Роль ионных процессов и внутриклеточных веществ в пластичности нейронов

Для того чтобы понять, что происходит в нейроне во время привыкания или сенситизации, а также ассоциативного обучения, следует рассмотреть ионный механизм нормальной передачи сиг­нала через химический синапс от одного нейрона к другому. Во время генерации ПД ионы натрия и кальция входят в клетку, а ионы калия выходят из нее. Калиевый ток из клетки создает волну гиперполязизации, которая обрывает ПД и ВПСП. ПД распрост­раняется от сомы вдоль аксона с помощью потенциал-зависимых

Са^

^--О^РН^ ^-^-^-~-

Постсиналтическая клетка а

^ © © © ф ©)

Рис. 29. Важнейшие события, происходящие в химическом синапсе после прибытия импульса в окончание аксона.

а — потенциал действия открывает каналыдля входа Са" в пресинаптическое окончание; б — синаптические пузырьки сливаются спресинаптической мембра­ной, высвобождая приэтом медиатор; в — медиаторсвязывается с белками постсинаптической мембраны, изменяяих конформацию; г — послеудаления медиатора из щели постсинаптические белки возвращаются в исходноесостояние (по Б. Альбертсу и др., 1994).

натриевых каналов, которые открываются и закрываются по мере движения нервного импульса. Когда ПД достигает окончания ак­сона, под его влиянием открываются потенциал-зависимые каль­циевые каналы, находящиеся в мембране окончания аксона. Ионы Са^ входят в аксон, в результате чего в синаптическую щель вы­брасываются кванты медиатора. На рис. 29 представлено конечное звено высвобождения медиатора в синаптическую щель. Синапти-ческая передача осуществляется с помощью высвобождения ме-

диатора, которое невозможно без притока ионов кальция из вне­клеточной среды. Если удалить ионы кальция из экстраклеточного пространства, то прибывший к окончанию аксона ПД не высво­бождает медиатор и передачи сигнала не происходит. Если же ис­кусственно увеличить содержание ионов кальция в аксоне (ввести через пипетку), это вызовет высвобождение медиатора даже в от­сутствие электрического импульса (результаты получены на си­напсе между гигантскими нейронами кальмара). Чем выше кон­центрация ионов кальция в окончании аксона, тем выше скорость выделения медиатора.

Особая функция ионов кальция в передаче сигнала объясняет­ся тем, что он в пресинаптическом нейроне запускает цепочку биохимических процессов, которая увеличивает число активиро­ванных Са²⁴^ каналов. Это создает эффект усиления выброса меди­атора из пресинаптического окончания. Последовательность био­химических событий, развертывающихся в пресинаптичском ней­роне после входа в него ионов Са²"*", выглядит следующим образом. В нейроне для ионов Са²^ существует внутренний рецептор— каль-модулин. Это специфический белок, с которым кальций образует комплекс. Возникнув, последний активирует фермент аденилат-циклазу. С ее помощью изАТФ синтезируется цинический адено-зинмонофосфат (цАМФ), активирующий протеинкиназы. Проте-инкиназа А фосфорилирует белки потенциал-независимых кальци­евых каналов в результате присоединения к ним фосфатной группы. Это открывает дополнительное число Са^-каналов. В клетку вхо­дит еще большее количество ионов кальция, что дополнительно увеличивает выход медиатора из нейрона. Ионы кальция, как и цАМФ, выполняют роль посредников в выбросе медиатора из пресинапти-ческой мембраны. Работа клеточного аппарата, обеспечивающего преобразование ПД в выход медиатора и тем самым передачу сиг­нала через химический синапс от нейрона к нейрону, представле­на на рис. 30 (вход I).

Этот же аппарат клетки, обеспечивающий передачу сигнала от нейрона к нейрону, используется и для длительных изменений синаптической проводимости, связанных с обучением: привыка­нием, сенситизацией, а также с ассоциативным обучением, глав­ным образом на начальном его этапе. Критическая роль в этих про­цессах принадлежит модулирующим нейронам. Они имеют свой вход к этому клеточному аппарату — входII (см. рис. 30). У моллюсков это серотонинергические нейроны. Внутриклеточной мишенью для серотонина,так же как для комплекса кальций+кальмодулин, является аденилатциклаза, за счет которой из аденозинтрифосфа-та(АТФ) — универсального источника энергии для биохимичес-

Вход 1 (эффект ПД)

Вход II ,

(эффект серотонин- )

модулирующей системы) '

Открытие потенциал-зависимых Са^-каналов

Са^ + кальмодулин

Аденилатииклаза ^

АТФ

ЦАМФ

(циклический нуклеотид)

_А-

Протеинкиназа А

Протеинкиназа С

Фосфорилирование белков Са^-каналов

Фосфорилирование белков К-каналов

Открытие потенциал-независимых Са2"1" -каналов

Закрытие К-каналов

Рис. 30. Основные этапы фосфорилирования Са^- и К-каналов, обеспе­чивающего кратковременное изменение проводимости синапса.

ких процессов синтезируется циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). За счет двойного действия на аденилатциклазу Са²^ и серо­тонина возрастает образование цАМФ. Активированные киназы фосфорилируют белки ионных каналов. Киназа А взаимодействует с белками кальциевых каналов и открываетих для входа ионов кальция. Киназа С фосфорилирует белки калиевых каналов, вызывая

Повторное раздражение головы

Протеинкиназа фосфорилирует калиевые каналы и ипактивируст их

Регистрация калиевого тока через изолиро­ванный кусочек мембраны

Серотонин активирует рецепторы

Рис. 31. Зависимое от активности пресинаптическое облегчение у аплизии (по Э. Кэнделу и Р. Хокинсу, 1992).

их закрытие. Это уменьшает калиевый ток из нейрона и калиевую гиперполяризацию, следующую заПД и ВПСП, что приводит к удлинениюПД. На рис. 31 показана цепочка реакций, приводящих к инактивации К-каналов, вызываемой возбуждением модулиру­ющих нейронов. Продление ПД удерживает потенциал-зависимые Са^-каналы в открытом состоянии, что увеличивает в нейроне содержание свободного кальция и выброс медиатора. Фосфорили-рование калиевых каналов (8-каналов ) рассматривается как одна из форм кратковременной памяти, которая ограничена временем жизни белка, образующего 5-каналы, и легко стирается при воздействии фосфопротеинфосфотаз (дефосфорилирующих 5-каналы).

События, разворачивающиеся на постсинаптическом нейроне у млекопитающих в ситуации обучения, связаны с особой груп­пой рецепторов, медиатором для которой служит глутамат. Среди них различают NМ^А-рецепторы (они селективно активируются синтетическим аналогом глутамата Т^-метил-0-аспартатом) ине-NМ^А-рецепторы. Каналы, связанные с NМ^А-рецепторами, имеют двойные ворота, открывающиеся при выполнении двух ус­ловий: мембрана должна быть сильно деполяризована, а к рецеп­тору должен присоединиться медиатор глутамат (рис. 32). Каналы, связанные с ММОА-рецепторами, находясь в открытом состоя­нии, пропускают очень большой потокионов Са²"*". Этаих отличи­тельная особенность очень важна для механизма памяти. Не-КМОА-рецепторы, реагируя на глутамат, сразу открывают кальциевые

Пресинапти-чсскии нейрон Кальций Пузырек 'уГ\ с нейромедиа- тором

Усиленное выделение нейромедиатора АОР-Рибозил-

Участок выделения нейромедиатора

трансфераза сОМР <—Гуанилат-< * циклаза

АОАОАОАОАОАОА

Кальций • . Магний /. ^ ^

Постеннапти-ческий нейрон

Ретроградный мессенджер (окись азота)

Рис. 32. Внутриклеточные процессы в постсинаптическом нейроне гиппо-кампа, реагирующего на глутамат (по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).

ионные каналы без дополнительных условий и Са^ входит в ней­рон. Это создает уровень деполяризации нейрона, который необ­ходим для реакции г^МОА-рецепторов. Деполяризация нейрона снимает блокаду с гШОА-каналов, которая осуществляется вне­клеточным магнием (Мё). Изменения на посте инаптической мем­бране с участием NМ^А- и не^МОА-рецепторов наиболее хо­рошо изучены у нейронов гиппокампа на модели долговременной

10-3341

Привыкание

Многократное раздражение сифона

Раздражение сифона

Потенциал-зависимые Са^-каналы и н а кти в иру юге я

Количество выделяемого медиатора снижается

Слабая реакция мотонейрона

Сенситизация Повторное раздражениеголовы

Раздражение сифона

Калиевые» каналы инактиви-руются

Количество выдел яемого /^''.'. ^медиатора возрастает

Продолжительное поступление Са2* вследствие того, что инактивация калиевыхканалов увеличивает длительностьпотенциала действия

Сильная реакция мотонейрона

Рис. 33. Механизм передачи сигнала от сенсорного нейрона к моторному, участвующего во втягивании жабры у аплизии при привыкании (а) и син-ситизации (б) (по Б. Альбертсу и др., 1994).

потенциации. Показано, что NМ^А-рецепторы играют ключевую роль в долговременной потенциации. Если такие каналы селективно блокировать с помощью специального ингибитора, то долговре­менная потенциация не происходит,хотя синаптическая передача не нарушается.При этом животное теряет способность ктому виду научения, который связан с гиппокампом. Искусственно регули-146

руя внутриклеточный уровень ионов Са²⁴', можно усилить потен-циацию или предотвратить ее. Ионы Са²⁴', войдя в постсинапти" ческуто клетку, соединяются с кальмодулином и в конечном счете активируют зависимые от него киназы. Предполагается, что кина-зы стимулируют синтез ретроградного мессенджера, который про­никает в пресинаптический нейрон и там дополнительно усилива­ет выброс из него медиатора глутамата.

Ионные процессы при сенситизации и привыкании в системе сенсорный нейрон — моторный нейрон, отвечающей за исполне­ние рефлекса втягивания жабры у аплизии (по результатам опытов Э. Кэндела), схематически представлены на рис. 33. При сенситиза-дии, которую можно вызвать у моллюска ударами по голове, ак­тивируются модулирующие нейроны. Они образуют на пресинап-тических окончаниях сенсорного нейрона синапсы, выделяющие серотонин. Серотонин через аденилатциклазу, с которой он взаи­модействует, приводит к инактивации калиевых каналов, что со­здает условия для удлинения ПД у сенсорного нейрона. В результа­те сенсорный нейрон может выделять больше нейромедиатора в синаптическую щель, чем обычно. Аналогичный эффект сенсити-зации у этих же нейронов можно получить, прикладывая серото­нин непосредственно к их мембране.

При привыкании повторяющееся возбуждение сенсорных кле­ток (на раздражение сифона) изменяет белки ионных каналов та­ким образом, что приток Са²⁴" в клетку падает за счет инактивации кальциевых каналов и количество высвобождаемого медиатора в синаптическую щель уменьшается.

Рассмотренные выше привыкание и сенситизация — очень простые формы научения. При ассоциативном научении процес­сы, происходящие в нервных клетках, значительно более сложны. Однако нейронные механизмы пластичности и связанные с ними ионные процессы, определяющие сенситизацию и привыкание, используются и в системе ассоциативного обучения. Так, события, развертывающиеся в нейроне во время сенситизации, могут быть обнаружены на начальном этапе ассоциативного обучения нейрона.

Отличительной особенностью ассоциативного обучения явля­ется наличие подкрепления, в роли которого может выступать силь­ное безусловное раздражение- Формирование ассоциации у нейро­нов предполагает наличие конвергенции подкрепляющего раздра­жителя и будущего условного сигнала. Механизмы условного рефлекса детально были изучены на нейронах моллюсков. Особен­но следует отметить вклад, который внесли работы Э. Кэндела и его коллег, выполненные на морском моллюске аплизии. У мол­люска имеется простой безусловный оборонительный рефлекс в

10-

виде втягивания жабры, служащей органом дыхания, в ответ на раздражение его тела с противоположной стороны от жабры (си­фона — мясистого отростка). Рефлекс вызывается возбуждением сенсорных нейронов сифона, которые прямо контактируют с мо­тонейронами жабры, а также с рядом интернейронов, образую­щих синапсы на тех же мотонейронах. Кроме того, рефлекс может быть вызван раздражением и других частей тела, в частности «хво­ста», электрическая стимуляция которого и была использована в качестве безусловного раздражителя при выработке условного реф­лекса. Установив, что у моллюска можно выработать условный обо­ронительный рефлекс — втягивание жабры — на слабое тактиль­ное раздражение сифона, подкрепляемое электрическим ударом по «хвосту», авторы исследовали связи между сенсорными нейро­нами сифона и их клетками-мишенями — мотонейронами и ин­тернейронами. Было обнаружено, что после выработки условного рефлекса слабая стимуляция сенсорных нейронов, связанных с си­фоном, одновременно начинает вызывать возбудительные синап-тические потенциалы как в интернейронах, так и в моторных, что и определяет появление условнорефлекторного втягивания жабры.

Э, Кэндел и Р. Хокинс (1992) так описывают результаты своих исследований по выработке условного оборонительного рефлекса у аплизии. Безусловный раздражитель — электрический удар по «хвосту» — активирует модулирующие нейроны, выделяющие се-ротонин.Таким образом, безусловный раздражитель представлен в сенсорном нейроне опосредованно через модулирующие нейроны-Условный раздражитель на сенсорном нейроне представлен их собственной активностью. Пунктомих конвергенции в сенсорном нейроне является аденилатциклаза, активация которой через два входа создает эффект, аналогичный сенситизации.Повышение про­водимости через синапс в пресинаптическом нейроне, возникаю­щее при ассоциативном обучении за счет совпадения активирую­щих влияний, поступающихчерез разные входы, требует от них соблюдения определенных временных отношений. Условный сиг­нал должен опережать действие безусловного на некоторый кри­тический интервал времени. Это правило временных отношений условного и безусловного раздражителей было сформулировано И.П. Павловым. Для условного рефлекса втягивания жабры время опережения условным сигналом безусловного составляет около 0,5 с. Модулирующие нейроны, активированные болевым раздражени­ем «хвоста» и действующие как усилители, вызывают большее пре-синаптическое облегчение сенсорных нейронов, если последние незадолго до этого находились в активном состоянии. Стимуляция же одних модулирующих нейронов вызывает меньшее синапти-

Пресинапти-ческий нейрон

Пресинапти-ческий нейрон

Модулирую­щийнейрон

Пост-
сил апти-	Пресинапти-
ческий	ческий нейрон
/ нейрон
^|. 1
^^"Ц

Рис. 34. Два принципа обучения: пре-постсинаптическое совпадение — синапс Хебба (а) и обучение, зависимое от модулирующего нейрона, — пре-модулирующее совпадение, или зависимое от активности облегчение (б) (поЭ. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).

ческое облегчение. Поэтому необходимо опережение безусловного раздражителя активацией пресинаптического нейрона, которая представляет действие условного раздражителя.

Это свойство пресинаптического облегчения, зависящее от вклада модулирующих нейронов, в 1963 г. Л. Тауц и Э. Кэндел на­звали обучением, зависящим от активности (рис. 34), и стали его рассматривать как новый принцип обучения. Поэтому к первому принципу обучения, предложенному в 1949 г. Д. Хеббом, добавил­ся второй. Принцип Д. Хебба утверждает необходимость совпаде­ния активности пресинаптического и постсинаптического нейро­нов как условие усиления связи между ними (пре-постсинаптичес­кое совпадение). Он получил название «синапс Хебба^. Согласно второму принципу для усиления связи между нейронами актив­ность постсинаптической клетки не нужна, если одновременно с пресинаптической клеткой активирован третий нейрон — моду­лирующий (пре-модулирующее совпадение).

Суть обучения, зависящего от активности, составляет одновре­менная активация фермента аденилатциклазы ионами Са²^, входя­щими в нейрон во время генерации ПД, и серотонином от модулирую­щих нейронов.

Появление пресинаптического облегчения в составе ассоциа­тивного обучения за счет участия модулирующих нейронов дока­зано при формировании условного оборонительного рефлекса у виноградной улитки. В системе оборонительного рефлекса улитки модулирующие нейроны представлены пулом серотонинергичес-

ких клеток педального ганглия. Их модулирующее влияние широ­ко распространяется в том числе и на пресипаптические оконча­ния сенсорных нейронов на командном нейроне оборонительного рефлекса. Избирательная блокада модулирующих нейронов пре­пятствует выработке условного рефлекса. Сопровождение услов­ного сигнала ударом тока активирует модулирующие нейроны, которые запускают механизм пресинаптического облегчения.

Неясно, как далеко можно экстраполировать данные, полу­ченные на моллюсках. Таков ли клеточный механизм фиксации следов памяти и у других животных? Э. Кэндел и Р. Хокинс пола­гают, что при обучении у моллюска и у млекопитающих действу­ют сходные механизмы, использующие модулирующее вещество, вызывающее зависимое от активности усиленное выделение ней-ромедиатора из пресинаптического нейрона. По их мнению, дол­говременная потенциация в гиппокампе как одна из форм обуче­ния млекопитающих требует участия специального гипотетичес­кого модулирующего вещества,