научная статья по теме ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ИМПУЛЬСНЫХ РЕАКЦИЙ НЕЙРОНОВ КОРЫ НА СЕНСОРНУЮ СТИМУЛЯЦИЮ Биология

Текст научной статьи на тему «ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ИМПУЛЬСНЫХ РЕАКЦИЙ НЕЙРОНОВ КОРЫ НА СЕНСОРНУЮ СТИМУЛЯЦИЮ»

УДК 612.814+612.824.1

ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ИМПУЛЬСНЫХ РЕАКЦИЙ НЕЙРОНОВ КОРЫ НА СЕНСОРНУЮ СТИМУЛЯЦИЮ

© 2013 г. Ю. С. Медникова, В. Н. Хохлова1, О. Х. Коштоянц

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН 117485 Москва, ул. Бутлерова, д. 5А 1Pharma Support International CRO AG Baarerstrasse 113a, 6300 Zug, Switzerland E-mail: zubkov@mi.ras.ru

Поступила в редакцию 29.01.2013 г.

В сенсомоторной коре мозга бодрствующих кроликов у 95% зарегистрированных нервных клеток на микроионофоретическое подведение глутамата обнаружены активационные спайковые ответы. Реакции на глутамат имели латентный период от 20 до 1600 мс и непродолжительное последействие (не более 2000 мс). Повышение импульсной активности в ответ на электрокожное раздражение конечности было зарегистрировано у 57% нервных клеток сенсомоторной коры. Латентный период ответов на сенсорный стимул изменялся в том же диапазоне, что и при активации, вызванной глутаматом, но длительность ответа на 10-20 с превышала длительность 0.5 секундного электрокожного раздражения. Параметры унитарного глутаматергического возбуждения, таким образом, существенно отличались от параметров активационных реакций нейронов на сенсорный раздражитель. Делается вывод о том, что формирование импульсных ответов на сенсорный стимул происходит в основном по неспецифическому механизму за счет квантового выброса глутамата из глутаматергических окончаний на дендритах.

Ключевые слова: нейроны сенсомоторной коры, бодрствующие кролики, глутамат, электрокожное раздражение, активационные спайковые ответы, спонтанная активность.

ВВЕДЕНИЕ

Глутамат является самым распространенным возбуждающим медиатором в центральной нервной системе (Раевский, Георгиев, 1986; Kaczmarek et al., 1997). Вызываемая им деполяризация нервных клеток лежит в основе формирования любой ответной реакции на внешние и внутренние раздражители. Выделение глутамата осуществляется в окончаниях специфических афферентных путей (Kharazia, Weinberg, 1994; Tsumoto et al., 1986), во внутрикорковых контактах (Hablitz, Sutor, 1990) и при передаче возбуждения к исполнительным органам (Kaczmarek et al., 1997). Высокая чувствительность нейронов к глутамату во всех структурах мозга (Krnjevic, 1974; MacDermott, Dale, 1987), с одной стороны, свидетельствует о глобальности выполняемой медиатором функции, а с другой - ставит вопрос о причинах значительной вариабельности импульсных реакций нейронов на любое сенсорное раздражение, реализуемое посредством глутаматергического воздействия.

В настоящее время участие глутамата в организации адаптивной функции мозга связывают со спецификой его эффекта, обусловленной множественностью типов глутаматных рецепторов (Kaczmarek et al., 1997; Myers et al., 2011), активация которых осуществляется при наличии определенных условий и зависит от состояния постсинаптических мембран (Раевский, Георгиев, 1986; Ascher, Nowark; 1987; Baskys, 1992; Collingridge, Bliss, 1987; Kaczmarek et al., 1997; Myers et al., 2011). Вместе с тем особенности деполяризующего влияния глутамата на нервную клетку могут зависеть не только от особенностей рецепторного аппарата, но также от морфологических свойств нейрона, которые определяют его электрические параметры. Исследователи часто обращают внимание на физиологическую неоднородность нейронов, которые при одном и том же уровне мембранного потенциала имеют разнообразную спонтанную активность, разную структуру ответа на толчки деполяризующего тока, разную глубину постактивационной гиперполя-

ризации (Barkai, Hasselmo, 1994; Franceschetti et al., 2003; McCormick et al., 1985). Важными характеристиками, определяющими электрические свойства нейронов, являются размер клеточных тел и строение дендритного дерева. Разнообразие по этим двум параметрам лежит в основе значительной вариабельности входного сопротивления (Явх) корковых нейронов (Шульговский, 1977; Kawaguchi, 1993). В последнее время особое внимание уделяется стационарному глутаматергиче-скому влиянию, осуществляемому в результате постоянного выделения квантов медиатора из возбуждающих синаптических окончаний, расположенных на дендритах (Williams, Stuart, 2002). Поток миниатюрных ВПСП, формируемый этими воздействиями, является основой для генерации спонтанной импульсной активности нейронов (Медникова и др., 2008, 2009). Таким образом, ответы на глутамат при его подведении к мембране нервных клеток должны зависеть от специфики глутаматных рецепторов, от электрических свойств нейронов, от локализации глутаматерги-ческого воздействия на мембране и от условий дендросоматического проведения возбуждения, эффективность которого в значительной степени определяется состоянием мембранной проницаемости (Rall et al., 1992; Чернышев и др., 1998).

Цель настоящей работы, выполненной на нервных клетках сенсомоторной коры бодрствующих кроликов, - описать разнообразие параметров импульсных ответов на микроионофоретическую аппликацию глутамата, чтобы иметь представление об особенностях реагирования нейронов на глутамат, выделяемый из окончаний первичных афферентов (Kharazia, Weinberg, 1994; Tsumoto et al., 1986), расположенных в непосредственной близости от сомы (Антонова, 1982). Следующая цель - сравнить характер реагирования нейронов на локальное подведение глутамата с импульсными ответами на электрокожное раздражение конечности для выявления конкретных способов трансформации глутаматергического возбуждения в импульсный ответ, формируемый сенсорной стимуляцией.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Работа выполнена на бодрствующих необездви-женных кроликах (самцы в возрасте 1-1.5 лет). Правила работы с животными и протоколы экспериментов утверждены этическими комиссиями Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН. За два дня до

эксперимента под местной анестезией проводили операцию по удалению мягких тканей головы с целью обнажения костей черепа. В день эксперимента животных помещали в специальный станок, представляющий собой платформу с мягким тканевым покрытием в естественной для кроликов позе лежа на животе. Лапы мягко фиксировали, движения головы ограничивали специально сконструированной уздечкой, не оказывающей травмирующего действия на животное. Отверстие в черепе диаметром 2.5 мм высверливали над областью моторного представительства передней конечности (АР0; L2). Эпидуральная электростимуляция мозга (импульсы длительностью 0.5 мс, частотой 50 Гц, напряжением 7-15 В) в этой области вызывала легкую реакцию разгибания контралатеральной передней конечности. Неподвижную часть микроманипулятора крепили акрилоксидом над областью коры с наименьшим порогом двигательной реакции.

Для регистрации активности нейронов и мик-роионофоретического подведения к ним глута-мата использовали 3-канальные стеклянные микропипетки с общим диаметром кончика 7-8 мкм. Один из каналов служил для экстраклеточной регистрации импульсной активности нейронов и был заполнен 3М раствором NaCl (сопротивление 2-4 МОм). Два других канала использовали для микроионофореза глутамата из 1М раствора глутамата натрия, рН 7.5 ("Sigma", США) и для контроля тока фореза из 3М раствора NaCl. В основной серии экспериментов величина тока фо-реза составляла 60-80 нА (отрицательный полюс внутри электрода). Применявшийся для выброса глутамата ток в большинстве случаев вызывал максимальный возбуждающий эффект без признаков токсических явлений. Длительность фо-реза варьировали от 1-1,5 с до 4 с. В интервалах между аппликациями глутамата в канале устанавливали удерживающий ток 3-5 нА противоположного направления.

Регистрацию импульсной активности проводили на глубине от 0.3-0.4 до 1.8 мм от поверхности мозга. Глубину погружения кончика микроэлектрода определяли по показаниям микровинта. Импульсную активность нервных клеток усиливали при помощи усилителей универсальной установки УЭФИ-2 (Россия). Электрографические показатели затем оцифровывали и вводили в компьютер Pentium-5 для последующей обработки с использованием программы PowerGraph (версия 3.3.7) и специально разработанной программы для анализа распределений межспайко-вых интервалов.

В основной серии экспериментов микроионо-форетическое подведение глутамата к отдельной нервной клетке осуществили многократно (до 50 микроаппликаций) с интервалом 22 с. Импульсные ответы нейронов оценивали на основе построения усредненных перистимульных гистограмм с шириной бина 20, 200, реже 400 мс. Определяли следующие параметры импульсной активности: среднюю частоту спонтанной активности; латентный период ответа - время от начала действия глутамата, за которое изменение частоты импульсной активности достигало половины максимального; длительность последействия -время от прекращения действия глутамата до момента, когда частота импульсации понижалась до половины максимальной; величину ответа - как разницу между максимальной текущей средней (из трех бинов) в период ответа на глутамат и максимальной текущей средней в предшествующем фоне. Измеряли также амплитуду спайков регистрируемых нейронов.

В ситуации, когда нервная клетка тестировалась подведением глутамата несколько десятков раз, в каждом бине перистимульной гистограммы накапливалось большое число спайков (свыше 100), что давало возможность определить характер распределения межспайковых интервалов в бинах гистограммы. В силу малой протяженности отдельных бинов можно считать импульсацию нейрона на этих временных участках стационарным процессом. Сравнение эмпирических функций распределения межспайковых интервалов в последовательных бинах позволило оценить степень однородности импульсных реакций на глутамат на каждом этапе их развития.

Кроме изучения реакций отдельных нервных клеток на аппликацию глутамата, в специальной серии экспериментов нейроны сенсомоторной коры тестировали с помощью электрокожного раздражения (ЭКР) передней конечности кон-тралатеральной для области регистрации (серия из пяти прямоугольных импульсов тока силой 1.5-1.8 мА с частотой следования 10/с и дли

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

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»