Введение к работе
Спонтанная активность является отличительной чертой развивающейся нервной системы. Спонтанная активность наблюдается уже у нейронных предшественников (Spitzer, 2006). Обычно такая активность регистрируется как флуктуации концентрации внутриклеточного кальция или кальциевые спайки (Spitzer, 2006; Crepel et al., 2007). С формированием первых контактов между нейронами, электрических синапсов, появляется синхронизированная спонтанная активность. Далее с развитием в онтогенезе химических синапсов появляются новые виды синхронной спонтанной активности (Crepel et al., 2007; Allene et al., 2008). Начиная с момента появления химических синапсов синхронную активность нейронов можно считать сетевой в обычном смысле слова. Синхронизированная спонтанная активность нейронов в период эмбрионального и постнатального развития достаточно интенсивно изучалась во многих структурах нервной системы позвоночных как in vitro, так и in vivo, в особенности, на гиппокампе, коре, сетчатке и спинном мозге. Предполагается, что спонтанная активность играет ключевую роль при формировании нейросети и созревании нейронов (Katz and Shatz, 1996). Показано, что спонтанная активность сетчатки в период эмбрионального развития необходима для формирования топографической организации связей в формирующейся зрительной системе (Sretavan et al., 1988; Grubb et al., 2003; McLaughlin et al., 2003; Chandrasekaran et al., 2005; Mrsic-Flogel et al., 2005; Torborg et al., 2005). Спонтанная активность мотонейронов спинного мозга у эмбрионов влияет на путь роста аксонов к их целям (Hanson and Landmesser, 2004, 2006). В гиппокампе новорожденных животных так называемые гигантские деполяризационные потенциалы способны вызывать долговременную потенциацию формирующихся “молчащих” синапсов (Kasyanov et al., 2004; Mohajerani and Cherubini, 2006; Mohajerani et al., 2007). Понимание механизма генерации спонтанной активности в развивающихся нейросетях представляется фундаментальной научной задачей, поскольку, как было показано, явление не является особенностью какой-то одной структуры, а отражает общую тенденцию. В большинстве работ на срезах коры и гиппокампа изучались, главным образом, синаптические механизмы генерации спонтанной активности и соответствующие возрастные особенности синаптической передачи (Ben-Ari et al. 1989; Bolea et al. 1999; Gaiarsa et al. 1991; Hollrigel et al. 1998; Khazipov et al. 2001; Lamsa et al. 2000; Allene et al., 2008). Например, было показано, что у эмбриональных и новорожденных животных глицин и ГАМК обладают необычным деполяризующим действием (Ben-Ari et al. 1989; Ben-Ari, 2002; Ben-Ari et al., 2007). При этом электрофизиологические свойства созревающих нейронов и их роль в генерации спонтанной активности остаются мало исследованными.
Основной целью данной работы являлось изучение спонтанной активности и свойств созревающих нейронов в энторинальной коре новорожденных животных с использованием электрофизиологических и фармакологических методов, а также методов математического моделирования.
В соответствии с поставленной целью исследования были определены следующие задачи:
1. Сравнить свойства нейронов энторинальной коры новорожденных и взрослых животных в экспериментах с регистрацией внутриклеточных потенциалов.
2. Исследовать возможную роль пачечных пейсмекерных нейронов в генерации спонтанной активности в энторинальной коре новорожденных животных.
3. На основе экспериментальных данных построить математическую модель собственной пачечной активности нейронов в энторинальной коре новорожденных животных.
1. Пирамидные нейроны в третьем слое энторинальной коры у новорожденных животных обладают собственной пачечной активностью. Собственная пачечная активность нейронов третьего слоя энторинальной коры новорожденных крыс (Р5-Р13) представлена короткими (до 1 сек) и длинными (до 20 сек) пачками спайков. Короткие пачки спайков полностью пропадают к десятому дню жизни, а количество клеток генерирующих длинные пачки достигает максимума на Р8-Р10 и затем значительно уменьшается. Изменение электрофизиологических свойств с возрастом отражает созревание нейронов.
2. Генерация длинных пачек спайков происходит при активации неспецифического катионного кальций-зависимого CAN и медленного натриевого NaP токов. Терминация пачек спайков обусловлена активацией калиевых токов.
В рамках настоящей работы впервые исследованы свойства нейронов в третьем слое энторинальной коры у новорожденных животных. Обнаружено, что большая часть пирамидных нейронов у новорожденных крыс обладает собственной пачечной активностью. Исчезновение этого свойства нейронов в энторинальной коре с возрастом животного отражает созревание нейронов. Определены основные ионные токи, лежащие в основе пачечной активности клеток в энторинальной коре новорожденных животных. Генерация пачек спайков происходит при последовательной активации де- и гиперполяризующих ионных проводимостей. Построена биофизическая модель пачечной активности нейронов, воспроизводящая все основные свойства реальных клеток. Посредством моделирования и литературных данных удалось объяснить эффект усиления пачечной активности нейронов при снижении концентрации экстраклеточного кальция.
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
Получены новые данные о созревании нейронов и нейросети в процессе постнатального развития, необходимые для понимания нейрофизиологических основ развития центральной нервной системы. Наши данные подтверждают идею о зависимости созревания нейронов и нейросети от спонтанной электрической активности клеток. Анализ свойств нейронов у новорожденных животных расширяет представления теоретической биологии о возможных механизмах самоорганизации нейронов в структурированные нейросети. Совокупность представленных данных может найти применение при конструировании искусственных нейронных сетей.
Основные результаты работы были доложены на международных форумах SFN (Атланта 2006, Сан Диего 2007, Чикаго 2009); XX Съезде российских физиологов (Москва, 2007); на конференциях молодых ученых ИВНД и НФ РАН (Москва, 2006, 2008). Диссертация апробирована 13 октября 2009 года на совместном заседании лаборатории клеточной нейробиологии обучения и лаборатории нейроонтогенеза Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН.
По теме диссертации опубликовано 2 статьи и тезисы 6 докладов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
