Ионные механизмы сенсорного кодирования Крылов, Борис Владимирович

Введение к работе

Выяснение механизмов импульсного кодирования - важнейшая задача физиологии сенсорных систем, в особенности при исследовании рецепторних приборов, создающих первичный сенсорный код. Анализ накопленных электрофизиологических данных позволил выявить ряд важных закономерностей преобразований сигналов в сенсорных системах (Adrian, Zotterman, 1926; Mountcastle. 1967; Вызов. 1971; Somjen, 1975; Пятигорский, 1979; Грибакин, 1981; Альтман, 1990; Ковбаса, Ноздрачев, 1990). Однако до настоящего времени не проведено ни одного законченного экспериментального исследования ионных механизмов генерации потенциалов действия кодирующей электровозбудимой мембраной чувствительных окончаний. Импульсная активность рецепторов возникает в результате воздействия рецепторного тока на их спайкгенерирующую область (Katz, 1950), поэтому особенности импульсного кодирования должны соответствовать' закономерностям возникновения потенциалов действия в нервном волокне под влиянием электрического тока (Granlt, 1955; Ильинский, 1975). Эти закономерности в свою очередь могут быть изучены. на основе мембранной ионной теории (Hodgkin. Huxley, 1952а, 1952b, 1952с, 1952d; Hodgkin et al., 1952). Ответ на вопрос о том, в какой мере молекулярные характеристики ионных каналов определяют (інтегративную кодирующую функцию сенсорной системы,особенно актуален. Нами делается попытка с помощьи ионной теории провести исследование роли различных типов управляемых потенциалом ионных каналов в процессе аналого-импульсного преобразования, происходящего на электровозбудимой мембране. По ее реакции на постоянный ток можно выделить три основных типа преобразования сигналов: адаптацию, частотное и числовое кодирование. Адаптация проявляется в прогрессивном увеличении во времени межимпульсных интервалов. Феноменология частотного кодирования также хорошо известна а этом случае: мембрана увеличивает частоту следования нервных импульсов при увеличении амплитуды стимула (Adrian, Zotterman,. 1926). При числовом кодировании амплитуда стимула оценивается числом возникающих в рецепторе импульсов. Чем больше максимальное число гене--рируемых разрядов, тем более тонко рецептор может оценивать внешнее воздействие (Ильинский, 1975).

В литературе существуют лишь немногочисленные данные о меха-

- і -

низмах числового кодирования, согласно которш начальное значение переменной натриевой инактивации может влиять на максимальное число потенциалов действия (ПД) в серии повторных ответов, рассчитанных на модели мембраны перехвата Ранвье (Frankenhaeuser, Vallbo, 1965: Vallbo, 1964b). Числовое кодирование обнаружено в электрорецепторной системе рыб (Suga, 1967). Этот же механизм преобразования входного сигнала существует в тельцах Пачини кошки (Ильинский, 1966) и в мышечных веретенах лягушки (Ottoson. Shepherd, 1965). Рассмотренный феномен, основанный на изменении числа повторных ответов в серии импульсов, необходимо -отличать от способа кодирования числом одновременно активированных рецепторов, который имеет важное значение при изучении деятельности их популяций.

Во многих рецепторних приборах кодирующую функцию выполняет мембрана первого перехвата Ранвье. Шварц и Фогель (Schwarz, Vo-gel, 1971), исследуя инактивацию калиевого тока мембраны нервного волокна Xenopus taevis, выделили два компонента этого процесса, что позволило им высказать предположение о существовании двух типов калиевых каналов в указанной мембране. Гипотеза о гетерогенности калиевой системы мембраны перехвата Ранвье нашла свое экспериментальное подтверждение в работах В.С.Каковского и соавторов, обнаруживших популяцию медленных калиевых каналов в электровозбудимой мембране Eana ridibunda (Ильин и др., 1973а, 1974а, 19746; 1977, 1980). Вскоре каналы Маковского были обнаружены н в мембране нервного волокна Rana esculenta (Dubois, 1981а, 1981b, І9ЄІС),

Выяснение роли этих каналов в адаптационных явлениях (Маковский, 1979) позволило по-новому подойти к изучению функции различных ионных систем в преобразовании аналог - код, .осуществляемом мембраной перехвата Ранвье.

Важным результатом рассматриваемого подхода является положение о том, что с помощью количественных изменений единственного параметра - плотности медленных калиевых каналов - можно объяснить качественные различия ответов моторных и сенсорных волокон, фазную и тоническую импульсацию рецепторов. Можно предположить, что сенсорный нейрон может синтезировать необходимое для первичного кодирования количество медленных калиевых каналов, управляя таким образом переработкой информации в афферентном звене рефлекторной дуги.

В настоящей работе исследован новый механизм регуляции импульсной активности электровозбудимой мембраны. Структурное изменение воротного устройства - инактивационной системы, натриевых каналов - может привести к тем же качественным отличиям в рисунке импульсной активности. Повышение точности измерений, прогресс в развитии экспериментальных методик позволяют сегодня на современном уровне уточнить основные постулаты ионной теории, одним из которых является использование однобарьерных моделей для описания кинетического поведения воротных устройств конных каналов. Количественное выявление эффектов второго порядка при исследовании процесса инактивации натриевого тока мембраны нервного волокна (Chiu, 1977) заставило искать ответ на вопрос о причинах и возможной роли этой более сложной организации инактивационной системы. Свойствами, как минимум, второго порядка обладают подобные системы различных мембран (Пеганов, 1973; Можаева и др., 1980; Лонский и др., 1981; 1984; 1989; Зильбертер, Тимин. 1982; Schauf 1974; (former, 1980; Kniffki et al., 1981; Ochsetal., 1981; Schwarz, 1984; Schmidtmayer, 1985; 1989).

В настоящей работе мы руководствовались при исследовании функциональной роли в импульсном кодировании потенциалозависимых ионных каналов следующими принципами. Из главного уравнения ионной теории следует, что '

dE/dt=(I_n + ІІ„І- І_вих - I,)/C, где dE/dt - скорость изменения потенциала, С - емкость мембраны, I_m - стимулирующий ток, І! - ток утечки, I_BX, 1_ВН„ - входящие и выходящие ионные токи, соответственно. Очевидно, что любое увеличение входящих токов должно вести к росту скорости изменения потенциала. Ее увеличение в течение межимпульсных интервалов служит основным фактором, ведущим к учащению импульсации. Выходящие токи, осуществляя отрицательную обратную связь, наоборот, снижают частоту повторных ответов. Отсюда следует, что натриевые каналы и каналы тока утечки образуют базисную систему, способную обеспечить генерацию основной несущей частоты импульсной активности нервного волокна. Включение быстрых калиевых каналов приводит к своеобразной модуляции его ответов, формируя отрицательно ускоряющуюся функцию вход-выход, характерную для большинства рецепторов (Somjen, 1975). Тончайшие механизмы регулировки и настройки мембранного генератора могут обеспечиваться деятельностью медленных калиевых каналов или с помощью других молекулярных механизмов.

- исследованию которых посвящена настоящая работа.

1. Выяснить на основании мембранной ионной теории возможную функциональную роль потенциалозависишх ионных каналов в процессе первичного сенсорного кодирования, осуществляемого мембраной нервного волокна.

2. Исследовать роль инактивационной системы натриевых каналов в регуляции импульсной активности электровозбудимой мембраны сенсорных нейронов спинальных ганглиев крысы.