Введение к работе
Актуальность проблемы. Нейроны являются главным клеточным элементом мозга, ответственным за его мнестические функции. Любой индивидуальный центральный нейрон имеет несколько дендритов (Косицын, 1976), каждый из которых ответственен за интегративную активность мозга и является фокусом для множества межнейронных связей. Огромное количество нейронов в ЦНС затрудняет расшифровку клеточных механизмов регуляции функций мозга на системном уровне, таких как адаптация, память, а также контроль активности нейронных центров, ответственных за функциональную асимметрию мозга, в частности, за латерализацию поведения. Особо интересный вопрос представляет собой то, каким образом регулируется активность индивидуальных нейронов и какую роль в этой регуляции играет каждый из дендритов (Кэндел, 1980; Мошков, 1985; Фокин, 2004; Pascual et al., 2004; Tailby et al., 2005; Cuntz et al., 2007; Houweling and Brecht, 2008; Wen et al., 2009). Структурный аспект этой проблемы, в связи со сложностью мозга и разнородностью проекций афферентных путей от различных сенсорных органов (Carlson et al., 1993), разрабатывается на системном уровне (Vercelli and Cracco, 1994). Однако на клеточном и синаптическом уровнях это невозможно сделать из-за целого ряда непреодолимых методических трудностей (Trachtenberg et al., 2002, Haas et al., 2006). В этом случае необходимо использовать просто организованные объекты, такие как идентифицированные нейроны беспозвоночных (Tripodi et al., 2008) и позвоночных животных, в частности, парные маутнеровские нейроны (МН) продолговатого мозга рыб. Последние оказались особенно удобным объектом для изучения как клеточных механизмов нейрональной пластичности, так и интегральной функции мозга, поскольку они прямо вовлечены в регуляцию локомоции (DiDomenico et al., 1988; Wassersug and Yamashita, 2002; Fremont and Hale, 2006; Zottoli et al., 2011). С одной стороны, МН активируются статоакустическим аппаратом, иннервирующим латеральный дендрит и сому ипсилатерального нейрона (Szabo et al., 2007). С другой стороны, МН могут активироваться и визуальными стимулами. Зрительный нерв от глаза направляется в контралатеральный тектум, а оттуда нервные пути следуют на вентральный дендрит МН, расположенный на той же стороне мозга, что и тектум (Zottoli et al., 1987). В свою очередь, активировавшийся МН, воздействуя на мотонейроны спинного мозга, инициирует поворот рыбки в сторону, противоположную расположению нейрона. Перспектива в использовании МН для исследования вклада разных дендритов в интегративную деятельность индивидуальных нейронов выявилась после обнаружения у золотых рыбок, которые ранее считались облигатными амбидекстрами (Kleerekoper et al., 1969), моторной асимметрии (Михайлова и др., 2005), предпочтения поворачиваться в ту или иную сторону при свободном плавании. Тогда же выявлена корреляция моторной асимметрии рыбки со структурной асимметрией МН (Михайлова и др., 2005), обусловленной, по-видимому, функциональной асимметрией этих клеток, ранее считавшихся функционально симметричными (Zottoli et al., 1999; Карпук и др., 2004; Korn and Faber, 2005). Было выявлено, что функциональное доминирование одного из МН, обусловливающее моторную асимметрию, прямо зависит от интегральных размеров сомы и латерального дендрита противоположного предпочитаемой стороне поворотов рыбки нейрона, но находится в реципрокных отношениях с размером его вентрального дендрита (Михайлова и др., 2006; Штанчаев и др., 2007). Однако детали взаимосвязи моторной асимметрии рыбок с изменениями морфометрических и ультраструктурных характеристик латеральных и вентральных дендритов индивидуальных нейронов остаются не изученными.
Цель и основные задачи исследования. Целью данной работы являлось изучение роли экспериментально вызванных структурных изменений МН в обеспечение баланса их функциональной активности. Были поставлены следующие задачи: 1. Провести детальное качественное и количественное исследование взаимосвязи структуры
2 латеральных и вентральных дендритов МН и изменения моторной асимметрии рыбок в условиях нарушенного притока статоакустической и зрительной афферентации. 2. Исследовать влияние на моторную асимметрию золотых рыбок и на структурную асимметрию их МН сочетания энуклеации глаза с экспериментально вызванным напряжением одного из сенсорных входов с помощью унилатеральной зрительной или вестибулярной стимуляции. 3. Определить ультраструктурные признаки вклада латеральных и вентральных дендритов в морфофункциональные изменения МН, связанные с сенсорной деафферентацией, и выяснить роль 5НТ (серотонина) в реципрокной регуляции функции вентрального дендрита.
Научная новизна. 1. Детально исследован компенсаторный механизм управления поведением золотой рыбки в отсутствии зрительного афферентного притока в одно полушарие мозга. Впервые показано, что в строгой зависимости от исходной моторной асимметрии рыбки увеличение функциональной активности маутнеровского нейрона в одних случаях связано с уменьшением объема его вентрального дендрита, а в других - с увеличением размеров сомы и латерального дендрита. 2. Обнаружено, что энуклеация глаза сопряжена с появлением дегенерирующих химических синапсов вдоль всего ствола вентрального дендрита МН, контралатерального стороне энуклеации. Это свидетельствует о диффузном распространении зрительного входа по всей поверхности вентрального дендрита. 3. Установлено, что серотонин, рецепторы к которому сконцентрированы на вентральном дендрите, угнетает функциональную активность МН, а антагонист 5НТз рецепторов ондансетрон, напротив, увеличивает ее. В связи с этим предположено, что запустевшие синапсы вентрального дендрита принадлежат серотонергической системе, и именно на их уровне осуществляется реципрокная регуляция функциональной активности МН. 4. Выявлено, что энуклеация глаза вызывает уплотнение цитоскелета в денервированном вентральном дендрите, не затрагивая при этом цитоскелет в других частях того же нейрона и в контралатеральном нейроне. Это указывает на определенную автономность цитоскелета в структурообразовании и функциональном вкладе разных дендритов. 5. Впервые показано, что последовательные воздействия на разные афферентные входы (односторонняя зрительная деафферентация и последующая зрительная или вестибулярная стимуляция) вызывают сдвиги функциональной активности МН, каждый из которых сохраняется в виде того или иного структурного изменения определенных локусов клетки, в соответствии с ролью данного локуса в управлении активностью нейрона. Это свидетельствует об относительно автономном вкладе различных частей МН в его интегральную функцию и может быть интерпретировано как структурный памятный след после соответствующего экспериментального воздействия.
Научно-практическая значимость работы. Проведенное исследование имеет важное общебиологическое значение, расширяя представления о взаимосвязи структуры разных дендритов индивидуальных нейронов с их интегральной функцией. Научно-практическая значимость этих данных заключается, прежде всего, в том, что они отражают асимметрию активности афферентных входов на МН, что позволяет строить определенные модели для исследования асимметрии зрения и статоакустического аппарата не только у рыб, но и у других животных. Эти модели можно использовать в комплексных экспериментах медико-биологического характера, в частности, в исследованиях механизмов памяти у животных на фоне денерваций, стимуляций, адаптации, действия физиологически активных веществ и других воздействий, требующих учета межполушарной асимметрии и различий в доминировании сенсорного входа с правой или левой стороны. В научной практике данные могут быть использованы также при обработке материалов по изменчивости центральных нейронов под воздействием хронических стрессорных факторов,
например, условий длительной микрогравитации. Данные исследования могут представлять также и определенный практический интерес. Их результаты могут быть применены в интерпретации нейрональных последствий посттравматических нарушений сенсорно-двигательного аппарата и в разработке медицинских приемов коррекции этих нарушений у человека.
Апробация диссертации. Результаты диссертационной работы были представлены на XIV-й и XV-й Международных конференциях по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 27-30 сентября 2005 и 23-25 сентября 2009); на Международной конференции в Донецком государственном медицинском университете (Украина, Донецк, 24-26 мая 2005); на Научной сессии национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Москва, 25-31 января 2010); на lll-м Всероссийском с международным участием конгрессе студентов и аспирантов-биологов в Нижегородском университете «Симбиоз - Россия 2010» (Нижний Новгород, 24-29 мая 2010); на конференции «Экспериментальная и теоретическая биофизика - 2010» (г. Пущино, 19-20 октября 2010); на ХШ-ой Всероссийской научно-технической конференции «Нейроинформатика - 2011» (Москва, 24-28 января 2011); на 15-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 18-22 апреля 2011); на Vll-м Международном междисциплинарном конгрессе «Нейронаука для медицины и психологии» (Судак, 3-13 июня 2011).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них 6 статей в рецензируемых
журналах, которые входят в регламентированный список ВАК, и 4 статьи в сборниках
работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, изложения полученных результатов и их обсуждения, общего заключения, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на {2. страницах, содержит 22. таблиц и рисунков. Список литературы включает {2> наименований отечественной и зарубежной литературы.
