Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время практически общепризнанным является тот факт, что изменение эффективности синаптической передачи лежит в основе механизмов обучения и памяти (см., например, Kandel et al., 1995; Bliss and Collingridge, 1993). Одной из наиболее разработанных моделей для изучения синаптической пластичности на позвоночных является долговременная потенциация (ДП) длительное увеличение амплитуды ответов нейронов на тестирующий стимул, возникающее после высокочастотной стимуляции афферентных входов (Воронин, 1982). Однако, несмотря на долгую историю изучения ДП, до настоящего времени отсутствуют прямые доказательства того, что механизмы ДП имеют какое-либо отношение к механизмам обучения и формированию следов памяти (Johnston, 1997; Voronin et al., 1994). В этой связи особенно привлекательными кажутся исследования на более простых организмах, например, таких как моллюски. В самом деле, с одной стороны было показано, что у моллюсков можно выработать оборонительные и пищевые условные рефлексы, что является проявлением процедурной (недекларативной) памяти (Максимова, Балабан, 1976, 1985; Walters et al., 1979; Alkon, 1974). С другой стороны, благодаря относительно простому строению нервной системы и крупным нейронам, на моллюсках можно детально описать нервные сети, контролирующие те или иные поведенческие акты. Затем, анализируя нервную сеть, контролирующую ту форму поведения, которая подверглась изменению в процессе обучения, можно определить локализацию и механизмы пластических перестроек. Подобная задача была блестяще выполнена школой Кендела на модели рефлекса отдергивания жабры у морского моллюска аплизии (Kandel et al., 1995). Однако оказалось, что клеточные
механизмы, определяющие обучение у аплизии по некоторым важным характеристикам отличаются от механизмов синаптической пластичности, обнаруженным на позвоночных. Главное отличие состоит в том, что в отличие от ДП нейронов позвоночных, сенситизация нейронов аплизии, определяющих отдергивание жабры, запускается не высокочастотным разрядом в нейронах, а воздействием химического стимула - серотонина (Brunelli et al., 197?). В связи с этим особенно интересными кажутся те модели обучения на моллюсках, в которых используются механизмы индукции синаптической пластичности, применяемые при исследованиях на нейронах позвоночных -высокочастотная стимуляция пре- или постсинаптического нейрона.
Одной из посылок настоящей работы явился тот факт, что при выработке сенситизации на наземной улитке Helix болевой стимул вызывает в командных нейронах оборонительного поведения высокочастотный спайковый разряд. Известно, также, что значительную роль при выработке сенситизации играет активация серотонинергических нейронов, обеспечивающая мощный выброс серотонина, который сам по себе оказывает потенциирующее влияние на командные нейроны. Однако неясно, вносит ли высокочастотный спайковый разряд в командном нейроне какой-либо вклад в развитие данной сенситизации.
Вопрос о том, участвует ли постсинаптический нейрон в развитии синаптической пластичности у моллюсков дискутировался в литературе довольно долго. К моменту начала настоящей работы наиболее распространенной точкой зрения было отрицание значения постсинаптической клетки в пластических перестройках у беспозвоночных животных. Высказьшались даже идеи, что филогенетически первой
появилась пресинаптическая пластичность, а затем уже, у
позвоночных животных, дополнительно возникли
постсинаптические механизмы. Причиной подобного рода воззрений, по-видимому, послужила работа из лаборатории Кендела (Carew, 1984), в которой экспериментально доказывалось, что активация постсинаптическои клетки не является ни необходимым, ни достаточным условием для индукции синаптического облегчения, лежащего в основе ассоциативного обучения у аплизии. Тем не менее, в 1994 году из лаборатории Глянцмана вышла работа, в которой сообщалось, что долговременная потенциация в культуре нейронов аплизии может быть индуцирована сочетанием высокочастотной стимуляции пресинаптичсекой клетки с деполяризацией постсинаптического нейрона (Lin and Glanzman, 1994), то есть впервые прямо указывалось на возможную роль постсинапса в индукции синаптического облегчения у моллюсков. В том же году была опубликована статья (Kuhnt et al., 1994), в которой была продемонстрирована возможность индукции долговременной потенциации в нейронах гиппокампа посредством высокочастотной тетанизации постсинаптического нейрона, что подчеркивает важную роль постсинапса в развитии пластических перестроек у позвоночных. В связи с этим возник вопрос, возможно ли индуцировать синаптическое облегчение путем высокочастотной стимуляции постсинаптического нейрона у моллюсков без афферентной активации.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель настоящей работы состояла в изучении механизмов потенциации, возникающей после внутриклеточной тетанизации командного нейрона (имитирующей вышеописанный спайковый разряд). Для
достижения данной цели были поставлены следующие конкретные задачи:
-
Исследовать возможность индукции синаптической потенциации путем внутриклеточной тетанизации постсинаптического нейрона в изолированной ЦНС моллюска.
-
Определить роль ионов кальция в выработке внутриклеточно индуцированной потенциации (ВКИП) синаптических ответов командных нейронов.
-
Выяснить роль серотонина в индукции ВКИП.
-
Определить, какие вторичные посредники вовлечены в поддержание ВКИП.
-
Исследовать, вовлекаются ли какие-либо ретроградные мессенджеры в развитие ВКИП.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые показана возможность выработки синаптической потенциации на нейронах моллюска путем внутриклеточной тетанизации постсинаптического нейрона. Обнаружено, что, как pi в аналогичных моделях синаптической пластичности на позвоночных животных, запускающим механизмом ВКИП у моллюсков является увеличение кальция в постсинаптическом нейроне. Выявлена сезонная зависимость выраженности ВКИП - долговременная потенциация вырабатывается только в весенне-летний период. Показано, что серотонин не является запускающим механизмом ВКИП в отличие от широко известных моделей гетеросинаптического облегчения у беспозвоночных; однако присутствие серотонина необходимо для реализации долговременной фазы потенциации. Впервые показана возможность участия окиси азота в пластических перестройках у беспозвоночных животных.
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Анализ механизмов ВКИП расширяет представления теоретической
физиологии о механизмах обучения и памяти на клеточном
уровне в ЦНС животных. Кроме того, совокупность
представленных данных о пластических свойствах
постинаптического нейрона может найти применение при конструировании нейрокомпьютерных кибернетических систем.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы диссертации докладывались на 33-м международном конгрессе IUPS (International Union of Physiological Sciences), (С.-Петербург, 1997), на 5-ой конференции ISIN (International Society for Invertebrate Neurobiology) "Простые нервные системы" (Москва, 1997), на молодежных научных конференциях ИВНД и НФ (1997, 1998), на конференции Европейского общества нейронаук (Берлин, 1998), на конференции молодых ученых в МГУ им. Ломоносова посвященной 90-летию Л.Г. Воронину (Москва, 1998).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи и тезисы 4 докладов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, главы с изложением методов исследования, главы результатов и их предварительного обсуждения, общего обсуждения результатов, выводов и списка литературы. Работа изложена на 9^— страницах машинописного текста, иллюстрирована ^ рисунками. Список литературы содержит/KS источников.