Введение к работе
Актуальность проблеми. Анализ квантового освобождения
атора в межнейронных соединениях во многом основан на применении биномиальной модели. В основе этой модели лежит представление о мекнейронном синапсе как конечной совокупности генераторов квантов, работающих независимо друг от друга с равной вероятностью и дающих равный вклад в регистрируемый постсинаптичес-кий ответ.
Применение этой модели позволило в ряде случаев добиться хорошего согласия теоретических и экспериментальных распределений амплитуды постсинаптических потенциалов и получить интересные данные о близости оцениваемого числа квантовых генераторов к числу синаптических бутонов (Korn et al., 1981). В тоже время имеются данные, не укладывающиеся в биномиальную схему. Во-пэрвых, иногда наблюдаются статистически значимые отличия между экспериментальными и биномиальными распределениями. Во-вторых, в ряде случаев оценка числа генераторов оказывается меньше числа морфологически определяемого числа контактов. В-третьих, при изменении внеклеточной концентрации ионов кальция наблюдается изменение биномиального параметра п (числа генераторов), что противоречит структурной-интерпретации этого параметра. Все эти несоответствия' были получены в экспериментах на нервно-мышечном препарате (Robotaille, ТтетЫеу, 1987) и, частично, в межнейронных соединениях (Redman, 1990). В частности, в работе Грантынь и соавторов (1984) была отмечена близость параметра п в сенсомото-нейронном соединении лягушки не к числу контактов, а к количеству контактных зон, образуемых группами близлежащих контактов. Авторами было высказано предположение о возможности взаимодействия между синапсами, входящими в одну контактную зону.
С другой стороны, известен ряд работ, связывающих отклонения от биномиалъности с неоднородностью вероятностей освобождения медиатора в отдельных синаптических контактах в пределах одного соединения. Работы нескольких групп исследователей (Bennett, Lavidis, 1979; Alonso, Grlnnell, 1985; Зефиров, 1985) дали убедительные доказательства существования пространственной неоднородности генераторов квантов - в нервно-мышечных синапсах. Для межнейронных синапсов прямые доказательства, основанные на анализе активности отдельных контактов, пока отсутствуют. В то же время результаты, полученные в.исследованиях Редмана и Вомсли
(Redman, Walmsley, 1983) при помощи модельного подхода, свидетельствуют в пользу существования функциональной неоднородности контактов в межнеиронных соединениях КОШКИ. Р.,
Целью исследования являлись разработка математических моде- ' лей, учитывающих возможность функциональной неоднородности, и взаимодействия мест освобождения медиатора в межнеиронных синапсах спинного мозга лягушки, и экспериментальная проверка применимости этих моделей при некоторых воздействиях на синаитическую передачу.
В соответствии с этим были поставлены следующие задачи исследования:
-
Разработать математические модели, описывающие влияние ряда факторов (неоднородность вероятностей освобождения кванта медиа-' тора, неоднородность амплитуд одноквантовых ответов, взаимодействие близлежащих контактов, выпадения ответов от групп контактов) на распределение амплитуды постсинаптических потенциалов; сравнить согласие модельных и экспериментальных распределений. , '
-
Изучить зависимость средней амплитуды, размера кванта, параметров биномиальной модели и модели свертки биномов от внеклеточной концентрации кальция.
Научная новизна результатов.
Впервые описан ряд вероятностных моделей синаптической передачи, получены выражения для первых трех центральных моментов_и оценки параметров моделей,- а также предложен новый критерий для проверки согласия теоретических распределений с экспериментальными данными.
- Впервые получены доказательства неоднородности вероятностей освобождения кванта медиатора в отдельных контактах, образующих сенсомотонейронный синапс лягушки. Количественно охарактеризован закон распределения этих вероятностей. Показано участие в передаче сигнала в сенсомотонейронном соединении большого числа шшкоэффэктивннх контактов, работающих одновременно с меньшим по мощности пулом высокоэффективных контактов, в которых вероятность освоооадения медиатора близка к единице.
Впервые для сенсомотонейронного синапса лягушки получена характеристика зависимости средней амплитуды, среднего квантового состава минимальных возбуждающих, постсинаптических потенциалов (ВПСП) от внеклеточной концентрации ионов кальция. Прове-
денный анализ показал, что наблюдаемый характер неоднородности эффективности секреции медиатора может бить объяснен неоднородностью распределения потенциал-зависимых Са2*-каналов.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Полученные данные подтверждают гипотезу о неоднородности
эффективности мест освобождения медиатора в межнейронных соеди
нениях. Разработанные модели достаточно универсальны и могут
быть применены для изучения синаптической передачи в различных
синапсах. .
Проведенный при помощи моделирования анализ вариации амплитуд ВПСП, обусловленной действием различных факторов, позволил выявить их функциональную значимость для обеспечения стабильности передачи сигнала и сформулировать некоторые возможные направления эволюции межнейронных синапсов.
Проведенное исследование позволило дать новую интерпретацию
параметрам биномиальной модели, интенсивно используемой в
прикладных исследованиях для оценки влияния на синаптическую
передачу различных ионов и фармакологических веществ, для изуче
ния созревания и регенерации, пластических и других свойств ней
ронов. '_
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Синаптические контакты, образующие сенсомотонейронное соединение лягушки, отличаются между собой по эффективности секреции медиатора. Эти отличия носят ярко выраженный характер: значения вероятности освобождения кванта медиатора в отдельных синапти-ческих бутонах лежат в пределах всего допустимого интервала значений -. от 0 до 1. Существует большая фракция практически всегда "молчащих" контактов и меньшая доля контактов, в которых освобождение медиатора происходит почти на каждый афферентный импульс.
-
Увеличение внеклеточной концентрации кальция приводит к переходу части низкоэффективных контактов в эффективный режим работы ,, а часть средвдэффектиЕНЫх синаптических контактов становится высокоэффективными. При понижении концентрации кальция происходит обратное перераспределение контактов.
-
Неоднородность эффективности синаптических бутонов, вероятно, связана с отличиями в плотности потенциал-зависимых Саг+-каналов, обеспечивающих вход гонов кальция внутрь нервной терминали, и имеет значение для оСеспечзния стабильности передачи сигнала.
Апробация рабой и публикации. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на конкурсах молодых ученых ИЭФиБ им.М.М.Сеченова АН СССР (1986, 1987, 1989), на Всесоюзной конференции "Био-мэдкиСернетика-85" (Ленинград, 1985), на конференции молодых' ученых "Механизмы регуляции физиологических функций" (Ленинград, 1988), на Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых, по биотехническим системам БИМК-88 (Лосево, 1988), на Всесоюзной школе-семинаре по эволюционной физиологии (Репино, 1989), на Всесоюзной конференции "Регуляция .физиологических функции" (Винница,. 1989), на Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия медиа-торных процессов" (Москва, 1990), на 10-м совещании по, зволю-* ционной физиологии (Ленинград, 1990). По материалам диссертации опубликовано 11 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (Глава I), описания объекта и методик исследования (Глава II), изложения результатов собственных исследований (Глава III), обсуждения результатов (Глава IV), выводов и списка литературы.