Введение к работе
Актуальность проблемы. Принципы кодирования сенсорной информации в ЦНС активно и продуктивно изучаются применительно к зрительной и соматосенсорной системам. Однако, принципы переработки внешнего сигнала в такой важной для организма и филогенетически более древней системе как обонятельная до последнего времени оставались неизвестными. Прорыв произошел с открытием того факта, что каждый нейрон обонятельного эпителия экспрессирует только один рецепторный белок из 1000 возможных, причем аксоны всех нейронов содержащих этот рецептор конвергируют только в один или два клубочка обонятельной луковицы. За это открытие была присуждена Нобелевская премия 2004 г. по физиологии и медицине (R.Axel & L.Buck).
Главная обонятельная луковица (main olfactory bulb, МОВ) является первой структурой мозга, которая получает обонятельную информацию от рецепторных клеток носового эпителия и участвует в первой стадии обработки информации. Самым первым слоем МОВ, где заканчиваются все аксоны обонятельного нерва (olfactory nerve, ON), является клубочковый или гломерулярный слой (glomerular layer, GL), состоящий из сферических структур ~ 100um в диаметре, называющихся клубочками (glomeruli). Внутри клубочка волокна ON синаптически заканчиваются на апикальных дендритах митральных/пучковых (М/Т) клеток и локальных джакстагломерулярных (juxtaglomerular, JG) нейронов (Xu et al., 2000). Таким образом, индивидуальный клубочек (glomerulus) представляет собой пространственную координату запаха, благодаря иннервации однородной когортой ольфакторных рецепторных нейронов, экспрессирующих один и тот же рецептор. Индивидуальные запахи возбуждают специфические пространственные паттерны гломерулярной активности и различные запахи активируют различные паттерны клубочков (Jourdan et al., 1980; Cinelli et al., 1995; Johnson and Leon, 2000a,b; Belluscio and Katz, 2001). Соответственно, каждый клубочек является функциональной единицей (модулем) для переработки сенсорного входа. Несмотря на большое число и стратегическую локализацию JG клеток, представления об их функциональных ролях в обработке обонятельной информации пока очень слабы, а их физиология до последнего времени была практически не исследована. Кроме того, появлятся данные о временных составляющих кодирования запахов таких как ритмические популяционные колебания активности и специфические паттерны нейронной импульсации (например, пачкование) у насекомых (Wehr and Laurent, 1996; Kauer, 1998; Kay and Laurent, 1999; Laurent, 2002), но механизмы обусловливающие их в МОВ млекопитающих только начинают изучаться.
2 Представляемый к защите цикл исследований посвящен детальному исследованию морфологии и физиологии JG нейронов, организации гломерулярного слоя МОВ и взаимоотношениям различных типов клеток входящих в состав гломерулярных модулей.
Цель и задачи работы. Цель работы состояла в изучении нейрональной организации гломерулярного слоя МОВ как самостоятельной подсистемы производящей первичную обработку обонятельной информации. Круг задач, которые решались для достижения этой цели состоял в : 1) получении ясного представления о соответствии морфологических и физиологических характеристик JG клеток для лучшего понимания их функциональной роли; 2) получение физиологических характеристик морфологически идентифицированных ЕТ клеток в срезах обонятельной луковицы крысы, а также выяснение того, могут ли эти клетки генерировать спонтанные пачки спайков, и исследовать механизм спонтанной генерации пачек; 3) выяснить функциональную иерархию JG клеток внутри клубочка; определить получают ли ЕТ клетки моносинаптический вход из ON и являются ли они пресинаптическими по отношению к другим JG нейронам; 4) определить анатомические основы и функциональное значение межклубочковых связей, которые были обнаружены в наших экспериментах; 5) получить интегральные характеристики гломерулярной активности и обнаружить возможную корреляцию с активностью выходных, т.е. митральных клеток.
Научное значение и новизна. Все результаты работы получены впервые. Детально охарактеризованы нейроны гломерулярного слоя обонятельной луковицы, выработаны критерии дискриминации нейронов по их морфо-физиологическим характеристикам. Исследованы механизмы генерации спонтанных колебаний мембранного портенциала в ЕТ клетках, лежащие в основе характерного для них пачечного паттерна разрядов. Выявлена устойчивая высокая синхронность активности ЕТ клеток, принадлежащих одному и тому же клубочку. Эта синхронизация не зависит от синаптической передачи через химические синапсы. Скоррелированное спонтанное пачкование/грушшрование клубочкового ансамбля глутамат-эргических ЕТ клеток приводит к конвергенции возбуждения на ГАМК-эргические PG клетки этого же клубочка, что в итоге приводит к вовлечению их в общий ритм. Нейроны разных клубочков как правило не скоррелированы. Обнаружена плотная сеть аксональных ветвлений SA нейронов, обеспечивающих межгломерулярные взаимодействия. Показано, что вопреки своему названию SA (короткоаксонные) клетки обладают длинными (>1 mm) аксонами. Вопреки общепринятому взгляду SA клетки являются не ГАМК-, а глутамат-эргическими и могут обеспечивать латеральное торможение внутри GL посредством активации PG клеток. Благодаря сферической форме клубочка и радиальной ориентации дендритов JG клеток гломерулярный модуль генерирует как поле зарытого типа, не
распрстраняюшегося за его пределы (~50% от max) , так и обычное открытое поле, создаваемое длинными диполями М/Т клеток. Спонтанные гломерулярные полевые потенциалы, отражающие активацию отдельных модулей, в большинстве своем независимы, но иногда могуть быть скоррелированными за счет взаимодействий через SA клетки. В целом работа впервые характеризует GL как самостоятельную подсистему нейрональной сети МОВ.
Научно-практическая значимость. Результаты работы носят фундаментальный характер и имеют большое значение для понимания организации микросистем ЦНС. Разработанные критерии классификации JG клеток позволят различать их по паттернам электрической активности в хронических экспериментах при дальнейшем исследовании механизмов обоняния. Сложные функциональные взаимоотношения нейронов гломерулярного модуля не позволяют более рассматривать его как простое релейное звено в передаче сенсорного сигнала, а предполагает первичную обработку сигнала. Обнаружение густой коммуникативной сети GL, состоящей из аксонов SA клеток, меняет взгляд на GL как на механический набор независимых функциональных единиц и заставляет рассматривать его как систему взаимодействующих ансамблей. Такая система, наложенная на мозаику возбужденных клубочков, существенно корректирует современное представление о пространственном кодировании запахов. Регистрация локальных полевых потенциалов ограниченных генерирующими их клубочками может стать удобным методическим подходом при изучении временной составляющей кодирования обонятельной информации.
Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались на ряде научных конференций: I Всесоюзном биофизическом конгрессе (Москва ,1982); Нейронные механизмы неокортикального торможения (1985, Киев); Моделирование и методы анализа биоэлектрической активности головного мозга (1988, Пущино); Электрическая активность мозга: Математические модели и аналитические методы (Пущино, 1997); Society for Neuroscience (Anaheim, California, 1992; New Orleans, La, 1997; , San Diego, Calif., 2001; AchemS (Sarasota, FL, 2001,2003); FENS Forum (Paris, France, 2002); Progressive Scientific Thechnologies for Human Health 2003, KaraDag-Feodisia, Ukraine, 2003).
Основные результату диссертационной работы изложены в 34 статьях, которых 21 опубликована в рецензируемых отечественных и 13 в международных журналах
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 196 страниц и состоит из Введения, Обзора литературы раздела Материалы и Методы, 5 глав раздела Результаты, Обсуждения, Выводов и списка литературы.
