= ОБЗОРЫ =
УДК 612.82
КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИИ ГАМКергических ИНТЕРНЕЙРОНОВ
НОВОЙ КОРЫ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
© 2013 г. А. В. Зайцев
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, 194223, Санкт-Петербург, пр. Тореза, 44; электронная почта: aleksey_zaitsev@mail.ru Поступила в редакцию 19.03.2013 г.
ГАМКергические интернейроны составляют примерно 20% от всех нейронов коры и представляют собой гетерогенную группу клеток. В последние годы стало очевидно, что разные популяции интернейронов не только обеспечивают баланс возбуждения и торможения в нейронных сетях, но и критически важны для генерации ритмической активности, успешной переработки сенсорной информации, реализации синаптической пластичности и ряда других функций. В обзоре рассматриваются современные подходы к классификации интернейронов и систематизируются данные о свойствах и функциональной роли корзинчатых клеток, клеток-канделябров, нейроглиаформных интернейронов, клеток Мартинотти и других классов интернейронов на основе морфологических, иммуно-гистохимических, электрофизиологических и оптогенетических исследований. Обсуждаются возможности и перспективы избирательного воздействия на целевые популяции интернейронов. Также в обзоре приводятся данные о роли различных популяций интернейронов в патогенезе таких заболеваний, как эпилепсия и шизофрения.
Ключевые слова: ГАМКергические интернейроны, торможение, синаптическая передача, кора больших полушарий, электрофизиология.
Б01: 10.7868/80233475513040099
Более века назад Рамон-и-Кахаль показал, что нейроны коры существенно различаются по морфологии и подразделил их на две большие группы [1]. В первую вошли длинноаксонные (проекционные, или главные) нейроны, их аксоны не только контактируют с нейронами внутри коры, но и идут за ее пределы. Морфологически эти нейроны схожи и по форме тела названы пирамидными клетками. У каждой пирамидной клетки есть апикальный и несколько базальных денд-ритов, густо покрытых шипиками. Во вторую группу вошли короткоаксонные нейроны, или интернейроны; их аксоны не покидают кору, а дендриты практически лишены шипиков. Этих клеток в коре всего 15—30% от общего числа нейронов, но зато они гораздо разнообразнее по морфологии. Рамон-и-Кахаль первым описал несколько классов интернейронов, известных в настоящее время как нейроглиаформные клетки, клетки с двойным букетом, клетки Мартинотти (цит. по [2]). Чуть позднее Лоренцо де Но выделил более десятка различных типов интернейронов в соматосенсорной коре мыши [3] и гиппокампе [4].
Долгое время интернейроны не привлекали особого внимания исследователей. Интерес к
ним возродился после нескольких важных открытий. В 1959 году Грей описал два типа синапсов: синапсы первого типа, асимметричные, формировались в основном на дендритах и их шипиках, тогда как синапсы второго типа, симметричные, встречались на телах и дендритах, но не на шипиках [5]. Практически сразу были высказаны обоснованные предположения, что эти синапсы функционально различаются: асимметричные обеспечивают передачу возбуждения [6], а симметричные — торможения [7]. После работ Сен-тогатаи стало практически общепринятым, что именно интернейроны формируют симметричные синапсы и обеспечивают локальное торможение в нейронных сетях [8]. Однако окончательно тормозную роль интернейронов удалось доказать только в 1978 году после обнаружения в интернейронах фермента глутаматдекарбоксила-зы (GAD) [9], обеспечивающего синтез основного тормозного медиатора ГАМК. С этого времени началось интенсивное изучение свойств и функций интернейронов коры.
Вскоре было выявлено, что не все интернейроны являются тормозными, некоторые из них формируют асимметричные синапсы и содержат глутамат, например, мшистые клетки гиппокампа
[10] и звездчатые шипиковые клетки коры [11]. Эти интернейроны не будут рассматриваться в рамках данного обзора. Следует также отметить, что не все ГАМКергические клетки коры являются интернейронами в строгом смысле этого слова: описаны ГАМКергические нейроны, аксоны которых покидают кору и, таким образом, формально уже не считаются интернейронами [12].
Интернейроны коры по многим своим характеристикам сходны с интернейронами гиппокам-па, и поэтому исследования ГАМКергических нейронов этих областей мозга во многом дополняют друг друга. Так как данный обзор сосредоточен в первую очередь на интернейронах коры, то информацию об интернейронах гиппокампа читатель может найти в ряде превосходных обзоров [13-20].
Благодаря многочисленным проведенным исследованиям стало очевидно, что ГАМКергиче-ские нейроны не только обеспечивают баланс возбуждения и торможения в нейронных сетях, как предполагалось первоначально, но также критически важны для генерации ритмической активности, успешной переработки сенсорной информации, реализации синаптической пластичности и ряда других функций [21]. Цель данного обзора — познакомить читателя с многообразием ГАМКергических интернейронов коры и основными критериями, которые используются для их классификации, а также ролью различных классов интернейронов в работе нейронных сетей в норме и при некоторых патологических процессах в ЦНС.
КРИТЕРИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ИНТЕРНЕЙРОНОВ
Интернейроны коры чрезвычайно разнообразны, однако большинство исследователей убеждено, что интернейроны можно разделить на отдельные классы, которые специализируются на выполнении той или иной функции в нейронных сетях [22, 23]. В идеале интернейроны одного класса должны быть сходны по морфологическим, электрофизиологическим, молекулярным и функциональным свойствам, однако в реальности интернейроны внутри одного класса могут существенно различаться по ряду признаков. Тем не менее, различия между классами будут более выраженными, чем внутри одного и того же класса [24]. Вопрос о критериях, на основании которых следует классифицировать интернейроны, является предметом многолетних дебатов. Часто критерии выбирались различными исследователями произвольно, поэтому сравнение результатов, полученных в разных лабораториях, затруднительно. В 2008 году в Петилья-де-Арагон — родном городке Рамона-и-Кахаля (Испания), была проведена специальная конференция по выработке единых подходов к классификации интер-
нейронов [24]. Согласно рекомендациям данной конференции, описание любого класса интернейронов должно строиться с учетом их морфологических, молекулярных и электрофизиологических свойств (таблица).
Морфологические критерии. Первые классификации интернейронов были сделаны исключительно на основе морфологических свойств при изучении препаратов мозга, окрашенных по методу Гольджи. В дальнейшем многочисленные интернейроны были описаны в различных отделах коры у разных видов млекопитающих, при этом названия классов интернейронов, описанных в разных лабораториях, часто не совпадают [25, 26]. Появление методов, позволяющих окрасить отдельные нейроны путем внутриклеточного введения красителя, сделало возможным получение более детальных реконструкций нейронов. В настоящее время на сайте http://neuromorpho.org ведется работа по созданию банка трехмерных морфологических реконструкций нейронов, и уже сейчас он включает сотни примеров корковых интернейронов [27].
Морфологические классификации основаны на идее, что интернейроны специализируются на выполнении определенных функций в коре, которые обусловлены их связями (рис. 1); поэтому важно знать, какие клетки и какие их участки будет иннервировать данный интернейрон и, соответственно, насколько эффективным будет оказываемое им торможение [24, 28]. В таких классификациях в первую очередь учитывают особенности ветвления аксона, горизонтальное и вертикальное распространение его коллатералей, расположение синаптических бутонов на терминалях. Например, коллатерали аксона у клеток-канделябров и ней-роглиаформных клеток расположены весьма компактно и практически не выходят за пределы слоя и колонки, в котором располагается тело и, таким образом, обеспечивается торможение только соседних с ними клеток. У клеток с двойным букетом коллатерали аксона идут в основном вертикально и проходят через все слои своей корковой колонки, но практически не заходят в соседние колонки, обеспечивая торможение только внутри своей колонки. У многих корзинчатых интернейронов аксоны расположены преимущественно в том же слое, что и тело, при этом колла-терали аксонов могут идти горизонтально на большие расстояния, обеспечивая латеральное торможение соседних колонок [29].
Методом электронной микроскопии было выявлено, что разные классы интернейронов образуют синаптические контакты лишь с определенными участками мембраны постсинаптических клеток [30]. Некоторые интернейроны формируют синаптические контакты преимущественно на теле и проксимальных дендритах пирамидных клеток (корзинчатые интернейроны), другие — на различных частях дендритов пирамидных клеток
Характеристики, используемые для описания свойств интернейронов
Критерии Основные характеристики
Морфологические Тело (форма, размер, ориентация и др.) Дендриты (число и расположение, особенности ветвления, постсинаптические элементы) Аксоны (траектория и особенности ветвления, форма терминальных окончаний, форма синаптических бутонов, синаптические цели) Синапсы (электрические и химические, расположение и распределение)
Молекулярные Транскрипционные факторы Нейромедиаторы и синтезирующие их ферменты Нейропептиды Кальцийсвязывающие белки Рецепторы (ионотропные, метаботропные) Ионные каналы Структурные белки, поверхностные маркеры, коннексины Транспортеры (мембранные, везикулярные)
Физиологические Подпороговые мембранные свойства (потенциал покоя, постоянная времени мембраны, входное сопротивление, осцилляции и резонансные частоты, выпрямление, реобаза и др.) Свойства потенциала действия (амплитуда, порог, полуширина, следовые потенциалы, изменение формы в ходе пачечного ответа) Распространение потенциала действия по дендритам Характеристики ответов на длительную деполяризацию (начальный ответ и ответ после адаптации, частотные характеристики) Ответы на гиперполяризующий ток (ректификац
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.