НЕЙРОХИМИЯ, 2014, том 31, № 1, с. 5-15
= ОБЗОРЫ
УДК 612.822.3
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ КАК ОСНОВА ЧАСТОТНОГО КОДИРОВАНИЯ: УЧАСТИЕ ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ © 2014 г. И. В. Кудряшова*
Федеральное Государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской Академии наук, Москва
В процессе жизнедеятельности синапсы подвергаются постоянным афферентным воздействиям, в ходе которых происходят кратковременные изменения свойств передаточной функции. Эти модификации играют важную роль в процессинге сигнала, создавая основу для формирования временного паттерна реакции и частотного кодирования. Обладающая такими свойствами нейронная сеть способна не только различать частотные характеристики входных сигналов, но и формировать индивидуальные паттерны активности на каждом из выходов. В обзоре представлены данные, свидетельствующие о том, что характеристики кратковременной пластичности зависят от молекулярного состава синаптических компартментов. Обсуждается значение регулируемого протеолиза в создании специфического молекулярного состава пре- и постсинапса. Специфический паттерн активации ферментов в каждом отдельном компартменте координирует протеолитическую активность в соответствии с поступающими сигналами. Предполагается, что молекулярная композиция каждого из синапсов может формироваться в результате предшествующего опыта и представлять субстрат памяти, определяющий воспроизведение не только пространственного, но и частотно-временного паттерна, необходимого для приспособительного поведения
Ключевые слова: частотное кодирование, обучение и память, парная фасилитация, парная депрессия, молекулярные механизмы кратковременной пластичности, протеолиз.
DOI: 10.7868/S1027813314010099
Возникшая на основании априорных соображений концепция долговременной пластичности синапсов на протяжении многих десятилетий продолжает оставаться одной из наиболее используемых при исследовании клеточных механизмов обучения и памяти. Однако функциональная нестабильность подавляющего большинства всех известных синапсов ставит под сомнение надежность такого хранения информации [1]. Есть мнение, что простое измерение амплитуды ВПСП является недостаточно информативным методом для исследования всего многообразия лежащих в основе запоминания модификаций [2]. В процессе жизнедеятельности синапсы подвергаются постоянным афферентным воздействиям. В зависимости от частотных характеристик входного сигнала, а возможно и, как полагают некоторые исследователи, от предшествующего опыта [1], происходят кратковременные изменения синаптических реакций, которые обычно сохраняются в течение нескольких миллисекунд, секунд или минут.
* Адресат для корреспонденции: 117485, Москва, ул. Бутлерова 5а, e-mail: iv_kudryashova@mail.ru.
КРАТКОВРЕМЕННАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ КАК ОСНОВА ЧАСТОТНОГО КОДИРОВАНИЯ
К известным в настоящее время видам кратковременной синаптической пластичности относятся кратковременная фасилитация и депрессия, облегчение, кратковременная посттетаниче-ская потенциация или депрессия, привыкание. Полагают, что все они играют важную роль в процессинге сигнала, создавая основу для формирования временного паттерна реакции, фильтрации и частотного кодирования [2]. Обладающая такими свойствами нейронная сеть способна не только различать частотные характеристики входных сигналов, но и формировать индивидуальные паттерны активности на каждом из выходов [3]. Если же рассматривать свойства кратковременной пластичности, как результат предшествующего опыта, вследствие которого на выходе нейронной сети воспроизводится необходимая последовательность импульсов, это существенно расширяет потенциальные возможности организации поведения обучающихся систем [2].
Исследование кратковременной пластичности в разных отделах мозга показало, что разные си-
напсы более склонны к частотной фасилитации или депрессии [1, 4]. Причем не обнаружено никаких морфологических особенностей, свойственных тем или иным синапсам. Более того, один и тот же тип синапсов, при разных режимах тестирования может демонстрировать не только количественно, но и качественно разные свойства кратковременной пластичности [5]. Как фа-силитация, так и депрессия обнаружены при исследовании кратковременной пластичности возбуждающих корковых синапсов, значительная вариабельность свойств кратковременной пластичности описана для CA3—CA1 синапсов, оканчивающихся на пирамидных нейронах, и, в особенности для тех, которые оканчиваются на интернейронах [6]. Кроме того, разные свойства кратковременной пластичности могут быть обнаружены в ответвлениях одних и тех же нейронов. Так, например, парная стимуляция коллатералей Шаффера, которая сопровождается преимущественно фасилитацией синаптических реакций пирамидных нейронов, в интернейронах вызывает существенно меньший прирост или даже депрессию. Причем для интернейронов характерна значительная вариабельность эффектов [6]. Вероятно, это является причиной разнообразия результатов, которые описывают как более выраженную фасилитацию синаптических реакций интернейронов, так и отсутствие различий. Интересный факт был обнаружен в работе [7]. Оказалось, что синаптические контакты, образованные нейронами гиппокампа в культуре, подвержены кратковременной депрессии, в отличие от фаси-литации, наблюдаемой в экспериментах на переживающих срезах гиппокампа, а также in vivo.
ХАРАКТЕРИСТИКИ
КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ЗАВИСЯТ ОТ МОЛЕКУЛЯРНОГО СОСТАВА
СИНАПТИЧЕСКИХ КОМПАРТМЕНТОВ
Считается, что наиболее кратковременные модификации синаптических реакций имеют в своей основе пресинаптические механизмы. При активации пресинаптического волокна входящий по потенциал-зависимым кальциевым каналам Ca2+ является необходимым условием начала процесса экзоцитоза. Поэтому величина Ca2+ сигнала, которая зависит от плотности кальциевых каналов, их свойств, удаленности от активной зоны пресинапса, композиционного состава и множества других факторов, определяет эффективность пресинаптического высвобождения медиатора в разных синапсах [8]. Показано, что кратковременное увеличение ответа при фасилитации или посттетанической потенциации связано со следовыми эффектами, возникающими в пресинапсе после прохождения потенциала действия. Как правило, механизм такого увеличения объясняют
неполным удалением Са2+, вошедшего в преси-напс после первого потенциала действия, к моменту прихода второго потенциала действия [4,9], вследствие чего высвобождается больше медиатора. Необходимо, однако, отметить, что в ряде случаев слишком низкий уровень или кинетика остаточного кальция не позволяет объяснить эффект фасилитации исключительно за счет суммации [4, 10]. Таким образом, влияние остаточного кальция, по всей вероятности, не обязательно связано с его прямым действием на процесс экзоцитоза.
Известно, что на секрецию медиатора влияют Са2+-зависимые посредники [11]. От их баланса в пресинаптическом окончании существенно зависит кинетика протекания кратковременных модификаций [4]. Предполагается, что остаточный кальций может приводить к активации Са2+-за-висимых ферментов, которые влияют на проводимость и инактивацию кальциевых каналов, а также и на восстановление доступного пула секреторных везикул [11]. Специфический вклад каналов разного типа подтверждается тем, что их избирательная фармакологическая блокада может усиливать или, наоборот ослаблять фасилита-цию синаптических реакций [12]. К тому же, кинетика остаточного Са2+ зависит от состояния буферных систем [4, 6].
Еще одним фактором, контролирующим парную пластичность, является состояние ассоциированных с секреторными везикулами белков, участвующих в регуляции восприимчивости секреторного аппарата к ионам кальция [10]. Идентифицированы некоторые кальций-связвающие белки, называемые Са2+ сенсорами [7, 13] и имеющие отношение к кратковременной пластичности. Они могут сосуществовать в одном и том же синапсе и, по-видимому, выполняют специфические функции. Считается, что в отсутствие Са2+ сигнала эти белки предотвращают спонтанную секрецию. При наличии кальция Са2+ сенсоры участвуют в реакциях, необходимых для индукции экзоцитоза [13—16]. Было обнаружено, что дефицит одного из белков, регулирующих взаимодействия синаптотагмина с мембраной везикулы, сопровождается увеличением запаса медиатора в активной зоне. Важно подчеркнуть, что при этом увеличивается парная фасилитация [17]. Этот факт является еще одним примером того, что выявляемое с помощью PPF теста снижение вероятности выброса медиатора не обязательно связано с пресинаптическим торможением. Более того, в условиях активации механизмов привлечения дополнительных ресурсов любые изменения PPF не исключают пресинаптической по-тенциации. Синапсины покрывают поверхность синаптических пузырьков и связывают их с белками цитоскелета, тем самым удерживая от спон-
танного выброса медиатора. При наличии сигнала Са2+-зависимое фосфорилирование синапси-на обеспечивает высвобождение везикул из комплекса с белками цитоскелета, что приводит к их синхронному экзоцитозу [18]. Очевидно, что эффективность мобилизации резервного пула вносит существенный вклад в динамику модификаций при повторной активации. Действительно, прирост амплитуды ВПСП при парной стимуляции у дефицитных по синапсину мышей существенно больше. Интересно, что парная пластичность тормозных потенциалов при этом снижена [19].
Для многих синапсов центральной нервной системы при тех же режимах активации характерна кратковременная депрессия [4]. В некоторых случаях снижение амплитуды ответа при повторной активации может объясняться истощением запасов медиатора в активной зоне пресинапса или десенситизацией постсинаптического рецептора, тем более что депрессия чаще всего наблюдается в исходно высокоэффективных синапсах [20—22]. С другой стороны, известно, что увеличение внутриклеточного содержания кальция ускоряет пополнение запаса секреторных везикул в активной зоне как за счет более активного транспорта, так и за счет рециркуляции отработанных везикул [9, 23]. В реакции участвуют кал
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.