Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 8
1.1. Структура медиаторных синапсов 8
1.2. Основные функциональные характеристики медиаторных синапсов 11
1.3. Модели синаптических структур 22
2. Исходные предпосылки и общая блок-схема модели. 30
2.1. Структурно-функциональные характеристики синаптического бутона и пресинаптической мембраны, используемые в компьютерной модели 30
2.2. Структурно-функциональные характеристики, принятые за основу для построения компьютерной модели синаптической щели 42
2.3. Свойства постсинаптической мембраны как морфо- функциональной единицы синапса, взятые за основу в компьютерной модели постсинаптической мембраны 50
3. Результаты исследований 62
3.1. Влияние структурно-функциональных параметров синаптического бутона на характеристики молекулярного потока медиатора 62
3.1.1. Влияние параметров отдельных нервных импульсов и характеристик всего входящего потока импульсов в целом 62
3.1.2. Роль характеристик запаса медиатора в синаптическом бутоне 70
3.1.3. Влияние Са2+ в формировании выходного молекулярного потока из синаптического бутона 75
3.1.4. Роль структуры сети синаптопор 77
3.1.5. Поляризация пресинаптической мембраны и спонтанный выброс медиатора 79
3.1.6. Заключение 80
3.2. Структурно-функциональные параметры синаптическои щели и диффузия медиатора к постсинаптической мембране 83
3.2.1. Влияние синаптических нитей на диффузию медиатора 84
3.2.2. Влияние электрокинетических явлений на диффузионные процессы в синаптическои щели 92
3.2.3. Заключение 97
3.3. Зависимость параметров местных постсинаптических потенциалов от пространственного распределения и состояния хеморецептивных центров на постсинаптической мембране 99
3.3.1. Зависимость амплитуды местных постсинаптических потенциалов от параметров входного потока молекул медиатора... 100
3.3.2. Структура сети хеморецептивных центров и ее влияние на формирование местных постсинаптических потенциалов 103
3.3.3. Зависимость параметров местных постсинаптических потенциалов от функциональных характеристик постсинаптической мембраны 111
3.3.4. Заключение 118
3.4. Связь характеристик местных постсинаптических потенциалов с параметрами потока импульсов, приходящих к синаптическому бутону 120
3.4.1. Регулярный поток нервных импульсов 121
3.4.2. Стохастическая стимуляция пресинаптического волокна 123
3.4.3. Заключение 126
4. Обсуждение полученных результатов 127
Выводы 139
Список используемой литературы
- Основные функциональные характеристики медиаторных синапсов
- Структурно-функциональные характеристики, принятые за основу для построения компьютерной модели синаптической щели
- Влияние параметров отдельных нервных импульсов и характеристик всего входящего потока импульсов в целом
- Структурно-функциональные параметры синаптическои щели и диффузия медиатора к постсинаптической мембране
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Экспериментальные исследования одиночного синапса в режиме периодической и стохастической стимуляции пресинаптического волокна (Katz, 1962, 1972, Экклс, 1966, Hubbard, 1973, Глебов, Крыжановский, 1978, Шепперд, 1987, Ашмарин, 1996) совместно с теоретическим анализом транссинаптическои передачи сигналов математическими методами (Попов, 1969; 1998; 1999; 2001), показали, что медиаторный синапс представляет собой шумящий перестраиваемый канал связи с памятью, который осуществляет вероятностное преобразование входных сигналов в местные постсинаптические потенциалы (МПСП) на постсинаптической мембране (ПСМ). Еще Экклс (1966) показал, что в медиаторных синапсах концентрация медиатора в синаптической щели (СЩ) логарифмически зависит от интенсивности входного потока нервных импульсов. Учитывая так же тот факт, что свойства каждого синапса могут изменяться в зависимости от функционирования нервной системы, от изменений окружающей среды то есть тот факт, что синапсы являются эволюционирующими функционально дифференцированными образованиями в составе нервной системы, можно показать, что синапс играет ведущую роль в пространственно-временных преобразованиях информации на всех уровнях НС. Поэтому очень важно иметь представления о преобразованиях сигналов, осуществляемых синаптическими структурами с учетом особенностей их морфо-функциональной организации.
Трудность экспериментальных исследований синаптических структур непосредственно на самой клетке общеизвестна. А если говорить об исследованиях на уровне ультрастроения таких морфо-функциональных единиц синапса как синаптический бутон (СБ), СЩ и ПСМ, то прямое экспериментальное решение этой задачи, даже с развитием современных микроэлектродных технологий, представляется весьма проблематичным. Поэтому наиболее перспективным направлением исследований в этой области, на наш взгляд, является разработка компьютерной модели, имитирующей базовые процессы в медиаторном синапсе.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель настоящей работы состоит в создании комплексной компьютерной модели транссипиитической передачи сигналов в медиаторных синапсах, а так же в исследовании с ее помощью роли структурно-функциональных характеристик синоптического бутона, синаптической щели и постсинаптическои мембраны е этом процессе.
В целом, проблема разработки имитационных моделей трансинаптической передачи сигналов медиаторного синапса приводит к необходимости решения следующих задач:
Создание, опираясь на известные экспериментальные материалы, программного блока модели, обеспечивающего формирование входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками.
Разработка алгоритмов и соответствующих программных блоков, определяющих морфо-функциональные особенности организации медиаторного синапса и его функционально обособленных элементов (синап-тического бутона, синаптической щели и постсинаптическои мембраны).
Разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для исследовательского блока модели, позволяющего производить варьирование всех параметров, определяющих различные физиологические характеристики элементов синапса (СБ, СЩ, ПСМ), и в целом, всего медиаторного синапса.
Формирование полной компьютерной модели синаптического образования с учетом известных экспериментальных данных и с использованием различных режимов ее работы, определение направленности и силы влияния всех включенных в состав модели параметров, описывающих морфо-функциональные особенности организации синапса.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Впервые, создана принципиально новая компьютерная модель медиаторного синапса, обеспечивающая возможность исследования функциональных свойств транссинаптической передачи сигналов как регулярного, так и стохастического характера, с учетом всех этапов синаптических преобразований (си-наптический бутон, синаптическая щель и постеинаптическая мембрана). Особенность разработанной модели заключается в том, что сформированные и программно реализованные алгоритмы транссинаптической передачи сигналов описывают, на наш взгляд, все важнейшие морфо-функциональные особенности организации целого синаптического образования. Выбранный состав вариабельных параметров имитационной модели обеспечивает возможность формирования медиаторных синаптических образований разных типов.
Получены многочисленные новые результаты модельных исследований в виде зависимостей характеристик выходных потоков как на уровне целого синаптического образования, так и на промежуточных уровнях отдельных морфо-функциональных единиц синапса (СБ, СЩ и ПСМ). Установлена значимость (по мере вклада и направленности воздействия) всех параметров модели, определяющих структурные и физиологические особенности синапса в процессах преобразования информации. Следует отметить, что целый ряд полученных зависимостей является ранее неизвестным, поскольку на данном этапе развития натурных экспериментальных технологий их получение возможно только на основе имитационного моделирования с применением компьютерных технологий.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ, Пакет программ «Синапс» позволяет в соответствии с известными экспериментальными данными или гипотетическими предположениями сформировать модель конкретного синаптического образования с определенными морфо-функциональными характеристиками и в различных режимах стимуляции (в том числе с автоматическим варьированием интересующих параметров, с заданным шагом, при фиксированных остальных параметрах) провести комплекс многофакторных экспериментов. Пакет программ можно использовать для реализации целого ряда научно-исследовательских задач, а также в образовательных целях. Результаты компьютерного эксперимента помогают существенно расширить представления о ме- ханизмах активности синаптических образований, лежащих в основе деятельности нервной системы.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации были представлены на XVII Съезде Всероссийского физиологического общества (Ростов-на-Дону, 1998), на XII Международной конференции по нйрокибернетике (Ростов-на-Дону, 1999), на XVIII съезде Физиологического общества и. И.П, Павлова. (Казань, 2001), на Юбилейной Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2002), на 7-й Путинской школе-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА» (Пущино, 2003).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ: из них 5 статей и 6 тезисов. Одна статья опубликована в печатном издании, которое состоит в списке журналов, рекомендованных ВАК РФ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.
Действующая компьютерная модель медиаторного синапса с учетом тонкой структуры его строения, характеристик функциональных параметров синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптиче-ской мембраны в условиях периодической и стохастической стимуляции пресинаптического волокна.
Комплекс экспериментальных зависимостей, определяющих роль и место синаптического бутона в медиаторной транссинаптической передаче сигналов.
Полученные с помощью модели новые экспериментальные данные, описывающие синаптическую щель как арену активных преобразований передаваемой через синапс информации на молекулярном уровне.
Ряд выявленных зависимостей, характеризующих постсинаптические механизмы, являющиеся важнейшим звеном в завершающей стадии работы медиаторного синапса.
Основные функциональные характеристики медиаторных синапсов
Согласно квантовой гипотезе секреции медиаторов синаптические пузырьки принимают важное участие в механизме экзоцитоза. Подтверждающие факты, полученные при комбинации различных электронномикроскопических техник, подробно описаны Germain, Proulx (1965), Ленков (1972), Харченко и др. (1973), Geffen, Model et.al. (1975), Livett (1977).
Потенциал действия на пресинаптической мембране приводит к почти синхронному (с небольшой задержкой -200 мкс) высвобождению квантов медиатора, которое обусловливает возникновение постсинаптического потенциала (ПСП). Важно отметить, что чем больше вызванная деполяризация преси-наптического окончания, тем больше реакция постсинаптической мембраны (Katz, 1962). При деполяризации терминали количество освобождаемых квантов медиатора резко возрастает, что вызывает скачкообразное изменение ПСП. Установлено, что величина квантов остается относительно постоянной, а при стимуляции пресинаптической мембраны увеличивается число секретируемых квантов (Экклс, 1966; Katz, 1972). Повышение вероятности освобождения квантов при деполяризации Пре-СМ связано с открыванием потенциал-зависимых Са-каналов и входом Са в СБ. Этот входящий Са -ток играет ключевую роль в квантовом высвобождении. Этот эффект пропорционален четвертой степени внеклеточной концентрации Ca2+(Dodge, Rahamimoff, 1967). Предполагается, что для высвобождения одного кванта медиатора требуются четыре иона Са , Однако даже при высокой внутриклеточной концентрации Са процесс секреции медиатора требует деполяризации мембраны (Parnas, Dudel, Parnas, 1982). Са2+-зависимый механизм секреции медиаторов сократительного характера (при помощи белков сократительной системы синаптических пузырьков, Пре-СМ и цитозоля нервных окончаний) сформулирован многими авторами (Poisner, 1970; Berl et. al., 1973; Глебов, Крыжановский, 1975;1976; 1978; Adler, 1991; Borst et al. 1996). Способность комплекса актомиозина к расслаблению и сокращению, регулируемая ионами Са +, определяет секрецию медиаторов при смене состояний покоя и возбуждения. В самом деле, биохимические исследования выявили в нервных окончаниях практически полную систему сократительных белков (Berl et. al., 1973, Blitz, Fine, 1974; Глебов, Крыжановский, 1975;1976; Николлс и др. 2003).
Итак, в состоянии покоя сократительная система белков находится в состоянии расслабления. При деполяризации Пре-СМ синаптические пузырьки, за счет скольжения вдоль тубулярных или филаментозных нитей, диффундируют к специфическим комплементарным участкам Пре-СМ (между плотными выростами обращенными внутрь цитоплазмы) - синаптопорам, где они контактируют с мембраной. При контакте миозинподобный белок синаптических пузырьков связывается с актинподобным белком пресинаптическоЙ мембраны. В результате сокращения такого актомиозинового комплекса, инициирующегося ионами Са +, накопившихся при деполяризации, медиаторы высвобождаются в участках контакта в СЩ. Причем, предполагается вариант поверхностного натяжения Пре-СМ в зоне контакта, приводящего к образованию открытых пор. В описываемой теории секреции медиаторов учитывается тот факт, что выделение медиаторов может происходить различными синаптическими пузырьками параллельно. В этом случае количество секретируемых квантов зависит от кон-центрации Са в С Б и числа синаптических пузырьков готовых к секреции и количества свободных синаптопор. Дальнейшие развивающиеся события (сни l_l_ жение концентрации Са в СБ, локальное увеличение АТФ), приводят к диссоциации нейростенина и вместе с этим расслаблению сократительной системы. В этих условиях синаптические пузырьки пополняют запасы медиатора, за счет их синтеза, обратного захвата из СЩ.
В поддержку такой гипотезы Piiszkin, Kochwa (1974) приводят данные, свидетельствующие о сближении изолированных синаптических пузырьков с Пре-СМ, а также увеличение активности Mg-АТФ-азы при участии ионов Са .
Pfenninger, Rovainen (1974), Heuser et. al. (1974) отмечают, что при деполяризующем воздействии на Пре-СМ происходит набухание терминален, снижение количества синаптических пузырьков и их диаметра, увеличение активной зоны, увеличения в Пре-СМ числа зон прикрепления синаптических пузырьков (или конических выступов внутрь терминален диаметром 20 нм). Степень обнаруженных ультраструктурных изменений коррелирует с интенсивностью секреторного процесса.
На следующих этапах процесса передачи нервного импульса активную роль принимает на себя ПСМ. По мнению многих авторов, события, происходящие на ПСМ, являются одними из ключевых для понимания интегративных функций нервной системы, решения проблем обеспечения эффективного взаимодействия между нервными клетками.
Все процессы эффективного взаимодействия между нейронами, происходящие на ПСМ, обязаны присутствию разнообразных мембранных рецепторов, обусловливающих различные ионные токи. Анализ различных механизмов формирования ионных токов требует более детального описания различных рецепторних систем и будет приведено ниже.
Взаимодействие медиатора с возбуждающим рецептором ПСМ приводит к деполяризации и возникновению возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) (в среднем от -70 до -10 mV), который создается за счет резкого одновременного увеличения проницаемости ПСМ для ионов К+ и Na+ по электрохимическим градиентам.
Взаимодействие медиатора с тормозным рецептором ПСМ приводит к снижению возбуждения, то есть к гиперполяризации и возникновению тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП) (примерно от -70 до -80 mV). Такой потенциал создается за счет изменения проницаемости ПСМ для анионов СГ и К+ по электрохимическим градиентам. Течение постсинаптического потенциала во времени определяется скоростью инактивации отработанных медиаторов в СЩ, десенситизации рецепторов и конформационных перестроек ПСМ.
Структурно-функциональные характеристики, принятые за основу для построения компьютерной модели синаптической щели
В принципиальном отношении для моделирования такого элемента, как СЩ важно следующее: нервный импульс, достигая пресинаптической термина-ли, вызывает секрецию химического посредника, который должен преодолеть пространство синаптической щели и далее, реагируя с рецепторами ПСМ, передать возмущение на ПСМ. В связи с этим, основная функция, которую выполняет программный блок, моделирующий СЩ, заключается в моделировании транспортировки медиатора через синаптическую шель, расчете количества молекул медиатора в области хеморецептивных центров на ПСМ с учетом их пространственного расположения и определение времени диффузии молекул медиатора к доступным хеморецепторам.
Ширина СЩ для центральных синапсов составляет 20-40 нм, а для нервно-мышечных - 50-100 нм. Полагаясь на данные Глебова, Крыжановского (1978), Глебова (1984) и на данные ряда других авторов, можно отметить, что пространство СЩ пронизывают внутрисинаптические филаментозные нити. Их диаметр составляет 5-7 нм., расстояние между ними 16-17 нм. Некоторые из них соединяют Пре- и ПСМ, некоторые не имеют контактов с мембранами. Данные о химическом составе СЩ говорят о том, что он заполнен гликопротеи-нами и полисахаридами со множеством кислых групп, обладающих полианионными свойствами.
Носителями полианионных свойств являются следующие три группы комплексных соединений: 1) гликопротеины; 2) кислые мукополисахариды (с повышенным содержанем гиалуроновоЙ кислоты и хондроитинсульфата); 3) гли-колипиды (сюда относятся гликосфингазиды, содержащие сиаловую кислоту).
Для функционирования межклеточного пространства имеют значение следующие свойства гликопротеинов и ганглиозидов: 1) Колебания размеров в значительных пределах. 2) Различная топология этих соединений. Они могут разветвляться или образовывать различные линейные цепочки. 3) Эти соединения являются полианионами и способны обратимо связывать положительно заряженные органические и неорганические группы. 4) Специализированные гликопротеины могут принимать участие в процессах, направленных на предотвращение вхождения определенных ионов.
Интересна точка зрения Косицина (1976), состоящая в том, что синаптиче-ские нити могут регулировать эффективность синаптической передачи: в состоянии покоя эти мостики расположены хаотично в СЩ и затрудняют диффузию медиатора, которая при возбуждении облегчается благодаря переориентации нитей, вызванной изменением поверхностного заряда этих структур. Таким образом, можно не без оснований полагать, что СЩ является не бесструктурным образованием, а обладает морфо-функциональными элементами, формирующими механизм направленной диффузии медиатора к ПСМ.
Для расчета пространственного распределения молекул медиатора в области хеморецепторов на ПСМ и времени их диффузии должно учитываться пространственное расположение активированных синаптопор на Пре-СМ (т.е. си-наптопоры через которые осуществился выброс медиатора) и должны быть известны координаты хеморецептивных центров (ХРЦ). Также нужно учитывать и тот факт, что выброшенный в синаптический зазор квант медиатора, диффундирует в направлении постсинаптических рецепторов и распространяется по синаптическому зазору во все стороны, занимая на ПСМ площадь равную, примерно, 0,3-0,5 мкм2 (Кривой и др., 1987). Поэтому для реализации модели С1Ц используются сформированные с помощью программных блоков СЬ и ПСМ (с заданными параметрами) фрагменты пресинаптической и постсинаптической мембран. Причем, начало систем координат для них совмещены в одной точке. По площади Пре- и ПСМ расположены (с известными координатами) синапто-поры и ХРЦ, а так же встроены синаптические нити, занимающие свободное пространство между синаптопорами и ХРЦ (равномерное распределение с заданной плотностью) и распространяющиеся от мембран в пространство СЩ (координаты их расположения так же известны). Отметим, что координаты активированных синаптопор, количество высвобождаемых через них квантов, интервалы времени между смежными выбросами медиатора определяются входным потоком для рассматриваемой модели СЩ. Для упрощения в модели СЩ заряды мембран Пре- и ПСМ на момент осуществляющейся секреции медиатора изменялись на некоторые постоянные величины. Такой подход минимизирует влияние процессов, развивающихся на мембранах, и в более полной мере обеспечивает исследование развивающихся событий, лежащих в основе функционирования блока модели СЩ.
Влияние параметров отдельных нервных импульсов и характеристик всего входящего потока импульсов в целом
Очевидно, что характер преобразований на уровне СБ должен зависеть от характеристик входящих импульсов (амплитуда, длительность ПД и др.), свойств Пре-СМ, структурно-функциональных особенностей СБ в целом, а так же от статистических параметров всего входящего потока. Результаты соответствующих исследований можно представить в следующем виде.
Определялись зависимости вида: 0= р(А), О -(р(д), 0 р(Л), 0- р(к), а так же Т=(р(А), Т=(р(3), Т=(р(А), Т - р(к), где: Q - количество медиатора выбрасываемого из СБ в СЗ за весь период стимуляции; Т- суммарное время выброса квантов медиатора из СБ; А - пиковая амплитуда ПД; 8- длительность ПД (фаза абсолютной рефрактерное), Л - длительность межимпульсных интервалов; к - коэффициент редукции мембранного потенциала.
На Рис. 4 а представлена зависимость количества выбрасываемого из СБ медиатора Q от пикового значения амплитуды входных импульсов на Пре-СМ (()- р(А)). Видно, что при значении А = 18,5 mv значения Q резко увеличиваются. Причем характер изменения Q является ключевым (триггерным). Триггер-ный эффект имеет место в области А от 14 до 18,5 mv, при иных значениях А квантовый выброс не меняется. Диапазон изменений Q довольно большой, а скорость приращения функции составляет 400 кв./mV, что весьма существенно. Итак, представленная здесь зависимость отражает пороговые свойства преси-наптической мембраны. Это явление играет важную роль. Поскольку, хорошо известно, что амплитуда ПД, генерируемых одним нейроном не меняется, т.е. является стабильным параметром входного потока. Однако, при переходе от одного нейрона к другому, где синаптические контакты образуются разными нейронами, амплитуда ПД изменяется. В этом случае полученная зависимость весьма полезна, т.к. дает представление о квантовом выходе медиатора исходя из характеристик нервных импульсов.
Рис. 4 б представляет зависимость времени выброса медиатора Т от величины амплитуды ПД А (Т= р(А)). График этой зависимости по форме подобен предыдущему, так же отражает пороговое свойство Пре-СМ. Однако, диапазон изменений Т очень маленький и равен 3 ms. Скорость приращения ф-ии составляет 3 ms/mV.
На Рис. 5 а представлена зависимость выбрасываемого медиатора Q от длительности ПД (фазы абсолютной рефрактерности) S. Нужно отметить, что зависимость О (р(5) нелинейная, со ступенчатым характером изменения значений Q. В диапазоне 5 4,6 -5,8 ms функция имеет пологий максимум, Скорость приращения функции на фазе подъема равна 1000 кв./ms, что говорит о существенном влиянии длительности ПД на выброс медиатора из СБ,
Зависимость времени выброса медиатора в СЩ Т от фазы абсолютной рефрактерности J изображена на Рис. 5 б. В отличие от ф-ии Q tpfS), Т имеет резкий скачок значений от 0 до 294 ms, при =1,6 ms. Однако при дальнейшем увеличении S , Т существенно не меняется. Скорость приращения функции равна 3,8. Таким образом, длительность входного ПД оказывает влияние на время выброса медиатора, правда, в меньшей степени, чем на количественный состав выбрасываемого медиатора.
На Рис. 6 а изображена зависимость молекулярного выхода медиатора из СБ Q от длительности межимпульсного интервала входного потока Л. Значения Q ступенчато увеличиваются до максимального уровня при Д=4 ms и далее уменьшаются по экспоненциальному закону. Функция О р(А), с ростом А, демонстрирует эффекты облегчения и депрессии для моделируемой системы пре-синаптической терминали. Итак, квантовый состав выделяемого медиатора существенно зависит от межимпульсного интервала входного потока. Скорость приращения ф-ии составляет 2000 кв./ms, что определяет вариабельный параметр Д на второе место по весу.
Функция вида Т=(р(Л) изображена на Рис. 6 б (Т - суммарное время выбросов). Она является линейной при всех значениях Д (1-10 ms). Это означает, что время квантового выброса прямо пропорционально входному межимпульсному интервалу. Однако следует заметить, что угол прямой, описывающей данную функцию, относительно оси абсцисс меньше 45 . Следовательно, на уровне СБ осуществляется линейное преобразование регулярного входного потока межимпульсных интервалов в выходной, описывающий время квантового выброса медиатора. Рассчитанная скорость приращения ф-ии (100) указывает на весомость представленной зависимости.
Структурно-функциональные параметры синаптическои щели и диффузия медиатора к постсинаптической мембране
Уровень потенциала покоя мембраны, а также подпороговая поляризация Пре-СМ обусловленная, например, аксо-аксональным переходом, безусловно, играют большую роль в синаптической передаче нервных сигналов. Определенный интерес представляют собой и механизмы спонтанного выброса, которые, как предполагается, выполняют шунтирующие функции и определяют процессы автогенерации сигналов. В предложенной модели существует возможность более детально изучить эти явления.
На Рис. 19 а Представлена зависимость () (р(МП), где МП-мебранный потенциал Пре-СМ. Пределы изменения мембранного потенциала (-90 - -70 raV) подпороговые. Получилось вполне прогнозируемое событие; с ростом мембранного потенциала квантовый выброс медиатора увеличивается. Характер зависимости нелинейный.
Сложнее дело обстоит с трактовкой зависимости Т-(р(МП), Рис. 19 б, Характер и динамика этой зависимости нетривиален и требует специального дополнительного анализа.
Характер зависимости среднего значения квантового выброса от приращения мембранного потенциала дМП (Приложение, Рис. 14 а) выглядит как дек-рементный, т.е. колебательный с последующим затуханием амплитуды колебаний. Это указывает на дМП как на фактор неустойчивости системы. Совсем другая ситуация представлена в на Рис. 14 б (Приложение), где отображена за висимость среднего интервала между выбросами от приращения мембранного потенциала. Здесь можно отметить устойчивый апериодический режим зависимости. Таким образом, подпороговые изменения мембранного потенциала весьма существенно сказываются на квантовом составе и временных параметрах выброса медиатора.
Результаты эксперимента, проведенного с использованием модели в режиме спонтанной активности, представлены в Приложении на Рис. 15, 16. Данные получены в течение некоторого времени (AT) наблюдения за испытуемой системой. На Рис. 15 (Приложение) отображена зависимость среднего количества выбрасываемого медиатора от коэффициента, определяющего количество ионов Са2+ в СБ (mq-(p(Kic)). Поведение функции нестабильное, но с ростом содержания Са2+ в СБ наблюдается тенденция увеличения среднего количества выброшенных квантов. Подобное явление и следовало ожидать, так как ионы Са способны стимулировать непроизвольный выброс медиатора. Рис. 16 (Приложение) описывает зависимость среднего количества выброшенного медиатора от уровня поляризации Пре-СМ (mq=tp( 4IT)). Здесь поведение системы так же нестабильное. Тем не менее, повышение тпч с ростом деполяризации мембраны, очевидно. Данное обстоятельство является вполне предсказуемым, ведь состояние мембраны (уровень ее поляризации) во многом определяет готовность пресинаптической терминали к осуществлению выброса квантового медиатора.
Заключение. Анализируя полученные данные по результатам многочисленных экспериментов с моделью СБ можно отметить следующее. Во-первых, различные режимы работы системы существенно сказываются на характеристиках квантового высвобождения медиатора и временных параметров его выброса из СБ. Во-вторых, практически каждый из исследуемых параметров (как входных потоков, так и самого СБ) оказывает значительное влияние на выделение медиатора из СБ. Это свидетельствует, с одной стороны, о сложности и многофак торности зависимости процессов экзоцитоза медиатора из СБ от внутренних и внешних условий, с другой показывает возможности самой модели (учитывая большое количество вариабельных параметров).
Хотелось бы отметить так же, что наиболее вариабельными параметрами выходного потока медиатора являются такие количественные характеристики выделяемого медиатора как Q и mq. Функции, их описывающие, почти всегда являются нелинейными, что, в свою очередь, говорит о нелинейных преобразованиях входной информации на уровне СБ.
Что касается таких параметров временных интервалов между выбросами медиатора как Тиші, то, как это не странно выглядит на первый взгляд, они являются менее вариабельными, чем аналогичные параметры квантового выхода. Однако и здесь имеют место преобразования на уровне вход-выход. Причем эти преобразования могут быть как линейными, так и нелинейными.
В целом, картина складывается такая. Входной поток нервных импульсов после преобразований в СБ трансформируется в поток выбросов квантов с определенными интервалами между ними. Более чувствительным к различным факторам СБ является квантовый выход медиатора. Менее чувствительными являются временные интервалы между отдельными выбросами медиатора. Причины этого обстоятельства, вероятнее всего, заключаются в особенностях механизмов формирования квантового выброса медиатора. Однако, данное явление нужно изучать дополнительно.
Среди вариабельных параметров, оказывающих влияние на процессы преобразования входного потока в СБ, есть более значимые и менее значимые. Их влияние можно оценить рассчитывая скорость приращения по независимой переменной соответствующих функций в конечных разностях. Таблица 4 иллюстрирует эти данные.
