научная статья по теме ВОЛНА ВОЗБУЖДЕНИЯ, ВОЗВРАЩАЮЩАЯСЯ В ГИППОКАМП ЧЕРЕЗ ЭНТОРИНАЛЬНУЮ КОРУ, МОЖЕТ РЕАКТИВИРОВАТЬ ПОПУЛЯЦИИ “ОБУЧЕННЫХ” НЕЙРОНОВ ПОЛЯ СА1 В ПЕРИОДЫ ГЛУБОКОГО СНА Биология

Текст научной статьи на тему «ВОЛНА ВОЗБУЖДЕНИЯ, ВОЗВРАЩАЮЩАЯСЯ В ГИППОКАМП ЧЕРЕЗ ЭНТОРИНАЛЬНУЮ КОРУ, МОЖЕТ РЕАКТИВИРОВАТЬ ПОПУЛЯЦИИ “ОБУЧЕННЫХ” НЕЙРОНОВ ПОЛЯ СА1 В ПЕРИОДЫ ГЛУБОКОГО СНА»

ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2010 том 60, № 5, с. 568-581

= ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ =

УДК 612.822.3

ВОЛНА ВОЗБУЖДЕНИЯ, ВОЗВРАЩАЮЩАЯСЯ В ГИППОКАМП ЧЕРЕЗ ЭНТОРИНАЛЬНУЮ КОРУ, МОЖЕТ РЕАКТИВИРОВАТЬ ПОПУЛЯЦИИ "ОБУЧЕННЫХ" НЕЙРОНОВ ПОЛЯ СА1 В ПЕРИОДЫ ГЛУБОКОГО СНА

© 2010 г. В. А. Зосимовский, В. А. Коршунов

Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, e-mail: zosimov@ihna.ru; vkorshunov@ihna.ru Поступила в редакцию 08.07.2009 г.

Принята в печать 03.03.2010 г.

Предполагается, что информация о новом стимуле из неокортекса передается в гиппокамп, где оставляет временный след в виде мозаики модифицированных синапсов. В периоды сна популяции нейронов, хранящие этот след, реактивируются и возвращают в неокортекс информацию, необходимую для консолидации постоянного следа памяти. Возможный механизм реактивации "обученных" нейронов гиппокампа в процессе консолидации памяти — реверберация возбуждения в нейронных цепях, объединяющих гиппокамп и энторинальную кору. У крыс во время бодрствования и сна мы регистрировали ответы в поле СА1 гиппокампа на стимуляцию коллатералей Шаффера с потенцированными синапсами. Обнаружено, что в периоды глубокого сна после разряда нейронов поля СА1 волна возбуждения проходит через энторинальную кору и по волокнам перфорантного пути поступает в гиппокамп и зубчатую извилину, вызывая в последней разряд нейронов. Повторный разряд нейронов СА1 возникает при взаимодействии ранней волны возбуждения, возвращающейся непосредственно по волокнам перфорантного пути, и поздней волны, возвращающейся по коллатералям Шаффера, но не по трисинаптиче-скому пути, через зубчатую извилину и поле СА3 гиппокампа, а вероятно, через поле СА2.

Ключевые слова: крысы, гиппокамп, СА1, коллатерали Шаффера, потенциация, перфорантный путь, реактивация нейронов, бодрствование и сон, память.

The Excitation Wave Returning to the Hippocampus through the Entorhinal Cortex Can Reactivate the Populations of "Learned" CA1 Neurons during Deep Sleep

V. A. Zosimovskii, V. A. Korshunov

Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow, e-mail: zosimov@ihna.ru; vkorshunov@ihna.ru

It is suggested that the information about a new stimulus from the neocortex is transferred to the hippocampus and forms there a transient trace in the form of a distributed pattern of modified synapses. During sleep, the neuronal populations which store this trace are reactivated and return to the neocortex the information necessary for consolidation of the permanent memory trace. A possible mechanism of the reactivation of the "learned" hippocampal neurons during memory consolidation is the reverberation of excitation in the neuronal circuits connecting the hippocampus and the entorhinal cortex. In rats, we recorded responses in hippocampal field CA1 to stimulation of the Schaffer collaterals with potentiated synapses during wakefulness and sleep. We showed that in the periods of deep sleep, after the discharge of CA1 neurons, the wave of excitation passes through the entorhinal cortex and via the perforant path fibers enters the hippocampus and the dentate gyrus, causing in the latter the discharge of neurons. The repeated discharge of the CA1 neurons develops as the result of interaction of the early wave which is returned directly via the perforant path fibers and the late wave which is returned via the Schaffer collaterals, but not through the dentate gyrus and hippocampal field CA3 (trisynaptic pathway), but, probably, through the field CA2.

Key words: rats, hippocampus, CA1, Schaffer collaterals, long-term potentiation, perforant path, neuronal reactivation, wakefulness and sleep, memory.

Зубчатая извилина, поля СА3, СА2, СА1 гиппокампа и субикулум, входящие в гип-покампальную формацию (ГФ), играют важную роль в реализации процессов обучения и консолидации памяти. Согласно сложившимся представлениям [8, 21, 28], при обучении животного информация о новом стимуле из неокортекса поступает в ГФ, где оставляет временный след в виде мозаики модифицированных синапсов (в частности, должны модифицироваться синаптические окончания коллатералей Шаффера в поле СА1 [8]); затем в течение дней и недель [23] популяции нейронов ГФ, хранящие этот след, реактивируются и, предположительно в периоды сна [24], возвращают в неокортекс информацию, необходимую для формирования там соответствующего постоянного следа памяти.

Информационный обмен между неокор-тексом и ГФ опосредуется в основном энто-ринальной корой (ЭК) [19, 29]. Информация из неокортекса поступает в поверхностные слои II—III ЭК и далее по волокнам перфо-рантного пути может быть передана в зубчатую извилину, гиппокамп и субикулум. Обработанная в ГФ информация по коллатералям Шаффера пересылается в поле СА1 и далее, непосредственно или через субикулум, в глубинные слои IV—VI ЭК, откуда отправляется в неокортекс [19, 21, 29]. Между нейронами глубинных IV-VI и поверхностных II—III слоев ЭК существуют возбуждающие связи [18, 19, 29], которые в принципе позволяют предназначенной для неокортекса информации возвращаться в ГФ. Таким образом, реактивацию "обученных" нейронов гиппокампа в процессе консолидации памяти могла бы обеспечить реверберация возбуждения в объединяющих ГФ и ЭК нейронных цепях, инициированная разрядом нейронов поля СА1. Однако преодолеть поверхностные слои ЭК волне возбуждения мешает опережающее торможение, вызываемое прямыми проекциями из поля СА1 гиппокампа и субикулума на тормозные интернейроны этих слоев [14]. Например, "острая волна" (синхронизированный разряд пирамидных клеток гиппокампа), рассматриваемая как естественное информационное послание из ГФ в неокортекс [8, 11], зарождалась в поле СА3, проходила в поле СА1 и далее в глубинные слои ЭК, но не влияла на активность нейронов поверхностных слоев ЭК, по крайней мере у неподвижных бодрствующих крыс [11].

Тем не менее реверберация возбуждения в объединяющих ГФ и ЭК нейронных цепях возникала в изолированном мозге морских свинок в условиях эпилептогенеза, когда популяции нейронов поля СА1 гиппокампа, разряжавшиеся ритмично с частотой 2—3 Гц, начинали разряжаться с частотой 15—25 Гц короткими сериями, в которых каждому разряду, кроме первого, предшествовал ранее отсутствовавший разряд нейронов зубчатой извилины [22]. Двойные и тройные ответы в зубчатой извилине на одиночную стимуляцию волокон перфорантного пути наблюдали у крыс с повреждениями фимбрии и форникса, устранявшими влияние на ГФ субкортикальных структур, и у интактных животных во время развивающейся в гиппо-кампе "острой волны" [8]. У анестезированных морских свинок волна возбуждения, вызванная одиночной стимуляцией дор-зальной гиппокампальной комиссуры, преодолевала слой II ЭК, зубчатую извилину, гиппокамп, включая поле СА1, и возвращалась в ЭК, где затухала в ее поверхностных слоях. Однако повторение стимула с частотой 2—4 Гц приводило к фасилитации популяци-онного возбуждающего постсинаптического потенциала (пВПСП) в слое III ЭК вплоть до появления популяционного спайка (пС), после которого регистрировали пВПСП (без пС) в СА1, в области расположения синапти-ческих контактов волокон перфорантного пути [4]. В экспериментах на анестезированных крысах пС в слоях III и II ЭК и пВПСП (без пС) соответственно в СА1 и зубчатой извилине вызывала стимуляция коллатералей Шаффера и субикулума, повторявшаяся с частотой 10—20 Гц [18]. В наших опытах у крыс во время бодрствования в условиях потенци-ации синапсов коллатералей Шаффера, а также во время сна, достаточно было одиночной стимуляции коллатералей, чтобы за мо-носинаптическим пС в поле СА1 появился второй, полисинаптический ответ в виде разряда волокон перфорантного пути и последующего пВПСП (без пС) [1, 2]. Кроме того, на фоне пВПСП нейронов СА1 мы регистрировали инвертированный пС нейронов зубчатой извилины, амплитуда которого достигала максимума в периоды сна после тетанизации коллатералей Шаффера [1]. Цели настоящей работы — в хронических экспериментах на крысах в условиях естественного сна и длительной потенциации синаптической передачи в поле СА1 гиппокампа по коллатералям

Шаффера установить: а) может ли волна возбуждения, инициированная стимуляцией коллатералей Шаффера и возвращающаяся в ГФ через ЭК, вызвать повторный разряд нейронов поля СА1; б) используется ли для этого трисинаптический путь через зубчатую извилину и поле СА3; в) вносят ли вклад в механизмы, обеспечивающие повторный разряд, потенцированные синаптические входы кол-латералей Шаффера в поле СА1.

МЕТОДИКА

Хронические эксперименты проведены на 16 свободно передвигавшихся крысах, взрослых самцах линии Вистар массой 300—500 г. Крыс содержали в отдельных клетках в условиях свободного доступа к воде и пище и 12-часового цикла чередования света и темноты. Все процедуры выполняли в соответствии с международными этическими нормами и положением Института ВНД и НФ о работе с животными. Перед хирургической операцией крыс анестезировали золетилом (Zoletil 100, VIRBAC S.A., Франция, 35 мг/кг внутрибрюшинно). Скальпирование и сверление в черепе отверстий под электроды проводили под дополнительной новокаиновой блокадой (2%-ный раствор, 1 см3 подкожно).

Как и в предшествующих наших работах [1, 2], монополярный электрод для регистрации пВПСП, пС и электроэнцефалограммы (ЭЭГ) помещали в пирамидный или радиальный слой поля СА1 правого гиппокампа. Биполярный электрод для стимуляции кол-латералей Шаффера вводили в область прохождения вентральной гиппокампальной комиссуры или в радиальный слой поля СА1 контралатерального (левого) гиппокампа, чтобы избежать лишних повреждений нейронных цепей правого гиппокампа. Глубину погружения электродов корректировали, добиваясь максимального ответа в СА1 на стимуляцию коллатералей Шаффера. Заземляющий электрод вживляли в затылочную кость черепа крысы. Локализацию электродов уточняли гистологическими методами после окончания экспериментов.

На время эксперимента крысу сажали в прозрачный, открытый сверху ящик из пл

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.

Показать целиком