Введение к работе
Актуальность исследования
Растущие потребности создания инновационных методов и аппаратно-программных средств диагностики, профилактики и коррекции нейропатологий, скрининга фармакологически перспективных соединений, разработки новых поколений информационных устройств усилили актуальность исследований в области нейронаук. Происходит стремительное расширение нейробиологических исследований и накопление значительных объемов экспериментальных данных о структуре, функции, эволюции мозга и нервной системы на различных уровнях их иерархической организации (Hanse, Gustafsson, 1992; Попов и др., 2004; Балабан, Гуляева, 2006; Newpher, Ehlers, 2008; Балабан, Коршунова, 2011; Kandel, 2012). Представление о нейроне как о простом передатчике сигналов уже не кажется убедительным. Поэтому ключевой задачей современной нейробиологии является выявление свойств нервных клеток, лежащих в основе обучения, памяти и других процессов, являющихся базой когнитивности. Как именно достигается сочетание высокой пластичности межнейронных связей со стабильным хранением воспоминаний остается еще одной важнейшей нерешенной проблемой. Несмотря на огромный объем аналитических данных, практически, отсутствуют реальные концептуальные модели нейрона и, в частности, синапса, способные объединить накопленный эмпирический материал в систему знаний.
Нейрональную пластичность можно определить как фундаментальное свойство центральной нервной системы (ЦНС), связанное с изменением возбудимости нейрона. Основу этих изменений, индуцируемых процессами обучения, составляют сложные и недостаточно изученные межмолекулярные взаимодействия, приводящие к долгосрочным изменениям синапсов и опирающиеся на экспрессию генов (Анохин, 1998; Greer, Greenberg, 2008). Синапсы являются местами контактов между нейронами или с клетками других типов (Smrt, Zhao, 2010). По существующим представлениям именно синаптические межклеточные контакты являются одним из основных элементов, обеспечивающих пластичность нервной системы, а молекулярные механизмы изменения эффективности синаптической передачи лежат в основе процессов обучения и памяти (Martin et al., 2000; Smrt, Zhao, 2010; Nalloor et al., 2012).
Наиболее разработанной клеточной моделью для изучения синаптической пластичности in vitro является долговременная потенциация (ДВП) – длительное увеличение амплитуды популяционных ответов нейронов на тестирующий стимул, возникающее после интенсивного и непродолжительного выброса нейротрансмиттера, например, в результате высокочастотной стимуляции афферентных входов (Bliss, Lomo, 1973). По продолжительности возникновения и существования различают две основные стадии ДВП: раннюю – фазу, длящуюся обычно менее получаса, и позднюю – продолжающуюся до нескольких часов. Ранняя фаза ДВП обуславливается модификациями уже существующих синаптических белков (в основном, процессами фосфорилирования/дефосфорилирования), поздняя - коррелирует с увеличением белкового синтеза и генетической экспрессии (Steward, Schuman, 2001).
Установлено, что развитие ДВП сопровождается преобразованием морфологии дендритных шипиков – небольших выростов мембраны дендрита, богатых актином и образующих синаптические контакты (Yuste, Bonhoeffer, 2001; Honkura et al., 2008). Эти структуры были описаны более ста лет назад, но их роль в процессах нейрональной синаптической пластичности до конца не ясна (Yuste, Bonhoeffer, 2004).
В настоящее время не достаточно изучены механизмы, определяющие скорость и временную динамику развития ДВП. Преобладающее большинство нейрофизиологических исследований направлено на изучение электрогенной активности. При этом их взаимосвязь с молекулярными процессами остается недостаточно изученной. Не в полной мере определены процессы, обеспечивающие переход на долговременное поддержание более высокого уровня синаптической передачи. Для интерпретации и синтеза многочисленных данных о ДВП эффективно использование информационных технологий, таких как, например, технология GeneNet (Kolpakov, Ananko, 1999; Ananko et al., 2005; Колчанов и др., 2005). Они позволяют осуществить комплексный анализ межмолекулярных взаимодействий, сопоставить обширные гетерогенные экспериментальные данные, реконструировать внутриклеточные взаимосвязи и создать концептуальную модель развития ДВП.
Этому направлению исследований и посвящена данная работа.
Цели и задачи исследования
Целью настоящей работы являлось определение роли межмолекулярных взаимодействий в функциональной пластичности нейронов и в изменениях эффективности синаптической передачи в поле СА1 гиппокампа.
На основе поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Проанализировать в экспериментах in vitro временную динамику амплитуды ответов нейронов поля СА1 срезов гиппокампа мыши в первые минуты после высокочастотной стимуляции.
-
Оценить влияние периодической стимуляции на длительное поддержание нового уровня нейропередачи.
-
Построить и проанализировать схемы межмолекулярных взаимодействий ионотропных глутаматных рецепторов, обеспечивающих изменение синаптической эффективности в поле СА1 гиппокампа.
-
Исследовать в экспериментах in vitro влияние активации цАМФ-зависимой и кальций-зависимой систем на функциональную нейрональную пластичность.
-
Провести экспериментальную оценку и теоретический анализ влияния блокады формирования везикул, переносящих вновь синтезированные белки, на временную динамику развития и поддержания нейротрансмиссии в поле СА1 срезов гиппокампа мыши.
Научная новизна
Выявлены достоверные отличия в характере динамики подъема амплитуды популяционных ответов нервных клеток. Уточнен временной диапазон развития и фиксации нового уровня нейропередачи нейронов поля СА1 гиппокампа после высокочастотной стимуляции.
Впервые реконструированы межмолекулярные взаимодействия в комплексах ионотропных глутаматных рецепторов.
Впервые построены интерактивные схемы, молекулярных процессов, лежащих в основе функциональной пластичности и долговременного поддержания эффективности синаптической передачи.
Впервые показано, что кратковременная блокада доставки вновь синтезированных белков из сомы не снижает базовую активность нейронов, не нарушает индукцию ДВП, но препятствует долговременному сохранению нового уровня синаптической эффективности.
Практическая значимость полученных оригинальных результатов заключается в том, что они расширяют понимание клеточных процессов, играющих важную роль при сохранении информации в мозге, позволяют уточнить и дополнить имеющиеся представления о молекулярно-клеточных механизмах изменения синаптической эффективности. Результаты могут быть использованы при планировании экспериментов, а также в учебных курсах по нейробиологии и нейроинформатике. Полученные теоретические и экспериментальные данные могут лечь в основу разработки моделей исследования фармакологически перспективных соединений, инновационных методов и аппаратно-программных средств диагностики, профилактики и коррекции нейропатологий.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Состояние молекулярных систем нейрона обуславливает его реакцию на внешний сигнал. Структура межмолекулярных взаимодействий различных функциональных систем клетки зависит от предшествующих информационных процессов и определяет динамику синаптической пластичности.
2. Кратковременное нарушение процессов посттрансляционных модификаций вновь синтезированных белков в соме не оказывает влияния на фазы индукции и развития долговременной потенциации в поле СА1 гиппокампа мыши.
3. Блокада формирования везикул, переносящих вновь синтезированные белки из сомы нейрона, необратимо нарушает процессы перехода к поддержанию нового уровня нейрональной синаптической эффективности.
4. Сеть межмолекулярных взаимодействий образует регуляторные контуры, интегрирующие и синхронизирующие возбуждение в дендритной сети в процессах нейрональной синаптической пластичности.
Апробация материалов диссертации
Основные положения диссертации доложены на следующих международных и всероссийских конференциях:
VI, VII Сибирский съезд физиологов (Барнаул 2008, Красноярск 2012);
IX, X региональные конференции международного общества нейробиологии беспозвоночных (Simpler Nervous Systems, 2009, Simpler Nervous Systems, 2012, Санкт-Петербург 2009, 2012);
Международные конференции по биоинформатике геномной регуляции и структуры (BGRS\SB`2010, BGRS\SB`2012, Новосибирск 2010, 2012);
XXI съезд физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010);
13я, 14я, 15я всероссийские научно-технические конференции (Нейроинформатика 2011, Нейроинформатика-2012, Нейроинформатика-2013, Москва 2011, 2012, 2013);
7, 9 международный междисциплинарный конгресс (Судак, Украина, 2011, 2013);
Вторая и третья Всероссийская конференция «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях» (Нижний Новгород, 2011 2013;
5я международная конференция по когнитивной науке (Калининград, 2012);
XVI Международная конференция по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2012);
II Всероссийская конференция с международным участием «Гиппокамп и память: норма и патология» (Пущино, 2012)
Международная конференция «Рецепторы и внутриклеточная сигнализация» (Пущино 2013).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 21 работа, из них 3 в реферируемых научных журналах, включенных в список ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа объемом 130 страниц состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследования, главы результатов исследования, обсуждения, выводов и указателя цитируемой литературы (328 источников). Диссертация иллюстрирована 30 рисунками, содержит 7 таблиц, 3 приложения.
