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 из АТФ синтезируется циклический 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 Са2+-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 — вход II (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-
142
* Вход I 1 (эффект ПД)
1 , ВходИ , 1 i (эффект серотонин- i
1 модулирующей системы) '
i i
Открытие потенциал-зависимых Са2+-каналов
I
Са2++ кальмодулин
J
Аденилатциклаза
I I
АТФ
Ш
цАМФ (циклический нуклеотид)
Т
Протеинкиназа А
Протеинкиназа С
Фосфорилирование белков Са2+-каналов
Фосфорилирование белков К-каналов
Открытие потенциал-независимых Са2+-каналов
Закрытие К-каналов
Рис. 30. Основные этапы фосфорилирования Са2+- 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 открывает их для входа ионов кальция. Киназа С фосфорилирует белки калиевых каналов, вызывая
143
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 за ПД и ВПСП, что приводит к удлинению ПД. На рис. 31 показана цепочка реакций, приводящих к инактивации К-каналов, вызываемой возбуждением модулирующих нейронов. Продление ПД удерживает потенциал-зависимые Са2+-каналы в открытом состоянии, что увеличивает в нейроне содержание свободного кальция и выброс медиатора. Фосфорили-рование калиевых каналов (S-каналов ) рассматривается как одна из форм кратковременной памяти, которая ограничена временем жизни белка, образующего S-каналы, и легко стирается при воздействии фосфопротеинфосфотаз (дефосфорилирующих S-каналы).
События, разворачивающиеся на постсинаптическом нейроне у млекопитающих в ситуации обучения, связаны с особой группой рецепторов, медиатором для которой служит глутамат. Среди них различают NMDA-рецепторы (они селективно активируются синтетическим аналогом глутамата N-метил-О-аспартатом) и не-NMDA-рецепторы. Каналы, связанные с NMDA-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 NMDA-рецепторами, находясь в открытом состоянии, пропускают очень большой поток ионов Са2+. Эта их отличительная особенность очень важна для механизма памяти. He-NMDA-рецепторы, реагируя на глутамат, сразу открывают кальциевые
144
Рис. 32. Внутриклеточные процессы в постсинаптическом нейроне гиппо-кампа, реагирующего на глутамат (по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).
ионные каналы без дополнительных условий и Са2+ входит в нейрон. Это создает уровень деполяризации нейрона, который необходим для реакции NMDA-рецепторов. Деполяризация нейрона снимает блокаду с NMDA-каналов, которая осуществляется внеклеточным магнием (Mg). Изменения на постсинаптической мембране с участием NMDA- и He-NMDA-рецепторов наиболее хорошо изучены у нейронов гиппокампа на модели долговременной
145
Привыкание
Многократное раздражение сифона
Раздражение сифона
Сенситизация
Повторное раздражение головы
Ток ионов Са2+ через потенциал-зависимые кальциевые каналы "снижается
Потенциал-зависимые Саг*-каналы инактивируются
Слабая реакция мотонейрона
Раздражение сифона
Калиевые каналы
l инактиви-\ руются
V
JF1 Количество
выделяемого/-^-.". • • ~—--«.^медиатора ***"^ возрастает
Продолжительное поступление Са2+ вследствие того, что инактивация калиевых каналов увеличивает длительность потенциала 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 NMDA-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 к тому виду научения, который связан с гиппокампом. Искусственно регули-146
руя внутриклеточный уровень ионов Са2+, можно усилить потен-циацию или предотвратить ее. Ионы Са2+, войдя в постсинапти-ческую 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 сенситизации, 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 сенситизации у этих же нейронов можно получить, прикладывая серотонин непосредственно к их мембране.
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
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 — вход II (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-
142
* Вход I 1 (эффект ПД)
1 , ВходИ , 1 i (эффект серотонин- i
1 модулирующей системы) '
i i
Открытие потенциал-зависимых Са2+-каналов
I
Са2++ кальмодулин
J
Аденилатциклаза
I I
АТФ
Ш
цАМФ (циклический нуклеотид)
Т
Протеинкиназа А
Протеинкиназа С
Фосфорилирование белков Са2+-каналов
Фосфорилирование белков К-каналов
Открытие потенциал-независимых Са2+-каналов
Закрытие К-каналов
Рис. 30. Основные этапы фосфорилирования Са2+- 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 открывает их для входа ионов кальция. Киназа С фосфорилирует белки калиевых каналов, вызывая
143
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 за ПД и ВПСП, что приводит к удлинению ПД. На рис. 31 показана цепочка реакций, приводящих к инактивации К-каналов, вызываемой возбуждением модулирующих нейронов. Продление ПД удерживает потенциал-зависимые Са2+-каналы в открытом состоянии, что увеличивает в нейроне содержание свободного кальция и выброс медиатора. Фосфорили-рование калиевых каналов (S-каналов ) рассматривается как одна из форм кратковременной памяти, которая ограничена временем жизни белка, образующего S-каналы, и легко стирается при воздействии фосфопротеинфосфотаз (дефосфорилирующих S-каналы).
События, разворачивающиеся на постсинаптическом нейроне у млекопитающих в ситуации обучения, связаны с особой группой рецепторов, медиатором для которой служит глутамат. Среди них различают NMDA-рецепторы (они селективно активируются синтетическим аналогом глутамата N-метил-О-аспартатом) и не-NMDA-рецепторы. Каналы, связанные с NMDA-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 NMDA-рецепторами, находясь в открытом состоянии, пропускают очень большой поток ионов Са2+. Эта их отличительная особенность очень важна для механизма памяти. He-NMDA-рецепторы, реагируя на глутамат, сразу открывают кальциевые
144
Рис. 32. Внутриклеточные процессы в постсинаптическом нейроне гиппо-кампа, реагирующего на глутамат (по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).
ионные каналы без дополнительных условий и Са2+ входит в нейрон. Это создает уровень деполяризации нейрона, который необходим для реакции NMDA-рецепторов. Деполяризация нейрона снимает блокаду с NMDA-каналов, которая осуществляется внеклеточным магнием (Mg). Изменения на постсинаптической мембране с участием NMDA- и He-NMDA-рецепторов наиболее хорошо изучены у нейронов гиппокампа на модели долговременной
145
Привыкание
Многократное раздражение сифона
Раздражение сифона
Сенситизация
Повторное раздражение головы
Ток ионов Са2+ через потенциал-зависимые кальциевые каналы "снижается
Потенциал-зависимые Саг*-каналы инактивируются
Слабая реакция мотонейрона
Раздражение сифона
Калиевые каналы
l инактиви-\ руются
V
JF1 Количество
выделяемого/-^-.". • • ~—--«.^медиатора ***"^ возрастает
Продолжительное поступление Са2+ вследствие того, что инактивация калиевых каналов увеличивает длительность потенциала 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 NMDA-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 к тому виду научения, который связан с гиппокампом. Искусственно регули-146
руя внутриклеточный уровень ионов Са2+, можно усилить потен-циацию или предотвратить ее. Ионы Са2+, войдя в постсинапти-ческую 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 сенситизации, 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 сенситизации у этих же нейронов можно получить, прикладывая серотонин непосредственно к их мембране.
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