ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2012, том 62, № 5, с. 602-609
ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ
УДК 612.829.3
ИНТЕРНЕЙРОН, КООРДИНИРУЮЩИЙ ДВИЖЕНИЯ ХВОСТА И КРЫЛЬЕВ У КРЫЛОНОГОГО МОЛЛЮСКА
© 2012 г. Л. Б. Попова1, Ю. В. Панчин1, 2
1Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ, 2Институт проблем передачи информации РАН, Москва, e-mail: lala_popova@mail.ru Поступила в редакцию 16.11.2011 г. Принята в печать 24.05.2012 г.
В работе исследованы свойства одного нейрона (CPB3c), участвующего в ритмических движениях у беспозвоночного животного — морского крылоногого моллюска Clione limacina. Интернейрон CPB3c — церебропедальный нейрон "с", тело которого расположено в области B3 церебрального ганглия, а отростки направлены в педальные ганглии. Исследована работа этого интернейрона при локомоции и при раздражении одиночных рецепторных клеток органов равновесия — статоцистов. Интернейрон CPB3c получает сигналы от статоцистов и от локомоторного генератора и может обеспечивать передачу локомоторного паттерна активности на мотонейроны хвоста клиона. Таким образом, один интернейрон имеет все небходимые связи и идеально подходит для выполнения координационной функции.
Ключевые слова: моллюск, статоцист, вестибулярные реакции, ориентация в пространстве.
Single Interneuron Coordinates Wing and Tail Movements in Pteropod Mollusk
L. B. Popova, Y. V. Panchin
A.N. Belozersky Institute of Physico-ChemicalBiology, Moscow State University, Institute for Information Transmission Problems, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: lala_popova@mail.ru
Nervous centers that coordinate rhythmical movements with body stabilization in space are well known in vertebrates. Here we report a single identified interneuron CPB3c (cerebropedal neuron c from group B3) that serves the same function of postural control during locomotion in a simple animal model — the marine pteropod mollusk Clione limacina. CPB3c interneuron integrates inputs from statocysts and locomotor generator and translates signals to tail motorneurons. So, this neuron has perfect connections to fulfill the coordinative function.
Keywords: Clione, mollusk, statocyst, spatial orientation.
Морской моллюск Clione limacina является удобным модельным животным для нейро-этологических исследований. На этой модели хорошо изучены локомоторный, пищевой и другие центральные генераторы ритма. На клеточном уровне в экспериментах in vitro изучено охотничье поведение и ориентация в поле силы тяжести [3, 4, 5, 7, 12—21].
Обычно клион плавает в толще воды и поддерживает вертикальное положение тела
головой вверх с помощью ритмических движений крыльев. Сеть нейронов, контролирующих эти движения, расположена в педальных ганглиях. Локомоторный ритм генерируют две основные группы интернейронов (7 и 8), которые управляют двумя антагонистическими популяциями мотонейронов, связанных с дор-зальными и вентральными мышцами крыла [3, 20, 21]. Мотонейроны, управляющие сокращением дорзальных мышц, состоят из
двух групп — 1 и 3. Визуально в педальном ганглии легко идентифицируют крупный мотонейрон 1А. Работа этого нейрона отражает активность всех дорзальных мото- и интернейронов локомоторного генератора. Однако стимуляция мотонейрона 1А не влияет на ритм генератора. Активность в другом крупном и легко идентифицируемом мотонейроне 2А отражает работу вентральных мото- и интернейронов. Вентральные мотонейроны группы 2 электрически связаны с интернейронами группы 8, поэтому их стимуляция меняет ритм локомоторного генератора.
Для изменения направления движения и положения тела в пространстве клион пользуется хвостом как рулем. Когда тело клиона отклоняется от вертикали, хвост изгибается таким образом, чтобы возникшая сила вернула тело плывущего клиона в вертикальное положение. Когда тело моллюска вновь принимает вертикальное положение, сокращение мышц хвоста исчезает. Движения крыльев и хвоста хорошо координированы. Мотонейроны, управляющие сокращением мышц хвоста, также расположены в педальном ганглии [12, 13, 17].
В нейронной сети, управляющей ориентацией клиона в пространстве, выделяют три составляющих: 1) рецепторные клетки стато-цистов, 2) церебропедальные интернейроны и 3) хвостовые мотонейроны [13, 16, 17, 18]. Статоцисты клиона, сферические органы около 150 мкм в диаметре, расположены на дорзальной стороне педального ганглия. Каждый статоцист моллюска состоит из 12 рецеп-торных клеток и статолита, который плавает в полости статоциста. В поле силы тяжести статолит давит на одну из рецепторных клеток и возбуждает ее [1, 2, 6, 16, 17, 19, 22]. Несмотря на то что статоцисты закреплены на поверхности педальных ганглиев, рецептор-ные клетки статоцистов посылают аксоны прямо в церебральные ганглии [13, 16, 17]. Было показано, что несколько типов цере-бропедальных интернейронов имеют входы от рецепторных клеток статоцистов и влияют на работу нейронов в педальных ганглиях [13, 16, 17]. Церебропедальные нейроны из группы В3 (СРВ3) не влияют ни на интернейроны, генерирующие локомоторный ритм, ни на мотонейроны крыла, но оказывают возбуждающее или тормозное действие на другую группу педальных нейронов — на мотонейроны хвоста [13, 18]. Мотонейроны хвоста обеспечивают компенсаторные движения
хвоста при ориентации в пространстве. Было показано, что нейроны группы СРВ3 являются основным и, возможно, единственным источником сигналов, поступающих от статоци-стов к хвостовым мотонейронам [17]. В настоящей работе мы показали, что один из этих нейронов, СРВ3с, кроме сигналов от статоци-стов получает сигналы от нейронов локомоторного генератора. Таким образом, этот нейрон может играть важную роль в согласовании движений хвоста с работой локомоторного генератора.
МЕТОДИКА
Эксперименты проводили на морской биологической станции Картеш. Методы препаровки, внутриклеточных регистраций и инъекции красителей были описаны ранее [3, 4, 18]. Из моллюска вырезали центральную нервную систему (ЦНС) вместе с прикрепленными статоцистами, как показано на рис. 1, А. Ганглии расправляли на слое агароз-ного геля дорзальной стороной вверх и закрепляли каплей теплой жидкой агарозы. Для идентификации интернейрона СРВ 3с мы использовали один из двух методов. В первом случае тело интернейрона СРВ3с заполняли прижизненным красителем люцифером желтым через субпедальную комиссу-ру (СПК), т.е. через аксон, и затем в конце эксперимента вновь окрашивали люцифером желтым через внутриклеточный электрод. При окраске через СПК в ипсилатеральном церебральном ганглии окрашивается только один нейрон; два нейрона окрашиваются в контралатеральном церебральном ганглии. Единственный ипсилатеральный нейрон ранее получил название СРВ3с [17, 18]. При втором способе идентификации интернейрон СРВ3с находили по месту расположения в церебральном ганглии и по характерной внутриклеточной активности. В конце опыта правильность выбора подтверждали с помощью внутриклеточной окраски люцифером желтым: аксон интернейрона должен был быть виден в СПК (рис. 1, А). Одновременно с интернейроном СРВ3с регистрировали один или два локомоторных мотонейрона. Одним из них обычно был большой визуально-идентифицируемый нейрон 1А, активный в дорзальную фазу локомоторного цикла, а другим — нейрон 2А, работающий в вентральную фазу. Рецепторные клетки статоциста регистрировали внутриклеточно одновременно
St
SPe C
0.5 мм
с церебральным и педальными нейронами. Как мы уже упоминали, статоцисты расположены на дорзальной стороне педальных ганглиев, и каждый статоцист содержит 12 рецепторных клеток, которые посылают аксоны в церебральные ганглии (рис. 1, А). Поскольку количество рецепторных клеток в статоцисте невелико, стимуляция единственной клетки производит практически такое же действие на ЦНС, как и наклон целого животного. В нескольких опытах мы регистрировали активность хвостовых мотонейронов, отводя внутриклеточно активность от их аксонов в эфферентных нервах, ответственных за движения хвоста. При обработке результатов использовали стандартные статистические методы. Статистическая значимость определялась по точному тесту Фишера.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ
На рис. 1, А показана зарисовка ЦНС кли-она с тремя окрашенными клетками: правой рецепторной клеткой статоциста, левым интернейроном СРВЗс и правым локомоторным мотонейроном 1А. Клетки были окрашены внутриклеточно люцифером желтым в одном эксперименте. Рецепторные клетки статоциста имеют форму диска с диаметром 40—70 мкм и толщиной 5—10 мкм. Их аксоны проецируются в церебральные ганглии. Аксоны большинства рецепторных клеток ста-тоциста пересекают церебральную комиссуру и формируют нейропиль в медиальной области как ипсилатерального, так и контралате-рального церебральных ганглиев. В нервной системе клиона есть только два интернейрона СРВЗс, левый и правый [18]. Тело интернейрона СРВЗс расположено в области ней-
Рис. 1. Морфология (А) и функциональные связи (Б—Г) церебропедального интернейрона (CPB3c) и рецепторных клеток статоциста (SRC). А — рисунок препарата из одного эксперимента, в котором интернейрон CPB3c, рецепторная клетка статоциста (SRC) и мотонейрон 1А были окрашены люцифером желтым после электрофизиологических реги-страций. Тела зарегистрированных нейронов отмечены стрелками. St — статоцист, Cer G — церебральные ганглии, Pe G — педальные ганглии, SPe C — субпедальная комиссура. Ста-толит показан только в левом статоцисте. Б и В — деполяризация разных рецепторных клеток статоциста вызывает возбуждение (Б) или торможение (В) в интернейроне CPB3c. Г — одновременная регистрация церебропедаль-ного интернейрона CPB3c, мотонейрона 1А и рецепторной клетки статоциста. Возбуждающие потенциалы в мотонейроне 1А коррелировали с большими возбуждающими потенциалами в церебропедальном интернейроне CPB3c (пунктирные линии). Деполяризация рецепторной клетки статоциста также приводила к возбуждению интернейрона CPB3c. Деполяризация рецепторной клетки статоци-ста была вызвана пропусканием через электрод постоянного тока 1 нА; периоды инъекции деполяризующего тока отмечены тол
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.