научная статья по теме ВОЗВРАЩЕНИЕ В ГИППОКАМПАЛЬНУЮ ФОРМАЦИЮ ВОЛН ВОЗБУЖДЕНИЯ, ВЫХОДЯЩИХ ИЗ ПОЛЯ СА1, ОБЛЕГЧАЕТСЯ ПОСЛЕ ТЕТАНИЗАЦИИ КОЛЛАТЕРАЛЕЙ ШАФФЕРА И ВО ВРЕМЯ СНА Биология

Текст научной статьи на тему «ВОЗВРАЩЕНИЕ В ГИППОКАМПАЛЬНУЮ ФОРМАЦИЮ ВОЛН ВОЗБУЖДЕНИЯ, ВЫХОДЯЩИХ ИЗ ПОЛЯ СА1, ОБЛЕГЧАЕТСЯ ПОСЛЕ ТЕТАНИЗАЦИИ КОЛЛАТЕРАЛЕЙ ШАФФЕРА И ВО ВРЕМЯ СНА»

ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2009, том 59, № 1, с. 87-97

ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ

УДК 612.822.3

ВОЗВРАЩЕНИЕ В ГИППОКАМПАЛЬНУЮ ФОРМАЦИЮ ВОЛН ВОЗБУЖДЕНИЯ, ВЫХОДЯЩИХ ИЗ ПОЛЯ СА1, ОБЛЕГЧАЕТСЯ ПОСЛЕ ТЕТАНИЗАЦИИ КОЛЛАТЕРАЛЕЙ ШАФФЕРА И ВО ВРЕМЯ СНА

© 2009 г. В. А. Зосимовский, В. А. Коршунов

Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, e-mail: zosimov@ihna.ru; vkorshunov@ihna.ru Поступила в редакцию 18.02.2008 г.

Принята в печать 09.06.2008 г.

Согласно существующим представлениям у бодрствующего животного при обучении новая информация из неокортекса передается в гиппокамп, где оставляет временный след в виде мозаики модифицированных синапсов. В периоды сна благодаря реактивации популяций нейронов, первоначально активированных новым стимулом, эта информация пересылается обратно в неокор-текс, обеспечивая консолидацию постоянного следа памяти. Информационный обмен между не-окортексом и гиппокампальной формацией осуществляется в основном через энторинальную кору, внутренние связи которой в принципе позволяют "посланиям" с выхода гиппокампальной формации возвращаться на ее входы. На бодрствующих и спящих крысах мы показали возможность возвращения в поле СА1 гиппокампа и в зубчатую извилину по волокнам перфорантного пути волн возбуждения, которые первоначально вошли в СА1 через потенциированные синапсы коллатералей Шаффера; в периоды сна возвратные волны возбуждения достигали максимума и с высокой вероятностью вызывали разряд нейронов зубчатой извилины. Таким образом, новый стимул, потенциируя во время бодрствования синаптические связи в гиппокампе и, вероятно, в энторинальной коре, создает условия для реактивации соответствующих популяций нейронов гиппокампа в периоды сна волнами возбуждения, возвращающимися через энторинальную кору.

Ключевые слова: крысы, гиппокамп, СА1, коллатерали Шаффера, длительная потенциация, энторинальная кора, бодрствование и сон, реактивация популяций нейронов, память.

Return of Excitatory Waves from the Field CA1 to the Hippocampal Formation is Facilitated after Schaffer Collateral

Tetanization and during 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

In agreement with existing notion, in a waking animal, novel information during learning transfers from the neocortex to the hippocampus where creates a transient trace in the form of a distributed pattern of modified synapses. During sleep, due to reactivation of neuronal populations initially activated by novel stimulus, this information flows back to the neocortex thus facilitating permanent memory trace consolidation. Information transfer between the neocortex and hippocampal formation is realized, in general, via the entorhinal cortex whose intrinsic connections basically permit "messages" from the exit of the hippocampal formation to return to its entrances. In waking and sleeping rats, we demonstrated a possibility of the return of the excitatory waves to hippocampal field CA1 and dentate gyrus via perforant path fibers that initially enter the CA1 via potentiated Schaffer collateral synapses. During sleep the returned excitatory waves were of maximal amplitude and with a high probability elicited a discharge of dentate neurons. Thus, a novel stimulus that potentiates synaptic connections during waking in the hippocampus and probably in the entorhinal cortex creates conditions for reactivation of corresponding neuronal populations in the hippocampus during sleep by excitatory waves returning via the entorhinal cortex.

Key words: rats, hippocampus, CA1, Schaffer collaterals, long-term potentiation, entorhinal cortex, wake-fulness and sleep, neuronal reactivation, memory.

Согласно имеющимся экспериментальным данным [6, 12, 16, 20, 25] и сложившимся на их основе представлениям [3, 19, 24, 26] процессы формирования следов памяти требуют участия наряду с неокортексом гиппокампальной формации (ГФ), объединяющей зубчатую извилину, собственно гиппокамп и субикулум. На этапе обучения информация о воспринимаемых новых сенсорных стимулах из неокор-текса поступает в ГФ, где преобразуется в коды временного хранения. Затем в течение чередующихся периодов бодрствования и сна эти коды поддерживаются в стабильном состоянии, а соответствующая вновь приобретенная информация многократно воспроизводится и передается обратно в неокортекс, пока там не завершится процесс консолидации постоянного следа памяти.

Полагают, что в ГФ информация кодируется мозаикой модифицированных синаптиче-ских связей. На этапе обучения пространственно-временны е паттерны афферентного притока, порождаемого новыми сенсорными стимулами, вызывают пластические изменения эффективности соответствующих синап-тических входов [19, 24, 26] (включая входы в поле СА1 гиппокампа по коллатералям Шаф-фера [3]), проявляющиеся в виде потенциации или депрессии ответов постсинаптических нейронов [12, 25]. Считается, что в ГФ новая информация кодируется во время бодрствования [3], когда афферентные возбуждающие входы, опосредующие ее поступление из не-окортекса, максимально эффективны, а обратные возбуждающие связи в пределах ГФ и между ГФ и неокортексом, обеспечивающие взаимодействие новой и старой информации, подавлены [7, 8]. К тому же состояние бодрствования наиболее благоприятно для индукции длительной потенциации [6, 17].

Консолидация в неокортексе постоянного следа памяти, соответствующего временно закодированной в ГФ новой информации, - достаточно медленный процесс, занимающий дни и недели [19, 20, 24]. Считается, что для реализации этого процесса, включая поддержание (и усиление) сформировавшегося в результате обучения следа памяти в ГФ, необходима повторяющаяся активация тех нейронных ансамблей, которые были первоначально активированы при обучении [24, 26]. Спонтанная реактивация нейронных ансамблей ГФ и не-окортекса действительно наблюдается во время бодрствования и сна [21, 22, 24, 26]. Полагают, что информация, необходимая для консо-

лидации следа памяти в неокортексе, передается из ГФ в периоды медленновол нового сна [22], когда снимается торможение с обратных возбуждающих связей от ГФ к неокортексу [7, 8], тогда как процессы, обеспечивающие сохранность этой информации в ГФ до завершения формирования постоянного следа памяти, запускаются в периоды парадоксального сна [22].

Обмен информацией между неокортексом и ГФ опосредуется в основном энторинальной корой (ЭК). Информация из неокортекса поступает в поверхностные слои ЭК и далее - по волокнам перфорантного пути - в структуры, составляющие ГФ: зубчатую извилину, гиппокамп и субикулум. Обработанная информация по коллатералям Шаффера пересылается в поле СА1 гиппокампа и далее, напрямую или через субикулум, в глубинные слои ЭК, откуда отправляется в неокортекс [5, 14, 19, 27]. Поскольку между нейронами глубинных и поверхностных слоев ЭК существуют возбуждающие связи [13, 14, 27, 28], замыкающие выход ГФ на ее входы, "копии" передаваемой из ГФ в неокортекс информации могут возвращаться в ГФ.

Реверберацию возбуждения в замкнутых нейронных цепях, охватывающих ГФ и ЭК, действительно наблюдали у животных с повреждениями, устраняющими влияние субкортикальных структур, а также у интактных животных в промежутки времени, совпадающие с "острыми волнами" в поле СА1 гиппокампа [3]. Возможность возвращения волн возбуждения, инициированных в поле СА1 и субику-луме, через ЭК по волокнам перфорантного пути непосредственно в СА1 [2, 13] и зубчатую извилину [13] показана на анестезированных животных в условиях полисинаптической фа-силитации ответов в ЭК на повторяющиеся стимулы. В наших экспериментах у крыс во время естественного сна за популяционным спайком в поле СА1, вызванным стимуляцией коллатералей Шаффера, следовал второй, поздний ответ, отражавший разряд волокон перфорантного пути и популяционный возбуждающий постсинаптический потенциал в СА1, на который мог наводиться синхронно возникающий популяционный спайк из зубчатой извилины [1]. Цель настоящей работы - в экспериментах со свободно передвигающимися крысами установить, как тетанизация коллатералей Шаффера, индуцирующая длительную потенциацию в поле СА1 гиппокампа, и состояние сна влияют на возможность возвра-

щения в ГФ волн возбуждения, первоначально проходящих в СА1 по коллатералям Шаффера.

МЕТОДИКА

Исследования выполнены на 20 крысах, взрослых самцах линии Вистар массой 300-500 г, свободно передвигавшихся по экспериментальной камере. Крыс содержали в отдельных клетках в условиях естественного освещения и свободного доступа к воде и пище. Все экспериментальные процедуры выполняли в строгом соответствии с международными этическими нормами и положением Института ВНД и НФ о работе с животными. Перед хирургической операцией крыс анестезировали золетилом (Zoletil Ш0, 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 прежде [1], монополярный электрод для регистрации популяционных возбуждающих постсинаптических потенциалов (пВПСП), популяционных спайков (пС) и электроэнцефалограмм (ЭЭГ) в поле СА1 гиппокампа вводили в пирамидный слой или примыкающую часть радиального слоя этого поля. Биполярные электроды для стимуляции коллатералей Шаффера располагали в радиальном слое поля СА1 ипси- и контралатерального гиппокампа (в симметричных точках), а также в области прохождения вентральной гиппокампальной комиссу-ры. Глубину погружения электродов корректировали, добиваясь максимального ответа в СА1 на стимуляцию коллатералей Шаффера. Заземляющий электрод вживляли в затылочную кость черепа крысы. Локализацию кончиков электродов уточняли после завершения экспериментов гистологическими методами.

На время эксперимента крысу сажали в прозрачный, открытый сверху ящик из плексигласа размером 30 х 30 х 40 см, помещенный в камеру с заземленным железным корпусом. К разъемам в

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