Эти результаты невозможно объяснить механизмом пресинаптической пластичности: полностью изолированные нейроны лишены каких-либо контактов с другими нейронами. Они указывают на роль пост-синаптического и, вероятно, молекулярных механизмов в становлении следов памяти.
6.3.3. Пластичность пейсмекерного механизма
Особый вид пластичности обнаруживают пейсмекерные нейроны, способные к генерации эндогенного ритма.
Пейсмекеры (водители ритма) представляют собой источники активности мозга. Различают пейсмекеры в виде нейронной сети и 138
в виде отдельных нейронов, способных генерировать ритмическую спайковую активность.
Самый простой сетевой пейсмекер — это по крайней мере два нейрона, соединенных обратной положительной связью. Такая система обеспечивает межклеточную реверберацию сигнала (его многократное отражение). Реверберация реализуется через нервную сеть, так как сигнал выходит за пределы мембраны нейрона, где он первично возник. Воздействуя на один из нейронов сетевого пейсмекера, можно управлять его работой, включая или выключая реверберацию сигнала.
Другой тип пейсмекера состоит из одного нейрона, в котором возникает внутриклеточная реверберация импульса. Ее появление обусловлено двусторонним электротоническим распространением ПД вдоль аксона к его окончанию и в обратном направлении к соме. Достигая аксонного холмика, он вызывает генерацию нового ПД. Так возникает серия импульсов за счет челночного движения ПД. Но так как при распространении ПД вдоль аксона он активирует ионные каналы Са2+, то в результате увеличения притока ионов кальция внутрь клетки открываются кальций-зависимые К-каналы. Ионы К выходят в экстраклеточное пространство, и возникает волна гиперполяризации, которая ограничивает длительность ПД и ВПСП. Если заблокировать калиевые каналы, то клетка перейдет в режим реверберации. Таким образом, Са2+-зависимые К-каналы представляют собой звено, через которое можно включать и выключать режим внутриклеточной реверберации возбуждения.
Третий тип пейсмекера — это нейрон, в сому которого встроен генератор ритмической активности. Такие нейроны получили название пейсмекерных нейронов. Потенциалы, которые они генерируют (синусоидальные колебания на частоте около 0,1 — 10 Гц), относятся к эндогенным и могут быть выявлены у полностью изолированной сомы (Греченко Т.Н., Соколов Е.Н., 1987). Пейсмекерные потенциалы модулируют уровень мембранного потенциала. В отсутствие внешнего источника возбуждения синусоидальные эндогенные потенциалы периодически достигают порога генерации ПД, что и определяет появление у них ритмических спайко-вых разрядов. Предполагают, что пейсмекерная активность таких нейронов связана с колебаниями электрогенного активного транспорта ионов. Активный транспорт восстанавливает нарушенный после генерации ПД градиент ионов Na и К, имеющийся по обе стороны мембраны, и тем самым предохраняет нейрон от перевозбуждения. Пейсмекерная активность такого нейрона отражает ритм открывания и закрывания Са2+-каналов, которые взаимодействуют с Са2+-зависимыми К-каналами.
139
К факторам, запускающим генерацию эндогенного ритма, относятся синаптические и гуморальные влияния, действие пепти-дов, диффузное внесинаптическое влияние медиаторов. Они включают и выключают режим пейсмекерной активности. Управление пейсмекерной активностью экстраклеточными факторами обеспечивается взаимодействием локуса генерации эндогенного ритма с хемовозбудимой и электровозбудимой мембраной. Показана зависимость ритмической активности нейронного пейсмекера от уровня деполяризации нейрона. При слабой деполяризации основной вклад в генерацию эндогенных потенциалов вносят низкопороговые Са2+-каналы, при высоких значениях деполяризации — высокопороговые. С заменой низкопороговых Са2+-каналов на высокопороговые частота эндогенного ритма возрастает.
Пейсмекерные нейроны используются для управления реакциями организма. С их помощью реализуются генетические программы (например, локомоции). Благодаря их зависимости от си-наптических влияний они могут обеспечивать более гибкое применение генетических программ в адаптивном поведении.
Пейсмекерный механизм обладает пластичностью, которая выражается в том, что ответ нейрона меняется по мере повторения действия одиночных раздражителей. В том случае, если ответ пейсмекерного нейрона слабеет от применения к применению, этот процесс по аналогии с угасанием поведенческой реакции называют привыканием. Кроме привыкания, имеет место обратный процесс возрастания реакции нейрона от применения к применению. Его называют фасилитацией. Пластические реакции у пейсмекерного нейрона могут обеспечиваться изменением как возбудимости пейсмекерного механизма, так и эффективности синоптической передачи. Пластические свойства пейсмекерного механизма существенно расширяют адаптационные возможности организма в манипуляции генетическими программами поведения.
6.4. 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
140
Са2+
Са2+
Постсинаптическая клетка а
Рис. 29. Важнейшие события, происходящие в химическом синапсе после прибытия импульса в окончание аксона.
а — потенциал действия открывает каналы для входа Са2+ в пресинаптическое окончание; б — синаптические пузырьки сливаются с пресинаптической мембраной, высвобождая при этом медиатор; в — медиатор связывается с белками постсинаптической мембраны, изменяя их конформацию; г — после удаления медиатора из щели постсинаптические белки возвращаются в исходное состояние (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 Са2+ 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-
141
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 Са2+-каналов.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113
6.3.3. Пластичность пейсмекерного механизма
Особый вид пластичности обнаруживают пейсмекерные нейроны, способные к генерации эндогенного ритма.
Пейсмекеры (водители ритма) представляют собой источники активности мозга. Различают пейсмекеры в виде нейронной сети и 138
в виде отдельных нейронов, способных генерировать ритмическую спайковую активность.
Самый простой сетевой пейсмекер — это по крайней мере два нейрона, соединенных обратной положительной связью. Такая система обеспечивает межклеточную реверберацию сигнала (его многократное отражение). Реверберация реализуется через нервную сеть, так как сигнал выходит за пределы мембраны нейрона, где он первично возник. Воздействуя на один из нейронов сетевого пейсмекера, можно управлять его работой, включая или выключая реверберацию сигнала.
Другой тип пейсмекера состоит из одного нейрона, в котором возникает внутриклеточная реверберация импульса. Ее появление обусловлено двусторонним электротоническим распространением ПД вдоль аксона к его окончанию и в обратном направлении к соме. Достигая аксонного холмика, он вызывает генерацию нового ПД. Так возникает серия импульсов за счет челночного движения ПД. Но так как при распространении ПД вдоль аксона он активирует ионные каналы Са2+, то в результате увеличения притока ионов кальция внутрь клетки открываются кальций-зависимые К-каналы. Ионы К выходят в экстраклеточное пространство, и возникает волна гиперполяризации, которая ограничивает длительность ПД и ВПСП. Если заблокировать калиевые каналы, то клетка перейдет в режим реверберации. Таким образом, Са2+-зависимые К-каналы представляют собой звено, через которое можно включать и выключать режим внутриклеточной реверберации возбуждения.
Третий тип пейсмекера — это нейрон, в сому которого встроен генератор ритмической активности. Такие нейроны получили название пейсмекерных нейронов. Потенциалы, которые они генерируют (синусоидальные колебания на частоте около 0,1 — 10 Гц), относятся к эндогенным и могут быть выявлены у полностью изолированной сомы (Греченко Т.Н., Соколов Е.Н., 1987). Пейсмекерные потенциалы модулируют уровень мембранного потенциала. В отсутствие внешнего источника возбуждения синусоидальные эндогенные потенциалы периодически достигают порога генерации ПД, что и определяет появление у них ритмических спайко-вых разрядов. Предполагают, что пейсмекерная активность таких нейронов связана с колебаниями электрогенного активного транспорта ионов. Активный транспорт восстанавливает нарушенный после генерации ПД градиент ионов Na и К, имеющийся по обе стороны мембраны, и тем самым предохраняет нейрон от перевозбуждения. Пейсмекерная активность такого нейрона отражает ритм открывания и закрывания Са2+-каналов, которые взаимодействуют с Са2+-зависимыми К-каналами.
139
К факторам, запускающим генерацию эндогенного ритма, относятся синаптические и гуморальные влияния, действие пепти-дов, диффузное внесинаптическое влияние медиаторов. Они включают и выключают режим пейсмекерной активности. Управление пейсмекерной активностью экстраклеточными факторами обеспечивается взаимодействием локуса генерации эндогенного ритма с хемовозбудимой и электровозбудимой мембраной. Показана зависимость ритмической активности нейронного пейсмекера от уровня деполяризации нейрона. При слабой деполяризации основной вклад в генерацию эндогенных потенциалов вносят низкопороговые Са2+-каналы, при высоких значениях деполяризации — высокопороговые. С заменой низкопороговых Са2+-каналов на высокопороговые частота эндогенного ритма возрастает.
Пейсмекерные нейроны используются для управления реакциями организма. С их помощью реализуются генетические программы (например, локомоции). Благодаря их зависимости от си-наптических влияний они могут обеспечивать более гибкое применение генетических программ в адаптивном поведении.
Пейсмекерный механизм обладает пластичностью, которая выражается в том, что ответ нейрона меняется по мере повторения действия одиночных раздражителей. В том случае, если ответ пейсмекерного нейрона слабеет от применения к применению, этот процесс по аналогии с угасанием поведенческой реакции называют привыканием. Кроме привыкания, имеет место обратный процесс возрастания реакции нейрона от применения к применению. Его называют фасилитацией. Пластические реакции у пейсмекерного нейрона могут обеспечиваться изменением как возбудимости пейсмекерного механизма, так и эффективности синоптической передачи. Пластические свойства пейсмекерного механизма существенно расширяют адаптационные возможности организма в манипуляции генетическими программами поведения.
6.4. 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
140
Са2+
Са2+
Постсинаптическая клетка а
Рис. 29. Важнейшие события, происходящие в химическом синапсе после прибытия импульса в окончание аксона.
а — потенциал действия открывает каналы для входа Са2+ в пресинаптическое окончание; б — синаптические пузырьки сливаются с пресинаптической мембраной, высвобождая при этом медиатор; в — медиатор связывается с белками постсинаптической мембраны, изменяя их конформацию; г — после удаления медиатора из щели постсинаптические белки возвращаются в исходное состояние (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 Са2+ 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-
141
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 Са2+-каналов.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113