Введение к работе
Актуальность работы. Изучение механизмов ритмогенеза мозга является актуальной задачей нейробиологии на протяжении длительного времени. Анализ особенностей пространственно-временной организации фокальной фоновой активности позволил обнаружить локальный автономный ритм в отдельных идентифицированных колонках соматической коры крысы в зоне проекции вибрисс (Сухов, 1993-2010), однако, механизмы этой ритмогенерации были неясны. В экспериментах с регистрацией фокальной ритмической активности (Бездудная, 2000; Сухов, Сердюк, Коняхина, 2007), а также при внутриклеточной регистрации активности нервных клеток (Timofeev et al., 2001) было показано, что при формировании веретенообразной активности в начальной фазе развития веретена импульсная активность нейронов отсутствует вследствие доминирования процессов гиперполяризации. Последнее исключает возможность участия химических синапсов в процессах синхронизации в начальной фазе развития веретен (Сухов с соавт., 2007, Кириченко, 2008). В связи с этим возникает вопрос относительно механизмов синхронизации гиперполяризационной осцилляторной активности, которая, по данным ряда авторов, генерируется пейсмекерными Н-каналами (McCormick, Раре, 1990; Раре, 1996; Santoro et al., 2000). Важную роль в синхронизации пейсмекерных потенциалов разных нейронов колонки могут играть электрические синапсы или щелевые контакты (gap junction), выявленные в локальных системах тормозных нейронов в разных отделах мозга млекопитающих, в том числе, в сенсомоторной коре (Deans et al., 2001; Galarreta, Hestrin, 2002; Fukuda, Kosaka, 2003, 2006; Connors, Long, 2004; Gibson et al., 2005), и которые, как полагают, необходимы для формирования химических синапсов (Lo Turco, Kriegstein, 1991, Peinado, et al., 1993, Kandler, Katz, 1995, Elias, et al, 2007, Todd et al., 2010).
Ранее было показано, что количество электрических синапсов в баррельной коре (четвертый слой) достаточно велико (Кириченко с соавт., 2008). Однако, сведения о количественном распределении этих контактов в верхних (супрагранулярных) и нижних (инфрагранулярных) слоях соматической коры в литературе отсутствовали. В то же время, сравнительный анализ количества синаптических контактов в различных слоях может способствовать установлению их возможной роли в процессах ритмогенерации.
В связи с этим, целью настоящей работы являлось электрофизиологическое исследование пространственно-временной организации фокальной веретенообразной активности в супрагранулярных и инфрагранулярных модулях колонок соматической
коры крыс и ультраструктурный количественный анализ синаптоархитектоники этих
слоев.
В соответствии с целью исследования, были определены следующие задачи:
1) Изучить особенности пространственно-временной организации фокальной веретенообразной активности в верхних (супрагранулярных- I, II, III) и нижних (инфрагранулярных-V-VI) модулях отдельной корковой колонки.
Исследовать особенности процессов дистантной синхронизации фоновой фокальной веретенообразной активности, отводимой от разных колонок соматической коры на разных стадиях развития веретен.
Провести сравнительное количественное морфометрическое исследование электрических и химических синаптических контактов в I-III, V-VI слоях колонки соматической коры.
Провести ультраструктурное исследование особенностей взаимного пространственного расположения электрических и химических синапсов в соответствующих модулях колонок соматической коры.
Выполнить иммуногистохимическое исследование экспрессии антигенов к синаптофизину, миелину, нейрофиламентам и глиальному фибриллярному кислому белку (Synaptophysin, Mielin Basic Protein, Glial Fibrillar Protein, Neurofilament) с целью выявления особенностей пространственного распределения нейронов и их отростков, глиальных клеток, а также химических синапсов в колонках коры крыс.
Научная новизна работы.
Впервые установлена возможность возникновения локального ритмогенеза в супрагранулярных или в инфрагранулярных модулях одной и той же корковой колонки.
Впервые проведена количественная оценка частоты встречаемости электрических и химических синаптических контактов в супрагранулярных (I, II, III) и инфрагранулярных (V,VI) модулях колонки соматической коры крыс. Показано, что доля электрических синапсов выше в верхних слоях коры.
Впервые проведено иммуногистохимическое исследование структуры корковых колонок с использованием антител к миелину, нейрофиламентам, глиальному фибриллярному кислому белку, синаптофизину, которое позволило описать особенности расположения нейронов, их отростков и глии, миелинизированных аксонов, а также химических синаптических контактов.
Научно-практическая значимость работы.
Представленные в диссертации результаты комплексного нейрофизиологического и нейроморфологического исследования структурно-функциональной организации ритмогенеза в колонках корковых нейронов указывают на ведущую роль электрических дендродендритических синапсов в формировании функциональных элементарных ансамблей однотипных тормозных нейронов - fast-spiking - parvalbumin-immunoreactive, low-treshold spiking, late-spiking. Вероятно, электрические синапсы обеспечивают электротоническую синхронизацию пеисмекерных осцилляции нейронов одного ансамбля, что формирует локальную эндогенную осцилляторную активность нейронного ансамбля в целом. Ритмическая веретенообразная активность обусловлена, таким образом, не чередованием ионотропных вызванных потенциалов и возвратных тормозных потенциалов, а является следствием скоординированного чередования эндогенных пеисмекерных волн калиевой гиперполяризации с последующими волнами Са - и Na -деполяризации, синхронизированных за счет дендродендритических электрических синапсов. Об этом свидетельствует результат анализа послойного распределения электрических синапсов, в частности, наибольшая частота их встречаемости в верхних слоях коры.
Полученные фундаментальные результаты могут быть использованы при изучении механизмов ритмогенеза в других лабораториях, при разработке математических моделей осцилляторной активности, при написании учебных пособий для биологов. Результаты работы включены в коллективную монографию «Холинергические и потенциал-зависимые механизмы локального ритмогенеза в нейронных колонках соматической коры крысы», планируемую к изданию в 2011 году, в спецкурс «Эволюция ритмогенеза».
Материалы исследования могут быть использованы при чтении лекций и проведении практических занятий для студентов и аспирантов, специализирующихся в области физиологии и морфологии, разработанные методы комплексного морфофункционального исследования - при изучении механизмов взаимоотношения нейронов, синхронизации ритмов внутри корковых колонок и их структурной организации, для изучения ультраструктуры электрических и химических синаптических контактов, и др. Основные положения, выносимые на защиту:
1) Формирование локальной веретенообразной активности в корковых колонках
может быть обусловлено развитием эндогенной пейсмекерной гиперполяризации в
ансамблях однотипных тормозных нейронов, объединенных
дендродендритическими электрическими синапсами, с последующей
деполяризацией, обусловленной активацией потенциал-зависимых Са и Na каналов.
Электрические дендродендритические синапсы играют важную роль в электротоническом объединении однотипных тормозных нейронов в различные элементарные ансамбли в супрагранулярных и инфрагранулярных модулях колонки и обеспечивают разные формы нормальной ритмической активности и регуляцию функционального состояния мозга.
Дистантная синхронизация осцилляторной активности разных колонок и разных модулей одной колонки за счет аксональных связей и химических синапсов зависит от функционального состояния и частотно-фазовой сонастройки ритмогенеза в разных колонках.
Количество электрических синапсов в различных слоях колонок соматической коры достаточно для осуществления электротонической синхронизации на начальной нарастающей фазе веретена.
Иммуногистохимическое исследование экспрессии глиального фибриллярного кислого белка на фронтальных срезах коры позволяет идентифицировать границы корковых колонок, которые не выявляются при светооптическом исследовании как неокрашенных, так и окрашенных гематоксилином и эозином препаратах и при иммуногистохимическом исследовании с использованием антител к миелину, нейрофиламентам и синаптофизину.
Апробация диссертационной работы. Материалы диссертации были представлены на II Всероссийской научно-практической конференции «Функциональное состояние и здоровье человека» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2008), международной конференции «Современные методы микроскопии в биологии и медицине» (г. Санкт -Петербург, Россия, 2009), III Международной научно-практической конференции «Проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2009), XV Международной конференции по нейрокибернетике (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2009), 5-й Российской (с международным участием) школе-конференции «Сон - окно в мир бодрствования» и междисциплинарном семинаре «Нейробиологические основы цикла сон-бодрствование» (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2009), 15 Мировом Конгрессе Психофизиологов (Будапешт, Болгария, 2010), пятом международном междисциплинарном конгрессе «Нейронаука для Медицины и психологии» (г. Судак, Крым, Украина, 2010), конференции молодых исследователей «Фундаментальная наука и клиническая медицина» (г. Санкт- Петербург, 2010), заседании ученого совета НИИ нейрокибернетики им. А.Б. Когана ЮФУ (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них три статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и две статьи в зарубежных журналах: Integrative Neuroscience и Neuroscience and behavioral physiology, общим объемом 2,57 печатных листа, личный вклад автора 60%.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав (обзор литературы, методика, результаты исследования, обсуждение результатов), выводов и библиографического указателя, включающего 56 отечественных и 138 зарубежных источника. Работа иллюстрирована 37 рисунками.
