Александров Ю.И., Анохин К.В. - Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование_ Фундаментальное руководство (2008)

(Kawai е.а., 2005), изолированных из сетчатки человека, зарегистрированы потенциалы действия, обусловленные активностью потенци- ал-зависимых натриевых каналов. Показано, что деполяризация на фоне мембранного потенциала -60 — -70 мВ вызывает генерацию натриевого потенциала действия (Kawai е.а., 2001). Однако в нормальных физиологических условиях гиперполяризация не достигает такой величины благодаря входному току катионов калия (через калиевые каналы с аномальным выпрямлением), возникающему при гиперполяризации мембраны. Подавление этого тока, обеспечивающего поддержание мембранного потенциала на уровне достаточном (около -53 мВ) для инактивации большинства натриевых каналов, приводит к генерации натриевых спайков как спонтанных, так и вызванных светом (Kawai е.а., 2005). Полагают, что в норме генерация фоторецептором натриевого потенциала действия может возникать в ответ на выключение яркого света (Kawai е.а., 2001).

Выводы

•Колбочки менее чувствительны к свету, чем палочки. У палочек реакция на свет развивается и заканчивается медленнее, чем в колбоч- ках, но возникает при меньших интенсивностях света.

•Пигменты с различной спектральной чувствительностью находятся в различных колбочках. Каждый тип колбочек избирательно чувствителен в определенной области спектра.

•Палочки и колбочки распределены по сетчатке неодинаково. У всех позвоночных животных в сетчатке есть область с повышенной плотностью колбочек, где палочек мало или вовсе нет.

•Мембраны, содержащие зрительный пигмент, у палочек изолированы от внеклеточной среды, а у колбочек непосредственно контактируют с ней.

•Наружные сегменты фоторецепторов, содержащие диски со зрительным пигментом, постоянно обновляются.

•Синаптические терминали фоторецепторов контактируют с горизонтальными и биполярными клетками как через обычные, так и через инвагинированные ленточные синапсы. Палочки сетчатки млекопитающих образуют с биполярными клетками только инвагинированные ленточные контакты.

•В темноте мембрана фоторецептора деполяризована, а его синаптические терминали постоянно выделяют медиатор. Во всех фоторецепторах позвоночных животных медиатором является глутамат.

320

•Реакция фоторецептора на вспышку света представляет собой градуальное увеличение негативности мембранного потенциала (гиперполяризация), приводящее к уменьшению либо прекращению выделения медиатора синаптическими терминалями.

•Гиперполяризационная реакция фоторецептора на свет обусловлена прекращением темнового тока катионов через каналы, управляемые цГМФ: в темноте эти каналы открыты для входа в клетку натрия

èкальция, а на свету закрыты.

•Каскад биохимических реакций, вызываемый светом в фоторецепторе, начинается с изомеризации ретиналя из цис-формы в трансформу и заканчивается закрыванием катионных каналов клеточной мембраны, управляемых цГМФ, вследствие снижения концентрации цГМФ внутри клетки.

•Зрительные пигменты относятся к семейству рецепторов, связанных с G-белками. Специфическим G-белком для этих рецепторов является трансдуцин.

•Инактивацию фотолизированного зрительного пигмента и восстановление внутриклеточной концентрации цГМФ стимулируют низкомолекулярные кальций-связывающие белки в не связанной с кальцием форме, возникающей при снижении внутриклеточной концентрации кальция до определенного уровня.

•Снижение концентрации кальция внутри клетки, вызванное светом, возникает благодаря Na/Ca,K обменнику, удаляющему из клетки кальций после прекращения входа этих катионов через цГМФ-управ- ляемые каналы.

•Концентрацию кальция в синаптических терминалях фоторецептора, необходимую для везикулярного выделения медиатора, обеспе- чивают расположенные на их мембране потенциал-зависимые кальциевые каналы L-типа.

•Потенциал-зависимые ионные каналы, ионотропные рецепторы ГАМК (ГАМКа и ГАМКс), метаботропные рецепторы и переносчики глутамата, расположенные на синаптических терминалях, модулируют выделение медиатора фоторецепторами.

Цитированная литература

Рекомендуемая

1.Николлс Дж. Г., Мартин А. Р., Валлас Б. Дж., Фукс П. А. От нейрона к мозгу. Москва: УРСС. 2003. Гл. 19. С. 414-442.

2.Смит К. Биология сенсорных систем. М.: Бином. Лаборатория знаний,

2005.

321

Дополнительная

1.Eliasof S., Werblin F. (1993) Characterization of the glutamate transporter in retinal cones of the tiger salamander. J. Neurosci. 13, p. 402-411.

2.Fain G. L., Matthews H. R., Cornwall M. C., Koutalos Y. (2001) Adaptation in Vertebrate Photoreceptors. Physiological Reviews. 81, ð. 117-151.

3.Fu Y., Yau K. W. Phototransduction in mouse rods and cones (2007) Pflugers Arch. Eur. J. Physiol. 454, ð. 805–819.

4.Gaal L., Roska B., Picaud S. A., Wu S. M., Marc R., Werblin F. S. (1998) Postsynaptic response kinetics are controlled by a glutamate transporter at cone photoreceptors. J. Neurophysiol. 79, p. 190–196.

5.Hosoi N., Arai I., Tachibana M. (2005) Group III metabotropic glutamate receptors and exocytosed protons inhibit L-type calcium currents in cones but not in rods. J. Neurosci. 25, p. 4062-4072.

6.Hurley J.B. (1995). Recoverin and Ca2+ in vertebrate phototransduction. Behavioral and Brain Sciences 18, ð. 425-428.

7.Kaneko A., Tachibana M. (1986) Effects of gamma-aminobutyric acid on isolated cone photoreceptors of the turtle retina. J. Physiol. 373, p. 443–461.

8.Kawai F., Horiguchi M., Ichinose H., Ohkuma M., Isobe R., Miyachi1 E. (2005) Suppression by an h current of spontaneous Na+action potentials in human cone and rod photoreceptors. Invest. Ophthalmol.&Visual Sci. 46, p. 390-397.

9.Koulen P., BrandstätterJ.H. (2002) Preand postsynaptic sites of action of mGluR8a in the mammalian retina. Invest. Ophthalmol. Visual Sci. 43, p. 1933-1940.

10.Leskov I.B., Klenchin V.A., Handy J.W., Whitlock G.G., Govardovskii V.I., Bownds M.D., Lamb T.D., Pugh E.N. Arshavsky V.Y. (2000) The gain of rod phototransduction: reconciliation of biochemical and electrophysiological measurements. Neuron 27, ð. 525–537.

11.Mendez A., Burns M.E., Sokal I., Dizhoor A.M., Baehr W., Palczewski K., Baylor D.A., Chen J. (2001) Role of guanylate cyclase-activating proteins (GCAPs) in setting the flash sensitivity of rod photoreceptors. Proc Natl Acad Sci USA 98, ð. 9948–9953.

12.Menon S., Han M., Sakmar T.P. (2001) Rhodopsin: structural basis of molecular physiology. Physiol. Rev. 81, p. 1659-1688.

13.Nelson R. (1977) Cat cones have rod input: a comparison of the response properties of cones and horizontal cell bodies in the retina of the cat. J. Comp. Neurol. 172, 109-136.

14.Picaud S., Pattnaik B., Hicks D., Forster V., Fontaine V., Sahel J., Dreyfus H. (1998) GABAA and GABAC receptors in adult porcine cones: evidence from a photoreceptor-glia co-culture model. J. Physiol. (Lond) 513, p. 33-42.

15.Schwartz E. A. Transport-Mediated Synapses in the Retina. (2002) Physiol. Rev. 82, ð. 875–891.

16.Sjostrand F.S. (1976) The outer plexiform layer of the rabbit retina, an important data processing center. Vis. Res., 16, p. 1-14.

17.Trifonov Y.A. (1968) Study of synaptic transmission between the photoreceptor and the horizontal cell using electrical stimulation of the retina. Biofizika. 13, ð. 809-817.

322

18.Wassle H., Boycott B.B. (1991) Functional architecture of the mammalian retina. Physiol. Rev. 71, p. 447-480.

19.Xu J.W., Slaughter M.M. (2005) Large-conductance calcium-activated potassium channels facilitate tansmitter release in salamander rod synapse J. Neurosci. 25, p. 7660-7668.

20.Yazulla S., Studholme K.M.(1997) Light adaptation affects synaptic vesicle density but not the distribution of GABAA receptors in goldfish photoreceptor terminals. Microsc. Res. Tech. 36, p. 43-56.

323

Глава 13. ПЕЙСМЕКЕРНАЯ АКТИВНОСТЬ НЕЙРОНОВ: ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ФУНКЦИИ

Пейсмекер — эндогенная по происхождению, ритмичная по выражению форма активности нервных клеток, в основе которой лежит генетически заданная программа.

Пейсмекер может быть выражен циклическими изменениями биохимических процессов, периодической экспрессией определенных генов, синтезом белков, необходимых целому организму или отдельному органу. В зависимости от метода изучения показателями работы пейсмекера могут быть как электрические явления, зарегистрированные на отдельном нейроне, нейронной системе или целом мозге, так и изменения биохимического состава внутреннего содержимого клеток. В нейрофизиологии пейсмекерными потенциалами называют близкие к синусоидальным колебания мембранного потенциала с частотой 0,1–300 Гц, амплитудой 1,5–20 мВ. Такие синусоидальные эндогенные осцилляции мембранного потенциала лежат в основе ритмической спайковой активности многих нейронов.

Возникает предположение о том, что в процессе эволюции сформировался вид нейронов, имеющих пейсмекерный механизм,

èименно эти нервные клетки наделены свойствами, которые позволяют им регулировать функциональные состояния, быть генераторами ритмов мозга, участвовать в явлениях памяти, управлять движениями.

Результаты опытов, проведенных на живых существах разного эволюционного уровня, подтверждают идею о том, что пейсмекер является свойством, присущим нейронам разных живых существ. Пейсмекер — самая древняя форма эндонейрональной активности, она существует уже у прокариотов и представлена у нейронов многих структур мозга млекопитающих. Механизмы реализации пейсмекерных осцилляций сформированы в эволюции: каналы специфической ионной проводимости, необходимые для актуализации пейсмекерного механизма, появляются у прокариотов, сохраняются

èобогащаются новыми формами при переходе к многоклеточности. Пейсмекерный механизм реализует многие функции, в том числе запуск процесса клеточной дифференциации. Функции пейсмекера определяются задачами этих структур. Пейсмекер — трансля-

324

тор генетической памяти. Активация пейсмекера происходит че- рез эндогенно возникающие сигналы и через определенные синаптические связи. Обучение — один из способов экзогенного (через синапсы и экстраклеточное пространство) влияния на пейсмекерный механизм.

13.1. Понятие пейсмекера

Осциллятор — это физическая система, совершающая колебания (определенные показатели ее активности периодически повторяются во времени). Термином «осциллятор» пользуются для любой системы, если описывающие е¸ величины периодически меняются со временем. Осциллирующие нейронные сети — системы, для которых естественным режимом функционирования являются колебания активности отдельных элементов, групп элементов или всей сети. Функциональной единицей таких сетей является осциллятор. Осциллятором может быть или отдельный элемент, наделенный особыми свойствами, или группа элементов, связанных между собой особым способом. Нейрофизиологические эксперименты демонстрируют существенную, а возможно, и центральную роль осцилляторных процессов в работе нервной системы. Одна из основных гипотез состоит в том, что процесс обработки информации в нервной системе может описываться в терминах синхронизации активности различных нейронных структур (Кузнецов, 2001, Лебедев, 2006, Иваницкий и Лебе-

дев, 2007, Данилова, 2008).

Пейсмекер — берущий на себя инициативу, задающий активность, ритм действий. Пейсмекер — это то, что заставляет систему осциллировать. В живых системах пейсмекером называют один из эндогенных механизмов управления. Пейсмекером может быть совокупность клеток определенного органа, специализированной функцией которых является организация взаимодействия клеток, или же отдельные клетки, наделенные способностью внутреннего генератора. Различают тони- ческие и ритмические пейсмекеры. Например, синоатриальный узел сердца — ритмический пейсмекер, задающий базовый ритм сокращений сердца; клетки дыхательного центра ствола головного мозга, задающие ритм возбуждения нейронам продолговатого мозга, которые управляют чередованием вдоха и выдоха, — это тонический пейсмекер. Пейсмекерный механизм является универсальным и обнаружен у нейронов живых существ разного эволюционного уровня: от одноклеточ- ных до человека.

325

Пейсмекер может быть выражен циклическими изменениями биохимических процессов, периодической экспрессией определенных генов, синтезом белков, необходимых целому организму или отдельному органу. В зависимости от метода изучения показателями работы пейсмекера могут быть как осциллирующие электрические явления, зарегистрированные на отдельном нейроне, нейронной системе или целом мозге, так и периодические изменения биохимического состава внутреннего содержимого клеток. Говоря о механизме пейсмекера, необходимо иметь в виду глубину анализа, доступную современному уровню изучения живых систем. Например, осцилляции мембранного потенциала, зарегистрированные внутриклеточным микроэлектродом, являются отражением деятельности пейсмекера, а изменения ионной проводимости, обеспечивающие эти осцилляции, могут рассматриваться в качестве механизма.

В нейрофизиологии пейсмекерными потенциалами называют близкие к синусоидальным колебания мембранного потенциала с частотой 0,1–300 Гц, амплитудой 1,5–20 мВ (рис. 13.1). Такие синусоидальные эндогенные осцилляции мембранного потенциала лежат в основе ритмической спайковой активности многих нейронов.

Ðèñ. 13.1. Пейсмекерная активность изолированных нейронов моллюска Helix lucorum. а — синусоидальные колебания, достигающие и не достигающие порога генерации потенциала действия (ПД); б — ПД, зарегистрированные у изолированного нейрона, запускаемые эндогенным пейсмекерным механизмом. Калибровка: 10 мВ, 1 с.

Возникает предположение о том, что в процессе эволюции сформировался класс нейронов, имеющих пейсмекерный механизм, и именно эти нервные клетки наделены свойствами, которые позволяют им регулировать функциональные состояния, быть генераторами ритмов мозга, участвовать в явлениях памяти, управлять движениями (Данилова, 2006, Armus et al., 2006, Geisler et al., 2005, Moortgat et al., 2000, Соколов, 2005).

326

13.2. Пейсмекеры одноклеточных

Применение микроэлектродной техники позволило установить, что электрическая активность одноклеточных представлена пейсмекерными по форме и эндогенными по происхождению колебаниями мемб-

ранного потенциала (МП).

Электрофизиология прокариотов. Древняя цианобактерия Synechocystis — это одноклеточный фотосинтетический прокариот, который может акклиматизироваться к широкому ряду изменений окружающей среды. Сложные нуклеотидные последовательности его генома теперь расшифрованы, и поэтому Synechocystis может служить полезной моделью для изучения молекулярных механизмов клеточ- ных ответов к различным воздействиям. Клетки Synechocystis имеют механочувствительные ионные каналы, локализованные в плазмати- ческой мембране. Ионные каналы — это молекулярные поры, которые облегчают прохождение ионов через клеточные мембраны и участвуют в ряде биологических процессов — от передачи возбудительных сигналов в нервной системе млекопитающих до изменений плавательного поведения у простейшей парамеции. Было установлено, что клетки Synechocystis способны реализовывать Са2+ в ответ на деполяризацию мембраны ионофором К+ валиномицином в присутствии К+. Показано также, что Са+ ответ возникает при деполяризации клетки повышением температуры, то есть Са2+ опосредует ответы на стрессовые условия (Nazarenko et al., 2003).

Определенные ионные каналы классифицируются как вольт-зави- симые, потому что они имеют потенциал-чувствительную структуру, которая побуждает поры открываться в ответ на изменение напряжения на клеточной мембране. Совсем недавно потенциал-зависимые каналы К+, Са2+ и Nа+ рассматривались как уникальный результат развития эукариотических клеток, приспособленных для совершения электрической сигнализации, как, например, у нейронов. В настоящее время получены функциональные характеристики потенциал-зависи- мых К+ каналов у гипертермофильных аэробактерий из океанских термальных источников. Кроме того, обнаружен и механизм торможения калиевых каналов. Аналогичный механизм работает и у эукариотических К+ каналов (Ruta et al., 2003).

Два особенно важных семейства ионных каналов, обнаруженных у цианобактерий, — это ионотропные глутаматные рецепторы (GluRs) и калиевые каналы. GluRs проницаемы для Na+, K+ и Са+ , управляются глутаматом и ранее были обнаружены только у эукариотов. Наоборот,

327

калиевые каналы избирательны для K+, управляются целым рядом стимулов и найдены и у эукариотов, и у прокариотов. Изучение фарамакологических и физиологических свойств нейронных глутаматных рецепторов показало, что они подразделяются на три подтипа, основанных на чувствительности к агонистам. Все три типа также активируются глутаматом — физиологическим нейротрансматтером. Описана функциональная характеристика глутаматного рецептора GluR0 цианобактерии Synechocystis PCC 6803. Этот рецептор является первым, обнаруженным у прокариотов. GluR0 связывает глутамат, формирует каналы, избирательные для калия, и связывается с аминокислотной последовательностью к эукариотической GluRs и калиевым каналам. На основе аминокислотной последовательности и функционального отношения между GluR0 и эукариотическим GluRs выдвинуто предположение, что прокариотический GluR является предшественником эукариотического GluRs. GluR0 обеспечивает недостающие сведения о связи между калиевыми каналами и GluRs. Предполагается, что их ионные каналы имеют сходную архитектуру, а управляющие механизмы GluRs и калиевых каналов имеют одинаковые основные свойства (Chen et al., 1999, Arinaminpathy et al., 2003). Проведенные исследования доказывают, что ионные каналы, реализующие электри- ческое проявление пейсмекерной активности, начали формироваться

уже у прокариотов.

Пейсмекеры одноклеточных эукариотов. Эукариоты в виде одноклеточных организмов, имеющих ядро и митохондрии, появились примерно 2,5 млрд. лет назад. Это свободноживущие одноклеточные эукариоты, возникшие разными эволюционными путями и демонстрирующие чрезвычайное разнообразие форм и поведения: они могут быть хищными, подвижными и прикрепленными. Их характеризует сложное строение, например, они могут иметь щетинки, фоторецепторы, жгутики, ногоподобные отростки, ротовой аппарат, жалящие иглы и мышечноподобные пучки сократительных волокон. Хотя все простейшие являются одноклеточными, они организованы так же сложно, как многие многоклеточные организмы. Одноклеточных эукариотов много и в современных морях, и в пресных водоемах.

Paramecium — род микроскопических одноклеточных организмов, ведущих активный образ жизни. Клетки имеют форму туфельки длиной 0,12–0,13 мм (рис. 13.2). Несмотря на то что прошло уже больше 100 лет со дня опубликования первых работ, в которых дается описание некоторых двигательных реакций Paramecium, механизмы форми-

328

рования поведения во многом остаются непонятными. За последние тридцать лет исследователями накоплен громадный материал по структуре различных клеточных элементов, свойствам электровозбудимой цитоплазматической мембраны, белковому составу и свойствам отдельных белков, входящих в систему управления двигательной активностью парамеций, и получено большое количество мутантов с нарушениями двигательной активности. Кроме того, сегодня уже есть определенные представления о работе ряда систем, входящих в структуру формирования и управления двигательной активностью. Все это позволяет проводить системные исследования механизма происхождения двигательной активности парамеций, которая чрезвычайно сложна. Смыслообразующим центром адаптивного поведения одноклеточных является механизм управления локомоторной активностью как единого организма. Наблюдения за поведением инфузорий в различных ситуациях показывают, что вариации его весьма многообразны, чувствительность к различным факторам окружающей среды высока и любое изменение этой привычной среды вызывает соответствующий поведен- ческий эффект. Нейрофизиологический механизм, обеспечивающий ориентировочно-исследовательское поведение, у парамеций может быть только эндонейрональным по причине одноклеточности этих живых организмов. Анализ экспериментальных данных, полученных при изу- чении поведения как свободно плавающих одноклеточных, так и в различных ситуациях обучения позволяет сделать вывод о том, что система управления движениями должна быть многоуровневой и включать в себя рецепторное, афферентное центральное, эфферентное и эффекторное звенья. При этом роль центрального интегратора и координатора двигательного поведения может выполнять ядро клетки, тесно связанное с периферией с помощью динамичных элементов цитоскелета (Свидерский и др., 2007).

Ðèñ. 13.2. Объекты экспериментов: А — изолированный нейрон ЛПа2; Б — инфузория Paramecium caudatum.

329