Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование

Мы изучали в модельных экспериментах пространственные эффекты тонической коактивации ГАМК-эргических синапсов, расположенных на соме и аксонном холмике мотонейрона, и дендритных глутаматергических синапсов с рецепторами, чувствительными и нечувствительными к N-метил-D-аспартату. Анализировали карты...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Кулагина, И.Б., Мякушко, В.А., Корогод, С.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України 2010
Schriftenreihe:	Нейрофизиология
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68342
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:	Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование / И.Б. Кулагина, В.А. Мякушко, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 3. — С. 182-191. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-68342
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-683422014-09-22T03:01:46Z Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование Кулагина, И.Б. Мякушко, В.А. Корогод, С.М. Мы изучали в модельных экспериментах пространственные эффекты тонической коактивации ГАМК-эргических синапсов, расположенных на соме и аксонном холмике мотонейрона, и дендритных глутаматергических синапсов с рецепторами, чувствительными и нечувствительными к N-метил-D-аспартату. Анализировали карты распределения трансмембранных потенциалов и возбуждающих токов, передаваемых к соме по реконструированному дендритному разветвлению мотонейрона ядра отводящего нерва крысы (трехмерная реконструкция). Ми вивчали в модельних експериментах просторові ефекти тонічної коактивації ГАМК-ергічних синапсів, розташованих на сомі та аксонному пагорбку мотонейрона, і дендритних глутаматергічних синапсів з рецепторами, чутливими та нечутливими до N-метил-D-аспартату. Аналізували карти розподілу трансмембранних потенціалів і збуджуючих струмів, які передаються до соми по реконструйованому дендритному розгалуженню мотонейрона ядра відвідного нерва щура (тривимірна реконструкція). 2010 Article Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование / И.Б. Кулагина, В.А. Мякушко, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 3. — С. 182-191. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0028-2561 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68342 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	Мы изучали в модельных экспериментах пространственные эффекты тонической коактивации ГАМК-эргических синапсов, расположенных на соме и аксонном холмике мотонейрона, и дендритных глутаматергических синапсов с рецепторами, чувствительными и нечувствительными к N-метил-D-аспартату. Анализировали карты распределения трансмембранных потенциалов и возбуждающих токов, передаваемых к соме по реконструированному дендритному разветвлению мотонейрона ядра отводящего нерва крысы (трехмерная реконструкция).
format	Article
author	Кулагина, И.Б. Мякушко, В.А. Корогод, С.М.
spellingShingle	Кулагина, И.Б. Мякушко, В.А. Корогод, С.М. Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование Нейрофизиология
author_facet	Кулагина, И.Б. Мякушко, В.А. Корогод, С.М.
author_sort	Кулагина, И.Б.
title	Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование
title_short	Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование
title_full	Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование
title_fullStr	Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование
title_full_unstemmed	Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование
title_sort	дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая гамк-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование
publisher	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68342
citation_txt	Дистантная модуляция передачи тока от дендритных глутаматергических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синапсами соматической зоны мотонейронов: модельное исследование / И.Б. Кулагина, В.А. Мякушко, С.М. Корогод // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 3. — С. 182-191. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series	Нейрофизиология
work_keys_str_mv	AT kulaginaib distantnaâmodulâciâperedačitokaotdendritnyhglutamatergičeskihsinapsovosuŝestvlâemaâgamkérgičeskimisinapsamisomatičeskojzonymotonejronovmodelʹnoeissledovanie AT mâkuškova distantnaâmodulâciâperedačitokaotdendritnyhglutamatergičeskihsinapsovosuŝestvlâemaâgamkérgičeskimisinapsamisomatičeskojzonymotonejronovmodelʹnoeissledovanie AT korogodsm distantnaâmodulâciâperedačitokaotdendritnyhglutamatergičeskihsinapsovosuŝestvlâemaâgamkérgičeskimisinapsamisomatičeskojzonymotonejronovmodelʹnoeissledovanie
first_indexed	2025-07-05T18:10:04Z
last_indexed	2025-07-05T18:10:04Z
_version_	1836831478347988992
fulltext	НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3182 УДК 576.32/.36 И. Б. КУЛАГИНА1,2, В. А. МЯКУШКО1, С. М. КОРОГОД1,2 ДИСТАНТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ТОКА ОТ ДЕНДРИТНЫХ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИХ СИНАПСОВ, ОСУЩЕСТВЛЯЕМАЯ ГАМК- ЭРГИЧЕСКИМИ СИНАПСАМИ СОМАТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ МОТОНЕЙРОНОВ: МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Поступила 20.04.10 До настоящего времени сведения о пространственном взаимодействии процессов постси- наптического возбуждения и торможения в дендритах нейронов остаются ограниченными. Мы изучали в модельных экспериментах пространственные эффекты тонической коакти- вации ГАМК-эргических синапсов, расположенных на соме и аксонном холмике мото- нейрона, и дендритных глутаматергических синапсов с рецепторами, чувствительными и нечувствительными к N-метил-D-аспартату. Анализировали карты распределения транс- мембранных потенциалов и возбуждающих токов, передаваемых к соме по реконструи- рованному дендритному разветвлению мотонейрона ядра отводящего нерва крысы (трех- мерная реконструкция). Изолированное тоническое возбуждение глутаматергических синапсов индуцировало в мотонейроне два устойчивых состояния – низкой (н-состояние, downstate) или высокой (в-состояние, upstate) пространственно неоднородной дендритной деполяризации, затухающей с неодинаковой крутизной вдоль разных дендритных марш- рутов. Локальная стационарная вольт-амперная характеристика дендритной мембраны при этом становилась N-образной за счет наличия участка с отрицательным наклоном в определенном диапазоне напряжений. Подробному анализу было подвергнуто состояние высокой деполяризации, которое соответствовало плато-потенциалам, ассоциируемым со стереотипными видами моторной активности. В этом состоянии наиболее проксималь- ные дендритные участки представляли собой основные источники возбуждающего тока, достигающего сомы, тогда как вкладом дистальных участков можно было пренебречь. Коактивация ГАМК-синапсов, расположенных на соме и аксонном холмике, уменьшала данную деполяризацию и сдвигала основной источник возбуждающего тока от участков вблизи сомы в срединную структурно более сложную область дендритного разветвления. Более отдаленная дендритная область, характеризующаяся бóльшей площадью мембран- ной поверхности и бóльшим количеством синаптических контактов, непосредственно во- влекалась в «снабжение» триггерной зоны возбуждающим током. Мы полагаем, что в этих пространственных эффектах активации стратегически расположенных тормозных синап- сов проявляется особый, ранее не описанный механизм постсинаптического торможения и что перечень известных принципиальных тормозных механизмов (гиперполяризация и шунтирование постсинаптической мембраны) требует определенного дополнения. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: синаптические токи, сома-аксонная зона, дендриты, глута- матергические синапсы, ГАМК-эргические синапсы, дистантная модуляция (re- mote control), мотонейроны, модулирование. 1 Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара (Украина). 2 Международный центр молекулярной физиологии (Днепропетровское отделение) НАН Украины (Украина). Эл. почта: dnipro@biph.kiev.ua (С. М. Корогод). НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3 183 ДИСТАНТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ТОКА ОТ ДЕНДРИТНЫХ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕКИХ СИНАПСОВ ВВЕДЕНИЕ Пространственные аспекты взаимодействия пост- синаптического возбуждения и торможения в ней- ронных дендритах пока остаются во многом неизу- ченными. Известно, что, в частности, мотонейроны ядра отводящего нерва, отвечающие за управление горизонтальными движениями глаз, получают от ряда источников синаптические возбуждающие и тормозные влияния, опосредованные соответствен- но глутаматом и ГАМК или глицином. Тоническая активация глутаматных рецепторов N-метил-D- аспартатного (НМДА-) типа обусловливает элек- трическую бистабильность мембраны этих мо- тонейронов. Данные клетки могут находиться в стабильных состояниях либо высокой, либо низ- кой деполяризации (н- или в-состояния, downstate или upstate соответственно), генерировать плато- потенциалы, осцилляционные пачки потенциалов действия (ПД) или переключаться в режим самопод- держивающегося разряда [1]. Генерация разрядов мотонейроном (как и иными нервными клетками) определяется чистым током, который доставляется к соме от множественных синаптических входов, локализованных преимущественно на дендритах (см. [2]). Переход из состояния высокой в состо- яние низкой деполяризации (что приводит, напри- мер, к окончанию непрерывного разряда) требует действия определенных внутренних или внешних “прекращающих” факторов [3]. Последние могут основываться на постсинаптической гиперполяри- зации. Результаты электронномикроскопических исследований [4, 5] показали, что на мембране мо- тонейронов ядра отводящего нерва присутствуют ГАМК-эргические синапсы, плотно покрывающие сому и аксонный холмик этих клеток. Такая “стра- тегическая” локализация тормозных входов вблизи триггерной зоны нейрона, как полагают, является функционально наиболее эффективной в аспекте противодействия регенеративному возбуждению мембраны [6]. Механизмы снижения возбудимости постсинаптической нервной клетки при активации тормозных синаптических входов к ней, как из- вестно, двояки. Это шунтирование возбуждающих постсинаптических токов (ВПСТ) в результате по- явления дополнительной проводимости, вносимой в области расположения тормозных синаптических входов, и/или гиперполяризация мембраны, воз- никновение которой затрудняет достижение порога генерации ПД при развитии возбуждающих пост- синаптических потенциалов (ВПСП). Для развития гиперполяризационных тормозных постсинаптиче- ских потенциалов (ТПСП) обязательным условием является существование заметной разницы меж- ду текущим значением мембранного потенциала в данной нервной клетке и потенциалом равновесия для ТПСП. В настоящем исследовании мы, используя мо- дельный подход, изучали, каким образом ГАМК- эргические синапсы, локализованные вблизи ак- сонного холмика мотонейрона, могут управлять пространственным паттерном соматопетальной передачи возбуждающего тока от тонически акти- вированных глутаматергических входов НМДА- и неНМДА-типов, распределенных на реконструи- рованном дендритном разветвлении мотонейрона ядра отводящего нерва крысы. В нашем случае внимание было сосредоточено на устойчивом со- стоянии высокой деполяризации, которое соответ- ствует плато-потенциалам, регистрируемым в мо- тонейронах и ассоциируемым с некоторыми видами стереотипной двигательной активности позвоноч- ных животных. Мы обнаружили новый простран- ственный аспект эффектов тонической коактива- ции ГАМК-эргических синапсов, локализованных в соматической области мотонейрона. Основной ис- точник возбуждающего соматопетального тока при этом смещался из внутренней в срединную ден- дритную область, что вызывало реконфигурацию всей дендритной карты передачи тока; величина таких сдвигов зависела от интенсивности коакти- вации упомянутых синапсов. Подобное “дистанци- онное управление” пространственным паттерном дендритного возбуждения, видимо, представля- ет собой ранее не описанный специфический вид влияния активации тормозных синапсов, располо- женных вблизи триггерной зоны мотонейрона, на функционирование последнего. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ Изучались две нейронных модели. Одна из них (упрощенная) включала в себя цилиндрические сому (диаметр d = 22.5 мкм, длина l = 20 мкм), ак- сон (d = 3 мкм, l = 185 мкм), аксонный холмик (d = = 5 мкм, l = 15 мкм) и дендрит (d = 4.7 мкм, l = = 650 мкм). Вторая модель отличалась характеристи- ками аксонного холмика и более сложной геометри- ей дендритов. В эту модель было встроено полно- стью реконструированное дендритное разветвление реального мотонейрона ядра отводящего нерва НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3184 И. Б. КУЛАГИНА, В. А. МЯКУШКО, С. М. КОРОГОД кры сы [7, 8]. Диаметр аксонного холмика длиной 15 мкм линейно уменьшался от 5.86 до 3.0 мкм, что соответствовало данным реконструкции упомяну- той клетки [5]. Модель учитывала опубликованные оценки распределения ГАМК-иммунореактивных аксонных окончаний на мембране мотонейрона (со- гласно данным электронномикроскопических ис- следований) [4, 5]. Покрытие ГАМК-эргическими окончаниями поверхности аксонного холмика при- близительно вдвое превышало соответствующий параметр у сомы [4]. Удельные мембранная емкость Cm = 1 мкФ/см2 и сопротивление цитоплазмы Ri = 100 Ом⋅см были однородными по всей клетке. Пассивная внесинап- тическая проводимость (Ср), связанная с потенциа- лом покоя Eр = –65 мВ, в аксосоматической и ден- дритной частях была разной. Соответствующие значения составляли 0.677 (проводимость, рав- ная проводимости покоя “стандартной” мембраны Ходж кина – Хаксли) и 0.0677 мС/см2. Чтобы смоделировать тоническую активацию синапсов, в мембрану контактирующих с ними об- ластей включали постоянную проводимость, кото- рая, как полагают, пропорциональна частоте по- ступающей пресинаптической импульсации [9] и связана с соответствующими потенциалами ревер- сии – деполяризационным EGLU = 0 мВ для глутамат- ергических возбуждающих синапсов и гиперполя- ризационным EGABA = –80 мВ для ГАМК-эргических тормозных соединений. Каждая постоянная прово- димость интерпретировалась как средняя синап- тическая проводимость, усредненная в пределах интервала времени тонической активации. Она была пропорциональна плотности синаптическо- го покрытия (B) и трем изменяющимся во времени множителям: проводимости одиночного канала γ, числу рецепторных каналов r, активируемых оди- ночным ПД в одиночном синапсе, и длительности T постсинаптического тока (времени открытого со- стояния каналов). Глутаматергическая проводимость была одно- родно распределена по всей дендритной мембране. Она включала в себя два компонента – потенциал- зависимый (НМДА-типа) и не зависящий от потен- циала (неНМДА-типа) – GNMDA(E) и GnonNMDA. Чув- ствительность к трансмембранному напряжению E определялась активационной переменной p(E): GNMDA(E) =GNMDA p(E), где GNMDA – максимальная величина, зависящая от интенсивности трансмиттер- опосредованной активации, как было описано ранее [10]. Для обеих моделей использовали одинаковые значения GnonNMDA = 0.3 мС/см2 и GNMDA = 3 мС/см2, взятые в пропорции 1:10. Это соотношение было обосновано следующими соображениями. Плот- ность синаптического покрытия B является об- щей для рецепторов обоих типов, поскольку они совместно локализованы в одних и тех же синап- сах. Оценки, взятые из работ, которые были вы- полнены на спинальных мотонейронах крысы [11, 12], крупных мозжечковых нейронах [13], ней- ронах зрительной коры [14] и гиппокампальных нейронах [15, 16], давали приблизительные вели- чины 1:10 для отношения γnonNMDA/γNMDA, 10:1 для rnonNMDA/rNMDA и 1:10 для TnonNMDA/TNMDA. Произведе- ние этих отношений (γ ⋅ r ⋅ T)nonNMDA/(γ ⋅ r ⋅ T)NMDA и дает значение выбранной пропорции. Проводимость ГАМК-типа была включена в мем- брану аксонного холмика (GGABA, AH) и сомы (GGABA, S). Как предполагалось, свойства синапсов и интен- сивности их активации в обеих частях одинаковы, что давало равные произведения (γ ⋅ r ⋅ T)GABA, AH и (γ ⋅ r ⋅ T) GABA, S. Исходя из таких предположений, ука- занные проводимости GGABA, AH и GGABA, S включали в модель в пропорции 2:1. Это соответствовало со- отношению плотностей синаптического покрытия BGABA, AH/BGABA, S, вычисленному для аксонного хол- мика и сомы указанного мотонейрона с использова- нием морфометрических данных, которые были опуб- ликованы в предыдущих работах [4, 5]. Удельные значения были следующими: GGABA, AH = 2.6 мС/см2 и GGABA, S = 1.3 мС/см2 в первой модели или соответ- ственно 20.0 и 10.0 мС/см2 – во второй. Такая раз- ница позволяла получить сопоставимые простран- ственные эффекты в моделируемых нейронах, у которых поверхность дендритной мембраны разли- чалась приблизительно в пять раз. «Быстрые» механизмы генерации разрядов в этих моделях отсутствовали, поскольку внимание фокусировалось на стационарных пространствен- ных электрических паттернах. Указанная выше глутаматергическая тоническая активация обусловливала N-образность стацио- нарной локальной вольт-амперной характеристики (ВАХ) дендритной мембраны. Эта характеристика имела участок отрицательного наклона в диапазоне мембранных потенциалов –40 ... –17.6 мВ (рис. 1, A, 2). Трансмембранное напряжение E (t, x) вычис- ляли как функцию времени t и маршрутного рассто- яния (path distance) x от сомы (x < 0 для аксона и ак- сонного холмика) с использованием программной среды моделирования «NEURON» [17]. Затем вы- числяли маршрутные профили мембранного тока, НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3 185 ДИСТАНТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ТОКА ОТ ДЕНДРИТНЫХ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕКИХ СИНАПСОВ отнесенного к единице площади мембраны и к еди- нице длины отростка Jm(x) и i(x) = πd(x)Jm(x), где d(x) – диаметр (как это было описано ранее) [10]. Благодаря связи i(x) и осевого тока сердечника, нормированного относительно единицы маршрут- ной длины i(x) = -∂icore(x)/∂x, элементарный вклад в осевой ток ∂icore(x) = -πd(x)Jm(x)∂x = -i(x)∂x, обе- спечиваемый элементарным отрезком маршрута ∂x, характеризовал эффективность передачи тока от участка, локализованного на расстоянии x [18]. Для каждой модели после установления начального со- стояния, соответствующего однородному потенци- алу покоя E(x) = Ep = –65 мВ (все синапсы – «молча- щие»), имитировали активацию глутаматергических входов в отсутствие или при наличии коактивации ГАМК-эргических входов, а также определяли ста- ционарные состояния, достигаемые по окончании начального переходного процесса. Для этих состо- яний величины Jm(x) и ∂icore(x)/∂x наносили в виде карты на трехмерное изображение и дендрограмму реконструированного разветвления [10]. РЕЗУЛЬТАТЫ В модели мотонейрона с упрощенной структурой дендрита изолированная однородная тоническая ак- тивация глутаматергических входов продуцировала стойкую деполяризацию, амплитуда которой нарас- тала вдоль дендрита в направлении от сомы (рис. 1, A, 1, отмечено тонкой линией). Благодаря наличию НМДА-чувствительного входящего тока локаль- ная стационарная ВАХ дендритной мембраны ста- новилась N-образной с участком отрицательного наклона в диапазоне напряжений –40 … –17.6 мВ. В пределах более низкого (ниже –40 мВ) и более высокого (свыше –17.6 мВ) диапазонов наклон ВАХ был положительным. По всему дендриту де- поляризация находилась в пределах одного и того же (верхнего) диапазона, соответствующего участ- ку положительного наклона ВАХ (ср. A, отмечено тонкой линией и Г). Соответственно, менее депо- ляризованные проксимальные дендритные участки генерировали входящий ток большей интенсивно- сти Jm(x), чем более деполяризованные дистальные участки (Б, отмечено тонкой линией). Чем бли- же к соме, тем бóльшим было приращение осево- го тока дендритного сердечника на единицу длины ∂icore/∂x (вклад в общий соматопетальный ток) дан- ного участка рассматриваемого однородного ден- дрита (В, отмечено тонкой линией). Тоническая ко- активация ГАМК-входов, расположенных на соме и аксонном холмике, уменьшала деполяризацию при- близительно с –17.3 до –37.7 мВ в начале дендри- та и с –3.55 до –8.6 мВ на его кончике (A, 2). Депо- ляризация внутренней и внешней частей дендрита оказывалась в таких диапазонах напряжений, ко- торые соответствовали участкам отрицательного и положительного наклонов локальной ВАХ (ср. Г). Плотность входящего тока Jm(x) и вклад в общий соматопетальный ток ∂icore/∂x (Б и Г соответствен- но, отмечено толстыми линиями) с увеличением расстояния от сомы возрастали во внутренней и уменьшались во внешней части дендрита. Грани- ца, разделяющая эти части, располагалась в ме- сте, где напряжение достигало величины –17.6 мВ. Данная точка разделяла участки отрицательно- го и положительного наклонов ВАХ (~300 мкм от сомы). В этой точке Jm(x) и ∂icore/∂x достигали сво- их максимальных абсолютных значений. В ответ на коактивацию ГАМК-входов, расположенных на аксонном холмике и соме, основной источник воз- буждающего глутаматуправляемого тока сдвигал- ся вдоль дендрита из наиболее проксимальной об- ласти данного отростка в его срединную область. Этот сдвиг нарастал с увеличением интенсивности ГАМК-коактивации, пока не достигалось критиче- ское значение указанной интенсивности – такое, при котором дендрит «переключался» из состояния высокой деполяризации в состояние с мембранным потенциалом, близким к потенциалу покоя. В реконструированном реальном дендритном разветвлении наблюдали сходные эффекты, но в них обнаруживались определенные особенности, связанные с геометрией. Как и в упрощенном ден- дрите, деполяризация, вызванная изолированной тонической активацией глутаматергических входов, в пределах всего разветвления находилась в верх- нем диапазоне, соответствующем участку положи- тельного наклона локальной ВАХ (рис. 2, A, В). Деполяризация нарастала вдоль разных дендрит- ных сегментов и маршрутов с неодинаковой кру- тизной – от –5.9 мВ в общем прилежащем к соме начале до почти 0 мВ на кончиках (за пределами разрешения на этом рисунке). Плотность входяще- го тока Jm(x) была наибольшей в наиболее прок- симальных частях дендрита. Она круто затухала с увеличением расстояния, и ток практически исче- зал в большой внешней области дендритного раз- ветвления (на расстояниях более 250–350 мкм от сомы) (рис. 3, A, В). Вклад в полный соматопе- тальный ток с ростом расстояния от сомы в целом НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3186 И. Б. КУЛАГИНА, В. А. МЯКУШКО, С. М. КОРОГОД 0 20 30 –20 –10 10 –30 0 –80 –50 –70 –60 –20 –10 –40 0 –80 Ax AH –20 –10 10 400 20 600 0 200–200 0 30 –30 0 –15–5 –20 –25–10 Р и с. 1. Влияние тонической коактивации ГАМК-эргических синапсов, расположенных на соме и аксонном холмике модельного нейрона, на пространственные паттерны трансмембранных потенциалов и токов в этой клетке, находящейся в устойчивом стационарном состоянии высокой деполяризации (вставка на A) в результате тонической активации глутаматергических синапсов, которые однородно распределены по мембране дендрита. Маршрутные распределения трансмембранного потенциала (A), тока, отнесенного к единице площади мембранной поверхности (Б), и приращения осевого тока сердечника на участке единичной длины (В) показаны для случаев изолированной глутаматергической активации (отмечено тонкими линиями, 1) и глутамат/ГАМК-эргической коактивации (отмечено толстыми линиями, 2). Отрицательные значения абсциссы соответствуют основному стволу аксона (Ax) и аксонному холмику (AH). Г– локальная стационарная вольт-амперная характеристика (ВАХ) дендритной мембраны, построенная относительно той же оси напряжений, что и на A. Горизонтальными линиями на A и Г обозначены границы диапазона напряжений, соответствующего участку отрицательного наклона ВАХ. Р и с. 1. Вплив тонічної коактивації ГАМК-ергічних синапсів, розташованих на сомі та аксонному пагорбку модельного нейрона, на просторові патерни трансмембранних потенціалів і струмів у цій клітині, що знаходиться в стійкому стаціонарному стані високої деполяризації (вставка на A) внаслідок тонічної активації глутаматергічних синапсів, однорідно розподілених по мембрані дендрита. уменьшался даже более круто, чем Jm(x). Всюду на расстояниях, превышающих 200 мкм, этот ток практически исчезал (рис. 3, Д, Ж). Однако в про- тивоположность тому, что наблюдалось в однород- ном дендрите, в данном случае монотонное зату- хание отмечалось далеко не всюду. В нескольких местах, несмотря на малую плотность тока, более отдаленный сегмент обеспечивал больший вклад, чем в предыдущем случае. Это были локусы с су- щественным увеличением диаметра дендрита. На- чальные участки дендритов 2, 4 и 6 были толще, и они давали бóльшие вклады в соматопетальный ток (красные сегменты на рис. 3, Д, Ж), чем таковые у других дендритов. В ответ на тоническую коакти- вацию ГАМК-входов деполяризация уменьшалась приблизительно от –5.9 до –43.6 мВ на началь- ных участках и от –2.2…. –1.7 до –11.3…–1.9 мВ на кончиках дендритов (рис. 2, Б, Г). Диапазоны мембранного напряжения во внутренних и внеш- них частях разветвления становились существен- но разными. Во внешней части деполяризация хотя и становилась меньше, но оставалась в пределах верхнего диапазона, соответствующего участку положительного наклона локальной ВАХ (свыше А 1 1 1 2 сома мВ мА/см2 мА/см2 пА/мкм дендрит 2 2 Г Б В НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3 187 ДИСТАНТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ТОКА ОТ ДЕНДРИТНЫХ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕКИХ СИНАПСОВ 0 –8.8 –17.6 –26.4 –35.2 –44.0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 А В Б Г мВ 200 мкм 0 0100 мкм 100 мкм Р и с. 2. Влияние тонической коактивации ГАМК-эргических синапсов, расположенных на соме и аксонном холмике модельного мотонейрона, на дендритные паттерны трансмембранных потенциалов в устойчивом стационарном состоянии высокой деполяризации при тонической активации глутаматергических синапсов, однородно распределенных по мембране дендритного разветвления. Кодированные цветом потенциалы (мВ) картированы на трехмерных изображениях (А, Б) и дендрограммах семи дендритов (1–7 на В, Г) реконструированного реального дендритного разветвления в условиях изолированной глутаматергической активации (А, В) или глутамат- и ГАМК-эргической коактивации (Б, Г). На вставке показана палитра кодирования. Значения потенциалов соответствуют значениям, указанным на стыке цветов. Р и с. 2. Вплив тонічної коактивації ГАМК-ергічних синапсів, розташованих на сомі та аксонному пагорбку модельного мотонейрона, на дендритні патерни трансмембранних потенціалів у стійкому стаціонарному стані високої деполяризації при тонічній активації глутаматергічних синапсів, однорідно розподілених по мембрані дендритного розгалуження. НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3188 И. Б. КУЛАГИНА, В. А. МЯКУШКО, С. М. КОРОГОД 0 – 2 0 – 9 0 . . . . . . 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 0 – 1 0 – 6 0 . . . . . . 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 А В Д Ж Б Г Е З м А /с м 2 пА /м км 20 0 м км 20 0 м км 0 0 0 0 10 0 м км 10 0 м км 10 0 м км 10 0 м км Р и с. 3 . Т о ж е, ч то и н а ри с. 2 , н о дл я де нд ри тн ы х па тт ер но в пл от но ст и тр ан см ем бр ан но го т ок а (A –Г ) и эф ф ек ти вн ос ти п ер ед ач и то ка , п ре дс та вл ен но й ка к пр ир ащ ен ие о се во го т ок а се рд еч ни ка н а ед ин иц у ма рш ру тн ой д ли ны д ен др ит а (Д –З ). Ко ди ро ва нн ы е цв ет ом з на че ни я ка рт ир ов ан ы д ля у сл ов ий и зо ли ро ва нн ой г лу та ма те рг ич ес ко й ак ти ва ци и (А и В , Д и Ж ) ил и гл ут ам ат - и ГА М К -э рг ич ес ко й ко ак ти ва ци и (Б и Г , Е и З ). П ал ит ры к од ир ов ан ия п ок аз ан ы н а вс та вк ах . З на че ни я со от ве тс тв ую т гр ан иц ам д иа па зо но в. Р и с. 3 . Т е ж с ам е, щ о й на р ис . 2 , а ле д ля д ен тр ит ни х па те рн ів щ іл ьн ос ті т ра нс ме мб ра нн ог о ст ру му ( A– Г) т а еф ек ти вн ос ті п ер ед ач і с тр ум у, п ре дс та вл ен ої я к пр ир іс т ос ьо во го с тр ум у се рц ев ин и на о ди ни цю м ар ш ру тн ої д ов ж ин и де нд ри та (Д –З ). НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3 189 ДИСТАНТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ТОКА ОТ ДЕНДРИТНЫХ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕКИХ СИНАПСОВ –17.6 мВ, красные и оранжевые сегменты на рис. 2, Б, Г). В то же время во внутренней части деполяри- зация «падала» в диапазон отрицательного накло- на ВАХ (ниже –17.6 мВ, зеленые, синие и черные сегменты). Граница, разделяющая эти части (стык между оранжевыми и зелеными сегментами), рас- полагалась в срединной части разветвления, при- чем расстояния от сомы вдоль разных маршрутов не были одинаковыми. Плотность входящего тока Jm(x) достигала наибольших значений на указан- ной границе. С ростом маршрутного расстояния она возрастала во внутренней части разветвления и уменьшалась во внешней (рис. 3, Б, Г). Данное обстоятельство указывало на то, что источник воз- буждающего тока наибольшей интенсивности сдви- гался из самой внутренней части дендритного раз- ветвления в срединную часть, более сложную по структуре. Эта же срединная дендритная область начинала обеспечивать наибольшие вклады в пол- ный соматопетальный ток (хотя в упомянутой об- ласти карта вкладов была весьма неоднородной; рис. 3, Е, З). Удаленность от сомы дендритных сег- ментов, дающих наибольшие вклады (окрашены в оранжевый или красный цвет), варьировала слу- чайным образом между значениями 30 и 350 мкм. Эти сегменты часто отличались увеличенными ди- аметрами. Соотношение поверхностной плотности тока и приращения осевого тока сердечника, на- блюдаемое на данных картах, соответствовало из- вестной связи между указанными электрическими величинами. Произведение плотности тока через мембрану Jm(x) на периметр πd(x) в каждой точке x определяло приращение осевого тока сердечни- ка и, соответственно, вклад дендритного элемента в полный соматопетальный ток ∂icore/∂x = – im(x) = = – Jm(x)πd(x). Заслуживает внимания то обстоя- тельство, что область наибольшей интенсивности входящего дендритного тока была заметно отде- лена от областей наибольшей и наименьшей мем- бранной деполяризации. ОБСУЖДЕНИЕ Наши результаты, очевидно, имеют как фундамен- тальный, так и прикладной аспекты. Фундамен- тальная концепция нейронаук – концепция меха- низмов постсинаптического торможения, вероятно, должна быть в определенной степени дополнена. На основании результатов настоящей работы мы предсказываем возможность ранее не известно- го аспекта пространственного действия этих пост- синаптических механизмов и пытаемся объяснить, как организовано такое действие. Дистантная модуляция дендритного возбуж- дения, реализуемая соматическими ГАМК- эргическими входами. Результаты наших модель- ных исследований позволяют предсказывать новые, ранее не описанные особенности постсинаптиче- ского торможения в нейронах с дендритной мем- браной, имеющей N-образную ВАХ. Эта особен- ность – специфический пространственный режим функционирования, основывающийся на ранее не известном принципе. Последний, видимо, является комплементарным (дополняющим) по отношению к общепризнанным механизмам функционирования тормозных синаптических связей, таким, как шун- тирование постсинаптических участков мембраны и их гиперполяризация [6]. Данный режим позво- ляет осуществлять «селекцию» дендритных обла- стей в качестве основных источников («поставщи- ков») деполяризующего тока для триггерной зоны. Тормозные ГАМК-эргические синапсы, “стратеги- чески” локализованные на соме и аксонном хол- мике мотонейрона, могут дистанционно управлять паттерном эффективности передачи тока по всему дендритному разветвлению, получающему тони- ческое возбуждение через НМДА-чувствительные глутаматергические входы. Этот паттерн опреде- ляется размером и локализацией области, которая является основным источником деполяризующего тока, передаваемого к триггерной зоне соматиче- ской области. Мы наблюдали обратимые измене- ния упомянутых размера и локализации при из- менении интенсивности тонической коактивации ГАМК-эргических входов, расположенных на соме и аксонном холмике. С увеличением интенсивно- сти ГАМК-эргической коактивации размер источ- ника увеличивался, а область его расположения смещалась в направлении от сомы к срединной ча- сти разветвления дендрита. На срединную часть разветвлений дендритов приходится бóльшая часть общей мембранной поверхности данных мотоней- ронов [8]; естественно, бóльшим будет и простран- ство для размещения многочисленных синаптиче- ских контактов. Как мы предполагаем, в случаях, когда эта область становится наиболее эффектив- ной в отношении соматопетальной передачи тока, пресинаптические нейроны, контактирующие с ней, начинают оказывать большее влияние на вы- ход указанного нейрона, и большее количество возбуждающих входов начинают обеспечивать не- НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3190 И. Б. КУЛАГИНА, В. А. МЯКУШКО, С. М. КОРОГОД посредственный вклад своих токов в генерацию выходного сигнала таким мотонейронам. Биофизические и морфологические аспекты. Наши данные позволяют объяснить биофизиче- ские и морфологические основы описываемого феномена – дистанционного управления паттер- нами дендритного возбуждения. Эта интерпре- тация основывается на сравнительно небольшом количестве понятий. Морфологическая гетероген- ность нейрона (наличие крупной сомы и тонких дистальных разветвлений дендритов) порождает электрическую асимметрию. В любом месте ден- дрита входное сопротивление, встречаемое синап- тическим током в соматофугальном направлении, будет бóльшим, чем встречаемое в обратном на- правлении – соматопетальном. Больший ток, есте- ственно, течет в направлении меньшего входного сопротивления, а противоположно направленные осевые токи дендритного сердечника, обусловли- ваемые активацией от соседних синапсов, вычита- ются. Как следствие чистый (нетто-) ток направлен к соме, и интенсивность трансмембранной депо- ляризации убывает в этом же направлении. Такая картина имеет место в условиях тонической акти- вации распределенных по дендриту синапсов при любом типе ВАХ дендритной мембраны [10, 18]. Это представляет собой наглядный пример мор- фологически детерминированной функциональной поляризации нейронов. Пространственно одно- родное синаптическое возбуждение придает всем участкам дендрита одинаковую локальную ВАХ. Следовательно, для сравнения плотностей тока, от- несенного к единице мембранной поверхности, на разных участках неоднородно деполяризованного дендрита необходимо просто знать напряжения на этих участках и соотнести их с общей ВАХ. На каж- дом дендритном участке ток через единицу мем- бранной поверхности, умноженный на периметр дендрита, определяет приращение осевого тока в дендритном сердечнике. Данное приращение и яв- ляется количественной мерой вклада в общий ток, передаваемый к соме (или мерой эффективности передачи тока указанного участка) [18]. Основы- ваясь на вышеизложенных понятиях, мы предлага- ем следующую интерпретацию нашего предполо- жения о возможности дистанционного управления паттерном возбуждения в дендритах с N-образной локальной ВАХ мембраны. Такое управление осу- ществляется посредством вариации соматопеталь- ного затухания (градиента) неоднородной дендрит- ной деполяризации; на определенных маршрутных расстояниях от сомы эта деполяризация падает ниже предела, разделяющего диапазоны положи- тельного и отрицательного наклонов ВАХ. Данные расстояния варьируют в зависимости от интенсив- ности коактивации ГАМК-эргических входов. Та- ким образом каждый дендритный маршрут и все разветвление в целом оказываются разделенными на две области – внутреннюю и внешнюю. Плот- ность входящего тока и вклад дендрита в суммар- ный соматопетальный ток достигают своих макси- мумов именно на границе между этими областями. Протяженность внутренней области может увели- чиваться за счет сокращения внешней. Такое дис- танционное управление осуществляется до тех пор, пока интенсивность ГАМК-эргической коак- тивации не превысит определенного критического уровня; превышение же данного уровня влечет за собой потерю бистабильности и «переключение» клетки в устойчивое состояние низкой деполяри- зации. Где можно ожидать наличия подобных меха- низмов? В нашем примере (мотонейроны ядра от- водящего нерва) наблюдаемое дистанционное управление осуществлялось благодаря коактива- ции синаптической проводимости НМДА-типа, распределенной по дендритам, и проводимости ГАМК-типа. Участки, обладающие последней про- водимостью, локализованы вблизи общего нача- ла – в соматическом компартменте (соме и аксон- ном холмике). Существование подобных эффектов можно ожидать и в нейронах других типов, у кото- рых имеются гиперполяризующий вход, локализо- ванный вблизи триггерной зоны, и возбуждающие входы, распределенные относительно дистально на дендритах с N-образной локальной ВАХ. Подоб- ные электрические свойства дендритов могут быть обеспечены за счет наличия неинактивирующихся входящих токов через кальциевые каналы L-типа и натриевые каналы стойкого (persistent) типа во внесинаптической мембране. В других нейронах в зависимости от конкретных «коктейлей» их ден- дритных проводимостей описанный нами про- странственный режим может действовать в иных диапазонах трансмембранного напряжения и при иных интенсивностях коактивации упомянутых выше входов, но принцип действия, видимо, оста- нется таким же. НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 3 191 ДИСТАНТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ТОКА ОТ ДЕНДРИТНЫХ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕКИХ СИНАПСОВ І. Б. Кулагіна1,2, В. А. М’якушко1, С. М. Корогод1,2 ДИСТАНТНА МОДУЛЯЦІЯ ПЕРЕДАЧІ СТРУМУ ВІД ДЕНДРИТНИХ ГЛУТАМАТЕРГІЧНИХ СИНАПСІВ, ЗДІЙСНЮВАНА ГАМК-ЕРГІЧНИМИ СИНАПСАМИ СОМАТИЧНОЇ ЗОНИ МОТОНЕЙРОНІВ: МОДЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ 1Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара (Україна). 2 Міжнародний центр молекулярної фізіології (Дніпропетровське відділення) НАН України (Україна). Р е з ю м е До теперішнього часу відомості про просторову взаємодію процесів постсинаптичного збудження та гальмування в дендритах нейронів залишаються обмеженими. Ми вивча- ли в модельних експериментах просторові ефекти тонічної коактивації ГАМК-ергічних синапсів, розташованих на сомі та аксонному пагорбку мотонейрона, і дендритних глута- матергічних синапсів з рецепторами, чутливими та нечут- ливими до N-метил-D-аспартату. Аналізували карти розпо- ділу трансмембранних потенціалів і збуджуючих струмів, які передаються до соми по реконструйованому дендрит- ному розгалуженню мотонейрона ядра відвідного нерва щура (тривимірна реконструкція). Ізольоване тонічне збуд- ження глутаматергічних синапсів індукувало в мотонейро- ні два сталих стани – низької (н-стан, downstate) або ви- сокої (в-стан, upstate) просторово неоднорідної дендритної деполяризації, загасаючої з неоднаковою крутістю уздовж різних дендритних маршрутів. Локальна стаціонарна вольт- амперна характеристика дендритної мембрани при цьому ставала N-подібною за рахунок наявності ділянки з нега- тивним нахилом у певному діапазоні напруг. Докладному аналізу було піддано стан високої деполяризації, який від- повідав плато-потенціалам, асоційованим зі стереотипними видами моторної активності. У цьому стані найбільш про- ксимальні дендритні ділянки являли собою основні дже- рела збуджуючого струму, які досягали соми, у той час як внеском дистальних ділянок можна було знехтувати. Коак- тивація ГАМК-синапсів, розташованих на сомі та аксон- ному пагорбку мотонейрона, зменшувала дану деполяри- зацію та зміщувала основне джерело збуджуючого струму від ділянок поблизу соми в серединну структурно склад- нішу ділянку дендритного розгалуження. Більш віддалена дендритна ділянка, яка характеризувалася більшою пло- щею мембранної поверхні та більшою кількістю синаптич- них контактів, безпосередньо залучалась у «постачання» тригерної зони збуджуючим струмом. Ми вважаємо, що в цих просторових ефектах активації стратегічно розташова- них гальмівних синапсів виявляється особливий, раніше не описаний механізм постсинаптичного гальмування і що пе- релік відомих принципових гальмівних механізмів (гіпер- поляризація та шунтування постсинаптичної мембрани) ви- магає певного доповнення. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ J. Durand, “Synaptic excitation triggers oscillations during 1. NMDA receptor activation in rat abducens motoneurons,” Eur. J. Neurosci., 5, 1389-1397 (1991). M. D. Binder, C. J. Heckman, and R. K. Powers, “The 2. physiological control of motoneuron activity,” in: Handbook of Physiology, L. B. Rowell and J. T. Shepherd (eds.), Sect. 12, Oxford Univ. Press, New York, Oxford (1996), pp. 1-53. B. J. Schmidt, S. Hochman, and J. N. MacLean, “NMDA 3. receptor-mediated oscillatory properties: potential role in rhythm generation in the mammalian spinal cord,” in: Neuronal Mechanisms for Generating Locomotor Activity, O. Kiehn, R. Harris-Warrick, L. M. Jordan, et al., (eds.), New York Acad. Sci., New York (1998), pp. 189-202. F. Lahjouji, H. Bras, A. Barbe, and G. Chazal, “GABAergic 4. innervation of rat abducens motoneurons retrogradely labeled with HRP: quantative ultrastructural analysis of cell bodies and proximal dendrites,” J. Neurocytol., 24, 29-44 (1995). F. Lahjouji, H. Bras, A. Barbe, et al., “Electron microscopic 5. serial analysis of GABA presynaptic terminals on the axon hillock and initial segment of labeled abducens motoneurons in the rat,” Neurosci. Res., 27, 143-153 (1997). J. C. Eccles, 6. The Inhibitory Pathways of the Central Nervous System, Thomas, Springfield (1969). H. Bras, S. Korogod, Y. Driencourt, et al., “Stochastic geometry 7. and electrotonic architecture of dendritic arborization of brain stem motoneuron,” Eur. J. Neurosci., 5, 1485-1493 (1993). S. M. Korogod, H. Bras, V. N. Sarana, et al., “Electrotonic 8. clusters in the dendritic arborization of abducens motoneurons of the rat,” Eur. J. Neurosci., 6, 1517-1527 (1994). L. F. Abbott, “Realistic synaptic inputs for model neural 9. networks,” Network, 2, 245-258 (1991). S. M. Korogod, I. B. Kulagina, V. I. Kukushka, et al., “Spatial 10. reconfiguration of charge transfer effectiveness in active bistable dendritic arborizations,” Eur. J. Neurosci., 16, 2260- 2270 (2002). J. I. Palecek, G. Abdrachmanova, V. Vlachova, and 11. L. Vyklicky Jr., “Properties of NMDA receptors in rat spinal cord motoneurons,” Eur. J. Neurosci., 11, 827-836 (1999). G. Abdrachmanova, J. Teisinger, and L. Vyklicky Jr., “Axotomy-12. induced changes in the properties of NMDA receptor channels in rat spinal cord motoneurons,” J. Physiol., 538, Part 1, 53- 63 (2002). S. G. Cull-Candy and M. M. Usowicz, “Multiple-conductance 13. channels activated by excitatory amino acids in cerebellar neurons,” Nature, 325, 525-528 (1987). P. Stern, F. A. Edwards, and B. Sakmann, “Fast and slow 14. components of unitary EPSCs on stellate cells elicited by focal stimulation in slices of rat visual cortex,” J. Physiol., 449, 247-278 (1992). C. E. Jahr and C. F. Stevens, “Glutamate activates multiple 15. single channel conductances in hippocampal neurons,” Nature, 325, 522-523 (1987). P. Jonas and B. Sakmann, “Glutamate receptor channels in 16. isolated patches from CA1 and CA3 pyramidal cells of rat hippocampal slices,” J. Physiol., 455, 143-171 (1992). M. L. Hines and N. T. Carnevale, “Neuron – a tool for 17. neuroscientists,” Neuroscientist, 7, 123-135 (2001). S. M. Korogod and I. B. Kulagina, “Geometry-induced 18. features of current transfer in neuronal dendrites with tonically activated conductances,” Biol. Cybern., 79, 231-240 (1998).

Institution

Ähnliche Einträge