НЕЙРОХИМИЯ, 2011, том 28, № 4, с. 261-273
= ОБЗОРЫ
УДК 612:822.3
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДИФИКАЦИИ ПРЕСИНАПТИЧЕСКИХ АФФЕРЕНТОВ: СУЩЕСТВУЕТ ЛИ СВЯЗЬ
С МЕХАНИЗМАМИ ОБУЧЕНИЯ?
© 2011 г. И. В. Кудряшова
Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
В обзоре представлены современные данные, подтверждающие возможность участия структурной реорганизации пресинаптических афферентов при формировании индивидуального опыта. В ходе онтогенетического развития и при регенерации нервной ткани этот механизм определяет соответствие архитектуры нейронных ансамблей нуждам приспособительного поведения. Молекулярной основой образования и элиминации дополнительных аксонных отростков является реорганизация актинового цитоскелета. Эти модификации происходят с участием молекул клеточной адгезии, внеклеточных и внутриклеточных сигнальных и регуляторных белков, причем большинство из них необходимы для долговременной пластичности. Обсуждается возможность участия структурной реорганизации пресинаптической афферентации в консолидации долговременной памяти.
Ключевые слова: долговременная пластичность, реорганизация пресинаптической афферентации, си-наптогенез, элиминация синапсов, регуляторные белки цитоскелета, молекулы клеточной адгезии.
Подавляющее большинство существующих до настоящего времени теорий нейронных механизмов обучения и памяти основаны на идее "проторения", которая подразумевает изменение эффективности синаптической передачи в нейронных сетях, имеющих стабильные морфологические связи. С развитием новых методов и прежде всего методов прижизненной визуализации постепенно накапливаются факты, свидетельствующие о том, что некоторые формы пластичности межнейронных взаимодействий имеют в своей основе принципиально иные механизмы, связанные со структурной реорганизацией синаптических взаимодействий [1]. Исследования на культуре нейронов и некоторых других клеток, способных генерировать отростки, спровоцировали появление новых представлений о закономерностях нейритогенеза, синаптогенеза и адаптивной структурной самоорганизации нейронных сетей в процессе физиологической активности [2].
Было обнаружено, что не только в раннем онтогенезе, но и в мозге взрослых животных наблюдаются синаптогенез и элиминация синапсов, подвижность шипиков, нейритогенез и изменение направления аксонных ответвлений. Необходимо отметить, что такие модификации не подчиняются ставшему классическим "правилу Хеб-ба". Автор цитируемого обзора считает, что в основе структурной реорганизации межнейрон* Адресат для корреспонденции: 117485, Москва, ул. Бутлерова, 5а, e-mail: iv_kudryashova@mail.ru.
ных взаимодействий лежит "гомеостатический" принцип регуляции [1].
К настоящему времени имеются достаточные основания полагать, что процессы морфогенеза нейронов и системной организации нейронных ансамблей тесно связаны со спайковой активностью и нейромедиаторным обеспечением восходящей афферентации и зависят от индивидуального опыта [3], причем в качестве субстрата долговременной памяти структурные модификации представляются более надежными [1]. В функциональном отношении синапсы очень легко подвергаются модификациям. Сама же структурная организация синаптических взаимодействий между нейронами остается стабильной в течение достаточно длительного времени. В некоторых областях высших отделов мозга все же обнаружено, что даже в норме при определенных условиях могут происходить образование и элиминация синапсов. В частности, такие модификации наблюдаются в соматосенсорной и зрительной коре [4].
Полагают, что структурная реорганизация си-наптических взаимодействий при формировании индивидуального опыта может сопровождаться не только образованием новых синапсов, но и элиминацией старых [1, 5]. Нормальная пластичность в зрелом мозге может быть представлена разными механизмами и, в частности, реорганизацией дендритного шипикового аппарата [6]. С помощью трехмерной реконструкции изображения авторы продемонстрировали, что после тета-стимуляции органотипической культуры гиппо-
кампа, которая приводит к индукции LTP, происходит увеличение объема головки шипика, расширение области постсинаптического уплотнения и укрупнение пресинаптических терминалей [6]. Необходимо отметить, что структурные модификации пре- и постсинапса являются, по всей вероятности, долговременными, поскольку обнаруживаются и через 30 мин и через 1 ч после индукции LTP [6].
Увеличивается и зона взаимодействия пре- и постсинапса с астроглиальной оболочкой, что, по-видимому, можно считать еще одним типом структурной реорганизации синапсов, учитывая тесную функциональную и метаболическую связи синапса с прилежащим астроцитом, образующих, фактически, единый функциональный комплекс [7, 8]. Есть мнение, что астроцит может быть также одним из факторов, стабилизирующих пространственную организацию синаптических взаимодействий. В гипоталамо-гипофизарной системе обнаружен один из видов нейропластичности, при котором меняются морфологические признаки взаимодействия астроцитов и синапсов [9]. Изменение площади контакта, по мнению авторов, не может не сказаться на участии астроцита в регуляции ионного баланса, биологически активных веществ и доступности пре- и постсинаптической мембраны для сигналов, индуцирующих синапто-генез. Авторы отмечают также, что в качестве сигнала, способствующего "морфологической" пластичности, может выступать и секретируемый аст-роцитами тенасцин [9], обладающий как адгезивными, так и антиадгезивными свойствами.
В то же время известно, что в основе двигательной активности шипиков и аксонных окончаний лежат одни и те же механизмы [10]. В частности, взаимодействие актина с тубулином регулирует сократительную активность микротубул и в дендритных шипиках, и конусах роста [11, 12]. Непосредственное наблюдение за поведением аксонных отростков самых разных нейронов показало, что наряду с достаточно стабильными окончаниями часть аксонных бутонов является сравнительно короткоживущими. Их обновление происходит в среднем за 5—20 дней [13]. Авторы отмечают, что каких-либо специфических зон нестабильности выявить не удалось, и различные области аксонного дерева конкретного нейрона достаточно однородны по соотношению стабильных и нестабильных бутонов. В первичной зрительной коре обезьян за неделю обновляется около 7% аксонных бутонов [14].
Структурные модификации на уровне аксонных окончаний наиболее существенны при формировании нейронных ансамблей в процессе эмбрионального и раннего постнатального развития. Причем в постнатальном онтогенезе этот процесс находится под контролем соответствую-
щих факторов внешней среды. В критические периоды развития процесс обновления короткожи-вущих аксонных бутонов становится особенно интенсивным [13]. При формировании ретино-тектальных проекций постоянно образуются и исчезают многочисленные аксонные ответвления. Интересно, что двигательная активность нейритов активизируется при блокаде NMDA-рецепторов [15].
Полагают, что в процессе онтогенетического развития образуется множество избыточных ак-сонных ответвлений, однако в процессе жизнедеятельности происходит ретракция функционально непригодных коллатералей. Соответствие структурной организации формирующихся в онтогенезе нейронных ансамблей нуждам приспособительного поведения [16] может объясняться также существованием механизмов, позволяющих регулировать ветвление аксонных окончаний сигналами, поступающими из внешней среды. Специфические особенности этих механизмов и их отличие от общих принципов регуляции двигательной активности нейритов в настоящее время пока не выявлены [12]. Существуют специальные механизмы, стабилизирующие морфологию аксонных окончаний в зрелом мозге или же возможны адаптивные структурные модификации не только на уровне дендритов, но и на уровне аксонных отростков [1, 3, 4, 13, 17], предстоит выяснить в дальнейших экспериментах.
Способность к структурной самоорганизации нейронных ансамблей под действием сенсорного опыта, по всей вероятности, не исчезает, по крайней мере в некоторых структурах мозга взрослых животных. Об этом свидетельствует, например, изменение размера и расположения рецептивных полей при ограничении сенсорного притока. Современные методы двухфотонной микроскопии позволяют проследить за поведением предварительно окрашенного флуоресцентным белком аксона в течение достаточно длительного времени. С помощью этого метода удалось продемонстрировать, что при частичном поражении бинокулярного зрения взрослых обезьян внутренние горизонтальные связи соответствующей проекционной области первичной зрительной коры реорганизуются таким образом, что аксоны разрастаются по направлению к ее центру [17]. Максимальное, почти двукратное увеличение плотности аксонов наблюдается в первые дни после операции, затем часть избыточных аксонов исчезает. В тот же период увеличивается и скорость обновления аксонных бутонов. Все это напоминает те процессы, которые происходят в раннем онтогенезе, когда избыточный синаптогенез сопровождается элиминацией функционально непригодных синапсов.
Реорганизация архитектуры нейронных сетей состоит не только в образовании новых связей.
Немало аксонных отростков, образовавшихся в процессе жизнедеятельности нейронов, подвергаются элиминации. Существует несколько предположений о причинах, по которым может происходить элиминация нейритов и синапсов. Одной из основных причин элиминации нейритов считается их неспособность установить контакт с постсинаптическим нейроном. Вместе с тем гипотеза об удалении функционально непригодных синапсов может стать основой нового направления наших представлений о механизмах обучения и памяти. Причем к ним относятся, по всей вероятности, не только бездействующие синапсы. Высокая активность может оказаться слишком большой метаболической нагрузкой для синапса, а избыточная секреция медиатора способна, как известно, оказывать повреждающее действие на пресинаптические белки [18].
Поврежденные белки могут подвергаться про-теолизу. Необходимо, однако, отметить, что многие из них
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.