Мембранные корреляты ассоциативного обучения в командных нейронах виноградной улитки Гайнутдинова, Татьяна Халиловна

Введение к работе

Актуальность исследования. Процессы обучения и памяти лежат в основе изменения поведения и составляют основное содержание интегративной деятельности головного мозга (Анохин, 1974; Соколов, 1981; Woody, 1986; Thompson, 1987; Byrne et al., 1991; McPhie et al., 1993; Balaban, 1993, Bailey et al., 1996). Неотъемлемой частью нейробиологии становится изучение клеточных механизмов обучения и памяти у моллюсков, обладающих относительно простой нервной системой с идентифицируемыми клеточными элементами и достаточно сложным поведенческим репертуаром (Kandel, Schwartz, 1982;Goelet et al., 1986; Сахаров, 1992; Балабан, Захаров, 1992; Hawkins et al., 1993; Krasne, Glanzman, 1995; Пивоваров, 1995; Matzel et al., 1998).

В 70-х годах было установлено, что моллюски способны к выработке условных рефлексов (Mpitsos, Davis, 1973; Gelperin, 1975; Асратян, 1983). К настоящему времени накопились экспериментальные данные, демонстрирующие важную роль мембранных процессов в ассоциативных и неассоциативных формах обучения (Alkon et al., 1987; Byrne, 1987; Балабан и др., 1992; Hawkins et al., 1993; Staras et al., 1998; Matzel etal., 1998). В ходе выработки ассоциативного обучения у гермиссенды был отмечен продленный деполяризационный сдвиг мембранного потенциала в фоторецепторах типа В (Alkon, 1984; Frysztak, Crow, 1997), в командных нейронах плевробранха показаны явление Са-зависимого увеличения продолжительности потенциала действия и модуляция залповой активности (Gillette et al., 1982; Davis, 1986). Увеличение продолжительности потенциала действия, зависимое от входа Са²⁺ в клетку, обнаружено после обучения в механоафферентных нейронах аплизии (Walters, Byrne, 1983; Hawkins, 1994; Billy, Walters, 1989; Abrams et al., 1991). В командных нейронах оборонительного рефлекса виноградЕюй улитки было найдено увеличение возбудимости на начальной стадии выработки условного рефлекса, а также показана генерация большого числа потенциалов действия и увеличение возбудимости после его полной выработки (Литвинов, Логунов, 1979; Максимова, 1980; Балабан и др., 1992; Никитин, Козырев, 1993). Поскольку для электрофизиологических экспериментов были использованы изолированные и полуинтактные препараты сразу или на другой день после обучения, то представлялось интересным проследить динамику изменений электрических параметров командных нейронов оборонительного в течение времени сохранения изменений поведенческих реакций.

Одним из широко распространенных и хорошо изученных медиаторов нервной системы является серотонин (Сахаров, 1990; Иерусалимский и др., 1997; Angers et al., 1998). В последние годы появилось большое количество экспериментов, выполненных на клеточных аналогах обучения (пластичности), в которых для воспроизведения изучаемого феномена пластичности используется аппликация серотонина. Возникающее синаптическое облегчение включает увеличение продолжительности потенциала действия сенсорного нейрона, увеличивающее его возбудимость и облегчение высвобождения медиатора из терминалей сенсорного нейрона (Klein et al., 1980; Балабан, 1987; Eliot et al., 1994; Mauelshagen et al., 1996; Малышев и др., 1997; Sugita et al., 1997). С другой стороны для исследования роли серотонинергической системы в деятельность нервной системы и включения ее в формирование поведения применяются нейротоксические аналоги серотонина 5,6- и 5,7-дигидрокситриптамин (5,6-ДОТ), которые ведут к истощению серотонина (Науменко, Попова, 1975; Gadotti et al., 1986; Glanzman ct al., 1989; Hernadi et al., 1992). Важным этаном в этом направлении исследований являются работы, выполненные П.М.Балабаном и сотрудниками, которые показали, что сочетание предъявления пищи и электрических раздражений не приводит к изменению ответов на пищу у улиток, инъецированных 5,7-ДОТ, тогда как у контрольных животных в этом случае наблюдались оборонительные реакции (Балабан и др., 1986). В то же время было показано, что хотя у пиявки после истощения серотонина при помощи 5,7-ДОТ сильно уменьшается выраженность обусловливания, но они не теряют возможности к обучению (Sahley, 1994; Burrell, Sahley, 1999). Таким образом, к настоящему времени накопился большой экспериментальный материал, свидетельствующий о связи функционирования серотонинергической системы со способностью к обучению. Это побудило нас к исследованию механизмов формирования условного оборонительного рефлекса с применением 5,6-ДОТ, проведя анализ роли серотонина в обучении на уровне электрических характеристик командных нейронов.

Цель и основные задачи исследования. Целью работы явилось исследование мембранных механизмов ассоциативного обучения у виноградной улитки и анализ роли серотонина на уровне электрических характеристик командных нейронов. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: 1. Провести сравнительный анализ изменений электрических характеристик

командных нейронов при формировании условных оборонительных

рефлексии у виноградной улитки.

1. Провести исследование мембранных механизмов формирования условного оборонительного рефлекса после выработки долговременной сенситизации.

2. Исследовать динамику и длительность сохранения изменений электрических параметров клеток после выработки условного оборонительного рефлекса.

3. Провести дет&тьный анализ изменений электрических характеристик командных нейронов при истощении серотонина 5,6-дигидрокситриптамином.

4. Исследовать влияние инъекции 5,6-дигидрокситриптамина на выработку условного оборонительного рефлекса у виноградной улитки.

Положения, выносимые на защиту:

1. У виноградной улитки основными клеточными коррелятами формирования условных оборонительных рефлексов являются снижение мембранного потенциала и порога генерации потенциала действия командных нейронов. Эти измененные значения электрических характеристик нейронов сохраняются в течение одного месяца после обучения.

2. Инъекция 5,6-дигидрокситриптамина (5,6-ДОТ), истощающего серотонин, ведет к деполяризационному сдвигу мембранного потенциала и уменьшению порога генерации потенциалов действия командных нейронов виноградной улитки на клеточном уровне и нарушает выработку условного оборонительного рефлекса. После обучения 5,6-ДОТ-инъецированных улиток отсутствует дальнейшее снижение мембранного и порогового потенциалов.

Научная новизна. Впервые показано, что обучение улиток после формирования долговременной сенситизации ведет к снижению мембранного и порогового потенциалов в командных нейронах оборонительного поведения. Впервые найдено, что изменения электрических характеристик командных нейронов сохраняются в течение одного месяца после выработки условного оборонительного рефлекса, т.е. в течение времени сохранения поведенческих тестов. Впервые обнаружено, что инъекция 5,6-дигидрокситриптамина (5,6-ДОТ) вызывает деполяризацию мембраны и уменьшение порога генерации потенциала действия командных нейронов оборонительного поведения. Показано, что инъекция 5,6-ДОТ нарушает выработку условного рефлекса. Впервые обнаружено, что после обучения 5,6-ДОТ-инъецированных улиток не наблюдается дальнейшего снижения мембранного и порогового потенциалов по сравнению с улитками после введения 5,6-ДОТ без обучения.

Научно-практическая ценность. Полученные результаты позволяют составить более полное представление о роли серотоннна в процессах обучения и памяти. Установление фактов деполяризационного сдвига мембранного потенциала и снижения порога генерации потенциалов действия при формировании условных рефлексов, а также сохранение изменений этих характеристик в течение длительного времени расширяет представления физиологии о механизмах ассоциативного обучения на клеточном уровне в центральной нервной системе животных. Полученные результаты позволяют оценить вклад серотонинергической системы не только в синалтическую передачу, но и в формирование мембранных характеристик нейронов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на итоговых конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, 1996-1999 гг), II, III Республиканских научных конференциях молодых ученых и специалистов (Казань, 1996; 1997), 5-th East European Conference of the International Society for Invertebrate Neurobiology (Moscow, 1997), XVII Всероссийском физиологическом съезде (Ростов-на-Дону, 1998), V, VI Всероссийских школах молодых ученых "Актуальные проблемы нейробиологии" (Казань, 1998; 1999), II Съезде биофизиков России (Москва, 1999), Conference "Conceptual advances in the studies of associative learning and memory" посвященная 150-летию со дня рождения академика И.П.Павлова, (Moscow, 1999).

Реализация результатов исследования. Материалы исследования отражены в 21 публикации. Полученные результаты использованы в курсах лекций на кафедрах химической физики и физиологии человека и животных КГУ.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа объемом 132 страницы состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследования, главы результатов исследования, общего их обсуждения, выводов и указателя цитируемой литературы. Список цитируемой литературы включает 224 источников, из них 153 - иностранных авторов. Диссертация иллюстрирована 30 рисунками и содержит 4 таблицы.