УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2013, том 44, № 4, с. 3-23
УДК 612.821.2 + 612.829.3
МОЛЕКУЛЯРНО-НЕЙРОХИМИЧЕСКИЕ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ: РЕАЛИЗАЦИЯ ПОВЕДЕНИЯ, ОБУЧЕНИЕ, КОНСОЛИДАЦИЯ, ХРАНЕНИЕ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПАМЯТИ
© 2013 г. А. С. Базян
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
Описаны реальные пирамидные и экстрапирамидные нейронные сети головного мозга млекопитающих, осуществляющие поведение, моторный контроль и участвующие в процессах обучения и памяти. Описан алгоритм пластичности постсинаптических рецепторов возбуждающих глутаматергических синапсов, который приводит к модификации и сохранению на длительное время эффективности синаптической передачи - длительная потенциация, длительная депрессия. Анализируются механизмы аллостерической пластичности ГАМКА-рецепторов. Описаны молекулярно-клеточные механизмы кругооборота и передвижения ГАМКА-рецептора и их роль в динамической модуляции торможения нейрона. Анализируется молекулярно-клеточный алгоритм аллостерической пластичности ГАМКА-рецепторов. Обсуждается гипотеза актуализации нейронных сетей, которая осуществляется на молекулярном уровне с помощью механизмов интернализа-ции и рециклизации специфического кластера ГАМКА-рецептора. Предполагается, что это процесс переноса памяти из стадии хранения в стадию рабочей или оперативной памяти. Деактуализация нейронных сетей, которая осуществляется на молекулярном уровне с помощью механизма интер-нализации специфического кластера ГАМКА-рецептора, является процессом переноса памяти из стадии рабочей или оперативной памяти в стадию хранения.
Ключевые слова: процессы пластичности, АМРА, ЛМОА-рецепторы, ГАМКа-рецептор, реализация поведения, обучение, консолидация, хранение и воспроизведение памяти.
ВВЕДЕНИЕ
Предполагается, что в основе реализации обучения и нового поведения лежит модификация эффективности синаптической передачи, которая консолидируется и сохраняется длительное время. С позиции молекулярно-клеточных механизмов функционирования нейронов неважно, каким образом модифицируется эффективность синап-тической передачи: путем обучения целого животного, путем сочетанной активации двух входов нейрона, путем высокочастотной стимуляции или путем фармакологического воздействия. Именно эта идея лежит в основе модели длительной пост-тетанической потенциации (LTP) [33, 41], которая очень широко используется для исследования молекулярно-клеточных механизмов памяти. LTP исследуется на возбуждающих глутаматергиче-ских синапсах головного мозга.
Мы полагаем, что для понимания молекулярно-клеточных механизмов обучения и памяти необходимо описать и формализовать строение и функ-
ционирование нейронных сетей головного мозга млекопитающих. Наиболее удобной моделью для описания функционирования нейронных сетей головного мозга млекопитающих являются нейронные сети пирамидной и экстрапирамидной систем мозга, осуществляющие или реализующие поведение и моторный контроль (рис. 1). Центральной структурой пирамидной системы является моторная кора, коррелирующая с разными параметрами движения, включая скорость, силу, направление, движения в суставах, конечное положение конечности. Микростимуляция моторной коры может вызывать сложные движения. Предполагается, что моторная система использует метод "оптимального контроля" множества параметров при выполнении каждого конкретного движения. Показано участие моторной коры в контроле позы и в обучении новой позе [11, 14, 28, 51, 53-56, 58, 133].
Центральной структурой экстрапирамидной системы или базальных ганглий является дорзаль-ный стриатум. Иерархические сети дорзального
Ствол мозга Спинной мозг
Рис. 1. Нейронные сети пирамидной и экстрапирамидной систем мозга. Сплошные линии - глютаматные связи (возбуждающие), крупные пунктирные линии - ГАМК-связи (тормозные), мелкий пунктир - из ЧСкч к стриатуму дофаминовый вход. ГПвн - globus pallidus внешний. ЧСкч - черная субстанция компактная часть. СТЯ - субталамическое ядро. ГПв - globus pallidus внутренний. ЧСрч - черная субстанция ретикулярная часть. РЯТ - ретикулярное ядро таламуса. SC - superior colliculus. ЭПОСМ - экстрапирамидная область среднего мозга. Энкеф - энкефалин. Суб. Р - субстанция Р. Дин - динорфин [9].
стриатума имеют специфическое строение. Стриа-тум получает возбудительный вход практически от всех областей коры головного мозга. Корковый вход использует глутамат как медиатор. Проекции от коры головного мозга к стриатуму имеют топографическую организацию [9, 98]. Было предположено [18, 98], что топографические отношения между корой головного мозга и стриатумом обеспечивают базу для изоляции функционально различных сетей в базальных ганглиях - параллельные разделенные сети. Активность из коры приходит к определенным частям хвостатого ядра и нео стриатума. Оттуда к определенным частям внутреннего сегмента globus pallidus и ретикулярной части черной субстанции, оттуда к определенным ядрам таламуса и обратно в соответствующую область коры [9, 18, 98]. Хотя топография и соматотопия подразумевают определенную степень параллельной организации, есть также конвергенция и дивергенция в кортико-стриатных проекциях. Большие дендритные области средних звездчатых нейронов дорзального стриатума позволяют им получать вход от смежных проекций, которые приходят из различных областей коры. Входы больше чем от одной корковой области перекрываются, и вход от одиночной корковой области проецируется дивергентно к многочисленным зонам стриатума [9, 98].
Таким образом, эта сходящаяся и расходящаяся организация служит анатомической основой для интеграции и преобразования информации от нескольких областей коры головного мозга, в том числе и при условнорефлекторном обучении. Эти дивергентые и конвергентные связи могут интегрировать разные представительства в коре мозга, в том числе и представительства условного и безусловного раздражителей. Таким образом, моторная кора запускает поведение, контролируя перечисленные выше параметры движения. Дорзальный стриатум интегрирует информацию от всех областей коры и через внутренний и внешний паллидум, ретикулярную часть черной субстанции запускает таламокортикальные сети и информация опять возвращается в кору. Часть обработанной информации через моторную кору, superior colliculus и экстрапирамидная область среднего мозга идут в ствол мозга, затем в спинной мозг, а другая часть обработанной информации опять приходит в дорзальный стриатум и снова обрабатывается. Обработка и интеграция информации происходит на всех уровнях функционирующей сети на основе процессов пластичности. Такая циркуляция, непрерывная обработка и интеграция информации приводит к уточнению и конкретизации поведения, облегчению реализации сложного поведения.
95% всех нейронов дорзального стриатума -это ГАМК-ергические средние звездчатые нейроны. Остальные 5% - это интернейроны [59, 98]. Нехватка интернейронов в дорзальном стриатуме компенсируется специальным строением аксонов и дендритов средних звездчатых нейронов стриа-тума, что позволяет им участвовать в функционировании локальной сети [98]. Таким образом, средние звездчатые нейроны получают глутамат-ергические входы от различных областей коры и ГАМК-ергические входы от соседних средних звездчатых клеток. Именно на примере средних звездчатых клеток мы описали работу нейрона как работу молекулярно-химической машины, которая интегрирует всю приходящую синаптиче-скую информацию с помощью трансдукционного сигнала и сохраняет ее, модифицируя экспрессию генов [4, 5, 7, 8, 24, 25].
АЛГОРИТМ МОДИФИКАЦИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗБУЖДАЮЩЕГО ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКОГО СИНАПСА
Глутаматергические синапсы пирамидных и экстрапирамидных нейронных сетей осуществляют возбуждающую синаптическую передачу. Глу-таматергические синапсы коры, стриатума и гип-
покампа имеют однотипный постсинаптический состав ионотропных рецепторов: постсинапти-ческие АМРА, каинатные и ЖМОА ионотропные рецепторы [7, 74, 96]. Постсинаптические АМРА и каинатные рецепторы - это Ка+/К+ каналы, их активация агонистами открывает хемочувстви-тельный канал, Ка+ проходит внутрь клетки, накапливает положительный заряд и вызывает генерацию возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). ЖМОА-рецептор является Ка+/К+/Са2+ каналом и обладает, кроме того, по-тенциалзависимым Mg2+-блоком [3, 7, 34, 41]. Активация ЖМОА-рецептора агонистами открывает хемочувствительный канал, но Ка+ и Са2+ не проходит внутрь клетки, так как канал закрыт Mg2+ и клетка не реагирует на пресинаптическую активацию. Например, "молчащие синапсы" имеют только ЖМОА-рецепторы на субсинап-тической мембране [49, 50, 67, 87]. Гипотеза о том, что синапсы не отвечают на их активацию, так как обладают только ЖМОА-рецепторами на субсинаптической мембране получила дальнейшее иммуноцитохимическое подтверждение [48, 61]. Дальнейшее подтверждение было получено в электронно-микроскопических исследованиях с иммунозолочением [83, 100, 108, 111, 131]. Эти исследования показали, что некоторые синапсы содержат ЖМОА-рецепторы, но нет никаких АМРА-рецепторов. Деполяризация мембраны до 30 мВ снимает магниевый блок с ЖМОА-рецепто-ров. В этих условиях высокочастотная стимуляция приводит к запуску синтеза АМРА-рецепторов и их встраивания в мембрану, которая запускается ЖМОА-рецепторами. Эта гипотеза была быстро расширена за счет включения синапсов, в которых уже содержатся АМРА-рецепторы, и привела к большим исследовательским успехам для понимания молекулярного механизмов, регулирующих передвижение и встраивание в субсинапти-ческую мембрану АМРА-рецепторов [33, 42, 95, 125, 1276].
ЖМОА-рецептор срабатывает при одновременной активации обеих процессов, деполяризации мембраны и выделения возбуждающих аминокислот. Деполяризация мембраны снимает Mg2+-блок и позволяет открывать хемочувствительный канал ЖМОА-рецептора с помощью агонистов, например глутаматом. Из-за этих процессов одиночная глутаматергическая моносинаптическая ВПСП имеет сложную природу [7, 30, 45, 89]. ВПСП состоит из двух компонентов ран
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.