Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование)

С помощью математического моделирования на образцах компьютерной трехмерной реконструкции двух мотонейронов мыши исследовали влияние структурных факторов (суммарной площади мембраны, топических и метрических характеристик дендритного дерева) на возбудимость этих клеток в условиях распределенной тони...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автор:	Кулагина, И.Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України 2009
Назва видання:	Нейрофизиология
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68284
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование) / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 2. — С. 137-143. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-68284
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-682842019-05-25T19:56:04Z Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование) Кулагина, И.Б. С помощью математического моделирования на образцах компьютерной трехмерной реконструкции двух мотонейронов мыши исследовали влияние структурных факторов (суммарной площади мембраны, топических и метрических характеристик дендритного дерева) на возбудимость этих клеток в условиях распределенной тонической синаптической активации. Показано, что у исследованных мотонейронов асимметрия электротонических профилей дендритов была выражена в ограниченной степени. Различия порогов генерации одиночного потенциала действия у этих клеток были незначительными, а пороги инициации ритмического разряда – несколько бóльшими. Несмотря на такие различия, а также существенную разницу структурных характеристик, частота ритмических разрядов и зависимость данной частоты от интенсивности тонического синаптического действия у рассматриваемых образцов мотонейронов оказались весьма близкими. Полученные результаты указывают на относительную ограниченность влияния рассматриваемых структурных факторов на возбудимость исследованных мотонейронов. Высокая сложность и стохастичность дендритного дерева мотонейронов предопределяют простоту паттернов их импульсной активности и ограниченность репертуара таких паттернов. За допомогою математичного моделювання на зразках комп’ютерної тривимірної реконструкції двох мотонейронов миші досліджували вплив структурних факторів (сумарної площі мембрани, топічних і метричних характеристик дендритного дерева) на збудливість цих клітин в умовах розподіленої тонічної синаптичної активації. Показано, що у досліджених мотонейронів асиметрія електротонічних профілів дендритів була виражена в обмеженій мірі. Відмінності порогів генерації поодинокого потенціалу дії у цих клітин були незначними, а пороги ініціації ритмічного розряду – дещо більшими. Незважаючи на такі розбіжності, а також на істотну відмінність структурних характеристик, частота ритмічних розрядів і залежність даної частоти від інтенсивності тонічної синаптичної дії у розглянутих зразків мотонейронів виявилися досить близькими. Отримані результати вказують на відносну обмеженість впливу розглянутих структурних факторів на збудливість досліджених мотонейронів. Висока складність і стохастичність дендритного дерева мотонейронів визначає простоту патернів їх імпульсної активності та обмеженість репертуару таких патернів. Using mathematical modeling, we studied the influence of structural factors (total area of the membrane, topical and metrical descriptions of the dendritic tree) on the excitability of two reconstructed (computer-aided 3D reconstruction) murine motoneurons under conditions of distributed tonic synaptic activation. The asymmetry of electrotonic profiles of the dendrites was relatively slightly expressed in these motoneurons. The cells insignificantly differed from each other in the threshold for generation of single action potentials, but the thresholds for initiation of rhythmic firing showed greater differences. In spite of such distinctions and a substantial difference of structural characteristics, the frequency of rhythmic firing and the dependence of this frequency on the intensity of tonic synaptic action in the examined motoneuron samples were rather close to each other. The obtained results indicate that the influence of the examined structural factors on the excitability of studied motoneurons is relatively limited. The high complexity and the stochastic pattern of the dendritic tree of motoneurons predetermine the simplicity of the patterns of their impulse activity and the poor repertoire of such patterns. 2009 Article Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование) / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 2. — С. 137-143. — Бібліогр.: 28 назв. — рос. 0028-2561 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68284 577.3:578.69:611.8:612:612.014 ru Нейрофизиология Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	С помощью математического моделирования на образцах компьютерной трехмерной реконструкции двух мотонейронов мыши исследовали влияние структурных факторов (суммарной площади мембраны, топических и метрических характеристик дендритного дерева) на возбудимость этих клеток в условиях распределенной тонической синаптической активации. Показано, что у исследованных мотонейронов асимметрия электротонических профилей дендритов была выражена в ограниченной степени. Различия порогов генерации одиночного потенциала действия у этих клеток были незначительными, а пороги инициации ритмического разряда – несколько бóльшими. Несмотря на такие различия, а также существенную разницу структурных характеристик, частота ритмических разрядов и зависимость данной частоты от интенсивности тонического синаптического действия у рассматриваемых образцов мотонейронов оказались весьма близкими. Полученные результаты указывают на относительную ограниченность влияния рассматриваемых структурных факторов на возбудимость исследованных мотонейронов. Высокая сложность и стохастичность дендритного дерева мотонейронов предопределяют простоту паттернов их импульсной активности и ограниченность репертуара таких паттернов.
format	Article
author	Кулагина, И.Б.
spellingShingle	Кулагина, И.Б. Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование) Нейрофизиология
author_facet	Кулагина, И.Б.
author_sort	Кулагина, И.Б.
title	Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование)
title_short	Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование)
title_full	Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование)
title_fullStr	Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование)
title_full_unstemmed	Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование)
title_sort	влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование)
publisher	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68284
citation_txt	Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование) / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2009. — Т. 41, № 2. — С. 137-143. — Бібліогр.: 28 назв. — рос.
series	Нейрофизиология
work_keys_str_mv	AT kulaginaib vliâniestrukturnyhharakteristikrekonstruirovannyhmotonejronovnaihvozbudimostʹmodelʹnoeissledovanie
first_indexed	2025-07-05T18:08:00Z
last_indexed	2025-07-05T18:08:00Z
_version_	1836831349543010304
fulltext	НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 2 137 УДК 577.3:578.69:611.8:612:612.014 И. Б. КУЛАГИНА1 ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕКОНСТРУИРОВАННЫХ МОТОНЕЙРОНОВ НА ИХ ВОЗБУДИМОСТЬ (МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ) Поступила 08.04.09 С помощью математического моделирования на образцах компьютерной трехмерной реконструкции двух мотонейронов мыши исследовали влияние структурных факторов (суммарной площади мембраны, топических и метрических характеристик дендритного дерева) на возбудимость этих клеток в условиях распределенной тонической синапти- ческой активации. Показано, что у исследованных мотонейронов асимметрия электро- тонических профилей дендритов была выражена в ограниченной степени. Различия порогов генерации одиночного потенциала действия у этих клеток были незначитель- ными, а пороги инициации ритмического разряда – несколько бóльшими. Несмотря на такие различия, а также существенную разницу структурных характеристик, частота ритмических разрядов и зависимость данной частоты от интенсивности тонического синаптического действия у рассматриваемых образцов мотонейронов оказались весьма близкими. Полученные результаты указывают на относительную ограниченность влия- ния рассматриваемых структурных факторов на возбудимость исследованных мотоней- ронов. Высокая сложность и стохастичность дендритного дерева мотонейронов предо- пределяют простоту паттернов их импульсной активности и ограниченность репертуара таких паттернов. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: спинальные мотонейроны, тоническая активация, паттер- ны выходного разряда, сложность дендритного дерева, модельное исследование. 1 Днепропетровский национальный университет (Украина). Эл. почта: kulagina_iryna@yahoo.com (И. Б. Кулагина). ВВЕДЕНИЕ Известно, что подавляющее большинство синап- тических контактов (по разным оценкам от 85 до 99 % [1, 2]) располагаются на дендритах нервных клеток. На долю этих отростков приходится свыше 80–90 % рецептивной поверхности мембраны цен- тральных нейронов [3, 4]. Как свидетельствуют результаты исследований, проведенных на мотонейронах спинного мозга кошки, фактором, определяющим значение часто- ты транссинаптически вызванных разрядов данных клеток, является “чистый” деполяризационный ток, достигающий сомы вследствие поступления влия- ний от многих синапсов. В естественных условиях дендритное дерево нейронов подвергается непре- рывному воздействию последовательно поступаю- щих пресинаптических нервных импульсов (есте- ственно, с возможностью совпадения во времени части из них) [5]. Очевидно, что тоническая актива- ция – это наиболее распространенный в естествен- ных условиях тип синаптического воздействия. Вопрос о том, какое влияние оказывают морфо- логические характеристики дендритных деревьев и, прежде всего, их структурная сложность на про- цессы передачи информации на уровне одиночной нервной клетки, до настоящего времени остается не до конца изученным (см. соответствующие об- зоры [6, 7]). Согласно результатам анализа эффек- тивности передачи деполяризационных влияний по компонентам дендритного дерева некоторых центральных нейронов (в частности, клеток Пур- кинье), перенос потенциала и тока по дендритам демонстрирует существенную зависимость от гео- метрических характеристик; это может обусловли- вать сложные пространственно-временны́е характе- ристики активации клетки [8]. В настоящей работе в ходе математического моделирования мы попыта- лись оценить влияние ряда структурных характе- ристик (суммарной площади мембраны, сложности дендритного дерева) спинальных мотонейронов на НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 2138 возбудимость этих клеток в условиях тонической синаптической активации. МЕТОДИКА Математические модели мотонейронов отражали реальную сложность их дендритных разветвлений (pис. 1, А, Б). Эти структуры были получены в циф- ровом виде в результате трехмерной компьютер- ной реконструкции двух реальных физиологически идентифицированных прижизненно окрашенных мотонейронов спинного мозга мышей, существен- но различающихся по суммарной площади мембра- ны, топологии и метрике дендритного дерева [9]. В многочисленных дендритах этих клеток различные виды метрических неоднородностей встречались в случайных природных комбинациях, что определя- ло дендритную структуру в целом как стохастиче- скую. С помощью данных о реконструированных мотонейронах мы исследовали различия трансси- наптической возбудимости таких мотонейронов, оцениваемые по порогу возникновения одиночного потенциала действия (ПД) в ответ на равномерно распределенную возбуждающую синаптическую активацию, а также пространственно-временну́ю зависимость параметров выходного разряда клет- ки от уровня синаптической активации и сложно- сти дендритного дерева. Во всех экспериментах мембрана дендритных разветвлений мотонейрона предполагалась пассив- ной с удельной проводимостью Gpas= 0.9 мкС/см2 и потенциалом покоя Еpas = –70 мВ. Тоническая синаптическая активация в наших исследовани- ях моделировалась путем внесения постоянной потенциалнезависимой удельной синаптической проводимости GS (подобной наблюдаемой при ак- тивации глутаматных ионотропных рецепторов АМРА-типа), где потенциал реверсии возбуждаю- щего синаптического тока ES = 0 мВ. Константа GS была свободным параметром, который задавался соответственно той или иной интенсивности вход- ного синаптического действия. Такой подход бази- ровался на данных о том, что различные участки дендритов получают синаптические влияния, бо- лее или менее пропорциональные площади их по- верхности [9], а также на представлениях о том, что для многих синаптических входов вносимая синап- тическая электропроводность является приблизи- тельно линейной функцией частоты поступления пресинаптических ПД [10]. Геометрические размеры и биофизические свой- ства сомы и аксона мотонейронов были взяты из работы Майнена и Сейжновского [11]. Вкратце, со- матическая мембрана обладала натриевыми, кали- евыми (мускаринового типа) и кальциевыми кана- лами и соответствующими токами; учитывались также кальциевая динамика и кальцийзависимый калиевый ток. Участок аксона состоял из аксонно- го холмика, начального сегмента и пяти перехватов Ранвье. Значения удельной емкости мембраны Cm= = 1 мкФ/см2, удельного сопротивления цитоплазмы Ri = 100 Ом · см и температуры t = 37 °C были оди- наковыми для всех компартментов клетки. В моде- ли не рассматривались тормозные эффекты, обу- словленные наличием тормозных цепей обратной связи (системы Рэншоу-торможения) и ограничи- вающие частоту разряда мотонейронов. Поэтому очевидно, что значения частоты ритмических раз- рядов исследуемых нейронов, полученные в ходе моделирования, характеризуют лишь потенциаль- ные возможности возбуждающей транссинаптиче- ской активации и существенно превышают часто- ты, наблюдаемые в реальных условиях. Для реализации модельных экспериментов мы использовали специализированное программное средство моделирования «NEURON» (версия 7.0) [12]. РЕЗУЛЬТАТЫ В первой части работы мы рассчитывали показа- тель эффективности передачи тока (T(x)) [13, 14] для двух мотонейронов (МН 1 и МН 2) при интен- сивности точечной синаптической активации Gm = = 0.1 мкС/см2 (pис. 1, А и Б соответственно). T(x) является одним из возможных показателей метри- ческой асимметрии дендритов, существующим на данный момент; в отличие от показателей тополо- гической асимметрии общепринятых строгих по- казателей метрической асимметрии пока не разра- ботано. Каждый профиль на А и Б соответствует относительной эффективности передачи тока в за- висимости от расстояния вдоль дендрита, рассчи- танной в относительных координатах (T(x) может варьировать от 0 до 1). Слияние или расхожде- ние таких профилей указывает, соответственно, на симметрию или асимметрию дендритного развет- вления. Видно, что в условиях средней по интен- сивности синаптической активации (0.1 мкС/см2) не возникало драматических расхождений профи- И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 2 139 лей, несмотря на то что величина T(x) изменялась от 0.2 до 1.0. Электротоническая структура нейро- нов была сравнительно компактной; иными слова- ми, эффективность всех ветвей при данном уров- не синаптической активации различалась не очень сильно. Расхождение заметной части электрото- нических профилей наблюдалось у мотонейрона 1 (А). Здесь выделялась группа ветвей, более асим- метричная; T(x) дистальных участков таких ветвей находился в диапазоне значений 0.22–0.6, тогда как T(x) остальной части дерева имел значения от 0.6 до 1.0. Электротонические профили дендритов мо- тонейрона 2 (Б) расходились еще слабее по сравне- нию с тем, что наблюдалось у первой клетки. Диа- пазон наибольших расхождений трех дендритных траекторий эффективности передачи тока состав- лял 0.23–0.4. Таким образом, результаты анализа электротонических профилей дендритов исследо- ванных образцов мотонейронов показывают, что у этих клеток расхождение указанных профилей в достаточной степени ограничено. Количество ден- дритных стволов у обеих клеток весьма велико, но электротонические профили подавляющего боль- шинства из них образуют весьма плотный пучок траекторий с достаточно близкими значениями эф- фективности передачи потенциала по всей длине. Лишь отдельные дендриты проявляют заметные признаки асимметрии в данном аспекте. Во второй части работы мы исследовали пороги генерации разрядов мотонейронов и характеристи- ки таких разрядов, которые возникали в ответ на тоническую активацию возбуждающих синапсов (Gs), равномерно распределенных на дендритах мотонейронов. На pис. 2, А представлены результа- ты моделирования одиночных ПД в мотонейронах 1 и 2. Пороговые значения удельной синаптической проводимости Gs для этих двух клеток различа- лись на 5.23 % и составляли 0.191 и 0.201 мкС/см2 соответственно. Как видно из фрагмента Б, часто- та непрерывного ритмического разряда двух рас- сматриваемых мотонейронов оказалась практиче- ски одинаковой (порядка 100 c–1). Подчеркнем еще раз, что эта частота является, если можно так вы- разиться, «виртуальным» показателем (он наблю- дался бы при отсутствии рекуррентных тормозных влияний). Такая ситуации отмечалась несмотря на то, что амплитуда ПД второго мотонейрона была заметно меньшей, а пороги возникновения непре- рывного разряда для двух рассматриваемых кле- ток различались довольно заметно (на 13.4 %; со- ответствующие значения GS равнялись 0.243 и 0.275 мкС/см2). На pис. 3 показан весь возможный диапазон за- висимости частоты непрерывного разряда клеток (с–1) от интенсивности возбуждающей синаптиче- ской активации, однородно распределенной по по- Р и с. 1. Электротонические структуры пассивных дендритных разветвлений двух реконструированных мотонейронов мыши (А, Б). А, Б – нормированная соматопетальная эффективность передачи заряда (T(x)) по дендритам как функция расстояния от сомы (мкм), рассчитанная при интенсивности точечной синаптической активации Gm = 0.1 мкС/см2. а и б – трехмерные реконструкции дендритных деревьев рассматриваемых двух мотонейронов (МН 1 и МН 2 соответственно). Р и с. 1. Електротонічні структури пасивних дендритних розгалужень двох реконструйованих мотонейронів миші (А, Б). А 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 400 600 мкм 0 200 400 600 мкм T(x) Б 100 мкм 100 мкм а б ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕКОНСТРУИРОВАННЫХ МОТОНЕЙРОНОВ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 2140 верхности дендритного дерева. Значения GS изме- нялись с равномерным шагом 0.05 мкС/см2 начиная от порогового уровня, обеспечивающего инициа- цию непрерывного разряда клеток, до 2.55 мкС/см2. Интенсивности тонической синаптической актива- ции, пороговые для генерации непрерывного раз- ряда исследуемых клеток, у двух рассматриваемых нейронов оказались весьма близкими. Минималь- ная частота ритмического разряда в данном слу- чае составляла в среднем порядка 35 c–1 (при очень значительных флуктуациях этого значения на рас- сматриваемом околопороговом участке). Каче- ственно характер изменения частоты выходного разряда двух исследованных мотонейронов был весьма подобен, а количественные различия были незначительными (не более 1–3 %), несмотря на то что суммарная площадь поверхности двух мо- тонейронов составляла у МН 1 37952, а у МН 2 – 55931 мкм2. Анализ пространственных электротонических профилей дендритного дерева двух исследованных мотонейронов (рис. 1) показывает, что у данных клеток не происходит разделения суммарного ден- дритного дерева на сколь-нибудь четко выражен- ные поддеревья, существенно отличающиеся друг от друга по сравнительной эффективности элек- тротонической передачи (как это, например, мо- жет наблюдаться у мозжечковых клеток Пуркинье [8]). Очевидно, что на основе близости электро- тонических профилей подавляющего количества дендритных стволов происходит выравнивание электрических состояний различных компартмен- тов мотонейрона по пространству (различия меж- ду регионами невелики). Очевидным результатом этого должна быть синхронизация синаптически вызванной активности клетки во времени. Вслед- ствие подобной синхронизации и пространствен- ного усреднения паттерны выходной активности просты, а их репертуар беден. В конкретном случае двух рассматриваемых мотонейронов такими про- стыми паттернами являются непрерывные ритми- ческие разряды, и во всем диапазоне изменения ин- тенсивности тонической синаптической активации не наблюдается смены паттерна импульсной актив- ности клеток. ОБСУЖДЕНИЕ Определение роли геометрии дендритов в форми- ровании функциональных характеристик нейрона – одна из важнейших проблем нейронной доктрины. Р и с. 2. Импульсная активность, генерируемая двумя исследованными мотонейронами при однородно распределенном тоническом синаптическом возбуждении. А – порог возникновения одиночного потенциала действия в двух мотонейронах мыши (МН 1 и МН 2 соответственно). Для МН 1 интенсивность тонической синаптической активации G S = 0.191 мкС/см2 (1), для МН 2 G S = 0.201 мкС/см2 (2). Б – возникновение непрерывного ритмического разряда клеток. Для МН 1 G S = 0.2439 мкС/см2 (1), для МН 2 G S = 0.2761 мкС/см2 (2). Р и с. 2. Імпульсна активність, генерована двома дослідженими мотонейронами при однорідно розподіленому тонічному синаптичному збудженні. А 40 мВ Б 0 –40 –80 2 1 1 2 10 мc 20 мc И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 2 141 Уже упоминалось, что порядка 90 % всей поверх- ности плазматической мембраны нейрона прихо- дится на дендриты [10, 16, 17]. Соответственно, логично думать, что дендриты получают примерно такую же долю всех синаптических входов нейрона [11]. В теоретических работах [12] было показано, что геометрия дендритов в принципе может быть фактором, в достаточно существенной мере влия- ющим на паттерн выходного сигнала (импульсной активности) нейрона. Поскольку основным фак- тором, который определяет параметры такого вы- ходного сигнала нейрона, является значение «чи- стого» тока, поступающего в сому и достигающего триггерной зоны, подобные данные стимулирова- ли развитие исследований роли дендритной геоме- трии в передаче тока от распределенных синапти- ческих входов. Тоническая активность синаптических воз- буждающих входов, распределенных на дендрит- ном дереве, способна приводить к возникновению сложного структурозависимого динамического про- странственно-временнóго распределения источни- ков синаптического тока. Действие таких синапти- ческих токов может вызывать появление сложного рисунка разностей потенциала между различными частями клетки. Следует полагать, что тоническая синаптическая активация является наиболее общим и часто встре- чающимся в реальных условиях типом синапти- ческих влияний на мотонейроны. Тонический ха- рактер подобных влияний в значительной степени предопределяется уже такими общими факторами, как особая многочисленность синаптических вхо- дов к мотонейронам (по сравнению с абсолютным большинством других типов нейронов ЦНС) и вы- сокое разнообразие источников данных входов. В частности, тонический характер имеет возбуждаю- щая синаптическая бомбардировка, поступающая к мотонейронам от такого важнейшего афферент- ного входа, как рецепторы растяжения (мышечные веретена); в экспериментальных исследованиях ак- тивацию указанного типа можно получить, напри- мер, путем вибрационной стимуляции мышечных рецепторов [18–20]. Тоническая активность харак- терна для большинства нисходящих входов, в част- ности ретикуло-спинальных серотонин- [21, 22] и норадренергических [23, 24] волокон. Распределен- ную тоническую синаптическую активацию посто- янной интенсивности можно относительно легко моделировать, используя внесение в соответству- ющие участки дендрита однородной стационарной синаптической электропроводности [12, 25–28]. Поскольку мембрана нейрона обладает рези- стивно-емкостными свойствами, протекание токов между различными частями клетки связано с опре- деленными потерями за счет как резистивного, так и емкостного компонентов. В результате этого ге- нерация выходного сигнала (ПД) нейрона оказыва- ется зависящей от сложного взаимодействия рас- пределенных на различных участках поверхности нервной клетки источников и стоков мембранного тока. Под пространственным паттерном электриче- ских состояний в каждый момент времени мы по- нимаем комбинацию таких состояний в различных дискретных элементах дендритного разветвления (ветвях, маршрутах, поддеревьях). Чем сложнее то или иное разветвление (в нем больше дискрет- ных элементов, сложнее топическая организация и метрические соотношения), тем больше коли- чество комбинаций электрических состояний эле- ментов может быть у этого разветвления. Как мы показали, определенным временны́м паттернам вы- ходного сигнала соответствуют вполне определен- ные пространственные паттерны электрических состояний разных частей дендритного разветвле- ния (дендритных разветвлений) [8]. Несмотря на не очень большое (пока!) количество подробных реконструкций мотонейронов, наличные данные в сочетании с огромным объемом материала, полу- Р и с. 3. Зависимость частоты непрерывного ритмического разряда клетки (c–1) от интенсивности тонической синаптической активации (мкС/см2), равномерно распределенной по дендритным деревьям двух мотонейронов мыши (1 и 2 соответственно). Р и с. 3. Залежність частоти безперервного ритмічного розряду клітини (c–1) від інтенсивності тонічної синаптичної активації (мкС/см2), рівномірно розподіленої по дендритних деревах двох мотонейронів миші (1 і 2 відповідно). c–1 80 60 20 0 1.0 1.5 2.0 2.5 мкС/см2 1 2 ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕКОНСТРУИРОВАННЫХ МОТОНЕЙРОНОВ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 2142 ченного с использованием «классических» мор- фологических подходов, позволяют заключить, что для клеток указанного типа в целом характер- но бóльшее, чем для подавляющей части нейронов других типов, количество первичных дендритных стволов, характеризующихся достаточно сложной топикой и метрикой разветвлений. В то же время лишь некоторые из дендритных поддеревьев у мо- тонейронов демонстрируют отчетливые признаки асимметричности, существенно отличающие такие дендритные разветвления от их основной массы. Подобная стохастическая организация дендритно- го дерева у мотонейронов, очевидно, приводит к тому, что в его электротонической структуре отно- сительно редко встречаются (или даже отсутству- ют) поддеревья, существенно «выпадающие» из общего усредненного паттерна. Как уже упомина- лось, выравнивание электрических состояний (по- тенциалов) по пространству приводит к синхрони- зации электрических процессов во времени. Таким образом, при распределенной тонической возбуж- дающей синаптической активации мотонейронов эффекты электротонической асимметрии компо- нентов дендритного дерева этих клеток оказыва- ются весьма ограниченными, что предопределяет простоту паттернов их импульсной активности и ограниченность репертуара данных паттернов. Ре- зультаты нашего моделирования в целом согласу- ются со следующим утверждением: высокая слож- ность и стохастичность «воспринимающей части» мотонейрона фактически предопределяет то, что он является относительно простым интегрирую- щим передающим элементом. Вполне очевидно, что наша работа является лишь одним из первых шагов в модельных исследовани- ях влияния структурных факторов на электриче- ские процессы в мотонейронах. Она выполнена на ограниченном числе примеров и, как уже упомина- лось, с весьма существенными упрощениями, ка- сающимися организации синаптических входов к таким клеткам (в частности, без учета тормозных влияний различного происхождения). Дальнейшие работы в данном направлении, видимо, будут со- действовать значительному расширению наших представлений о рассматриваемой проблеме. Не исключено, что исследования, аналогичные наше- му, но проводимые на других образцах конкрет- ных мотонейронов, могут привести к выводам, в той или иной степени отличным от полученных в результате настоящего моделирования (об относи- тельной ограниченности влияния геометрических факторов на паттерны импульсной активности мо- тонейрона). Автор выражает глубокую благодарность проф. Д. А. Ва- силенко за критическое прочтение статьи и полезные коммен- тарии к ее материалам. Работа частично финансировалась в рамках совместного франко-украинского гранта № 21360. І. Б. Кулагіна1 ВПЛИВ СТРУКТУРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕКОН- СТРУЙОВАНИХ МОТОНЕЙРОНІВ НА ЇХ ЗБУДЛИВІСТЬ (МОДЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ) 1Дніпропетровський національний університет (Україна). Р е з ю м е За допомогою математичного моделювання на зразках комп’ютерної тривимірної реконструкції двох мотонейро- нов миші досліджували вплив структурних факторів (су- марної площі мембрани, топічних і метричних характерис- тик дендритного дерева) на збудливість цих клітин в умовах розподіленої тонічної синаптичної активації. Показано, що у досліджених мотонейронів асиметрія електротонічних про- філів дендритів була виражена в обмеженій мірі. Відміннос- ті порогів генерації поодинокого потенціалу дії у цих клітин були незначними, а пороги ініціації ритмічного розряду – дещо більшими. Незважаючи на такі розбіжності, а також на істотну відмінність структурних характеристик, частота ритмічних розрядів і залежність даної частоти від інтенсив- ності тонічної синаптичної дії у розглянутих зразків мото- нейронів виявилися досить близькими. Отримані результа- ти вказують на відносну обмеженість впливу розглянутих структурних факторів на збудливість досліджених мотоней- ронів. Висока складність і стохастичність дендритного де- рева мотонейронів визначає простоту патернів їх імпульсної активності та обмеженість репертуару таких патернів. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. S. Cullheim, “Relation between cell body size, axon diameter and conduction velocity of cat sciatic alpha motoneurons stained with horseradish peroxidase,” Neurosci. Lett., 8, 17-20 (1978). 2. A. Birinyi, M. Antal, E. Wolf, and G. Székely, “The extent of the dendritic tree and the number of synapses in the frog motoneuron,” Eur. J. Neurosci., 4, 1003-1012 (1992). 3. A. Peters, S. L. Palay, and H. D. Webster, The Fine Structure of the Nervous System, A. Peters (ed.), Oxford Univ. Press, New York (1971). 4. J. N. Barrett and W. E. Crill, “Influence of dendritic location and membrane properties on the effectiveness of synapses on cat motoneurons,” J. Physiol., 239, 325-345 (1974). 5. B. Hille, Ionic Channels of Excitable Membranes, B. Hille (ed.), Sinauer ass., Sunderland (1992). 6. B. W. Mel, “Information processing in dendritic trees,” Neural Comput., 6, 1031-1085 (1994). И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2009.—T. 41, № 2 143 7. J. Eilers and A. Konnerth, “Dendritic signal integration,” Current Opin. Neurobiol., 7, 385-390 (1997). 8. I. B. Kulagina, “Phase relationships between calcium and voltage oscillations in different dendrites of Purkinje neurons”, Нейрофизиология/Neurophysiology, 40, № 5/6, 477-485 (2008). 9. J. Amendola and J. Durand, “Morphological differences between wild-type and transgenic superoxide dismutase 1 lumbar motoneurons in postnatal mice,” J. Comp. Neurol., 511, No. 3, 329-341 (2008). 10. M. Antal, R. Kraftsik, G. Szekely, and H. van der Loos, “Synapses on motoneuron dendrites in the brachial section of the frog spinal cord: a computer-aided electron microscopic study of cobalt-filled cells,” J. Neurocytol., 21, No. 1, 34-49 (1992). 11. L. F. Abbott, “Realistic synaptic inputs for model neural networks,” Network, 2, 245-258 (1991). 12. Z. F. Mainen and T. Sejnowski, “Influence of dendritic structure on firing pattern in model neocortical neurons,” Nature, 382, 363-366 (1996). 13. M. L. Hines and N. T. Carnevale, “Neuron – a tool for neuroscientists,” Neuroscientist, 7, 123-135 (2001). 14. S. M. Korogod, “Electro-geometrical coupling in non-uniform branching dendrites,” Biol. Cybern., 74, 85-93 (1996). 15. S. M. Korogod and I. B. Kulagina, “Geometry-induced features of current transfer in neuronal dendrites with tonically activated conductances,” Biol. Cybern., 79, 231-240 (1998). 16. J. N. Barrett, “Motoneuron dendrites: role in synaptic integration,” Fed. Proc., 34, 1398-1407 (1975). 17. C. A. Fox and J. W. Barnard, “A quantitative study of the Purkinje cell dendritic branchlets and their relationship to afferent fibers,” J. Anat., 91, 299-313 (1957). 18. C. J. Heckman and M. D. Binder, “Analysis of effective synaptic currents generated by homonimous Ia afferent fibers in motoneurons of the cat,” J. Neurophysiol., 60, No. 6, 1946- 1966 (1988). 19. C. J. Heckman and M. D. Binder, “Analysis of Ia-inhibitory synaptic input to cat spinal motoneurons evoked by vibration of antagonist muscles,” J. Neurophysiol., 66, No. 6, 1888-1893 (1991). 20. R. K. Powers, F. R. Robinson, M. A. Konodi, and M. D. Bin- der, “Effective synaptic current can be estimated from measu- rements of neuronal discharge,” J. Neurophysiol., 68, No. 3, 964-968 (1992). 21. F. Baldissera, H. Hultborn, and M. Illert, “Integration in spinal neuronal systems,” in: Handbook of Physiology. The Nervous System. Motor Control, Sect. 1, Vol. II, Part 1, Chapt. 10, Am. Physiol. Soc., Bethesda (1981), pp. 509-595. 22. J. Hounsgaard and O. Kiehn, “Serotonin-induced bistability of turtle motoneurons caused by a nifedipine-sensitive calcium plateau potential,” J. Physiol., 414, 265-282 (1989). 23. B. S. Sastry and J. G. Sinclair, “Tonic inhibitory influence of a supraspinal monoaminergic system on recurrent inhibition of an extensor monosynaptic reflex,” Brain Res., 117, 69-76 (1976). 24. R. H. Lee and C. J. Heckman, “Bistability in spinal motoneurons in vivo: systematic variations in persistent inward currents,” J. Neurophysiol., 80, 583-593 (1998). 25. W. R. Holmes and C. D. Woody, “Effect of uniform and non-uniform synaptic ‘activation-distributions’ on the cable properties of modelled cortical pyramidal neurons,” Brain Res., 505, 12-22 (1989). 26. O. Bernander, R. J. Douglas, K. A. C. Martin, and C. Koch, “Synaptic background activity influences spatiotemporal integration in single pyramidal cells,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 88, 11569-11573 (1991). 27. M. Rapp, Y. Yarom, and I. Segev, “The impact of parallel fiber background activity on the cable properties of cerebellar Purkinje cells,” Neural Comput., 4, 518-533 (1992). 28. E. P. Cook and D. Johnston, “Active dendrites reduce location-dependent variability of synaptic input trains,” J. Neurophysiol., 78, 2116-2128 (1997). ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕКОНСТРУИРОВАННЫХ МОТОНЕЙРОНОВ

Влияние структурных характеристик реконструированных мотонейронов на их возбудимость (модельное исследование)

Репозитарії

Схожі ресурси