ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 3, с. 295-302
^ ОБЗОРЫ,
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 612.821.6+612.822.3
КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ НЕСИНАПТИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ В НЕЙРОНАХ НА СУБКЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ
© 2013 г. Е. С. Никитин1, П. М. Балабан1, 2
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук, Москва, 2Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Московский государственный
университет им. М.В. Ломоносова,
e-mail: nikitin@ihna.ru Поступила в редакцию 16.11.2012 г.
Принята в печать 11.02.2013 г.
Одним из эффективных способов ответа нервной системы на разнообразие внешних и внутренних сигналов является повышение возбудимости отдельных нейронов, приобретаемое, например, в процессе обучения. На сегодняшний день достоверно установлено, что постоянная несинаптическая нейронная пластичность возникает после обучения и, как и синаптическая пластичность, может служить субстратом для долговременной памяти. Однако пока остается неизвестным, как именно несинаптическая пластичность вносит свой вклад в изменение состояния нейронных сетей, от которого напрямую зависит память. Объяснение того, как неси-наптическая пластичность транслируется в модифицированное состояние нейронной сети и измененное поведение, является одной из важнейших задач современных исследований в области обучения и памяти. Также мало информации имеется о специфических нейронных ком-партментах, несущих пластические изменения, в контексте морфологических особенностей конкретного нейрона и механизмах регуляции эффективности его входных и выходных синапсов при несинаптических изменениях в клетке. В настоящем обзоре рассматриваются важнейшие проблемы компартментализации несинаптической пластичности и влияния несинапти-ческих пластических изменений на эффективность синапсов нейрона.
Ключевые слова: нейронная сеть, пластичность, возбудимость, обучение, аксон, дендрит, нейронный компартмент.
Compartmentalization of Neral Non-Synaptic Plasticity at Subcellular Level
E. S. Nikitin, P. M. Balaban
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: nikitin@ihna.ru
One of the most efficient ways of CNS response to the variety of external and internal stimuli is a selective increase of excitability of neurons, acquired, for instance, during learning process. It is now well established, that persistent non-synaptic plasticity that emerging after learning, as well as synaptic one may serve an a substrate for long-term memory. Though, it remains unknown how the non-synaptic plasticity contributes to the alteration of the states of neuronal networks, which the long-term memory depends directly on. The explanation of how the non-synaptic plasticity is translated into the modified states of the neuronal networks and modified behavior remains one of the most important challenges of the contemporary research in the field of learning and memory. Also, little is known about the specific neuronal compartments of the axon and dendretic tree of that subjected to plastic changes in the context of morphological features of individual neuron and the efficiency of its input and output synapses subjected to indirect modifications due to non-synaptic plasticity and the influence of non-synaptic plasticity on the efficiency of neuronal synapses.
Keywords: neuronal network, plasticity, excitability, learning, axon, dendrite, neuronal compartment. DOI: 10.7868/S0044467713030076
ВИДЫ НЕСИНАПТИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ И СВЯЗЬ С ПОВЕДЕНИЕМ И ОБУЧЕНИЕМ
Уже достаточно широко признано, что не-синаптическая пластичность наравне с си-наптической пластичностью может служить субстратом для долговременной памяти [4, 13, 27, 42]. Синаптические механизмы часто представляют как первичный механизм, формирующий память [13], а формы несинапти-ческой пластичности, такие как повышенная соматическая и дендритная возбудимость или повышение мембранного потенциала, также были описаны как на беспозвоночных, так и на позвоночных экспериментальных системах [4, 27, 30, 32]. Однако по сравнению с синаптической пластичностью доступно гораздо меньше информации о механизмах специфических типов несинаптической пластичности, задействованных в четко определенных примерах памяти, идентифицируемой поведенческими методами. Без получения ясной картины устройства пластичности на уровне всех компартментов нейрона невозможно глубокое понимание клеточных механизмов обучения и памяти.
Нейрофизиологический анализ модельных нервных систем моллюсков внес неоспоримый вклад в наше понимание нейронных механизмов неассоциативных изменений в поведенческих состояниях, эквивалентных ориентировочному поведению высших позвоночных [3, 19, 24, 25, 28, 36]. Гигантские метацеребральные клетки и их аналоги (например, гигантская церебральная клетка, cerebral giant cell, CGC) играют определяющую роль в определении состояния пищевой сети, сходную с ролью их гомологов в других системах моллюсков [37, 41]. Недавно было показано, что вызванная обучением соматическая деполяризация идентифицируемого модуляторного нейрона (CGC) пресноводного моллюска Lymnaea stagnalis хранит информацию, которая необходима для извлечения и проявления в поведении следа долговременной ассоциативной памяти. Также было продемонстрировано, что нейроны CGC проявляют вызванную обучением долговременную деполяризацию, развивающуюся и длящуюся одновременно с установлением и проявлением следа долговременной памяти [20, 31], что указывает на их важность как для неассоциативной, так и для ассоциативной пластичности пищевого поведения. У необученных животных искусственная деполяризация нейро-
на CGC до уровня мембранного потенциала CGC обученных животных является достаточной для запуска условного ответа на адекватный внешний раздражитель [20]. Экспериментально показанные феномены несинаптической пластичности способствуют далее постановке вопроса о том, как длительная деполяризация, возникающая после обучения, может воздействовать на проведение потенциалов действия в компартментах нейронов.
Общепринятая точка зрения уделяет основное внимание синаптическим контактам между нейронами, считая их наиболее важными и многообещающими точками пластических изменений, связанными с памятью [18]. Совсем недавно многочисленные свидетельства привели к широкому признанию факта того, что несинаптические изменения наряду с модификацией синапсов являются субстратом для долговременной памяти [27, 29, 42]. Под несинаптической пластичностью в настоящее время принято подразумевать изменения ответа нейрона, опосредованные электровозбудимыми ионными каналами, в несинаптических зонах мембраны. Внутренние пластические изменения могут реализовы-ваться через видоизменение состава, плотности и распределения ионных каналов нейрональ-ной мембраны, активируемых сдвигом потенциала, тогда как расположение и природа видоизмененных каналов являются ключом, определяющим селективность и вклад в изменение возбудимости нервной клетки [17]. С другой стороны, можно предположить, что генерация видоизмененного выходного тока ионными каналами нуждается во взаимодействии с остальными токами, мембраной и фундаментальными электрическими составляющими, в которых изменения выражены гораздо слабее, такими как, например, цито-плазматическое сопротивление или основная геометрия клеточных компартментов. Исследования на идентифицированных нейронах CGC продемонстрировали, что повышенная экспрессия неинактивируемого натриевого тока лежит в основе вызванной обучением постоянной деполяризации этого нейрона [31]. Этот факт поддерживается модельными исследованиями, представляющими ясное объяснение того, как внутренняя деполяризация может изменить выход нейрона CGC и изменить состояние нисходящих нейронных сетей [38]. В предыдущей работе на этом же нейроне с использованием фиксации потен-
циала [36] деполяризующие ступени потенциала не выявили калиевого А-тока при значении начального потенциала —40 мВ, что свидетельствует о полной инактивации А-то-ка при стационарном значении потенциала —40 мВ. Таким образом, зарегистрированные в опытах значения мембранного потенциала CGC между —55 и 58 мВ в контрольной группе находятся в очень чувствительном диапазоне, и дальнейшее повышение мембранного потенциала могло бы повысить инактивацию А-тока и облегчить распространение потенциала действия (ПД) по боковой церебральной ветви аксона.
На системном уровне ранее известные формы патологической пластичности, такие как гипералгезия, нейропатическая боль и эпилепсия, как было показано недавно, имеют связь с усилением неинактивируемого натриевого тока INa(P) [2, 6, 14, 35], тогда как на моллюске Lymnaea впервые была показана важная роль этого же типа тока в непатологических формах пластичности, долговременной памяти, приобретаемой в ходе ассоциативного обучения.
ЛОКАЛИЗАЦИЯ НЕСИНАПТИЧЕСКОЙ
ПЛАСТИЧНОСТИ НА СУБКЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ
Хотя имеется информация, подтверждающая, что несинаптическая пластичность может возникать в ходе активных процессов обучения [42], гораздо меньше известно про то, как она локализуется на субклеточном уровне. Недавние исследования указывают на то, что несинаптическая пластичность может быть связана со специфическими ком-партментами нейрональных дендритов и аксона [16, 23, 26]. Дальнейший детальный анализ компартментализации несинаптической пластичности (рис. 1) поможет преодолеть разрыв между феноменом долговременных электрических изменений и его механистической физиологической интерпретацией, необходимой для нашего понимания того, как возбудимость отдельных нейронов способна лежать в основе хранения и извлечения памяти в головном мозге.
В работе М. Грубба и Дж. Баррона [16] исследовался особый участок аксона — его начальный сегмент — высокоорганизованная структура, имеющая повышенную плотность натриевых каналов [7, 12, 22], где, по последним представлениям, происходит первичная
генерация ПД [8, 33]. Возможность пластичности в этом компартменте нейрона позволяет напряму
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.