Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование

На модели мозжечкового нейрона Пуркинье с реконструированными активными дендритами исследовали влияние соотношения объемов эндоплазматического ретикулума (органельного кальциевого депо) и цитозоля на динамику уровней Ca²⁺ в асимметричных частях дендритного разветвления в процессе генерации нейроном...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Новородовская, Т.С., Кулагина, И.Б.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України 2010
Schriftenreihe:	Нейрофизиология
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68334
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование / Т.С. Новородовская, И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 2. — С. 112-125. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-68334
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-683342019-05-25T22:43:53Z Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование Новородовская, Т.С. Кулагина, И.Б. На модели мозжечкового нейрона Пуркинье с реконструированными активными дендритами исследовали влияние соотношения объемов эндоплазматического ретикулума (органельного кальциевого депо) и цитозоля на динамику уровней Ca²⁺ в асимметричных частях дендритного разветвления в процессе генерации нейроном разных структурозависимых паттернов пачечной импульсной активности. На моделі мозочкового нейрона Пуркін’є з реконструйованими активними дендритами досліджували вплив співвідношення об’ємів ендоплазматичного ретикулума (органельного кальцієвого депо) і цитозолю на динаміку рівнів Ca²⁺ в асиметричних частинах дендритного розгалуження в процесі генерації нейроном різних структурозалежних патернів пачкової імпульсної активності. In the model of a cerebellar Purkinje neuron with reconstructed active dendrites, we investigated the impact of the ratio between volumes of the endoplasmic reticulum (organellar calcium store) and cytosol on the Ca²⁺ dynamics in asymmetrical parts of the dendritic arborization during generation of different structure-dependent patterns of bursting activity. 2010 Article Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование / Т.С. Новородовская, И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 2. — С. 112-125. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 0028-2561 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68334 576.32/.36 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	На модели мозжечкового нейрона Пуркинье с реконструированными активными дендритами исследовали влияние соотношения объемов эндоплазматического ретикулума (органельного кальциевого депо) и цитозоля на динамику уровней Ca²⁺ в асимметричных частях дендритного разветвления в процессе генерации нейроном разных структурозависимых паттернов пачечной импульсной активности.
format	Article
author	Новородовская, Т.С. Кулагина, И.Б.
spellingShingle	Новородовская, Т.С. Кулагина, И.Б. Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование Нейрофизиология
author_facet	Новородовская, Т.С. Кулагина, И.Б.
author_sort	Новородовская, Т.С.
title	Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование
title_short	Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование
title_full	Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование
title_fullStr	Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование
title_full_unstemmed	Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование
title_sort	структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование
publisher	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68334
citation_txt	Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование / Т.С. Новородовская, И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 2. — С. 112-125. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.
series	Нейрофизиология
work_keys_str_mv	AT novorodovskaâts strukturnaâzavisimostʹkalʹcievojdinamikivdendritahnejronapurkinʹeprigeneraciipačečnyhrazrâdovmodelʹnoeissledovanie AT kulaginaib strukturnaâzavisimostʹkalʹcievojdinamikivdendritahnejronapurkinʹeprigeneraciipačečnyhrazrâdovmodelʹnoeissledovanie
first_indexed	2025-07-05T18:09:45Z
last_indexed	2025-07-05T18:09:45Z
_version_	1836831459060482048
fulltext	НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2112 УДК 576.32/.36 Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ1, И. Б. КУЛАГИНА1 СТРУКТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКИНЬЕ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ПАЧЕЧНЫХ РАЗРЯДОВ: МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Поступила 18.02.10 На модели мозжечкового нейрона Пуркинье с реконструированными активными ден- дритами исследовали влияние соотношения объемов эндоплазматического ретикулума (органельного кальциевого депо) и цитозоля на динамику уровней Ca2+ в асимметрич- ных частях дендритного разветвления в процессе генерации нейроном разных структу- розависимых паттернов пачечной импульсной активности. Тоническое синаптическое возбуждение, однородно распределенное по дендритам (пространственно однородный постоянный входной сигнал), вызывало в дендритах пространственно неоднородные из- менения мембранного потенциала (МП), сопровождавшиеся генерацией периодических или апериодических пачек потенциалов действия на выходе клетки. Зарегистрирован- ные при этом изменения МП в сегментах асимметричных дендритов далее подавали на мембрану выделенных дендритных сегментов в качестве командного напряжения в ре- жиме динамической фиксации. Относительный размер депо в данных сегментах варьи- ровали. Тем самым обеспечивались одинаковые локальные кальциевые токи и потоки в цитозоль сегмента, по-разному заполненного органельным депо. При любых паттернах импульсации микрогеометрия сегмента и депо модулировала кальциевые транзиенты точно таким же образом, как это было установлено в предыдущих исследованиях элек- трических и концентрационных ответов моделируемого нейрона на локальное фазное синаптическое возбуждение. Пиковые значения вызванных деполяризационными сдви- гами всплесков цитозольной концентрации Ca2+ увеличивались параллельно с возрас- танием части внутриклеточного объема, занимаемой депо. Наиболее важным фактором, определяющим эту структурную зависимость, было отношение площади мембранной поверхности и свободного от органелл объема дендритного сегмента. Существенную специфику демонстрировали значения концентрации Са2+, депонированного в одинако- вых по размеру сегментах асимметричных частей дендритного разветвления, в которых наблюдались асинхронные разновеликие изменения МП при генерации апериодической пачечной импульсации на выходе. Больше кальция депонировалось в сегментах, кото- рые в среднем дольше пребывали в состоянии высокой деполяризации (это приводило к интенсивной активации кальциевых каналов и усиливало соответствующий поток Ca2+ в цитозоль). Таким образом, локальная динамика концентраций Ca2+ непосредственно за- висит от локальной микрогеометрии и опосредованно – от глобальной макрогеометрии дендритного разветвления, поскольку последняя обусловливает связанные с простран- ственной асимметрией разновеликие транзиенты в разных частях дендритного разветв- ления, обладающего активными мембранными свойствами. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: реконструированный нейрон Пуркинье, шипиковый ден- дрит, динамика уровня Са2+, эндоплазматический ретикулум. 1Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара (Украина). Эл. почта: ber_linn@yahoo.com (Т. С. Новородовская). НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2 113 ВВЕДЕНИЕ Изменения концентрации кальция – универсального вторичного посредника в процессах внутриклеточ- ной сигнализации – существенно влияют на многие фундаментальные функции нейронов – высвобож- дение нейропередатчиков, интеграцию входных сиг- налов в дендритах, синаптическую пластичность и др. [1–4]. Практически каждый нейрон оснащен бо- гатым набором механизмов, обеспечивающих регу- ляцию уровня внутриклеточного Ca2+, в частности кальциевыми каналами и насосами плазматической мембраны, внутриклеточными кальцийсвязываю- щими буферами и аккумулирующими кальций ор- ганеллами. Мозжечковые нейроны Пуркинье бла- годаря своим геометрическим характеристикам (в частности, уплощенной форме дендритного дере- ва) стали одними из наиболее доступных объектов экспериментальных микронейрофизиологических исследований [5–8], в том числе и в аспекте изуче- ния кальциевой динамики. В определенной степени это обусловлено тем фактом, что нейроны Пурки- нье относительно мало повреждаются в ходе при- готовления переживающих срезов. Однако методи- ческие ограничения в подобных экспериментах все еще остаются очень существенными. Мало изуче- ны такие актуальные вопросы структурно-функци- ональной организации упомянутых нейронов, как сопряжение электрических процессов и изменений концентрации Ca2+, а также связь упомянутых про- цессов с особенностями клеточной и субклеточной морфологии. Актуальность указанной проблемати- ки не в последнюю очередь обусловлена тем обсто- ятельством, что в процессе нормального развития и при разных видах клеточной патологии размер- ные характеристики и форма нейронов Пуркинье, как и других нервных клеток, изменяются; в дан- ном случае меняются также размеры и численность внутриклеточных органелл [9–11]. Особенности клеточной и субклеточной геоме- трии могут быть важными факторами, серьезно влияющими на функциональные характеристики нейрона, поскольку в зависимости от простран- ственной/объемной организации кальцийаккумули- рующих органелл обмен Ca2+ между объемами вну- триклеточного пространства через разделяющие эти объемы поверхности (мембраны) будет проис- ходить по-разному. В связи с очевидной ограни- ченностью возможностей натурного эксперимен- та источником существенной информации о роли структурных факторов в кальциевой динамике мо- гут быть результаты вычислительных эксперимен- тов на моделях клеток и субклеточных структур [12–14]. На моделях реконструированных нейро- нов Пуркинье было показано [15, 16], что не толь- ко свойства активной мембраны, но и такие осо- бенности геометрии, как метрическая асимметрия дендритов, являются существенными факторами, определяющими формирование специфических пространственно-временны́х паттернов электри- ческих и концентрационных сигналов в масшта- бах целого дендритного разветвления. В данных моделях, однако, использовалось весьма упрощен- ное описание кальциевой динамики [12, 13], и это не позволяло детально исследовать, какую роль в динамике концентрационных кальциевых сигналов играют органельные кальциевые депо (в частности, как влияет на подобные сигналы степень наполнен- ности такими депо внутриклеточного объема). В то же время есть основания полагать, что роль указан- ных структурных факторов (относительных разме- ров депо) может быть достаточно существенной. В дендритных стволах и шипиках нейронов Пуркинье присутствует такой важнейший вид органельных депо, как цистерны эндоплазматического ретикулу- ма (ЭР) [17–19]. Размеры и форма ЭР значительно изменяются в зависимости от физиологических/па- тологических состояний клетки [19, 20]. Структур- ная изменчивость присуща и дендритным шипикам данных нейронов; геометрические характеристики этих компартментов весьма вариабельны [21–23]. Изменения соотношения размеров ЭР и свободного от органелл цитозоля оказывают существенное мо- дулирующее влияние на динамику внутриклеточно- го Са2+, что было продемонстрировано в недавних исследованиях на моделях дендритных фрагментов нейронов Пуркинье. В указанных моделях механиз- мы обмена Са2+ между ЭР и цитозолем были учте- ны весьма детально [24–26]. В этих исследованиях рассматривались электрические и концентрацион- ные транзиенты, вызванные в данных фрагментах одиночным возбуждающим синаптическим воздей- ствием. Настоящая же работа представляет собой дальнейшее развитие упомянутого выше направ- ления исследований: она посвящена выяснению влияния соотношений геометрических размеров кальциевого депо ЭР и безорганельного цитозоля на динамику Са2+ в реконструированных «реали- стических» дендритных разветвлениях нейронов Пуркинье при генерации достаточно сложных пат- тернов импульсной активности – периодических и апериодических пачечных разрядов, иницииро- СТРУКТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКИНЬЕ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2114 ванных распределенным тоническим возбуждени- ем дендритных синапсов. Изменения мембранного потенциала (МП) клетки с активными асимметрич- ными дендритами в процессе генерации импульс- ных паттернов разной сложности существенно от- личаются от мембранных событий, генерируемых под воздействием локального фазного синаптиче- ского возбуждения (именно последний вид воздей- ствий обычно применяется в экспериментальных исследованиях кальциевой динамики). То, как ме- ханизмы регуляции уровней внутриклеточного Са2+ реагируют на электрические транзиенты в указан- ных выше условиях (значительно более близких к естественным), пока остается практически не изу- ченным, а актуальность этого вопроса вполне оче- видна. Для решения данной задачи в качестве исход- ной мы использовали модель нейрона Пуркинье. Для нейронов указанного типа характерен богатый репертуар паттернов импульсной активности – как периодических пачек потенциалов действия (ПД) разной сложности, так и апериодических (стохасти- ческих) последовательностей ПД [27]. В эту модель была интегрирована разработанная нами детальная модель обмена кальция между ЭР, цитозолем и вне- клеточным пространством [24–26]. Сравнитель- ный анализ соответствующих процессов обеспечи- вался использованием специально разработанного подхода, основанного на принципе динамической фиксации потенциала. Вначале на исходной моде- ли в результате подачи возбуждающих воздействий имитировали генерацию периодических или апери- одических пачечных разрядов, сопровождавшихся характерными изменениями МП и сдвигами вну- триклеточной концентрации кальция [Са2+]i (каль- циевыми транзиентами) в разных частях рекон- струированного дендритного разветвления. Записи изменений МП в участках разных асимметричных дендритов использовали затем в качестве команд- ных сигналов напряжения, подаваемых на мембра- ну соответствующего дендритного сегмента, кото- рый включал в себя ЭР. Результаты сравнительного анализа концентрационных процессов в цитозоле и ЭР, наблюдаемых при разной наполненности вну- тридендритного объема указанным органельным депо, убедительно свидетельствуют о том, что суб- клеточная дендритная геометрия оказывает суще- ственное непосредственное модулирующее влия- ние на динамику уровней внутриклеточного Са2+ в условиях генерации разных по сложности паттер- нов поддерживающейся импульсной активности нейронов Пуркинье мозжечка. Глобальная макро- геометрия дендритного разветвления оказывает на эти концентрационные процессы также существен- ное (хотя и опосредованное) влияние, определяя характер пространственной неоднородности элек- трических процессов, а следовательно, различия трансмембранных потоков Са2+ в асимметричных дендритах. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ Исследования были выполнены на моделях двух типов (pис. 1). Модель типа 1 соответствовала ден- дритному разветвлению нейрона Пуркинье моз- жечка, которое было реконструировано с высоким пространственным разрешением [15] (А). К типу 2 относились однокомпартментные модели, которые соответствовали цилиндрическим фрагментам, взя- тым из разных частей вышеуказанного реконстру- ированного разветвления. Для таких фрагментов ранее было показано наличие существенных зави- сящих от геометрии различий пассивных переда- точных свойств и соотношений фаз колебательных электрических и концентрационных процессов [15, 16, 27]. Локализация рассматриваемых фрагментов D1, D2 и D3 в дендритной структуре конкретного нейрона Пуркинье представлена на рис. 1, А. Дли- ны (l) и диаметры (d) фрагментов D1, D2 и D3 были равны соответственно 8.71 и 0.7, 8.76 и 0.6 и 8.65 и 0.6 мкм. В структуру моделей типа 2 включали ЭР, представленный цилиндрической цистерной той Параметры связывающих кальций буферов и флуоресцентного красителя Параметри буферів та флуоресцентного барвника, що зв’язують кальцій Вещества Константа скорости связывания, мМ · мс–1 Константа скорости распада, мс–1 Концентрация, мM Парвальбумин [B1] 6 0.9 · 10-3 0.54 Кальмодулин [B2] 100 0.1 0.03 Fura-4F [D] 120 0.12 0.1 П р и м е ч а н и е. Подробные объяснения в тексте. Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2 115 же протяженности l, что и сам дендритный компарт- мент [24–26]. Диаметр цистерны ЭР (dER) варьиро- вали таким образом, что она занимала от 1 до 36 % объема компартмента. Во всех моделях плазматическая мембрана обла- дала ионными каналами и насосами (схема на pис. 1, Б, указано толстыми стрелками), характерны- ми для дендритов названных нейронов. В допол- нение к набору каналов, использованному в наших предыдущих работах [15, 16], в рассматриваемую в настоящем исследовании модель были включе- ны каналы, которые обеспечивали генерацию бы- стрых электрических процессов, в частности ПД и их пачек [13, 27]. Вкратце, плазмолемма дендри- тов включала в себя каналы входящего кальциево- го тока Р-, Е- и Т-типов (ICa(Р), ICa(Е), ICa(Т)), выходя- щего калиевого тока задержанного выпрямления (IK(DR)), калиевых токов А-, D- и М-типов (IK(А), IK(D) и IK(М)), кальцийзависимых низко- и высокопоро- гового калиевых токов (IK(Са)l и IK(Са)h соответствен- но), неспецифического тока утечки (Ileak), а также ток кальциевого насоса (Са2+-АТФазы – ICa(АТР)). В соме присутствовали также каналы быстрого инак- тивирующегося и стойкого натриевого токов (INa(F) и INa(Р) соответственно), а также калиевого тока ано- мального выпрямления (IK(h)). В модели типа 1 рассматривались изменения концентрации Ca2+ в тонком (толщина δ = 0.1 мкм) примембранном слое. Данная концентрация уве- личивалась при генерации трансмембранного тока ICa(Р,E,T) и уменьшалась под действием работы насо- са ICa(АТР), а также за счет спада [Ca2+]i до базально- го уровня ([Ca2+]bulk = 40 нМ) с определенной посто- янной времени. Это было эквивалентно диффузии Φdif кальция из примембранного слоя в более глу- бокие слои цитоплазмы и могло также рассматри- ваться как неявное отображение общего действия всех внутриклеточных кальцийсвязывающих меха- низмов (так, как это было представлено в ряде ра- бот [12, 13, 15, 16]). Модели типа 2 оснащались механизмами регуля- ции [Ca2+], которые были либо упрощенными, как в модели типа 1, либо такими, как в наших пред- ыдущих работах [24–26] (см. схему на рис. 1, Б). Иными словами, данные модели в явном виде учи- тывали обмен Са2+ между цитозолем, внеклеточ- ной средой, ЭР, эндогенными протеиновыми каль- циевыми буферами («быстрым» – кальмодулином и «медленным» – парвальбумином), а также флуо- ресцентным красителем (Fura-4), обладающим свойствами экзогенного буфера. Обмен Са2+ с ЭР происходил благодаря потокам этих ионов через Р и с. 1. Структура реконструированного дендритного дерева моделируемого нейрона Пуркинье мозжечка (А) и схема имеющихся в дендритах мембранных и внутриклеточных механизмов (Б). Стрелками на А указаны места регистрации электрических и кальциевых концентрационных сигналов в разветвлениях дендритов (D1–D3) и аксоне (Ax). Подробные пояснения к схеме Б приведены в тексте. Р и с. 1. Структура реконструйованого дендритного дерева моделюємого нейрона Пуркін’є мозочка (А) і схема наявних у дендритах мембранних і внутрішньоклітинних механізмів (Б). А Б СТРУКТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКИНЬЕ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2116 органельные насосы и каналы поглощения (Φup), пассивной утечки (ΦERleak), а также высвобожде- нию Са2+, индуцированного кальцием (ΦCICR), и вы- свобождению Са2+ через каналы, чувствительные к инозитол-3-фосфату– IP3 (ΦIP3). Учитывались так- же процессы продукции/распада IP3 (сдвиги [IP3]), а также процессы буферизации Са2+ и диффузия кальция в соседние компартменты (Φdif). Основны- ми переменными, характеризующими поведение моделей, были трансмембранный потенциал (E), а также концентрации Ca2+ в цитозоле и ЭР ([Ca2+]i и [Ca2+]ER соответственно). Наряду с основными переменными вычислялись трансмембранные токи и равновесные потенциалы для Са2+. Изменения во времени переменных состояния, ионных токов и потоков описывались дифференциальными уравне- ниями, приведенными в наших предыдущих рабо- тах [24–26]. Построение и исследование моделей осущест- вляли в программной среде моделирования «НЕЙ- РОН» [28]. Модели типа 2 исследовали с применением «ди- намической фиксации потенциала» (dynamic volta- ge clamp), используя в качестве командных напря- жений сигналы, полученные на модели типа 1 при генерации периодических или апериодических па- чек ПД в ответ на тоническую синаптическую акти- вацию. Полученные на модели реконструированно- го нейрона значения МП дендритных фрагментов D1, D2 и D3 записывали с интервалом 0.025 мс в соответствующие файлы. Далее, считывая эти запи- си, формировали командные напряжения, которые подавали на мембрану моделируемого дендритного фрагмента с применением специальной опции Ve- ctor/Play программы «НЕЙРОН» (аналога выхода операционного усилителя) [28]. Рассчитывали воз- никавшие под действием указанного командного напряжения изменения потенциалзависимых про- водимостей ионных каналов плазматической мем- браны, ионных токов и концентраций. Использо- вание такого протокола было обосновано данными предыдущих исследований, продемонстрировав- шими идентичность изменений МП, которые ге- нерировались в ответ на одиночное локальное си- наптическое действие, и существенные различия кальциевых транзиентов, которые наблюдались в одиночном компартменте с депо разных типов, за- нимавшими разные относительные части внутри- клеточного объема (рис. 2, [25]). В описываемых ниже экспериментах идентичность изменений МП компартмента обеспечивалась динамической фик- сацией, что позволяло в идентичных условиях ис- следовать особенности кальциевой динамики, обу- словленные интересующими нас структурными факторами – прежде всего, заполненностью вну- триклеточного объема органельными депо. РЕЗУЛЬТАТЫ Электрические процессы и кальциевые транзиен- ты (концентрационные сигналы) в асимметрич- ных дендритах нейрона Пуркинье. В первой серии вычислительных экспериментов (рис. 2; 3) изучали электрические и концентрационные процессы, ко- торые возникали в реконструированном дендрит- ном разветвлении нейрона Пуркинье мозжечка, обладавшем активной мембраной. Эти процессы инициировали тоническим синаптическим возбуж- дением, внося однородную электропроводность, распределенную по всей поверхности дендритной мембраны (потенциал равновесия синаптического тока 0 мВ). При относительно низкой интенсивно- сти синаптического действия (вносимая проводи- мость 50 мкС/см2) наблюдалась генерация перио- дических пачек из четырех ПД (рис. 2, Г), а при более высокой интенсивности (68 мкС/см2) генери- ровались апериодические последовательности па- чек разной структуры и одиночные ПД (рис. 3, Г). В процессе генерации периодического пачечного разряда, распространяющегося по аксону (рис. 2, Г), в дендритных участках D2, D1 и D3 наблюда- лись незатухающие периодические колебания МП (А, Д и З соответственно), кальциевого тока (Б, Е и И соответственно) и цитозольной концентрации Са2+ (В, Ж и К соответственно). В указанных участ- ках период колебаний был одним и тем же (64 мс), но фазовые отношения различались. По отношению к колебаниям в точке D1 колебания в точках D2 и D3 запаздывали на 1.15 и 0.18 мс соответственно. В случае генерации апериодического (стохастиче- ского) выходного импульсного паттерна (рис. 3, Г) электрические и концентрационные процессы в тех же участках дендритов были асинхронными и раз- новеликими (Д–Ж, А–В и З–К соответственно). За- писи изменений МП в дендритах (Д, А и З на рис. 2 и 3) были использованы далее в качестве команд- ных напряжений, подаваемых в режиме динамиче- ской фиксации потенциала на выделенные компарт- менты. Электрические и концентрационные сигналы в дендритном участке с разными механизмами ре- Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2 117 А Д Б Е В Ж Г З И К мВ мкА/см2 мкМ мВ мВ мкА/см2 мкМ Р и с. 2. Электрические сигналы и кальциевые транзиенты (концентрационные сигналы) в разных участках реконструированного дендритного дерева нейрона Пуркинье мозжечка во время генерации периодических пачечных импульсных разрядов при тонической активации синаптических входов, распределенных по дендритам. А, Д, З – изменения мембранного потенциала (МП), мВ, Б, Е, И – кальциевых токов через единицу поверхности дендритной мембраны, мкА/см2 и В, Ж, К – концентрации Са2+ в цитозоле, мкМ, зарегистрированные соответственно в участках D2, D1 и D3 (локализация указана стрелками на вставке); Г – изменения МП в аксоне (Ах), мВ. Р и с. 2. Електричні сигнали і кальцієві транзієнти (концентраційні сигнали) у різних ділянках реконструйованого дендритного дерева нейрона Пуркін’є мозочка під час генерації періодичних пачкових імпульсних розрядів при тонічній активації синаптичних входів, розподілених по дендритах. СТРУКТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКИНЬЕ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2118 А Д Б Е В Ж мВ мкА/см2 мкМ Г З И К мВ мВ мкА/см2 мкМ Р и с. 3. То же, что и на рис. 2, но во время генерации апериодических (стохастических) разрядов. Р и с. 3. Те ж саме, що й на рис. 2, але під час генерації аперіодичних (стохастичних) розрядів. Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2 119 А Д мВ мкА/см2 мкМ И Б Е К В Ж Л Г З М мс Р и с. 4. Электрические сигналы и кальциевые транзиенты в участке D2 реконструированного дендритного дерева нейрона Пуркинье (А–Г) во время генерации импульсной активности, показанной на рис. 2, а также при динамической фиксации изменений потенциала в изолированном участке дендрита с такими же мембранными свойствами и геометрией, но с разными механизмами регуляции динамики уровня Са2+ (Д–М). А, Д, И – изменения мембранного потенциала, мВ, Б, Е, К – плотности трансмембранного кальциевого тока, мкА/ см2, В, Ж, Л – концентрации Са2+ в цитозоле, мкМ и Г, З, М – потенциала равновесия (реверсии) для кальциевого тока, мВ, рассчитанные без учета (А–З) и с учетом (И–М) обмена Са2+ между цитозолем и эндоплазматическим ретикулумом. Р и с. 4. Електричні сигнали і кальцієві транзієнти в ділянці D2 реконструйованого дендритного дерева нейрона Пуркін’є (А–Г) під час генерації імпульсної активності, показаної на рис. 2, а також при динамічній фіксації змін потенціалу в ізольованій ділянці дендрита з такими самими мембранними властивостями та геометрією, але з різними механізмами регуляції динаміки рівня Са2+ (Д–М). гуляции [Са2+], наблюдаемые в процессе генерации периодического выходного импульсного паттер- на. Типичные результаты сравнительного иссле- дования периодических электрических и концен- трационных процессов в выделенных дендритных компартментах нейрона Пуркинье, имеющих раз- личные механизмы регуляции уровней внутрикле- точного Са2+, показаны на примере дендритного участка D2 (рис. 4). За основу для сравнения при- нимали записи (рис. 2, А–В), полученные на моде- ли реконструированного нейрона с упрощенным представлением механизмов кальциевой динами- ки, которые идентичны таковым на рис. 2 и к ко- торым добавлен график изменений равновесного потенциала для кальциевого тока (Г). Вначале ис- следовали процессы в выделенном компартменте (модель типа 2), имевшем те же размеры, мембран- ные и внутриклеточные механизмы, что и участок D2 реконструированного разветвления (модель типа 1). Соответствующие результаты представле- ны на рис. 4, Д–З. Изменения МП в компартменте (Д) полностью определялись подаваемым в режиме динамической фиксации командным напряжением. В качестве последнего использовалась запись по- тенциала на участке D2 модели целого нейрона (А). Наблюдаемые в этих условиях изменения трансмем- бранного кальциевого тока (Е), цитозольной кон- центрации Са2+ (Ж) и потенциала равновесия для кальциевого тока – ЕСа (З) были практически иден- тичными таковым, полученным на модели 1 (Б–Г соответственно). Таким образом, были обеспечены не только идентичность изменений МП, но и по- ступление внутрь дендритного компартмента таких же, как в модели целого нейрона, порций Са2+ при генерации периодического импульсного паттерна. Тем самым была подтверждена адекватность ис- пользования модели выделенного компартмента в режиме динамической фиксации напряжения в ка- честве базы для сравнительного исследования вли- яний типа и пространственной организации орга- нельных депо, функционирующих как регуляторы кальциевой динамики. мВ СТРУКТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКИНЬЕ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2120 которых амплитуды как «быстрого», так и «медлен- ного» компонентов были бóльшими, чем в преды- дущих случаях (Б и Е). Разницы были небольшими (–429.6 и –426 мкА/см2) у «быстрых» компонентов и значительными (–572.67 и –529.6 мкА/см2) – у «медленных». Эти различия токов связаны с наблю- даемыми различиями концентрационнозависимых равновесных потенциалов для Са2+ (ср. Г, З и М). Пиковые значения ЕСа в модифицированной моде- ли были сдвинуты в сторону деполяризации (около +65 мВ относительно начального МП; М) по срав- нению с исходными (около +20 мВ; Г и З). Это обу- словливало бóльшие значения движущего потен- циала для входящего кальциевого тока ЕСа при тех же значениях потенциалзависимых проводимостей кальциевых каналов. В свою очередь, различия рав- новесных потенциалов ЕСа обусловлены тем, что в АмкМ В Б Г мкМ мс Р и с. 5. Влияние относительного размера цистерны эндоплазматического ретикулума (ЭР) на динамику концентрации Са2+ в цитозоле (А, В) и ЭР (Б, Г) при наличии (В, Г) и отсутствии (А, Б) буферов и флуорофора в дендритном участке D2 в условиях динамической фиксации потенциала, которая соответствует периодическому паттерну импульсной активности нейрона Пуркинье, показанному на рис. 2. Кривые 1–3 на А–Г построены соответственно отношениям диаметра цистерны ЭР к диаметру дендритного сегмента, равным 0.2, 0.4 и 0.6. Р и с. 5. Вплив відносного розміру цистерни ендоплазматичного ретикулума (ЕР) на динаміку концентрації Са2+ у цитозолі (А, В) та ЕР (Б, Г) при наявності (В, Г) та відсутності (А, Б) буферів і флуорофору в дендритній ділянці D2 в умовах динамічної фіксації потенціалу, що відповідає періодичному патерну імпульсної активності нейрона Пуркін’є, показаному на рис. 2. Опираясь на описанный выше результат, далее в рассматриваемый компартмент вместо упрощенно- го механизма регуляции уровней Са2+ встраивали модифицированный механизм, учитывающий в яв- ном виде обмен с буферами и ЭР (см. схему на рис. 1, Б), и повторяли тот же протокол динамической фиксации потенциала. При подаче командного на- пряжения (И), такого же, как и в предыдущем вы- числительном эксперименте (Д), наблюдались пе- риодически изменявшиеся кальциевые токи (К), у мкМ Р и с. 6. Зависимость пиковых значений раннего «быстрого» (1, 2) и позднего «медленного» (3, 4) компонентов колебаний концентрации Са2+ в цитозоле (ось ординат, мкМ) от относительного диаметра цистерны эндоплазматического ретикулума (ось абсцисс) при наличии (1, 3) и отсутствии (2, 4) буферов и флуорофора в дендритном участке D2 в условиях динамической фиксации потенциала, соответствующей импульсному паттерну на рис. 2. Р и с. 6. Залежність пікових значень раннього «швидкого» (1, 2) і пізнього «повільного» (3, 4) компонентів коливань концентрації Са2+ у цитозолі (вісь ординат, мкМ) від відносного діаметра цистерни ендоплазматичного ретикулума (вісь абсцис) при наявності (1, 3) і відсутності (2, 4) буферів і флуорофору в дендритній ділянці D2 в умовах динамічної фіксації потенціалу, що відповідає імпульсному патерну на рис. 2. kER = dER/d Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2 121 исходных моделях концентрации Са2+ рассчитыва- лись в тонком примембранном слое; значит, они имели бо́льшие значения (В и Ж) на фоне сходных величин кальциевого тока по сравнению с таковы- ми в модифицированной модели малого компарт- мента, в котором концентрация рассчитывалась в рамках предположения о достаточно высокой ско- рости перемешивания (так называемые well-stirred models [24]) и потому имела меньшие пиковые зна- чения (Л). Влияние объема ЭР и буферов на кальциевые сиг- налы в дендритном компартменте при генерации периодического импульсного паттерна. В последу- ющих вычислительных экспериментах на модели изолированного участка D2 (результаты представ- лены на рис. 5) исследовали зависимость динами- ки [Са2+] в цитозоле и ЭР от относительного разме- ра ЭР (А–Г) в условиях наличия (В, Г) и отсутствия (А–Б) эндогенных буферов и флуорофора. Варьи- руя диаметр цистерны ЭР dER (0.12, 0.24 и 0.36 мкм; 1, 2 и 3 соответственно), рассчитывали ответы на приложение того же командного напряжения, что и в предыдущей серии вычислительных эксперимен- тов (рис. 4, А), – изменения концентрации Са2+ в цитозоле ([Ca2+]i, мкМ) и ЭР ([Ca2+]ER, мкМ). Рав- ные приращения диаметра ЭР обусловливали раз- ные (прогрессивно увеличивающиеся) значения приращений пиковой концентрации Са2+ в цитозо- ле (А, В) и депо ЭР (Б, Г). Наличие эндогенных бу- феров и красителя сказывалось на этих изменени- Р и с. 7. Электрические сигналы и кальциевые транзиенты в изолированных участках D1 (А–Г), D2 (Д–З) и D3 (И–М) реконструированного дендритного дерева нейрона Пуркинье в условиях динамической фиксации потенциала, которая соответствует апериодическому паттерну импульсации, показанному на рис. 3. А, Д, И – изменения мембранного потенциала, мВ, Б, Е, К – плотности мембранного кальциевого тока, мкА/см2, В, Ж, Л – концентрации Са2+ в цитозоле и Г, З, М – в эндоплазматическом ретикулуме, мкМ. Р и с. 7. Електричні сигнали та кальцієві транзієнти в ізольованих ділянках D1 (А–Г), D2 (Д–З) і D3 (И–М) реконструйованого дендритного дерева нейрона Пуркін’є в умовах динамічної фіксації потенціалу, що відповідає аперіодичному патерну імпульсації, показаному на рис. 3. А Д И мВ Б Е К В Ж Л Г З М мкА/см2 мкМ мкМ мс СТРУКТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКИНЬЕ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2122 ях весьма незначительно (порядка 0.12–0.13 % для [Са2+]i и 0.9–2.5 % для [Ca2+]ER) (В, Г). В условиях варьирования диаметра цистерны ЭР концентрация цитозольного Са2+ на этапе разви- тия как раннего («быстрого»), так и более позднего («медленного») компонентов периодических каль- циевых транзиентов изменялась и при наличии, и при отсутствии буферов по закону (рис. 6, 1–4), который практически соответствовал полученно- му ранее ([24], рис. 5, А) в исследованиях структу- розависимости локальных кальциевых ответов на предъявление одиночных фазных синаптических стимулов. Графики зависимости пиковых концен- траций Са2+ от отношения диаметров ЭР и дендри- та (1–4), построенные по результатам вычисли- тельных экспериментов (рис. 5), были сдвинуты в область бóльших концентраций, но по своему виду оставались подобными друг другу и упомянутому графику ([24], А). Следовательно, такие зависи- мости могут быть аппроксимированы однотипной функцией. Она, как было показано ранее [24], опре- деляется отношением поверхности компартмента к объему безорганельной части цитозоля. Такие же результаты были получены и на дру- гих участках асимметричных дендритов, в которых развивались синхронные, но сдвинутые по фазе электрические и концентрационные процессы (не иллюстрировано). Электрические и кальциевые концентрационные сигналы в участках асимметричных дендритов, на- блюдаемые в процессе генерации апериодического выходного импульсного паттерна. В завершающей серии вычислительных экспериментов сравнива- ли электрические и концентрационные транзиенты в изолированных компартментах (соответствовав- ших участкам D1, D2 и D3 реконструированного дендритного разветвления) при подаче на них ко- мандных напряжений, идентичных генерируемым на указанных участках в условиях апериодично- сти (стохастичности) паттерна разрядов на выхо- де нейрона. Соответственно наблюдаемым в этих участках различиям апериодических транзиентов МП (рис. 7, А, Д, И) отмечались существенные раз- личия кальциевых токов (Б, Е, К) и цитозольных концентрационных кальциевых транзиентов (В, Ж, Л). В случае генерации на выходе нейрона апери- одических пачек и одиночных импульсов в асим- метричных частях дендритного разветвления об- наруживались асинхронные медленные всплески деполяризации разной интенсивности (А, Д, И). Во время этих всплесков регистрировались входящие кальциевые токи (Б, Е, К). У них, как и в случае синхронных периодических импульсных паттернов (рис. 4, Б, Е, К), выделялись «быстрый» и «медлен- ный» компоненты. В данном случае соотношения амплитуд «быстрых» и «медленных» компонентов кальциевого тока существенно варьировали (глав- ным образом за счет более значительной вариации «быстрого» компонента). Это заметно отличало на- блюдаемую картину от одинаковых соотношений амплитуд «быстрых» и «медленных» компонентов кальциевого тока, характерных для случая перио- дических паттернов (рис. 4, Б, Е, К). При сравнении апериодических процессов в рас- сматриваемых участках обращают на себя внима- ние существенные различия уровней депонирован- ного Са2+ (рис. 7, Г, З, М). По мере продолжения активности концентрация Са2+ в депо всех участ- ков нарастала монотонно с приблизительно одина- ковой скоростью, но значения концентрации Са2+ в депо, расположенных в разных участках, демон- стрировали существенные различия. Так, к концу рассматриваемого интервала времени концентра- ция Са2+, запасенного в депо участка D2, достигала 293 мкМ (З). Это значение было заметно бóльшим такового в депо D1 (273 мкМ; Г); разница по срав- нению со значением в депо участка D3 (250 мкМ; М) была еще более существенной. Поскольку при фиксированной кинетике депонирования количе- ство Са2+, поступающего в депо, определяется кон- центрацией данного иона в цитозоле [26], наиболее вероятной причиной наблюдаемых различий явля- ется то, что в течение одного и того же временнóго отрезка продолжающейся импульсной активности в разные участки из внеклеточной среды количе- ства поступающего Са2+ были неодинаковыми. Та- кое возможно в том случае, если дендриты, вклю- чающие в себя сравниваемые участки, в условиях генерации асинхронного апериодического паттер- на пребывали в состоянии высокой деполяризации, обеспечивающей открывание кальциевых каналов, разное время; соответственно, и вход этих ионов в клетку был различным. ОБСУЖДЕНИЕ Интенсивность и временнóе течение кальциевых сигналов в таких малоразмерных частях нейро- нов, как синаптические бутоны, тонкие дендриты или дендритные шипики, зависят как от микрогео- метрии этих частей, так и от кинетических харак- Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2 123 теристик процессов поступления Са2+ в клетку и его связывания эндогенными неорганельными бу- ферами и органельными депо. Среди редких пока публикаций, посвященных данному аспекту, вы- деляется недавнее сообщение [30]. Авторы ис- следовали, как наличие ЭР в дендритных шипи- ках пирамидных нейронов гиппокампа влияет на постсинаптическую сигнализацию. Было обнару- жено, что синаптическое возбуждение вызывало в шипиках, содержащих в себе ЭР, транзиенты очень большой амплитуды. Следствием этого были суще- ственные функциональные сдвиги (развитие пост- синаптической депрессии). В большинстве шипи- ков, лишенных ЭР, напротив, подобные эффекты отсутствовали. Авторы заключили, что особенно- сти микроанатомии шипика являются надежным индикатором наличия/отсутствия специфических механизмов, управляющих пластичностью в «ми- кронном» масштабе. Результаты наших модельных исследований согласуются с данными упомянутых выше натурных экспериментов и указывают на та- кой возможный механизм наблюдавшихся в при- сутствии ЭР увеличенных транзиентов, как умень- шение свободного объема цитозоля за счет занятия части дендритного пространства органельным депо. Сравнительное изучение влияний упомянутых выше структурных и кинетических факторов на динамику уровней Са2+ в дендритах представляет- ся весьма актуальной областью исследований. Вы- явленные в последние годы разнообразные про- странственно-временны́е паттерны кальциевых сигналов в дендритах обусловливают специфиче- ские биохимические эффекты, определяющие, на- пример, развитие длительной потенциации или депрессии синаптических ответов в нейронах Пур- кинье [29]. Решение соответствующих задач в на- турном эксперименте практически невозможно из-за пока непреодолимых методических ограниче- ний. Оно достаточно затруднено и в вычислитель- ных экспериментах, так как требует вариации не- ких определенных параметров моделей (например, структурных) в условиях фиксации всех остальных (например, кинетических). В нашей работе для вы- деления влияния микрогеометрических факторов на динамику уровней Са2+ был использован ори- гинальный подход, не применявшийся до настоя- щего времени. Вначале мы регистрировали МП в дендритных сегментах, расположенных в разных частях дендритного разветвления; такие измене- ния МП происходили при генерации на выходе клетки разных паттернов пачечной импульсной ак- тивности – периодических и апериодических. За- тем эти записи использовали в качестве командных сигналов напряжения, подаваемых в режиме дина- мической фиксации потенциала на мембрану того же сегмента, в котором мы варьировали относи- тельный размер кальциевых депо. Тем самым обес- печивались поступления в цитозоль исследуемо- го сегмента одинаковых количеств Са2+, причем в одинаковом темпе, поскольку одни и те же команд- ные напряжения одинаково активировали каналы входящего кальциевого тока. Наблюдаемые в этих условиях изменения интенсивности концентраци- онных процессов (изменений уровня Са2+, кальци- евых транзиентов) определялись исключительно влияниями вариаций микрогеометрии депо. Следует отметить, что использованные здесь в качестве командных электрические транзиенты, регистрировавшиеся в дендритах при генерации апериодических и периодических пачечных выход- ных разрядов нейрона, существенно отличались по временнóму течению от таковых, наблюдаемых в случае локальной фазной синаптической стиму- ляции [24]. В то же время результаты сравнения представленных здесь сложных паттернов (рис. 5) и описанных ранее ответов на локальную фаз- ную стимуляцию [24–26] свидетельствуют о том, что микрогеометрия депо оказывает в принципе одинаковое модулирующее влияние на интенсив- ность совершенно различных по своему происхож- дению и, соответственно, по временнóму течению (кинетике) кальциевых транзиентов. На это указы- вал одинаковый тип функциональной зависимости пиковых концентраций Са2+ в цитозоле от отноше- ния диаметров ЭР и исследуемого компартмента при отмеченных выше существенно разных типах электрической активности. Функциональная зави- симость в случае генерации нейроном собственных пачечных разрядов в значительной мере повторяла зависимость, полученную в случае локальных от- ветов на одиночную синаптическую стимуляцию [24], и отличалась лишь некоторым сдвигом в об- ласть бóльших концентраций (рис. 6). Это означа- ет, что вид функций, которые, как было показано ранее [24], обеспечивали наилучшее приближение данной зависимости, был одинаковым. Определя- ющим фактором оказалось отношение поверхно- сти компартмента к объему его части, свободной от ЭР. Существенно новым результатом явилась демон- страция значительных различий процессов накоп- СТРУКТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКИНЬЕ НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2124 ления Са2+ в депо, которые одинаково заполняют одинаковые по размеру компартменты асимметрич- ных дендритов, обладающие активными мембран- ными свойствами и подвергающиеся воздействию однородного тонического синаптического возбуж- дения. Как необходимо отметить, именно метриче- ская асимметрия обусловливает то, что однородное по пространству и постоянное во времени синапти- ческое возбуждение (входной сигнал) приводит к генерации пространственно неоднородных элек- трических процессов в активном дендритном раз- ветвлении и сложных временны́х паттернов разря- дов ПД на выходе клетки. Упомянутые различия процессов депонирования были особенно выраже- ны в случае генерации апериодических выходных импульсных паттернов, сопровождавшихся асин- хронными разновеликими изменениями МП и ци- тозольной концентрации Са2+ в асимметричных дендритах (рис. 7, Г, З, М). При сходных абсолютных и относительных раз- мерах расположенных в разных дендритах компарт- ментов и депо большее накопление наблюдалось в компартментах тех дендритов, которые в среднем дольше пребывали в состоянии высокой деполя- ризации; это обусловливало поступление больше- го количества Са2+ в цитозоль (З). Описанное выше поведение моделей согласуется с тем, которое от- мечалось в случае генерации периодических пат- тернов, сопровождающихся синхронными и одина- ковыми по величине кальциевыми транзиентами в разных компартментах (рис. 2; 5); такие ситуации использовались для сравнения ранее. Одинаковые периодические кальциевые транзиенты обуслов- ливали одинаковое депонирование кальция, кото- рое было тем бóльшим, чем выше была амплитуда транзиентов (например, при увеличенной доле ЭР в объеме компартментов; рис. 5, Б, Г). Таким образом, выявилась не только прямая зави- симость динамики дендритной концентрации Са2+ от локальной микрогеометрии данного дендрита, но и косвенная зависимость этой концентрации от глобальной макрогеометрии всего асимметричного дендритного разветвления. Глобальная макрогео- метрия дендритов оказывает особенно выраженное влияние на локальные концентрационные процес- сы; ее особенности обусловливают асинхронность и разную величину электрических транзиентов в асимметричных частях дендритного разветвления при генерации нейроном сложных апериодических импульсных паттернов. Эти структурозависимые особенности дендритной кальциевой сигнализа- ции представляют особый интерес, если учитывать установленную ранее широкую изменчивость раз- меров и формы как дендритов нейронов Пуркинье так и элементов ЭР, находящихся в указанных ден- дритах. Подобные вариации наблюдаются не толь- ко в ходе нормального развития данных клеток, но и в условиях разнообразных патологий. Авторы благодарны проф. С. М. Корогоду за полезные замечания и комментарии к настоящей работе. Т. С. Новородовська1, І. Б. Кулагіна1 СТРУКТУРНА ЗАЛЕЖНІСТЬ КАЛЬЦІЄВОЇ ДИНАМІКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКІН’Є ПРИ ГЕНЕРАЦІЇ ПАЧКОВИХ РОЗРЯДІВ: МОДЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ 1Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара (Україна). Р е з ю м е На моделі мозочкового нейрона Пуркін’є з реконструйо- ваними активними дендритами досліджували вплив спів- відношення об’ємів ендоплазматичного ретикулума (орга- нельного кальцієвого депо) і цитозолю на динаміку рівнів Ca2+ в асиметричних частинах дендритного розгалуження в процесі генерації нейроном різних структурозалежних па- тернів пачкової імпульсної активності. Тонічне синаптич- не збудження, однорідно розподілене по дендритах (про- сторово однорідний постійний вхідний сигнал), викликало в дендритах просторово неоднорідні зміни мембранного потенціалу (МП), які супроводжувалися генерацією пері- одичних або аперіодичних пачок потенціалів дії на вихо- ді клітини. Зареєстровані при цьому зміни МП в сегментах асиметричних дендритів далі подавали на мембрану виді- лених дендритних сегментів як командну напругу в режи- мі динамічної фіксації. Відносний розмір депо в даних сег- ментах варіювали. Тим самим забезпечувались однакові локальні кальцієві струми та потоки в цитозоль сегмента, по-різному заповненого органельним депо. При будь-яких патернах імпульсації мікрогеометрія сегмента й депо мо- дулювала кальцієві транзієнти таким самим чином, як це було встановлено в попередніх дослідженнях електрич- них і концентраційних відповідей модельованого нейрона на локальне фазне синаптичне збудження. Пікові значення викликаних деполяризаційними зрушеннями сплесків ци- тозольної концентрації Са2+ збільшувалися паралельно зі зростанням частини внутрішньоклітинного об’єму, котру займає депо. Найважливішим фактором, який визначає цю структурну залежність, було відношення площі мембран- ної поверхні та вільного від органел об’єму дендритного сегмента. Найістотнішу специфіку демонстрували значення концентрації Са2+, депонованого в однакових за розміром сегментах асиметричних частин дендритного розгалужен- ня, в яких спостерігались асинхронні різні за величиною Т. С. НОВОРОДОВСКАЯ, И. Б. КУЛАГИНА НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 2 125 зміни МП при генерації аперіодичної пачкової імпульсації на виході. Більше Са2+ депонувалося в сегментах, котрі в се- редньому довше перебували в стані високої деполяризації (це призводило до інтенсивної активації кальцієвих каналів та посилювало відповідний потік Са2+ у цитозоль). Таким чином, локальна динаміка концентрацій Са2+ безпосередньо залежить від локальної мікрогеометрії та опосередковано – від глобальної макрогеометрії дендритного розгалуження, оскільки остання зумовлює пов’язані з просторовою асиме- трією неоднакові за величиною транзієнти в різних части- нах дендритного розгалуження з активними мембранними властивостями. CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. P. G. Kostyuk and A. Verkhratsky, Calcium Signalling in the Nervous System, Wiley, Chichester (1995). 2. M. J. Berridge, “Neuronal calcium signalling,” Neuron, 21, No. 1, 13-26 (1998). 3. Calcium as a Cellular Regulator, E. Carafli and C. Klee (eds.), Oxford Univ. Press, New York (1999). 4. L. D. Pozzo-Miller, J. A. Connor, and S. B. Andrews, “Microheterogeneity of calcium signalling in dendrites,” J. Physiol., 525, 53-61 (2000). 5. J. Meldolesi, A. Villa, P. Podini, et al., “Intracellular Ca2+ stores in neurons. Identification and functional aspects,” J. Physiol., 86, Nos. 1/3, 23-30 (1992). 6. W. G. Regehr and D. W. Tank, “Dendritic calcium dynamics,” Current Opin. Neurobiol., 4, No. 3, 373-382 (1994). 7. J. Eilrs and A. Konnerth, “Dendritic signal integration,” Current Opin. Neurobiol., 7, No. 3, 385-390 (1997). 8. M. Canepari, K. Vogt, and D. Zecevic, “Combining voltage and calcium imaging from neuronal dendrites,” Cell Mol. Neurobiol., 28, No. 8, 1079-1093 (2008). 9. K. Takei, G. A. Mignery, E. Mugnaini, et al., “Inositol 1,4,5- trisphosphate receptor causes formation of ER cisternal stacks in transfected fibroblasts and in cerebellar Purkinje cells,” Neuron, 12, 327-342 (1994). 10. A. Verkhratsky, “Physiology and pathophysiology of the calcium store in the endoplasmic reticulum of neurons,” Physiol. Rev., 85, 201-279 (2005). 11. M. Bootman, O. Petersen, and A. Verkhratsky, “The endoplasmic reticulum is a focal point for co-ordination of cellular activity,” Cell Calcium, 32, 231-234 (2002). 12. E. De Schutter and J. Bower, “An active membrane model of the cerebellar Purkinje cell 1. Simulation of current-clamps in slice,” J. Neurophysiol., 71, 375-400 (1994). 13. T. Miyasho, H. Takagi, H. Suzuki, et al., “Low-threshold potassium channels and a low-threshold calcium channel regulate Ca2+ spike firing in the dendrites of cerebellar Purkinje neurons: a modeling study,” Brain Res., 891, 106-115 (2001). 14. P. Achard and E. De Schutter, “Calcium, synaptic plasticity and intrinsic homeostasis in Purkinje neuron models,” Front Comput. Neurosci., 2, 8 (2008). 15. I. B. Kulagina, S. M. Korogod, G. Horcholle-Bossavit, et al., “The electro-dynamics of the dendritic space in Purkinje cells of the cerebellum,” Arch. Ital. Biol., 145, Nos. 3/4, 211-233 (2007). 16. I. B. Kulagina, “Рhase relationship between calcium and voltage oscillations in different dendrites of Purkinje neuron,” Neurophysiology, 40, Nos. 5/6, 477-485 (2008). 17. C. A. Ross, J. Meldolesi, T. A. Milner, et al., “Inositol 1,4,5- trisphosphate receptor localized to endoplasmic reticulum in cerebellar Purkinje neurons,” Nature, 339, No. 6224, 468-470 (1989). 18. P. Volpe, A. Nori, A. Martini, et al., “Multiple/heterogeneous Ca2+ stores in cerebellum Purkinje neurons,” Comp. Biochem. Physiol. Comp. Physiol., 105, No. 2, 205-211 (1993). 19. K. Takei, G. A. Mignery, E. Mugnaini, et al., “Inositol 1,4,5- trisphosphate receptor causes formation of ER cisternal stacks in transfected fibroblasts and in cerebellar Purkinje cells,” Neuron, 12, 327-342 (1994). 20. M. Bootman, O. Petersen, and A. Verkhratsky, “The endoplasmic reticulum is a focal point for co-ordination of cellular activity,” Cell Calcium, 32, 231-234 (2002). 21. D. Hillman and S. Chen, “Plasticity of synaptic size with constancy of total synaptic contact area on Purkinje cells in the cerebellum,” Prog. Clin. Biol. Res., Ser. A, 59, 229-245 (1981). 22. J. Takas and J. Hamori, “Developmental dynamics of Purkinje cells and dendritic spines in rat cerebellar cortex,” J. Neurosci. Res., 38, No. 5, 515-530 (1994). 23. H. Kim, I. Kim, K. J. Lee, et al., “Specific plasticity of parallel fiber/Purkinje cell spine synapses by motor skill learning,” NeuroReport, 13, No. 13, 1607-1610 (2002). 24. С. М. Корогод, Т. С. Новородовська, “Вплив геометричних характеристик органельного депо та безорганельного цитозолю на динаміку рівнів внутрішньоклітинного кальцію в дендриті: модельне дослідження”, Нейрофизиология/ Neurophysiology, 41, № 1, 19-31 (2009). 25. Т. С. Новородовская, С. М. Корогод, “Сравнительный модельный анализ кальциевого обмена между цитозолем и депо митохондрий или эндоплазматического ретикулума”, Нейрофизиология/Neurophysiology, 41, № 5, 367-380 (2009). 26. Т. С. Новородовская, “Модельное исследование особен- ностей кальциевой динамики, обусловленных обменом между цитозолем и органельными депо”, Нейрофизиология/ Neurophysiology, 41, № 5, 450-459 (2009). 27. S. M. Korogod and S. Tyč-Dumont, Electrical Dynamics of the Dendritic Space, Cambridge Univ. Press, Cambridge, New York, Melbourne, et al. (2009). 28. N. T. Carnevale and M. L. Hines, The NEURON Book, Cambridge Univ. Press, Cambridge (2006). 29. T. Inoue, Dynamics of Calcium and Its Roles in the Dendrite of the Cerebellar Purkinje Cell, Divis. Mol. Neurobiol., The Inst. Med. Sci., The Univ. Tokyo, Tokyo (2002). 30. N. Holbro, A. Grunditz, and T. G. Oertner, “Differential distribution of endoplasmic reticulum controls metabotropic signaling and plasticity at hippocampal synapses,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106, No. 35, 15055-15060 (2009). СТРУКТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КАЛЬЦИЕВОЙ ДИНАМИКИ В ДЕНДРИТАХ НЕЙРОНА ПУРКИНЬЕ

Структурная зависимость кальциевой динамики в дендритах нейрона Пуркинье при генерации пачечных разрядов: модельное исследование

Institution

Ähnliche Einträge