УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2011, том 42, № 1, с. 33-52
УДК 612.833+612.822.5+591.5
ИЗМЕНЕНИЕ ВОЗБУДИМОСТИ НЕЙРОНАЛЬНОЙ МЕМБРАНЫ КАК КЛЕТОЧНЫЙ МЕХАНИЗМ ОБУЧЕНИЯ И ПАМЯТИ
© 2011 г. X. Л. Гайнутдинов, В. В. Андрианов, Т. X. Гайнутдинова
Учреждение Российской академии наук Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН,
лаборатория биофизики, г. Казань
В обзоре представлены данные литературы и результаты собственных исследований динамики электрических характеристик нейронов, изменения которых включаются в процессы как формирования обучения, так и сохранения долговременной памяти. Эти сведения позволяют сделать вывод, что длительное сохранение поведенческих феноменов при обучении сопровождается не только изменением эффективности синаптической передачи, но и повышением возбудимости командных нейронов оборонительного рефлекса. Это означает, что в процесс обучения вовлекаются длительные изменения свойств мембраны определенных элементов нейронной сети, зависимые от метаболизма клетки. Такое явление можно обозначить как клеточные (электрофизиологические) корреляты длительных пластических модификаций поведения. Анализ имеющихся результатов демонстрирует важную роль мембранных характеристик нейронов (их возбудимости) и параметров синаптической передачи не только в начальной стадии обучения, но и в длительных модификациях поведения (долговременной памяти).
Ключевые слова: возбудимость, мембранный потенциал, пороговый потенциал, простая нервная система, сенсорные и командные нейроны, обучение, условный рефлекс, память.
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о клеточных механизмах обучения и памяти стоит давно [27, 40, 72, 123]. Множество экспериментальных данных показывает, что клеточные процессы, связанные с обучением, происходят на двух уровнях (участках нейронной сети): пресинаптическом (длительные модификации эффективности синаптической передачи) и пост-синаптическом (изменения эндогенных свойств нейрона и его мембраны) [6, 10, 16, 88, 116, 161]. Роль мембранных характеристик нейронов и параметров синаптической передачи в механизмах длительных ассоциативных и неассоциативных пластических модификаций поведения исследована в большом количестве работ [14, 41, 57, 63, 65, 72, 84, 103, 122, 138, 142]. Этот интерес определяется ключевой ролью нейронов и их сигнальной системы и синаптической передачи между ними в интегративной деятельности мозга [2, 19, 35, 61, 83, 117, 139, 173].
Для решения этих вопросов широко используются моллюски, обладающие относительно простой нервной системой с идентифицируемыми клеточными элементами и достаточно сложным поведенческим репертуаром. Эксперименты на брюхоногих моллюсках и упрощенных моделях,
направленные на изучение клеточных основ ассоциативного обучения, оказались результативными для анализа механизмов пластичности [7, 15, 27, 29, 33, 36, 37, 39, 50, 69, 73, 75, 86, 106, 124, 134, 143]. Несмотря на большое разнообразие форм условно-рефлекторных реакций, существование различных классификаций условно-рефлекторных реакций у разных видов животных, принципиальное единство этих реакций не вызывает сомнений [3, 47].
Открытие таких явлений, как гетеросинаптичес-кое облегчение (ГСО) и посттетаническая потен-циация (ПТП) или длительная потенциация (ДП), на значительное время предопределило внимание исследователей к проблемам эффективности си-наптической передачи [116]. Однако в последние годы накапливаются сведения о вовлечении в механизм ассоциативного обусловливания также и изменений на уровне постсинаптического нейрона [2, 12, 37, 56, 60, 61, 62, 129, 130, 164], появляются новые данные предсуществующих ионных токах в определенных нервных клетках [182, 185], которые могут существенно меняться в результате обучения [142, 163], меняют отношение исследователей к роли возбудимости нейрона и опосредующих ее причин в механизмах обучения [64, 166, 186]. Эти причины побудили нас провести обзор работ в данном направлении.
1. НЕЙРОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ АССОЦИАТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ У ЖИВОТНЫХ С ПРОСТОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМОЙ
В этом разделе кратко рассмотрены основные экспериментальные работы по выработке условных рефлексов у животных с простой нервной системой и подробно проанализированы результаты исследований по клеточным и мембранным механизмам ассоциативного обучения.
1.1. Ассоциативное обучение у моллюсков
Кэндел и Таук в идентифицированном нейроне аплизии Я2 обнаружили явление гетеросина-птического облегчения [124], когда амплитуда возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) в ответ на тестирующий стимул увеличивалась в несколько раз после применения кондиционирующего стимула. ГСО привлекло внимание многих исследователей, и эта работа послужила отправной точкой для изучения более сложных форм поведения на клеточном уровне.
Первая работа, в которой была доказана ассоциативность наблюдаемых в ходе обучения изменений поведения у моллюсков, была проведена на хищном моллюске Р1еигоЬгапсЬаеа саИйогшса [144]. Тактильное раздражение оральной области необученного плевробранха вызывало рефлекс отдергивания головы. Сочетание тактильного стимула с пищевым стимулом (подачей гомогена-та кальмара) приводило к уменьшению величины этой реакции, а затем к классическому обусловливанию - пищевой реакции в ответ на тактильное раздражение. Позднее авторы упростили форму выработки условного рефлекса (УР), сразу прибегнув к аверзивному рефлексу на пищу [143]. Выработанный рефлекс сохранялся в течение четырех недель, а модификации, полученные в процессе обучения, поддавались дифференцировке. Детальные исследования возможности выработки УР были проведены на слизне Ышах [106]. Вырабатывалась аверзия к пище путем сочетания предъявления одного вида пищи (грибов) с экспозицией углекислого газа с использованием одного сочетания в день. У слизней вырабатывался устойчивый УР, который имел дифференцировку на другой вид пищи (картофель) и сохранялся в течение трех недель. Вырабатывался также стойкий УР отказа от пищи после сочетания ее с веществом горького вкуса - гуанидинсульфатом у слизня, который подвергался дифференцировке и охранялся длительное время [162]. У виноградной улитки также вырабатывали рефлекс аверзии к пище при сочетании пищи с веществом горь-
кого вкуса - хинином [34, 38] - и при сочетании с электрическим раздражением [21, 29]. Существенным было то, что у виноградной улитки легко формировалась дифференцировка к другим видам пищи [7, 29]. Выработка аверзии к пище проводилась и другими группами исследователей: на плевробранхе [89, 126], на прудовике [170, 171].
Была показана возможность выработки УР на ситуационное обусловливание, когда виноградная улитка обучалась отличать электрические стимулы, предъявленные в конкретной ситуации (на шаре), в другой ситуации (на плоской поверхности) - не реагировать на них [59]. Далее было обнаружено, что данная долговременная обстановочная память может быть нарушена блокато-ром белкового синтеза анизомицином, если его применить сразу после напоминания обстановки (контекста) [19]. Ситуационное обусловливание было показано и у прудовика с использованием пребывания животного в условиях гипоксии в качестве модельной системы [113, 135]. Контекстуально специфическое обучение и память о нем были обнаружены у многих других беспозвоночных животных [42, 43, 79, 113, 134].
1.2. Клеточные и мембранные механизмы ассоциативного обучения у моллюсков
В целом, выделяют две основные стратегии исследований клеточных механизмов обучения [72]: 1) проведение обучения на первоначально интактном животном с последующим анализом на клеточном уровне; 2) использование клеточных аналогов обучения, когда эксперименты проводятся на изолированном или полуинтактном препаратах либо в диссоциированной клеточной культуре. Клеточные исследования на препаратах обученных животных начались раньше, однако исследования на клеточных аналогах обучения более распространены, так как они позволяют локализовать те изменения, которые происходят при обучении.
Детальный анализ мембранных механизмов формирования УР был проведен на разных объектах, в том числе на виноградной улитке Helix lucorum. Так, в командных нейронах ЛПа3 и ППа3 оборонительного рефлекса виноградной улитки было обнаружено увеличение возбудимости вследствие снижения порогового потенциала на начальной стадии выработки УР на клеточном аналоге, а также была показана генерация большого числа потенциалов действия (ПД) после его полной выработки [28, 29]. При использовании полуинтактного препарата было отмечено появление реакций на пищевой стимул в форме деполяризационного сдвига мембранного потен-
циала командных нейронов ЛПа3 и ППа3 [28]. При сочетанных аппликациях морковного сока и 5-10%-ного хинина в других командных нейронах ЛПл1 и ППл1 виноградной улитки были зарегистрированы изменения фоновой биоэлектрической активности. Была обнаружена деполяризация на 10-15 мВ, увеличение возбудимости на 55-65% и генерация ПД и ВПСП с высокой частотой [32].
Клеточные и молекулярные механизмы обучения и сохранения памяти наиболее интенсивно изучаются на примере рефлексов отдергивания жабр и сифона у моллюска Aplysia. Основные работы на этом объекте были выполнены на клеточных аналогах обучения - изолированном препарате либо в клеточной культуре [122]. На основе этих безусловных рефлексов также формировалось классическое обусловливание, т.е. ассоциативная форма обучения, когда условным рефлекс (УС) становится сильнее и продолжительнее, если перед сильным сенситизирующим стимулом применять условный стимул - касание сифона [53, 74]. Группой авторов был проведен поиск точек межнейронных взаимодействий, которые являются узловыми участками пластичности при обучении. Были рассмотрены следующие синапсы: сенсорный нейрон - мотонейрон, сенсорный нейрон - возбуждающий интернейрон, возбуждающий интернейрон - мотонейрон и взаимные связи возбуждающего и тормозного интернейронов. Основное облегчение было найдено в синапсах сенсорный нейрон - мотонейрон, а также сенсорный нейрон - возбуждающий интернейрон [177]. Для определения роли сенсомоторных синапсов в процессе выработки УР отдергивания сифона
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.