибулоокулярный [ВОР] рефлексы).

Адаптация оптокинетического и вестибулоокулярного рефлексов

С помощью оптокинетического рефлекса (ОКР) достигается стабилизация изображения на сетчатке глаза во время перемещения окружающих зрительных образов. Вестибулоокулярный рефлекс (ВОР) является компенсаторным движением глаз в ответ на изменение положения головы в пространстве. Адаптация ВОР происходит с вовлечение системы ОКР, в частности, когда объект исследования с раннего возраста прибегает к ношению корригирующих очков, а также при формировании окуломоторной системы на ранних этапах жизни (Таи^йсЬ е1 а1., 2004; МсМи11еп е1 а1., 2004). В лабораторных условиях адаптация ВОР индуцируется искусственно путем подведения зрительного стимула в конфликте с вестибулярным стимулом (Ое Еееи\у й а1., 1998). Подобная зрительно-вестибулярная адаптация способна привести к изменению амлитуды и продолжительности ВОР, которые соответственно описываются такими параметрами как коэффициент реактивности и фаза. Эти величины могут возрастать или уменьшаться после кратковременного или долговременного периодов обучения, причем индуцированные изменения могут сохраняться в течение непродолжительного или длительного периода времени. Степень адаптации зависит от характеристик компенсаторных движений глаз до периода обучения (Blazquez е1 а1, 2004; Воус1еп е1 а1., 2004). За последнее десятилетие накоплен опыт по созданию ряда мышей-мутантов с заданными нарушениями молекулярных механизмов, многие из которых используются в экспериментах по изучению особенностей адаптации ВОР и/или ОКР. Эти исследования, как правило, посвящены выявлению роли долговременной депрессии (ДД) в синапсах, образуемых параллельными волокнами и клетками Пуркинье. Кроме того, выявляются и другие участки пластичности, такие как синапсы клеток Пуркинье на нейронах вестибулярных ядер,

которые участвуют в механизмах адаптации ВОР (см. также рис. 2). Магг (1969) и Albus (1971) предложили одну из первых теорий, объясняющих общий принцип работы мозжечка. В модели Marr-Albus кора мозжечка рассматривается в качестве основного места нейрональной пластичности, лежащей в основе адаптации ВОР. Общий принцип модели базируется на том, что сигналы от положения головы в пространстве, передаваемые параллельными волокнами, и сигналы ошибки положения изображения на сетчатки от поднимающихся волокон конвергируют на клетках Пуркинье.

Японский ученый Ito оказался одним из первы, кто привел экспериментальные доказательства наличия ДД в синапсах, образуемых параллельными волокнами и клетками Пуркинье (Ito, 1986). Данные, полученные Ito подтверждали модель, в которой одновременная активация параллельных и вьющихся волокон снижала проводимость в синапсах между параллельными волокнами и нейронами Пуркинье. В своих исследованиях Miles и Lisberger обнаружили, что вестибулярные ядра также являются участком пластичности при адаптации ВОР (Lisberger and Miles, 1980).

В их модели клетки Пуркинье передавали инструктивные сигналы в вестибулярные ядра, с целью осуществления точных и тонких движений путем моделирования вестибулярного сенсорного входа. Нейроны ствола мозга изменяют паттерн активности в соответствии с необходимостью формирования обучения ВОР и к тому же получают моносинаптический ингибирующий сигнал от клеток Пуркинье в островке мозжечка (Lisberger and Pavelko, 1988). Возможные клеточные механизмы пластичности в вестибулярном ядре при реализации ОКР и ВОР установлены группой du Lac et al. (1996). Особенно интересные аспекты пластичности ВОР наблюдаются при обработке и консолидации памяти ВОР через определенный период времени. Консолидация памяти ВОР может нуждаться в трансформации кратковременной памяти, хранящейся в коре мозжечка в долговременную

двигательную память в основании мозга. Эта каскадная модель подтверждается результатами экспериментов по удалению островков мозжечка, которое приводило к невозможности адаптации ВОР. При этом, обратимая инактивация зоны островка снижала память о величине ВОР через 1-3 часа (McElligott et al., 1998; Nagao and Kitazawa, 2003; Kassardjian et al., 2005). Однако полная инактивация островка не вызывала снижение скорости ВОР после нескольких дней (Luebke and Robinson, 1994; Broussard and Kassardjian, 2004). Таким образом, приобретенное поведение первоначально зависело от пластических изменений в коре мозжечка, но со временем зоны, в которых локализовалась память, могли перемещаться. Более того, следует отметить, что свойства адаптации компенсаторных движений глаз, наблюдаемые при тренировке в режиме увеличения коэффициента реактивности, отличаются от тех, которые регистрируются в режимах снижения коэффициента скорости (see also Bouton et al., 1999).

Среди всех частот синусоидальных стимулов, вызывающих вращение головы, адаптация, сопровождающаяся снижением коэффициента реактивности, характеризуется более стабильной памятью, по сравнению с адаптацией, приводящей к его повышению (Kimpo, Boyden et al., 2005). В целом, на основании перечисленных результатов можно предположить, что в процесс обработки информации на отдельных стадиях формирования памяти вовлекаются различные виды клеточной пластичности в разных участках мозга.

Молекулярные и клеточные механизмы моторного обучения, зависящего от функций мозжечка

Клеточные механизмы адаптации ВОР включают ДД и ДП в синапсах между параллельными волокнами и клетками Пуркинье, а также сложные механизмы постсинаптической пластичности в нейронах, составляющих мозжечковую нейрональную сеть.

Постсинаптическая долговременная депрессия параллельных волокон

У всех моделей мышей-мутантов с нарушениями ДД страдают механизмы адаптации компенсаторных движений глаз (Эе 2еету е! а1., 1998; БеИ ег а1., 2003; КаХоЪ ег а1., 2000; БЬ^оЬ & а1., 2002). Мутанты с селективными для клеток Пуркинье изменениями такими как: недостаточность процесса экстернализации 01и11с1ека2 рецепторов (Ка1;оЬ е1 а1., 2005), нарушение в ЫО-РКв метаболическом пути (БеИ е! а1., 2003), или пути фосфорилирования тС1иК1-РКС характеризуются недостаточностью механизмов ДД (Бе Zeeuw е1 а1., 1998). Во всех перечисленных случаях, в которых решена проблема клеточной специфичности при получении мутантных животных, остаются вопросы, касающиеся непосредственной связи ДД с процессами адаптации ВОР. Например, нокаутная модель с недостаточностью С1иКс1е11а2 рецепторами также характеризуется двигательными нарушениями, и позволяет предполагать, что недостаточная адаптация ВОР об