СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2013, том 27, № 3, с. 195-204
УДК 612-85
К ВОПРОСУ ОБ АДАПТАЦИИ ПЛОТНОСТИ ИМПУЛЬСАЦИИ В ВОЛОКНАХ СЛУХОВОГО НЕРВА. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
© 2013 г. Н. Г. Бибиков
ФГУП Акустический институт имени акад. Н.Н. Андреева 117036 Москва, Шверника, 4 E-mail: nbibikov1@yandex.ru
Поступила в редакцию 11.02.2013 г.
Проведен аналитический обзор экспериментальных данных и моделей, характеризующих уменьшение во времени мгновенной частоты импульсации волокон слухового нерва при действии тональных сигналов неизменного уровня. Этот процесс обычно описывается несколькими экспонентами, причем основной интерес представляет кратковременная адаптация с постоянной времени порядка десятков миллисекунд. Традиционно кратковременная адаптация моделируется за счет предположения об истощении медиатора, выделяемого внутренней волосковой клеткой в синапти-ческую щель перед периферическим дендритом нейрона спирального ганглия, центральные аксоны которого формируют слуховой нерв. Разнообразные модификации этой модели, включающие возможность существования множественных резервуаров медиатора и его непрерывное восполнение, не смогли адекватно воспроизвести современные экспериментальные данные. Более того, все эти модели не могут обеспечить увеличение дифференциальной чувствительности нейронов слухового нерва в процессе адаптации. Альтернативная модель кратковременной адаптации (Бибиков, Иваницкий, 1985) предполагает ее постсинаптическое происхождение в нейронах спирального ганглия за счет сравнительно длительного, слабого, но суммирующегося для последовательных спайков повышения порога генерации потенциала действия (или также суммирующейся гиперполяризации мембраны). Демонстрация факта наличия кратковременной адаптации при электрической стимуляции волокон, а также ряд прямых свидетельств повышения дифференциальной чувствительности волокон слухового нерва в процессе кратковременной адаптации свидетельствуют в пользу последней модели. Недавно ее хорошо развитая модификация была использована при моделировании адаптации в слуховом нерве насекомых. Современные данные подчеркивают важнейшую роль адаптационных процессов подстройки порога на всех уровнях слухового пути для обеспечения высокой дифференциальной чувствительности слуха в громадном динамическом диапазоне.
Ключевые слова: слуховой нерв, кратковременная адаптация, адаптивное изменение порога, истощение медиатора, повышение дифференциальной чувствительности.
Хорошо известно, что частота импульсации волокон слухового нерва млекопитающих при действии тональных отрезков постоянной амплитуды обычно падает от начального значения до квазистационарного уровня. Такая адаптация осуществлялась с постоянной времени порядка нескольких десятков миллисекунд (К1а^ et а1., 1965), причем установившийся уровень обычно соответствовал примерно 30-40% от начального значения. Поскольку волокна слухового нерва являются наиболее узким местом передачи информации в головной мозг, любая модель нейронов слухового пути должна включать в себя и
этот эффект. В течение последних десятилетий главенствующей, а фактически и единственной моделью кратковременной адаптации в волокнах слухового нерва являлась модель, предложенная Швидом и Гейслером (Schwid, Geisler, 1982), а также Смитом и Брахманом (Smith, Brachman, 1982) и модифицированная английским исследователем Меддисом (Meddis, 1986; 1988). Все эти модели опирались на экспериментальные данные, полученные в 1978 г. Фурукавой и Матсуура (Furukawa, Matsuura, 1978), которые в саккулюсе золотой рыбки смогли зарегистрировать одновременно внутриклеточный рецепторный потенциал
волосковой клетки и внутриклеточный генераторный потенциал волокна саккулярного нерва. Первый из этих потенциалов не уменьшался при действии постоянного сигнала, а второй - ослаблялся примерно с теми же постоянными времени, которые наблюдали в слуховом нерве млекопитающих. Предполагалось, что адаптация генераторного потенциала осуществляется за счет того, что медиатор волосковой клетки, довольно быстро истощается по мере его выделения в синапти-ческую щель. Хотя с тех пор эффект истощения медиатора даже во внутреннем ухе рыб остается количественно не изученным (Kyogoku et al., 1986), вполне естественно было допустить, что примерно такие же процессы происходят и в улитке млекопитающих. Тем более что основное предположение, лежащее в основе модели, представлялось вполне обоснованным, почти очевидным. На самом деле трудно было допустить, что одна клетка может непрерывно выделять значительные порции медиатора, фактически не испытывая его дефицита. В последующие годы появилось множество модификаций этой модели (Meddis, 1988; Westerman, Smith, 1988; Hewitt, Meddis, 1991; Meddis, et al., 1990; Ross, 1996; Sumner et al., 2002, 2003), различающихся между собой по ряду далеко не всегда твердо экспериментально обоснованных предположений. В некоторых из них действительно удавалось получить временное течение адаптации, качественно вполне соответствующее экспериментальным данным.
Однако уже с самого начала выдвижения этой гипотезы стало совершенно ясно, что эта, казалось бы, вполне очевидная модель сталкивается с существенными трудностями. Важнейшая из них заключалась в простом, но твердо установленном экспериментальном факте: параметры, характеризующие эффект адаптации, мало изменялись даже при существенном варьировании интенсивности звука. Естественно, что в модели, основанной на истощении медиатора, адаптация должна была резко усиливаться при увеличении уровня стимула. В эксперименте это явление либо не наблюдалось, либо было выражено незначительно. Поэтому в модифицированные модели вводились такие особенности как существование множественных отдельных резервуаров медиатора, быстрое и медленное его восполнение и многие иные особенности, обсуждать которые мы не будем, поскольку большинство из них не опиралось на убедительные экспериментальные доказательства. При этом во всех предлагаемых модификациях оставалось неизменным главное свойство модели: при постоянном внешнем воз-
действии (например, отрезке высокочастотного тона) рецепторный потенциал волосковых клеток остается примерно неизменным, а генераторный потенциал дендритов слухового нерва, приводящий к генерации спайка, характеризуется выраженной адаптацией. Справедливость первого из этих положений было прямо продемонстрировано работами Рассела и Селлика (Russell, Sellick, 1978), впервые осуществившими исследование внутриклеточной активности внутренних волосковых клеток. Справедливость второго - в течение длительного времени считалось очевидным.
Важно заметить, что в значительное большинство моделей дальнейшего преобразования сигналов в слуховом пути включали этап адаптации, воспроизводимый, как правило, в соответствии с духом гипотезы Меддиса (Carney, 1993; Zhang et al., 2001). Важно отметить, что включалась она и в модели, относящиеся к механизмам временного анализа, для которых особенности адаптации на периферии слухового пути имеют решающее значение. К таковым, в частности, следует отнести модельные исследования, касающиеся кодирования амплитудной модуляции в кохлеарном ядре и в задних холмах, среди которых можно отметить и вполне современные (Hewitt, Medis, 1994; Hewitt et al., 1991; Dicke et al., 2006; Guerin et al., 2006; Eguia et al., 2010).
Однако уже к концу прошлого века постепенно становилось ясно, что ни одна из моделей адаптации в волокнах слухового нерва, основанная на гипотезе об истощении медиатора, не позволяет объяснить все известные физиологические факты. Видимо именно поэтому в некоторых других работах, посвященных реакции нейронов слухового пути на сложные амплитудно-модулирован-ные сигналы, вопрос об адаптационных процессах на этапе между внутренними волосковыми клетками и нейронами спирального ганглия просто игнорировали (Dau et al., 1996; 1997). Та же картина наблюдается, например, и в современном модельном исследовании (Jennings et al., 2011), посвященном анализу эффекта овершута (повышению чувствительности к инкрементам сигнала при его задержке относительно начала стимула). Здесь тоже этап преобразования между внутренней волосковой клеткой и нейроном спирального ганглия фактически игнорируется. В самом деле, любое преобразование на основе истощения медиатора может приводить только к ослаблению реакции на приращение в процессе адаптации, т.е. к эффекту, прямо противоположному экспериментально наблюдаемому явлению овершута.
Надо отметить, что перед тем как модель адаптации, основанная на истощении медиатора, стала доминирующей, некоторые экспериментальные факты трудно поддавались объяснению с точки зрения такого подхода. Совершенно ясно, что на выходе моделей, основанных на истощении медиатора и являющихся фактически вариантами автоматической регулировки усиления, реакции на изменения сигнала должны уменьшаться в процессе адаптации примерно так же как уменьшается и сам ответ. Однако этот вывод никак не соответствовал экспериментальным фактам. Так, уже в ранних публикациях (Smith, Zwislocki, 1975; Westerman, Smith, 1987) было показано, что реакция волокон слухового нерва на приращение амплитуды, во всяком случае, не ослаблялась при увеличении задержки между началом сигнала и началом этого приращения.
Одновременно в конце прошлого столетия стали накапливаться данные, ставящие под сомнение основную экспериментальную предпосылку, на которой были основаны все рассмотренные модели. Стал вызывать сомнение факт наличия адаптации генераторного потенциала, возникающего в месте возникновения спайка нейрона спирального ганглия. Отметим, что неопределенность, касающаяся данного вопроса, во многом была связана с трудностями регистрации внутриклеточных синаптических потенциалов биполярных нейронов спирального ганглия. Тела этих нейронов, покрытые миелиновой оболочкой, расположены сравнительно далеко от места, куда поступает синаптическое воздействие и где фактически возникает спайк. Миелиновая оболочка покрывает как центральный отросток клетки, формирующий слуховой нерв, так и его периферический отросток, который идет от тела кл
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.