Введение к работе
Актуальность темы. Изучение различных форм индивидуального адаптивного поведения и выяснение механизмов пластичности, лежащих в его основе, представляет собой важнейший класс задач науки о высшей нервной деятельности (Котляр, 1986). Под пластичностью понимаются относительно устойчивые функциональные изменения в системах нейронов, превышающие по длительности время обычных синаптических и импульсных процессов и определяющие эффективность и направленность межнейронных связей (Конорски, 1970; Костюк, 1972).
Внимание все большего количества исследователей привлекает долговременная сенситизация, которая является одной из наиболее интересных моделей для изучения базовых механизмов пластичности. Долговременная сенситизация (ДС) -устойчивое пластическое состояние нервной системы, которое характеризуется значительным повышением реактивности нервной системы в результате действия сильных сенситизирующих стимулов. ДС является одной из форм неассоциативного обучения и ее исследование позволяет проанализировать клеточные и молекулярные основы поведения, не прибегая к усложненным методам (Кэндел, 1980).
Исследование механизмов сенситизации у высших животных сопряжено с известными методическими трудностями, в этом отношении брюхоногие моллюски оказались очень удобными модельными объектами, дающими возможность прямого соотнесения результатов, полученных на клеточном уровне, с проявлениями реального поведения. При разработке этой проблемы наиболее эффективными оказались электрофизиологические методики, позволяющие непосредственно изучать изменения функционального состояния нейронных- структур различной сложности на определенных стадиях изменения поведения.
Долговременная сенситизация рефлекса отдергивания сифона и жабер у аплизии впервые была описана в 1973 г. (Pinsker et. al., 1973), но детальное изучение механизмов ДС началось сравнительно недавно (Frost, et.al. 1985; Dale et. al., 1987, Сафронова, 1987,
- 4 -Walters, 1987, Балабан, 1991).
Известно, что неспецифические сенситизационные изменения сопровождают ассоциативное обучение, могут ему предшествовать (Balaban, 1983; Литвинов, Логунов, 1979; Shtark et. al., 1982) и являются важным моментом в жизни животных, так как увеличивают реактивность и тем самым повышают готовность к модификации поведения (Гайнутдинов, Штарк, 1986; Kandel, Schwartz, 1982). К настоящему времени установлена ведущая роль командных нейронов в определенных видах поведения, а также значение сенсорных клеток и мотонейронов, включенных в дуги разных рефлексов (Balaban, 1979; Davis, 1983; Kandel, 1976). Хорошо известно также, что мембранные процессы определяют пластические модификации и ассоциативное обучение (Alkon, 1982; Davis, 1983; Hawkins, 1981; Литвинов, Логунов, 1979; Walters, Byrne, 1983; West et.al., 1982; Гайнутдинов, Штарк, 1986).
Результаты, полученные на аплизии (Frost et el., 1985, Montarolo et el., 1986), указывают на возможность формирования пластических сдвигов в пресинаптическом нейроне (в данном случае сенсорном нейроне аплизии) без участия постсинаптических механизмов, причем отмечено, что происходящая при долговременной сенситизации пресинаптическая фасилитация связана с синтезом новых белков и с изменениями в генной экспрессии (Montarolo et el., 1986, Castellucci et el., 1989, Kandel et el., 1993) и эти изменения индуцируются серотонином (Clark, Kandel, 1993). Этому соответствуют и данные, полученные на виноградной улитке, где подтверждается, что по крайней мере часть процесса сенситизации связана с чисто пресинаптическим по локализации процессом (Балабан, 1987, 1992). Субклеточный механизм сенситизации по этим данным представляет собой цАМФзависимое фосфорилирование серотонинчувствительных калиевых каналов, в результате уменьшения проводимости по калию увеличивается длительность потенциала действия и количество входящего во время потенциала действия кальция, что приводит к увеличенному выбросу медиатора в терминалях, а феноменологически выражается в увеличении амплитуды и длительности ВПСП в моносинаптически связанном мотонейроне.
Таким образом, фактически принято считать, что для возникновения долговременной сенситизации достаточно пластических изменений в паре сенсорный нейрон - командный нейрон только на
- 5 -пресинаптическом уровне и собственно в сенсорном нейроне. На наш взгляд, пластические изменения, происходящие на уровне командного нейрона, дают вклад в длительные эффекты сенситизации, но они пока недостаточно хорошо изучены.
Исследования пластических преобразований в командных нейронах показали наличие в них изменений мембранных параметров при сильной стимуляции (Balaban, 1983) или при стимуляции серотонинергических нейронов (Zakharov et.al., 1991), в работах, проведенных в нашей лаборатории, показаны изменения в белковых спектрах командных нейронов на ранних стадиях обучения (Гринкевич, 1980). Ранее на полуинтактном препарате Helix lucorum было показано (Балабан, 1978), что в командном нейроне закрытия дыхательного отверстия происходит усиление ответов на второй - третий стимул в серии тактильных стимулов, т. е. происходит сенситизация ответов нейронов, сопровождающаяся остаточной деполяризацией, однако подтверждения этим фактам на более длительном временном интервале и в более адекватной экспериментальной ситуации получено не было. Это и определило цель и задачи настоящей работы.
Дели и задачи исследования.
Цель настоящей работы состояла в выяснении мембранных механизмов постсинаптических изменений при формировании долговременной сенситизации на идентифицированных командных нейронах оборонительного поведения моллюска Helix Pomatla L.
На основе поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Изучить характер формирования и сохранения ДС на интактном животном при нанесении сильных ноцицептивных электрических стимулов.
-
Проследить на полуинтактном препарате электрофизиологические корреляты ДС, полученной на интактном животном, при адекватной тактильной стимуляции.
-
Изучить мембранные механизмы ДС на идентифицированных командных нейронах оборонительного поведения.
-
Разработать математическую модель, описывающую возбудимость нейрональной мембраны, применительно к соме Helix Pomatia.
-
В экспериментах на математической модели определить характер количественных изменений ионных проводимостей,
- 6 -определяющих вариации возбудимости мембраны командных нейронов при выработке ДС.
Научная новизна полученных результатов. Решение поставленных задач позволило получить следующие результаты:
-
Разработана экспериментальная модель долговременных изменений характеристик командных нейронов оборонительного рефлекса закрытия пневмостома виноградной улитки Helix Pomatia.
-
Показано, что формирование ДС сопровождается пластическими изменениями в постсинаптических нейронах - при этом повышается возбудимость злектрогенной мембраны командных нейронов ЛПа2,3 и ППа2,3, что выражено в облегчении генерации ДЦ при адекватной тактильной стимуляции сенситизированных животных.
-
Впервые показано, что при ДС наблюдается значительная (до 10 mV) деполяризация мембраны командных нейронов оборонительного рефлекса закрытия пневмостома.
-
Обнаружено явление накопления (аккумуляции) деполяризации в командных нейронах улиток после выработки ДС, которое заключается в том, что при последовательном нанесении тактильных стимулов происходят ступенчатые деполяризационные сдвиги мембранного потенциала.
-
Установлено, что изменение возбудимости мембраны командных нейронов оборонительного поведения происходит вследствие уменьшения порогового потенциала в результате гиперполяризационного сдвига критического потенциала и деполяризационного смещения потенциала покоя.
-
Создана математическая модель, описывающая генерацию потенциалов действия злектрогенной нейрональной мембраной при разделении входящего тока на натриевую и кальциевую компоненты, а выходящего - на "быстрый" и "замедленный" калиевый ток.
-
В экспериментах на математической модели показано, что наиболее вероятной причиной наблюдаемых изменений критического потенциала и потенциала покоя при ДС является уменьшение проводимости каналов "быстрого" выходящего калиевого тока.
Практическая ценность работы. Совокупность данных, полученных в работе, расширит понимание клеточных механизмов пластичности. Описанная модель может
- у -
применяться при исследовании действия биологически активных веществ в различных модельных ситуациях на простой клеточной модели долговременной сенситизации. Кроме того, ДС может рассматриваться в качестве модели неспецифической гипертрофированной реакции тревоги, на которой возможно изучать особенности развития хронических патологических состояний центральной нервной системы.
Апробация материалов диссертации. Основные положения диссертации доложены на:
-
II Всесоюзной конференции "Простые нервные системы и их значение для теории и практики" (Казань, 1988).
-
Международном симпозиуме "Интегративная деятельность нейрона: молекулярные основы" (Ялта, 1988).
-
IX Всесоюзной конференции "Проблемы нейрокибернетики" (Ростов, 1989).
-
XXVIII Совещании по проблемам высшей нервной деятельности (Ленинград, 1989).
-
IV конференции по нейробиологии обучения и памяти (Irvine, California, 1990).
-
Конференции Международного общества нейробиологии беспозвоночных (Минск, 1991).
-
X Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов, 1992).
8. II съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск,
1995).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), главы, посвященной методике исследований (глава 2), результатов собственных исследований (глава 3), обсуждения результатов (глава 4), выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на ^|^страницах машинописного текста и иллюстрировано 3 таблицами и 18 рисунками. Список литературы содержит 128 источников.