Долговременная потенциация и депрессия в соматосенсорной коре новорожденных крысят

Сенсорный опыт в течение раннего постнатального развития модифицирует кортикальные связи и формы ответов нейронов коры, трансформируя незрелые нейрональные цепи в хорошо организованные связи характерные для взрослого мозга. Во многих областях коры начальная стадия этих процессов связана с пластичностью таламокортикальных синапсов. Известно, что развитие центральной нервной системы характеризуется особыми паттернами ранней активности, участвующими в формировании специфических синаптических связей между нейронами. В соматосенсорной коре новорожденных крысят, во время так называемого «критического» периода развития сенсорных таламокортикальных карт описаны два основных осцилляторных паттерна сетевой активности: ранние гамма осцилляции и альфа-бета осцилляции (веретенообразные осцилляции), которые различаются по доминированию осцилляции в соответствующих частотных диапазонах. Гамма и альфа-бета осцилляции опосредуют разнонаправленные механизмы пластичности - долговременную потенциацию (LTP) и депрессию (LTD) - в таламокортикальных синапсах, и таким образом могут быть инструментом в формировании таламокортикальных карт. Одним из синаптических механизмов пластичности - долговременной потенциации и депрессии, зависимой от активности, в «критические» периоды развития таламокортикальных проекций может являться временная корреляция пре- и постсинаптической активности нейронов (spike-time dependent plasticity). Действует ли это правило в развивающихся таламокортикальных синапсах, которые обладают сверхвысоким уровнем пластичности во время критического периода оставалось малоизученным. Одной из хорошо изученных систем для исследования развития и формирования таламокортикальной синаптической пластичности является кортикальное представительство вибрисс (баррелы) в соматосенсорной коре крысы.

Рисунок 1. Синаптические ответы нейронов 4 слоя в ответ на стимуляцию ВПМ ядра таламуса. А – Усредненный внеклеточный синаптический ответ нейронов 4 слоя коры (100 ответов, Р5). Стрелкой указан fiber volley. Б – Усредненный ВПСП (100 ответов) от нейрона 4 слоя в конфигурации «целая клетка – current clamp» при мембранном потенциале -65 мВ. Стрелкой указан артефакт стимула.

Для регистрации синаптической пластичности в соматосенсорной коре новорожденных крысят использовались таламокортикальные срезы. При внеклеточной регистрации от 4 слоя коры надпороговая стимуляция ВПМ ядра таламуса или белого вещества коры с частотой 0,05 Hz приводила к появлению ответа, состоящего из двух компонентов. После артефакта через 3-4 мсек наблюдался суммарный потенциал действия таламокортикальных волокон (fiber volley), за которым следовал вызванный синаптический ответ в баррелах соматосенсорной коры (рисунок 1А). Низкая частота стимуляции была выбрана для того, чтобы избежать синаптической депрессии. Кроме того, в ряде экспериментов также регистрировался синаптический ток в нейронах 4 слоя в конфигурации «целая клетка - current clamp» при мембранном потенциале -65-70 мВ (рисунок 1Б). Для исследования временной корреляции пре- и постсинаптической активности нейронов 4 слоя соматосенсорной коры использовалась парная стимуляция таламических проекций и вызывался антидромный потенциал действия в аксонах принципиальных клеток 4 слоя, при помощи стимуляции 2/3 слоя коры. Добавление в перфузируемую среду ингибиторов НМДА- и АМПА-рецепторов приводило через 10-15 мин к полному угнетению вызванного синаптического ответа.

На рисунке 2 представлены суммарные значения изменения амплитуд вызванной пресинаптической секреции медиатора в нейронах 4 слоя соматосенсорной коры в первую неделю постнатального развития крысы.

Рисунок 2. Синаптическая пластичность в нейронах 4 слоя соматосенсорной коры (Р5-Р8). Пунктирной линией показано контрольное значение амплитуд пресинаптической вызванной секреции (n=5 для LTD, n=4 для LTP, p<0,05).

Если активация восходящих таламических путей предшествовала постсинаптическому потенциалу действия, то происходило увеличение амплитуд вызванных синаптических ответов и в синапсах 4 слоя возникала потенциация. И наоборот, синаптическая депрессия возникала, если активация постсинаптических нейронов происходила до активации пресинаптичеких таламических нейронов. В этом случае значение амплитуда возбуждающих постсинаптических потенциалов после парной стимуляции уменьшалась на 25-30%. В нейронах 4 слоя соматосенсорной коры LTP формировался при временной задержке равной 10 мс, тогда как задержка 15 мс (n=3) не приводила к формированию синаптической потенциации в этих клетках. Долговременная депрессия формировалась при задержках в 5 и 10 мс (n=3).

Таким образом, нами было показано, что долговременная синаптическая пластичность в развивающихся таламокортикальных синапсах - депрессия или потенциация - зависит от времени возникновения спайков в пре- и постсинаптическом нейронах.

Шарафутдинов И.С., Гайнутдинова З.Р., Каюмов А.Р.

«Казанский (Приволжский) федеральный университет»