1.2 Взаимодействие между глутамат и гамКергической системами

Не смотря на интенсивные усилия исследователей, направленные на понимание механизмов взаимосвязи глутаматергической и ГАМКергической нейропередач, степень взаимодействия между этими системами остается плохо изученной. Большинство работ, изучающих взаимодействие данных нейротрансмиттерных систем, сфокусировано на синаптическом возбуждении интернейронов пирамидными клетками через AMPA рецепторы или синаптическом торможении пирамидных клеток интернейронами через ГАМК_Арецепторы. Роль других подтипов ГАМК- и глутаматергических рецепторов, в частности высокоаффинных, остается менее изученной. Эти подтипы включают в себя, в частности, метаботропные рецепторы: метаботропные рецепторы глутамата (mGluRI,IIиIII) и ГАМК_В. Оба данных типа рецепторов активируются более низкими концентрациями глутамата и ГАМК, чем основные ионотропные рецепторы AMPA и ГАМК_А, соответственно (Jones et al. 1998; Pin and Duvoisin 1995). Кроме того, некоторые типы ионотропных рецепторов имеют высокие аффинности к эндогенному агонисту. NMDA рецепторы связывают глутамат в намного более низких концентрациях, чем AMPA рецепторы (Patneau and Mayer 1990). Не смотря на то, что существуют различия в свойствах рекомбинантных каинатных рецепторов и рецепторов in situ, эти рецепторы также активируются сравнительно низкими концентрациями глутамата (Schmitz et al. 2000). Наконец, некоторые подтипы ГАМК_Арецепторов, находящиеся во внесинаптической мембране, способны отвечать на низкие концентрации ГАМК (Mehta and Ticku 1999).

К настоящему времени накоплено достаточно доказательств того, что ГАМК и глутамат могут покидать синаптическую щель и участвовать в диффузной нейропередаче, опосредованной высокоаффинными рецепторами (Kullmann 2000), Возникает вопрос, могут ли данные типы диффузных взаимодействий играть роль в передаче информации между различными классами нейронов (например, между возбуждающей пирамидной клеткой и тормозным интернейроном)? Другими словами, может ли ГАМК модулировать глутаматергическую передачу и, наоборот, глутамат ГАМКергическую?

1.2.1 Гетеросинаптические взаимодействия

Важность гетеросинаптических взаимодействий, опосредованных аминокислотами, впервые была прямо продемонстрирована на примере того, что ГАМК, высвобождаемая терминалями интернейронов, может подавлять глутаматергическую нейропередачу между коллатералями Шаффера и пирамидными нейронами в поле СА1 гиппокампа (Isaacson et al. 1993). В этом случае ГАМК активирует пресинаптические ГАМК_B рецепторы, находящиеся в глутаматергических терминалях. Не смотря на то, что физиологическая роль этого феномена пока еще не достаточно изучена, можно предположить, что он выступает в роли гомеостатического регулятора возбудимости. Значительное повышение глутаматергического возбуждения в гиппокампе приводит к высокой активности интернейронов, посредством расположенных на них возбуждающих синапсов. Такая активация интернейронов способна привести к высвобождению ГАМК не только на постсинаптические рецепторы внутри тормозных синапсов, но и к ее диффузии во внесинаптическое пространство. Этот феномен называется спилловером нейропередатчика (spillover – вытекание). ГАМК, покидая синаптическую щель, достигает ГАМК_Bрецепторов на глутаматергических терминалях и снижает возбуждающую передачу между принципиальными клетками. Это может представлять собой важный антиэпилептогенный механизм, нарушение которого ведет к потере контроля над возбудимостью в нейрональной сети.

Возникает вопрос, а существует ли регуляция тормозной передачи внеклеточным глутаматом? Возможна ли ситуация симметричная феномену описанному для ГАМК_Bрецепторов, когда спилловер глутамата во внеклеточное пространство воздействует на ГАМКергическую нейропередачу?

Прежде чем обсуждать возможность воздействия спилловера глутамата на ГАМКергическую нейропередачу, необходимо представить доказательства того, что глутамат на самом деле может покидать синаптическую щель и активировать удаленные рецепторы. На самом деле, этот вопрос хорошо изложен в ряде ранее опубликованных обзоров (Kullmann 2000; Kullmann and Asztely 1998; Rusakov and Kullmann 1998).

Существует несколько доказательств спилловера глутамата. Во-первых, многие рецепторы глутамата расположены сравнительно далеко от места высвобождения нейромедиатора. Например, метаботропные рецепторы группы II находятся на претерминальной мембране мшистых волокон (Lujan et al. 1996; Yokoi et al. 1996).

Во-вторых, от астроцитов можно отвести ток, опосредованный электрогенным захватом (uptake) глутамата (Bergles et al. 1999). В этих клетках экспрессируется большинство глутаматных транспортеров. Таким образом, стимуляция глутаматергических аксонов и вывсобождение глутамата вызывает в них ток, опосредованный транспортерами глутамата. Кинетика этого тока, по сравнению с эффектом кратковременной аппликации глутамата на фрагмент астроцитарной мембраны (membrane patch), указывает на то, что глутамат может находиться во внеклеточном пространстве в течение значительного времени (Bergles et al. 1997; Bergles and Jahr 1997).

В-третьих, в синапсах мшистых волокон были показаны гетеросинаптические взаимодействия, опосредованные глутаматными рецепторами (метаботропными группы III и каинатными) (Min et al. 1998; Vogt and Nicoll 1999).

Наконец, компьютерное моделирование высвобождения, диффузии и связывания глутамата на рецепторах и транспортерах, основанное на реальных анатомических и физиологических данных, показало, что глутамат может диффундировать за пределы синаптической щели и активировать NMDA рецепторы в радиусе 0,5 m от места его высвобождения (Rusakov and Kullmann 1998).

Не смотря на то, что вышеизложенные доказательства свидетельствуют в пользу диффузного действия глутамата, они не лишены недостатков. Эти данные преимущественно были получены в in vitro экспериментах, в частности, на срезах гиппокампа (в ограниченном препарате с поверхностно поврежденной структурой) и при субфизиологических температурах (которые могут снижать скорость захвата глутамата глией и нейронами из внеклеточного пространства). В физиологических условиях захват (uptake) глутамата крайне эффективен. Предполагая, что каждый синапс высвободает по одной везикуле, ориентировочное количество молекул транспортеров в пространстве гиппокампального нейропиля будет в 3-5 раз выше числа молекул глутамата, способных оказаться в том же объеме (Lehre and Danbolt 1998). Даже поверхностоно поврежденные срезы гиппокампа на макроскопическом уровне представляют собой эффективную “губку” для глутамата. Добавление в суперфузионный раствор 100 M этой аминокислоты, как правило, не приводит к изменению мембранного потенциала нейронов в глубине среза. Это связано с тем, что глутамат поглощается астроцитами до того, как он достигнет нейрональных рецепторов. Однако, на микроскопическом уровне астроциты содержат транспортеры, которые распределены по их мембране случайным образом, а не напротив глутаматергических синапсов. При этом почти половина возбуждающих синапсов в нейропиле СА1 не имеют контакта с астроцитами. Таким образом, молекулы глутамата высвобождаемые этими терминалями могут диффундировать на большие расстояния до того, как будут захвачены (Ventura and Harris 1999).