Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование

На компьютерной модели мотонейрона ядра отводящего нерва с детально реконструированными дендритными разветвлениями исследовали особенности пространственной картины бистабильных электрических состояний дендритов, мембрана которых обладала N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяемой...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автор:	Кулагина, И.Б.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України 2010
Назва видання:	Нейрофизиология
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68369
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 6. — С. 457-465. — Бібліогр.: 17назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-68369
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-683692014-09-22T03:02:05Z Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование Кулагина, И.Б. На компьютерной модели мотонейрона ядра отводящего нерва с детально реконструированными дендритными разветвлениями исследовали особенности пространственной картины бистабильных электрических состояний дендритов, мембрана которых обладала N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяемой в основном наличием кальциевых каналов L-типа. На комп’ютерній моделі мотонейрона ядра відвідного нерва з детально реконструйованими дендритними розгалуженнями досліджували особливості просторової картини бістабільних електричних станів дендритів, мембрана котрих мала N-подібну вольт-амперну характеристику (ВАХ), зумовлену в основному наявністю кальцієвих каналів L-типу. 2010 Article Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 6. — С. 457-465. — Бібліогр.: 17назв. — рос. 0028-2561 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68369 577.3:578.69:611.8:612:612.014 ru Нейрофизиология Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	На компьютерной модели мотонейрона ядра отводящего нерва с детально реконструированными дендритными разветвлениями исследовали особенности пространственной картины бистабильных электрических состояний дендритов, мембрана которых обладала N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяемой в основном наличием кальциевых каналов L-типа.
format	Article
author	Кулагина, И.Б.
spellingShingle	Кулагина, И.Б. Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование Нейрофизиология
author_facet	Кулагина, И.Б.
author_sort	Кулагина, И.Б.
title	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_short	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_full	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_fullStr	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_full_unstemmed	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_sort	электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
publisher	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/68369
citation_txt	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 6. — С. 457-465. — Бібліогр.: 17назв. — рос.
series	Нейрофизиология
work_keys_str_mv	AT kulaginaib élektričeskaâbistabilʹnostʹdendritnojmembranymotonejronovobuslovlennaâneinaktiviruûŝimisâvhodâŝimitokamimodelʹnoeissledovanie
first_indexed	2025-07-05T18:11:12Z
last_indexed	2025-07-05T18:11:12Z
_version_	1836831550094704640
fulltext	НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 457 УДК 577.3:578.69:611.8:612:612.014 И. Б. КУЛАГИНА1,2 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ МОТОНЕЙРОНОВ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ НЕИНАКТИВИРУЮЩИМИСЯ ВХОДЯЩИМИ ТОКАМИ: МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Поступила 30.10.10 На компьютерной модели мотонейрона ядра отводящего нерва с детально реконструиро- ванными дендритными разветвлениями исследовали особенности пространственной кар- тины бистабильных электрических состояний дендритов, мембрана которых обладала N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяемой в основном наличием кальциевых каналов L-типа. Такие каналы, согласно косвенным данным натурных экспери- ментов, присутствуют в дендритах указанных клеток наряду с глутаматергическими кана- лами NMDA-типа, также способными обусловливать электрическую бистабильность мем- браны и соответствующие ей специфические паттерны электрической активности упомя- нутых нейронов. Для исследуемой модели были получены стационарные локальные ВАХ, а также перенесенные на трехмерные изображения реконструированных разветвлений дендритов пространственные карты распределений мембранной разности потенциалов, поверхностной плотности трансмембранного тока и приращений осевого дендритного тока, которые определяют вклад того или иного дендритного участка в общий осевой ток, доставляющий заряд к триггерной зоне нейрона. Результаты моделирования показали, что включение неинактивирующихся кальциевых каналов в дендритную мембрану приводит к возникновению ранее не описанных особенностей картины пространственного распре- деления бистабильных электрических состояний дендритов. Такие особенности наиболее существенны в условиях стабильного состояния высокой деполяризации соответствующих участков дендритов. В указанном случае подобной особенностью являлось наличие зоны максимальной плотности входящего трансмембранного тока, охватывавшей участки ветв- лений первых порядков у всех дендритов. Поскольку в суммарном токе наибольший от- носительный вклад принадлежал входящему кальциевому току, упомянутая зона первых ветвлений может рассматриваться как своего рода зона «горячих точек» (hot spots), харак- теризующаяся увеличенным входом Са2+. Данная ситуация может иметь важные функцио- нальные последствия для местной внутриклеточной кальцийзависимой сигнализации. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: стволовые и спинальные мотонейроны, неинактивирую- щийся входящий ток, бистабильность мембраны, тоническая активация, про- странственный паттерн электрической активности. 1 Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара (Украина). 2 Международный центр молекулярной физиологии (Днепропетровское отделение) НАН Украины (Украина). Эл. почта: kulagina_iryna@yahoo.com (И. Б. Кулагина). ВВЕДЕНИЕ Электрическая бистабильность мембраны, обла- дающей ионными каналами неинактивирующегося или медленно инактивирующегося входящего тока, обусловливает возможность генерации соответ- ствующими нейронами ряда специфических сте- реотипных паттернов электрической активности (в частности, периодических плато-потенциалов, со- провождаемых возникновением пачек потенциа- лов действия – ПД). Мембрана с такими каналами имеет N-образную вольт-амперную характеристи- ку (ВАХ), которая получила свое название благо- даря чередованию участков положительного, от- рицательного и вновь положительного наклонов, соответствующих определенным последователь- ным диапазонам значений мембранного потенци- ала. К числу каналов, обеспечивающих электри- ческую бистабильность мембраны и связанные с ней электрофизиологические феномены, относят- ся присутствующие во внесинаптических участках НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6458 И. Б. КУЛАГИНА мембраны потенциалуправляемые кальциевые ка- налы L-типа и нечувствительные к тетродотоксину (ТТХ) натриевые каналы стойкого (persistent) тока, а также сосредоточенные в мембранных зонах глу- таматергических возбуждающих синапсов лиганд- управляемые каналы, чувствительные к N-метил-D- аспартату (НМДА). Указанные плато-потенциалы были обнаружены в спинальных мотонейронах че- репахи, кошки [1] и мыши [2], а также в кортикаль- ных пирамидных нейронах [3]. Было показано, что такие потенциалы обусловлены наличием каль- циевого тока L-типа, а аналогичные потенциалы в мотонейронах ядра подъязычного нерва [4], пи- рамидных нейронах зоны CA1 гиппокампа [5] и V слоя новой коры [6] – наличием стойкого натрие- вого тока. Особый интерес вызывают упомянутые выше феномены в мотонейронах спинного и ствола головного мозга, поскольку именно для этих кле- ток характерна генерация периодических пачечных разрядов, в значительной мере обеспечивающих управление стереотипными периодическими мо- торными паттернами (в ходе наземной локомоции, плавания, чесания, саккадических движений глаз и т. п.). Следует подчеркнуть, что мотонейроны, бу- дучи нервными клетками, наиболее подробно изу- ченными в функциональном аспекте, остаются од- ними из наиболее труднодоступных объектов для прямого исследования биофизических свойств зна- чительной части их мембраны, прежде всего ден- дритной. Одной из причин такой ситуации является то, что наиболее распространенный в исследовани- ях такого рода метод переживающих срезов ока- зался в отношении мотонейронов малопригодным: данные клетки сильно травмируются, прежде всего из-за большого размера их дендритных деревьев. Это замечание в полной мере относится к стволо- вым мотонейронам, в частности к моторным клет- кам, расположенным в ядрах отводящего и гла- зодвигательного нервов. Композиция и свойства ионных каналов в дендритной мембране таких ней- ронов пока однозначно не выяснены. Результаты исследований in vivo на мотонейронах ядра отводя- щего нерва c использованием ионофореза НМДА и стимуляции синаптических входов, поступающих от ядра тройничного нерва, продемонстрировали возможность индуцировать состояние электриче- ской бистабильности мембраны в этих клетках пу- тем активации НМДА-чувствительных рецепторов предположительно дендритной локализации [7, 8]. В других экспериментах стволовые нейроны подоб- ного типа отвечали на приложение пилообразных (ramp) токов характерным образом; полученные данные авторы интерпретировали как косвенное свидетельство участия кальциевого тока L-типа в обеспечении бистабильности [8]. Результаты этих, все еще крайне редких, работ на указанных объ- ектах ставят вопрос: что же может быть общего и особенного в феномене электрической бистабиль- ности клеточной мембраны, если такое свойство порождено действием токов, идущих через столь разные по своей природе и характеру потенциалза- висимости каналы. Полученные ранее данные ис- следований на моделях мотонейронов ядра отводя- щего нерва с реконструированными дендритными разветвлениями свидетельствовали о том, что элек- трическая бистабильность, связанная с активацией дендритных НМДА-каналов неинактивирующегося входящего тока, проявляется в существовании двух устойчивых электрических состояний дендритной мембраны – низкой и высокой деполяризации. Ука- занная особенность тесно связана со спецификой геометрии дендритного разветвления [9]. Целью настоящей работы было выяснение воз- можности наличия бистабильных электрических состояний мембраны дендритных разветвлений тех же мотонейронов, что и упомянутые выше, но в условиях, когда подобные состояния обусловле- ны токами через дендритные каналы кальциевого тока L-типа. Часть предварительных данных, полу- ченных в нашем исследовании, были опубликова- ны ранее в форме тезисов [10]. МЕТОДИКА Для построения модели мотонейрона ядра отводя- щего нерва мы использовали цифровые данные о дендритном разветвлении, которое было реконстру- ировано с высоким пространственным разрешением в Отделении клеточной нейрокибернетики Нацио- нального центра научных исследований Франции (Марсель). Детали соответствующих натурных экс- периментов, включая процедуры идентификации, окраски и реконструкции, были приведены в сов- местной публикации [11]. Удельная мембранная емкость Cm составляла 1 мкФ/см2, а удельное сопро- тивление цитоплазмы Ri = 100 Ом·см (по всей клет- ке). Мембрана сомы и аксона модельного мотоней- рона считалась пассивной. Мембрана дендритного разветвления модельного нейрона обладала внеси- наптическими ионными каналами пассивной про- водимости (EP = –65 мВ) и кальциевого тока L-типа НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 459 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ (ECa = +132 мВ), а также каналами возбуждающей глутаматергической проводимости. Глутаматерги- ческая проводимость была однородно распределена по всей дендритной мембране. Она включала в себя, согласно ранее опубликованным данным [12], два компонента – потенциалзависимый (НМДА-типа) и не зависящий от потенциала (АМПА-типа). В со- ответствии с наличием таких ионных каналов мем- брана изолированного дендритного компартмента имела N-образную стационарную локальную ВАХ (рис. 1). Для построения модели и исследования пространственных карт распределения мембранно- го потенциала V, плотности тока на единицу площа- ди поверхности Jm и плотности на единицу длины i = Jm ⋅ πD (πD – периметр сечения компартмента) использовали программное средство моделирова- ния «NEURON» [13]. Специальные программные модули, разработанные нами, обеспечивали пере- несение карты данных на трехмерное изображение реконструированного реального дендритного раз- ветвления. Мембранный ток на единицу длины ден- дрита, который равнялся приросту ∆Icore/∆x осевого тока на единицу длины маршрута x, использовался для оценки вкладов каждого дендритного участка в общий ток, доставляемый к соме вдоль дендри- тов (т. е. для оценки эффективности передачи тока), как было впервые предложено и подробно описано в нашей предыдущей работе [14]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Задачей первой части данной работы было выяс- нение того, как наличие кальциевой проводимо- сти L-типа влияет на локальные электрические свойства дендритной мембраны, характеризуемые стационарными ВАХ суммарного и парциальных токов, на концентрацию цитозольного Са2+ и равно- весный потенциал кальциевого тока (рис. 1). Мы также старались выяснить возможность возникно- Р и с. 1. Локальные стационарные вольт-амперные характеристики (ВАХ) дендритной мембраны (А–В) и зависимости локальных значений внутриклеточной концентрации Са2+ (Г, мМ), потенциала равновесия (Д, мВ) и поверхностной плотности (Е, мА/см2) кальциевого тока от мембранного потенциала. А – парциальные ВАХ глутамат- ергического синаптического тока, пассивного тока утечки и каль- циевого тока L-типа (1–3 соответ- ственно), а также их сумма (Jtot). Б и В – ВАХ кальциевого тока, которые были рассчитаны соответственно без учета и с учетом изменений стационарной концентрации Са2+, обусловленных процессами выка- чивания, связывания и диф фузии. По оси абсцисс – потенциал, мВ; по оси ординат – поверхностная плот- ность тока, мА/см2. Р и с. 1. Локальні стаціонарні вольт-амперні характеристики дендритної мембрани (А–В) та залежності локальних значень внутрішньоклітинної концентрації Са2+ (Г, мМ), потенціалу рівноваги (Д, мВ) та поверхневої щільності (Е, мА/см2) кальцієвого струму від мембранного потенціалу. А 2 3 1 –100 –50 50 –0.05 0.05 0.15 мА/см2 мА/см2 · 10–3 мА/см2 · 10–3 мА · см2 · 10–3 мМ мВ –0.15 0 100 150 мВ 40 мВ 0 мВ 20 мВ0–20–40–60–60 –50 –40 –30 –20 –10 200–20–40–60–80 –20 0 20 40 60 80 1.5 1.0 0.5 100 60 4 2 0 –2 –2 –4 –6 –8 –10 –12 –4 –6 –8 –10 50 40 30 20 10 Jtot Б В Г Д Е НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6460 И. Б. КУЛАГИНА Р и с. 2. Устойчивые состояния низкой и высокой деполяризации мембраны сомы (А) и реконструированного дендритного разветвления (Б, Г, Д) мотонейрона ядра отводящего нерва, соотнесенные со стационарной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дендритной мембраны (В). А – временной ход изменений мембранного потенциала сомы при приложении коротких толчков деполяризующего или гиперполяризующего тока на этапах установления низкой или высокой устойчивой деполяризации в условиях тонической активации глутаматергических синапсов. Б – распределения мембранного потенциала вдоль реконструированного дендритного разветвления, соответствующие устойчивым состояниям высокой и низкой деполяризации (верхнее и нижнее семейства кривых, соответствующие моментам наблюдения 5000 и 8000 мс на А). В – та же локальная ВАХ, что и на рис. 1, В, но развернутая таким образом, чтобы соотнести дендритные напряжения с участками положительного и отрицательного наклонов этой характеристики. Г и Д – соответственно представленные в увеличенном масштабе нижнее и верхнее семейства кривых, показанных на Б. Р и с. 2. Стійкі стани низької та високої деполяризації мембрани соми (А) і реконструйованого дендритного розгалуження (Б, Г, Д) мотонейрона ядра відвідного нерва, співвіднесені зі стаціонарною вольт-амперною характеристикою дендритної мембрани (В). А Б ДГ В мВ мВ мА/см2 · 10–3 мВ 5000 7000 9000 0 –10 –20 –30 –40 –50 –60 4 2 0 –2 –4 –6 –8 –10 0 250 500 750 0 –33 –15 –17 –19 –21 –23 –25 –35 –37 –39 –41 –43 0 0250 250500 500750 мкм 750 мкм –40 –80 мс мкм вения глобальной электрической бистабильности мембраны в целом дендритном разветвлении под действием распределенной тонической активации глутаматергических синапсов. Локальные свойства бистабильности определяли по наличию устойчи- вых стационарных неоднородных распределений мембранного потенциала (рис. 2). Обнаруженные эффекты наиболее наглядно иллюстрируются в условиях интенсивности активации глутаматерги- ческих синапсов 0.67 мС/см2; в этом случае обеспе- чивалась электрическая бистабильность реконстру- ированного дендритного разветвления модельного нейрона в целом. Соответствующие данному уровню синаптиче- ской активации локальные стационарные ВАХ были рассчитаны при двух условиях – без учета измене- ний концентрации внутриклеточного Са2+, обуслов- ленных действием ионных насосов и процессами связывания и диффузии, и с учетом таких измене- ний. В обоих случаях ВАХ суммарного тока были N-образными, что и является предпосылкой су- ществования электрической бистабильности. При этом, однако, диапазоны мембранных напряжений, соответствующие участкам положительного и отри- цательного наклонов ВАХ, а также точки нулевого тока (стационарные точки) существенно различа- лись. В первом случае (без учета изменений [Са2+]) ВАХ имела участок отрицательного наклона в ди- НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 461 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ апазоне –45…–6 мВ с единственной точкой нуле- вого тока при Е = +26 мВ (рис. 1, А, Б). Во втором же случае диапазон был более узким (–36…–23 мВ) с точкой нулевого тока при Е = –17 мВ (В). Такие различия ВАХ определялись характерной колоко- лообразной зависимостью стационарной концен- трации Са2+ от уровня стационарного напряжения на мембране (Г). Эта зависимость обусловливала характерные изменения уровня равновесного по- тенциала кальциевого тока (Д), что в свою оче- редь сказывалось на движущем потенциале (т. е. отклонении мембранного потенциала от равновес- ного потенциала кальциевого тока – Е – ЕСа) и ве- личине парциального кальциевого тока через ка- налы L-типа (Е). Характерно, что в обоих случаях локальные ВАХ были моностабильными, с устой- чивым состоянием высокой деполяризации. Это означает, что глобальная бистабильность мембра- ны разветвления может возникать только благода- ря оказываемому на локальные мембранные меха- низмы каждого данного участка дендрита действию латерального тока его соседних участков [15]. Воз- никновение глобальной электрической бистабиль- ности в дендритном разветвлении с такими локаль- ными свойствами мембраны иллюстрируется рис. 2. Как видно из данного рисунка, в нейроне с пас- сивной мембраной сомы и аксона в условиях то- нической активации глутаматергических синапсов, распределенных на дендритах, которые обладают каналами кальциевого тока L-типа, мембранный потенциал стабилизируется на одном из двух уров- ней – либо низкой, либо высокой деполяризации. В соматическом компартменте это потенциалы –41 или –20 мВ соответственно (А). Бистабильность указанных глобальных состояний подтверждается характером реакции клетки на приложение к соме коротких (1 мс) толчков деполяризующего или ги- перполяризующего тока. Так, толчок деполяризую- щего тока, приложенный во время пребывания ней- рона в состоянии низкой деполяризации, вызывал «перескок» в состояние высокой деполяризации, и это состояние не изменялось при повторном прило- жении такого же толчка (см. область интервалов на- блюдения 4000–6000 мс). И наоборот, приложение толчка гиперполяризующего тока во время нахожде- ния клетки в устойчивом состоянии высокой депо- ляризации вызывало «перескок» в состояние низкой деполяризации, и такое состояние также не изме- нялось в случае повторного приложения толчка такой же полярности (интервалы наблюдения 6000–8000 мс). Позже оно, однако, сменялось состоянием высо- кой деполяризации под действием деполяризаци- онного толчка (интервалы наблюдения свыше 8000 мс). Каждое из двух указанных состояний характе- ризовалось неоднородным распределением деполя- ризационного мембранного потенциала вдоль ден- дритов. Как высокая, так и низкая деполяризация была наибольшей на дистальных участках и убыва- ла по направлению к соме с неодинаковой крутиз- ной вдоль разных дендритных маршрутов (рис. 2, Б, Г, Д). Напряжения составляли –43 мВ на соме и –36 мВ на дистальных дендритах в случае состо- яния низкой деполяризации (Б, нижнее семейство кривых, и Г) и соответственно –25 мВ на соме и –17 мВ на дистальных дендритах в состоянии высокой деполяризации (Б, верхнее семейство кривых, и Д). Следует отметить, что в состоянии низкой деполя- ризации диапазон дендритных напряжений соответ- ствовал одному и тому же участку положительного наклона локальной ВАХ (В), рассчитанной с уче- том изменений концентрации Са2+. В состоянии же высокой деполяризации напряжения в дистальных и наиболее проксимальных частях разветвления со- ответствовали разным участкам данной ВАХ, име- ющим положительный и отрицательный наклоны. Во второй части работы мы исследовали про- странственную структуру бистабильных состояний мембраны. Для этого рассчитывали пространствен- ные распределения стационарных значений мем- бранного потенциала (рис. 2, Г, Д), поверхностной плотности полного трансмембранного тока (рис. 3, А, Б, Г, Д), а также приращения осевого тока на еди- ницу длины дендрита (рис. 3, В, Е). Кодированные цветом значения данных величин наносили на трех- мерное изображение реконструированного реаль- ного дендритного разветвления исследуемого мо- тонейрона ядра отводящего нерва (рис. 3, Б, В, Д, Е). Таким образом мы получали карту, наглядно от- ображающую сходство (участки одинакового цвета) или различия (участки разного цвета) частей ден- дритного разветвления по основным количествен- ным параметрам электрического состояния. Основные результаты, представленные на рис. 3, можно описать следующим образом. Простран- ственные распределения плотности полного транс- мембранного тока в устойчивых состояниях низкой и высокой деполяризации, наряду с общими черта- ми, проявляли и существенные различия. Послед- ние были особенно выражены в проксимальных частях дендритного разветвления, расположенных на расстояниях менее 200–250 мкм от сомы (А, Б, Г, Д). Общими чертами были следующие. Полный НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6462 И. Б. КУЛАГИНА А Б В Г Д Е мкА/см2 –0.3 –0.8 –1.3 –1.8 –2.5 0 0250 250500 500750 мкм 200 мкм –0.3 0 –0.7 –0.3 –1.1 –0.6 –1.6 –0.8 –2.0 –1.1 –2.5 –1.4 мкА/см2 пА/мкм 750 мкм Р и с. 3. Пространственная картина распределения поверхностной плотности полного трансмембранного тока (А, Б, Г, Д) и приращения осевого тока на единицу длины маршрута (В, Е) вдоль реконструированного дендритного разветвления модельного нейрона, находящегося в устойчивых состояниях низкой (А–В) или высокой (Г–Е) деполяризации (показаны на рис. 2 , Г и Д соответственно). А, Г – зависимость поверхностной плотности суммарного трансмембранного тока (ось ординат, мкА⋅см2) от маршрутного расстояния от сомы (ось абсцисс, мкм) вдоль всех ветвей. Б и Д – те же величины, что и на А и Г, кодированные цветом с использованием показанной на вставке шестицветной палитры и нанесенные на трехмерное изображение реконструированного дендритного разветвления. В и Е – такие же карты, что и на Б и Д, но картируемой величиной (см. вставку) является приращение осевого тока на единицу длины дендритного маршрута. Р и с. 3. Просторова картина розподілу поверхневої щільності повного трансмембранного струму (А, Б, Г, Д) та приросту осьового струму на одиницю довжини маршруту (В, Е) уздовж реконструйованого дендритного розгалуження модельного нейрона, що знаходиться в стійких станах низької (А–В) або високої (Г–Е) деполяризації (показані на рис. 2 , Г і Д відповідно). НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 463 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ трансмембранный ток имел входящее направле- ние (отрицательные значения). Абсолютное значе- ние этого тока увеличивалось по мере приближе- ния к соме. Маршрутные профили образовывали более или менее выраженные группы. Это свиде- тельствовало о наличии в дендритном разветвле- нии групп ветвей и маршрутов с внутригрупповым сходством и межгрупповым различием протекаю- щих в них электрических процессов, причем как в одном, так и в другом глобальном стабильном состоянии. Существенные различия сводились в основном к характеру маршрутных профилей плот- ности тока на проксимальных (удаление от сомы до 250 мкм) участках дендритного разветвления. На этих участках с приближением к соме поверхност- ная плотность входящего тока в устойчивом со- стоянии низкой деполяризации монотонно увели- чивалась. В состоянии же высокой деполяризации приближение до расстояний порядка 200–100 мкм обусловливало монотонное увеличение тока, а со смещением на более близкие расстояния абсолют- ная величина плотности входящего тока уменьша- лась. На картах распределения данного параметра, нанесенных на трехмерное изображение нейро- на, видно, что отмеченные особенности характер- ны для всех дендритов. При этом участки с наи- большей плотностью входящего тока (показаны красным цветом на Г) локализовались в области одного-двух начальных порядков ветвления, т. е. в области, где, собственно, начинается усложнение дендритной структуры. Отмеченные выше отличительные особенности распределений плотности тока, обнаруживаемые в ходе сравнения двух разных устойчивых электри- ческих состояний (рис. 3, А, Б, Г, Д), объясняются особенностями распределений мембранного потен- циала, соотнесенных с диапазонами напряжений, которые соответствуют участкам положительного и отрицательного наклонов локальной ВАХ ден- дритной мембраны (рис. 2, Б, В). Так, в состоя- нии высокой деполяризации именно на маршрут- ных расстояниях 200–250 мкм от сомы постепенно спадающая мембранная деполяризация переходи- ла уровень –23 мВ, который разделяет диапазо- ны напряжений, соответствующие участкам поло- жительного и отрицательного наклонов локальной ВАХ (рис. 1, Б; 2, В). Пространственная карта приращений осевого дендритного тока, которая позволяет оценивать и сравнивать вклады разных участков дендрита в об- щий ток, текущий по этому дендриту к триггерной зоне нейрона в области сомы/аксона, представле- на на рис. 3, В и Е. В устойчивых состояниях как низкой (В), так и высокой (Е) деполяризации ха- рактерной общей тенденцией было прогрессивное увеличение данного показателя (приращения тока) по мере приближения к соме, причем крутизна из- менения в разных дендритных маршрутах была неодинаковой. Наблюдаемая тенденция соответ- ствовала пространственным изменениям поверх- ностной плотности трансмембранного тока (ср. с Б и Д). В соответствии с характером соотношения поверхностной плотности мембранного тока и при- ращения осевого тока на единицу длины дендри- та (второй их этих показателей является произве- дением первого на периметр сечения дендрита) в области локальных утолщений дендритных вет- вей (участков значительного увеличения диаметра и, соответственно, периметра) наблюдались менее или более существенно увеличенные значения при- ращений по сравнению с таковыми в соседних бо- лее тонких участках (см. вкрапления красного и зе- леного цветов на В и Е). Таким образом, полученные нами результаты указывают на то, что пространственная картина би- стабильных электрических состояний мембраны реконструированного дендритного разветвления модельного мотонейрона ядра отводящего нерва мо- жет обладать весьма важными, на наш взгляд, осо- бенностями. Эти особенности реализуются, если дендритная мембрана «населена» потенциалзависи- мыми каналами неинактивирующегося кальциевого тока. Результаты экспериментальных исследований [8] свидетельствуют о том, что присутствие таких каналов в дендритах нейронов данного типа впол- не возможно. В этом плане заслуживает внимания сравнение результатов упомянутого исследования с результатами опубликованных ранее модельных исследований электрической бистабильности мем- браны тех же клеток с реконструированными ден- дритами [9]. У таких дендритов локальная стацио- нарная ВАХ мембраны также была N-образной, но током, который определял подобное свойство ВАХ, был ток через лигандуправляемые каналы глутамат- ергических синапсов НМДА-типа, а не через каль- циевые каналы. Результаты сравнения показали, что основные различия, связанные с вкладом каналов неинактивирующегося кальциевого тока L-типа, за- ключаются в следующем. Во-первых, в состояни- ях и низкой, и высокой деполяризации перепад на- пряжений между наиболее дистальными участками дендритов и сомой в случае наличия кальциевых ка- НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6464 И. Б. КУЛАГИНА налов несколько меньше (от –36 до –43 мВ). Такой перепад равняется приблизительно –50 … –60 мВ в случае дендритов без таких каналов [9] при низкой деполяризации. В условиях же высокой деполяриза- ции соответствующие значения составляют от –17 до –25 мВ в случае присутствия кальциевых кана- лов и от 0 до –12 мВ без них [9]. Во-вторых, диапа- зон напряжений на участке отрицательного наклона локальной стационарной ВАХ был существенно бо- лее узким при наличии кальциевых каналов (от –36 до –23 мВ; рис. 1, Б) по сравнению с аналогичным участком ВАХ дендритной мембраны, содержащей в себе только НМДА-каналы (от –60 до –15 мВ [9]). В-третьих, соотношения диапазонов дендритных напряжений и диапазонов участков положительного и отрицательного наклонов ВАХ существенно раз- личались. Так, в состоянии низкой деполяризации напряжения вдоль дендритов с кальциевыми кана- лами всегда находились в пределах участка поло- жительного наклона локальной ВАХ (рис. 2, Б, В), а в дендритах только с НМДА-каналами – всегда в пределах участка отрицательного наклона [9]. В со- стоянии высокой деполяризации напряжения в ден- дритах с кальциевыми каналами находились в диа- пазонах участков либо положительного (дистальные ветви), либо отрицательного (проксимальные вет- ви) наклона (рис. 2, Б, В). Значения же напряжений вдоль дендритов, имевших только НМДА-каналы, всегда оставались в диапазоне, соответствующем участку положительного наклона ВАХ (см., напр., рис. 2, D и рис. 3 сообщения Дюрана и соавт. [9]). В-четвертых, соответственно этому существенно различались пространственные профили плотности мембранного тока. В состоянии низкой деполяриза- ции по мере приближения от дистальных участков к соме плотность входящего мембранного тока в ден- дритах, обладающих кальциевыми каналами, везде увеличивалась (рис. 3, А, Б), тогда как в дендритах исключительно с НМДА-каналами эта величина с приближением к соме уменьшалась на всем протя- жении дендритных маршрутов (рис. 4, А, С в цити- руемой выше работе [9]). В состоянии высокой де- поляризации по мере приближения от дистальных участков к соме плотность входящего мембранного тока в дендритах с кальциевыми каналами вначале увеличивалась (до расстояний порядка 100 мкм), а затем уменьшалась (рис. 3, Г, Д). В дендритах же только с НМДА-каналами эта плотность была прак- тически нулевой в наиболее дистальных ветвях и везде увеличивалась по мере приближения к соме (рис. 4, B, D в цитируемой работе [9]). В-пятых, приращения осевого тока (вклад в общий сомато- петальный ток) в дистальных областях дендритов с наличием кальциевых каналов был довольно су- щественным в состоянии как низкой, так и высо- кой деполяризации (рис. 3, В и Е). В то же время дистальные дендриты с НМДА-каналами в состоя- нии высокой деполяризации практически не обес- печивали никакого вклада в соматопетальный ток из-за практического совпадения значения мембран- ной деполяризации с потенциалом равновесия тока (нулевой движущий потенциал для трансмембран- ного тока), как показано Дюраном и соавт. (рис. 5, B, D [9]). Отмеченная существенная специфика яв- лений электрической бистабильности мембраны в дендритах с кальциевыми каналами и без них мо- жет иметь важные функциональные последствия, особенно если такие дендриты находятся в состо- янии высокой деполяризации. Поскольку в данном состоянии максимальные значения плотности пол- ного входящего тока наблюдались в области первых порядков ветвления дендритов (рис. 3, Г, Д), а наи- больший вклад в полный ток давал ток через каль- циевые каналы (рис. 1, А, Е), именно эта область должна обеспечивать поступление наибольшего ко- личества Са2+ в цитозоль и, стало быть, может от- личаться наибольшей интенсивностью внутрикле- точных кальцийзависимых сигнальных процессов. Благодаря указанному обстоятельству упомянутая область первых ветвлений дендритов может рас- сматриваться как область своего рода «горячих то- чек» (hot spots), через которые происходит макси- мальный вход Са2+. Как необходимо отметить, использованная нами модель нейрона является ограниченной в том смыс- ле, что из-за отсутствия («отключения» в резуль- тате принятых исходных условий) «быстрых» раз- рядных механизмов сомы и аксона устойчивые состояния без наличия переключающих воздей- ствий длятся бесконечно долго (это полностью со- ответствует классическому определению стабиль- ных состояний). Однако следует признать, что именно благодаря данному ограничению можно де- тально изучать особенности пространственной кар- тины разных электрических состояний и осущест- влять их сравнительный анализ. Что же касается динамических состояний, то на основании получен- ных статических карт подобные состояния, видимо, можно достаточно обоснованно прогнозировать. При включении активных механизмов в мембрану сомы и аксона бесконечно длящиеся состояния ста- нут конечными [16, 17]. Устойчивым и бесконечно НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 465 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ длящимся состояниям высокой и низкой деполяри- зации будут соответствовать так называемые плато- потенциалы (plateau potentials) и «долины» (valley potentials), пространственная картина распределе- ния которых неизбежно будет иметь общие черты с картиной стационарных устойчивых состояний. І. Б. Кулагіна1,2 ЕЛЕКТРИЧНА БІСТАБІЛЬНІСТЬ ДЕНДРИТНОЇ МЕМБРАНИ МОТОНЕЙРОНІВ, ЗУМОВЛЕНА ВХІДНИМИ СТРУМАМИ, ЩО НЕ ІНАКТИВУЮТЬСЯ: МОДЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ 1 Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара (Україна). 2 Міжнародний центр молекулярної фізіології (Дніпропетровське відділення) НАН України (Україна). Р е з ю м е На комп’ютерній моделі мотонейрона ядра відвідного нерва з детально реконструйованими дендритними розгалуженнями досліджували особливості просторової картини бістабіль- них електричних станів дендритів, мембрана котрих мала N-подібну вольт-амперну характеристику (ВАХ), зумовлену в основному наявністю кальцієвих каналів L-типу. Такі ка- нали, згідно з непрямими даними натурних експериментів, є присутніми в дендритах вказаних клітин поряд із глута- матергічними каналами NMDA-типу, також здатними зумов- лювати електричну бістабільність мембрани і відповідні до неї специфічні патерни електричної активності згаданих ней- ронів. Для досліджуваної моделі були отримані стаціонар- ні локальні ВАХ, а також перенесені на тривимірні зобра- ження реконструйованих розгалужень дендритів просторові карти розподілів мембранної різниці потенціалів, поверх- невої щільності трансмембранного струму та приростів осьового дендритного струму, котрі визначають внесок тієї чи іншої дендритної ділянки в загальний осьовий струм (цей струм доставляє заряд до тригерної зони нейрона). Як пока- зали результати моделювання, включення кальцієвих кана- лів, що не інактивуються, в дендритну мембрану призводить до виникнення раніше не описаних особливостей картини просторового розподілу бістабільних електричних станів дендритів. Такі особливості є найбільш істотними в умовах стабільного стану високої деполяризації відповідних діля- нок дендритів. У вказаному випадку подібною особливістю була наявність зони максимальної щільності вхідного транс- мембранного струму, що охоплювала ділянки галужень пер- ших порядків у всіх дендритів. Оскільки в сумарному струмі найбільший відносний внесок належить вхідному кальцієво- му струму, згадана зона перших галужень може розглядатись як свого роду зона «гарячих точок» (hot spots), котра характе- ризується збільшеним входженням Са2+. Дана ситуація може мати важливі функціональні наслідки для місцевої внутріш- ньоклітинної кальційзалежної сигналізації. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. O. Kiehn and T. Eken, “Functional role of plateau potentials in vertebrate motor neurons,” Current Opin. Neurobiol., 8, 746- 752 (1998). 2. M. Mynlieff and K. G. Beam, “Characterization of voltage- dependent calcium currents in mouse motoneurons,” J. Neurophysiol., 68, 85-92 (1992). 3. O. Bernander, C. Koch, and M. Usher, “The effects of synchronized inputs at the single neuron level,” Neural Comput., 6, 622-641 (1994). 4. O. Kiehn, “Plateau potentials and active integration in the final common pathway for motor behavior,” TINS, 14, 68-73 (1991). 5. R. Lipowsky, T. Gillessen, and C. Alzheimer, “Dendritic Na+ channels amplify EPSPs in hippocampal CA1 pyramidal cells,” J. Neurophysiol., 76, 2181-2191 (1996). 6. P. C. Schwindt and W. E. Crill, “Amplification of synaptic current by persistent sodium conductance in apical dendrite of neocortical neurons,” J. Neurophysiol., 74, 2220-2224 (1995). 7. J. Durand, “NMDA actions on rat abducens motoneurons,” Eur. J. Neurosci., 3, 621-633 (1991). 8. J. Durand, J. P. Geritaud, and M. Ourdouz, “Excitatory amino acid receptors and synaptic transmission in rat extraocular motoneurons,” in: Information Processing Underlying Gaze Control, J. M. Delgado-García, E. Godaux, and P.-P. Vidal (eds.), Pergamon, New York (1994), pp. 13-20. 9. S. M. Korogod, I. B. Kulagina, V. I. Kukushka, et al., “Spatial reconfiguration of charge transfer effectiveness in active bistable dendritic arborizations,” Eur. J. Neurosci., 16, 2260- 2270 (2002). 10. I. B. Kulagina, S. M. Korogod, and J. Durand, “Comparative simulation study of the electrical bistability induced in abducens motoneurons by different non-inactivating inward currents of the dendritic membrane,” FENS Abstr., 1, A 058. 10 (2002). 11. S. M. Korogod, H. Bras, V. N. Sarana, et al., “Electrotonic clusters in the dendritic arborization of abducens motoneurons of the rat,” Eur. J. Neurosci., 6, 1517-1527 (1994). 12. И. Б. Кулагина, В. А. Мякушко, С. М. Когород, “Дистант- ная модуляция передачи тока от дендритных глутаматер- гических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синап сами соматической зоны мотонейронов: модель- ное иссле дование”, Нейрофизиология/Neurophysiology, 42, № 2, 182-191 (2010). 13. M. L. Hines and N. T. Carnevale, “Neuron – a tool for neuroscientists,” Neuroscientist, 7, 123-135 (2001). 14. S. M. Korogod and I. B. Kulagina, “Geometry-induced features of current transfer in neuronal dendrites with tonically activated conductances,” Biol. Cybern., 79, 231-240 (1998). 15. S. M. Korogod and I. B. Kulagina, “Electrical bistability in a neuron model with monostable dendritic and axosomatic membranes”, Нейрофизиология/Neurophysiology, 32, № 2, 98-101 (2000). 16. J. Hounsgaard and O. Kiehn, “Serotonin-induced bistability of turtle motoneurons caused by a nifedipine-sensitive calcium plateau potential,” J. Physiol., 414, 265-282 (1989). 17. R. H. Lee and C. J. Heckman, “Bistability in spinal motoneurons in vivo: systematic variations in persistent inward currents,” J. Neurophysiol., 80, 583-593 (1998).

Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование

Репозитарії

Схожі ресурси