Роль ионных процессов и внутриклеточных веществ в пластичности нейронов

Для того чтобы понять, что происходит в нейроне во время привыкания или сенситизации, а также ассоциативного обучения, следует рассмотреть ионный механизм нормальной передачи сигнала через химический синапс от одного нейрона к другому. Во время генерации ПД ионы натрия и кальция входят в клетку, а ионы калия выходят из нее. Калиевый ток из клетки создает волну гиперполязизации, которая обрывает ПД и ВПСП. ПД распространяется от сомы вдоль аксона с помощью потенциал-зависимых

Са^

^--О^РН^ ^-^-^-~-

Постсиналтическая клетка а

^ © © © ф ©)

Рис. 29. Важнейшие события, происходящие в химическом синапсе после прибытия импульса в окончание аксона.

а — потенциал действия открывает каналы для входа Са" в пресинаптическое окончание; б — синаптические пузырьки сливаются с пресинаптической мембраной, высвобождая при этом медиатор; в — медиатор связывается с белками постсинаптической мембраны, изменяя их конформацию; г — после удаления медиатора из щели постсинаптические белки возвращаются в исходное состояние (по Б. Альбертсу и др., 1994).

натриевых каналов, которые открываются и закрываются по мере движения нервного импульса. Когда ПД достигает окончания аксона, под его влиянием открываются потенциал-зависимые кальциевые каналы, находящиеся в мембране окончания аксона. Ионы Са^ входят в аксон, в результате чего в синаптическую щель выбрасываются кванты медиатора. На рис. 29 представлено конечное звено высвобождения медиатора в синаптическую щель. Синапти-ческая передача осуществляется с помощью высвобождения ме-

диатора, которое невозможно без притока ионов кальция из внеклеточной среды. Если удалить ионы кальция из экстраклеточного пространства, то прибывший к окончанию аксона ПД не высвобождает медиатор и передачи сигнала не происходит. Если же искусственно увеличить содержание ионов кальция в аксоне (ввести через пипетку), это вызовет высвобождение медиатора даже в отсутствие электрического импульса (результаты получены на синапсе между гигантскими нейронами кальмара). Чем выше концентрация ионов кальция в окончании аксона, тем выше скорость выделения медиатора.

Особая функция ионов кальция в передаче сигнала объясняется тем, что он в пресинаптическом нейроне запускает цепочку биохимических процессов, которая увеличивает число активированных Са²⁴^ каналов. Это создает эффект усиления выброса медиатора из пресинаптического окончания. Последовательность биохимических событий, развертывающихся в пресинаптичском нейроне после входа в него ионов Са²"*", выглядит следующим образом. В нейроне для ионов Са²^ существует внутренний рецептор— каль-модулин. Это специфический белок, с которым кальций образует комплекс. Возникнув, последний активирует фермент аденилат-циклазу. С ее помощью из АТФ синтезируется цинический адено-зинмонофосфат (цАМФ), активирующий протеинкиназы. Проте-инкиназа А фосфорилирует белки потенциал-независимых кальциевых каналов в результате присоединения к ним фосфатной группы. Это открывает дополнительное число Са^-каналов. В клетку входит еще большее количество ионов кальция, что дополнительно увеличивает выход медиатора из нейрона. Ионы кальция, как и цАМФ, выполняют роль посредников в выбросе медиатора из пресинапти-ческой мембраны. Работа клеточного аппарата, обеспечивающего преобразование ПД в выход медиатора и тем самым передачу сигнала через химический синапс от нейрона к нейрону, представлена на рис. 30 (вход I).

Этот же аппарат клетки, обеспечивающий передачу сигнала от нейрона к нейрону, используется и для длительных изменений синаптической проводимости, связанных с обучением: привыканием, сенситизацией, а также с ассоциативным обучением, главным образом на начальном его этапе. Критическая роль в этих процессах принадлежит модулирующим нейронам. Они имеют свой вход к этому клеточному аппарату — вход II (см. рис. 30). У моллюсков это серотонинергические нейроны. Внутриклеточной мишенью для серотонина, так же как для комплекса кальций+кальмодулин, является аденилатциклаза, за счет которой из аденозинтрифосфа-та (АТФ) — универсального источника энергии для биохимичес-

Вход 1 (эффект ПД)

Вход II,

(эффект серотонин-)

модулирующей системы) '

Открытие потенциал-зависимых Са^-каналов

Са^ + кальмодулин

Аденилатииклаза ^

АТФ

ЦАМФ

(циклический нуклеотид)

_А-

Протеинкиназа А

Протеинкиназа С

Фосфорилирование белков Са^-каналов

Фосфорилирование белков К-каналов

Открытие потенциал-независимых Са²"¹" -каналов

Закрытие К-каналов

Рис. 30. Основные этапы фосфорилирования Са^- и К-каналов, обеспечивающего кратковременное изменение проводимости синапса.

ких процессов синтезируется циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). За счет двойного действия на аденилатциклазу Са²^ и серотонина возрастает образование цАМФ. Активированные киназы фосфорилируют белки ионных каналов. Киназа А взаимодействует с белками кальциевых каналов и открывает их для входа ионов кальция. Киназа С фосфорилирует белки калиевых каналов, вызывая

Повторное раздражение головы

Протеинкиназа фосфорилирует калиевые каналы и ипактивируст их

Регистрация калиевого тока через изолированный кусочек мембраны

Серотонин активирует рецепторы

Рис. 31. Зависимое от активности пресинаптическое облегчение у аплизии (по Э. Кэнделу и Р. Хокинсу, 1992).

их закрытие. Это уменьшает калиевый ток из нейрона и калиевую гиперполяризацию, следующую за ПД и ВПСП, что приводит к удлинению ПД. На рис. 31 показана цепочка реакций, приводящих к инактивации К-каналов, вызываемой возбуждением модулирующих нейронов. Продление ПД удерживает потенциал-зависимые Са^-каналы в открытом состоянии, что увеличивает в нейроне содержание свободного кальция и выброс медиатора. Фосфорили-рование калиевых каналов (8-каналов) рассматривается как одна из форм кратковременной памяти, которая ограничена временем жизни белка, образующего 5-каналы, и легко стирается при воздействии фосфопротеинфосфотаз (дефосфорилирующих 5-каналы).

События, разворачивающиеся на постсинаптическом нейроне у млекопитающих в ситуации обучения, связаны с особой группой рецепторов, медиатором для которой служит глутамат. Среди них различают NМ^А-рецепторы (они селективно активируются синтетическим аналогом глутамата Т^-метил-0-аспартатом) и не- NМ^А-рецепторы. Каналы, связанные с NМ^А-рецепторами, имеют двойные ворота, открывающиеся при выполнении двух условий: мембрана должна быть сильно деполяризована, а к рецептору должен присоединиться медиатор глутамат (рис. 32). Каналы, связанные с ММОА-рецепторами, находясь в открытом состоянии, пропускают очень большой поток ионов Са²"*". Эта их отличительная особенность очень важна для механизма памяти. Не-КМОА-рецепторы, реагируя на глутамат, сразу открывают кальциевые

Пресинапти-чсскии нейрон Кальций Пузырек 'уГ\ с нейромедиа- тором

Усиленное выделение нейромедиатора АОР-Рибозил-

Участок выделения нейромедиатора

трансфераза сОМР <—Гуанилат-< * циклаза

АОАОАОАОАОАОА

Кальций •. Магний /. ^ ^

Постеннапти-ческий нейрон

Ретроградный мессенджер (окись азота)

Рис. 32. Внутриклеточные процессы в постсинаптическом нейроне гиппо-кампа, реагирующего на глутамат (по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).

ионные каналы без дополнительных условий и Са^ входит в нейрон. Это создает уровень деполяризации нейрона, который необходим для реакции г^МОА-рецепторов. Деполяризация нейрона снимает блокаду с гШОА-каналов, которая осуществляется внеклеточным магнием (Мё). Изменения на посте инаптической мембране с участием NМ^А- и не^МОА-рецепторов наиболее хорошо изучены у нейронов гиппокампа на модели долговременной

10-3341

Привыкание

Многократное раздражение сифона

Раздражение сифона

Потенциал-зависимые Са^-каналы и н а кти в иру юге я

Количество выделяемого медиатора снижается

Слабая реакция мотонейрона

Сенситизация Повторное раздражениеголовы

Раздражение сифона

Калиевые» каналы инактиви-руются

Количество выдел яемого /^''.'. ^медиатора возрастает

Продолжительное поступление Са²* вследствие того, что инактивация калиевыхканалов увеличивает длительностьпотенциала действия

Сильная реакция мотонейрона

Рис. 33. Механизм передачи сигнала от сенсорного нейрона к моторному, участвующего во втягивании жабры у аплизии при привыкании (а) и син-ситизации (б) (по Б. Альбертсу и др., 1994).

потенциации. Показано, что NМ^А-рецепторы играют ключевую роль в долговременной потенциации. Если такие каналы селективно блокировать с помощью специального ингибитора, то долговременная потенциация не происходит, хотя синаптическая передача не нарушается. При этом животное теряет способность к тому виду научения, который связан с гиппокампом. Искусственно регули-146

руя внутриклеточный уровень ионов Са²⁴', можно усилить потен-циацию или предотвратить ее. Ионы Са²⁴', войдя в постсинапти" ческуто клетку, соединяются с кальмодулином и в конечном счете активируют зависимые от него киназы. Предполагается, что кина-зы стимулируют синтез ретроградного мессенджера, который проникает в пресинаптический нейрон и там дополнительно усиливает выброс из него медиатора глутамата.

Ионные процессы при сенситизации и привыкании в системе сенсорный нейрон — моторный нейрон, отвечающей за исполнение рефлекса втягивания жабры у аплизии (по результатам опытов Э. Кэндела), схематически представлены на рис. 33. При сенситиза-дии, которую можно вызвать у моллюска ударами по голове, активируются модулирующие нейроны. Они образуют на пресинап-тических окончаниях сенсорного нейрона синапсы, выделяющие серотонин. Серотонин через аденилатциклазу, с которой он взаимодействует, приводит к инактивации калиевых каналов, что создает условия для удлинения ПД у сенсорного нейрона. В результате сенсорный нейрон может выделять больше нейромедиатора в синаптическую щель, чем обычно. Аналогичный эффект сенсити-зации у этих же нейронов можно получить, прикладывая серотонин непосредственно к их мембране.

При привыкании повторяющееся возбуждение сенсорных клеток (на раздражение сифона) изменяет белки ионных каналов таким образом, что приток Са²⁴" в клетку падает за счет инактивации кальциевых каналов и количество высвобождаемого медиатора в синаптическую щель уменьшается.

Рассмотренные выше привыкание и сенситизация — очень простые формы научения. При ассоциативном научении процессы, происходящие в нервных клетках, значительно более сложны. Однако нейронные механизмы пластичности и связанные с ними ионные процессы, определяющие сенситизацию и привыкание, используются и в системе ассоциативного обучения. Так, события, развертывающиеся в нейроне во время сенситизации, могут быть обнаружены на начальном этапе ассоциативного обучения нейрона.

Отличительной особенностью ассоциативного обучения является наличие подкрепления, в роли которого может выступать сильное безусловное раздражение- Формирование ассоциации у нейронов предполагает наличие конвергенции подкрепляющего раздражителя и будущего условного сигнала. Механизмы условного рефлекса детально были изучены на нейронах моллюсков. Особенно следует отметить вклад, который внесли работы Э. Кэндела и его коллег, выполненные на морском моллюске аплизии. У моллюска имеется простой безусловный оборонительный рефлекс в

10-

виде втягивания жабры, служащей органом дыхания, в ответ на раздражение его тела с противоположной стороны от жабры (сифона — мясистого отростка). Рефлекс вызывается возбуждением сенсорных нейронов сифона, которые прямо контактируют с мотонейронами жабры, а также с рядом интернейронов, образующих синапсы на тех же мотонейронах. Кроме того, рефлекс может быть вызван раздражением и других частей тела, в частности «хвоста», электрическая стимуляция которого и была использована в качестве безусловного раздражителя при выработке условного рефлекса. Установив, что у моллюска можно выработать условный оборонительный рефлекс — втягивание жабры — на слабое тактильное раздражение сифона, подкрепляемое электрическим ударом по «хвосту», авторы исследовали связи между сенсорными нейронами сифона и их клетками-мишенями — мотонейронами и интернейронами. Было обнаружено, что после выработки условного рефлекса слабая стимуляция сенсорных нейронов, связанных с сифоном, одновременно начинает вызывать возбудительные синап-тические потенциалы как в интернейронах, так и в моторных, что и определяет появление условнорефлекторного втягивания жабры.

Э, Кэндел и Р. Хокинс (1992) так описывают результаты своих исследований по выработке условного оборонительного рефлекса у аплизии. Безусловный раздражитель — электрический удар по «хвосту» — активирует модулирующие нейроны, выделяющие се-ротонин. Таким образом, безусловный раздражитель представлен в сенсорном нейроне опосредованно через модулирующие нейроны-Условный раздражитель на сенсорном нейроне представлен их собственной активностью. Пунктом их конвергенции в сенсорном нейроне является аденилатциклаза, активация которой через два входа создает эффект, аналогичный сенситизации. Повышение проводимости через синапс в пресинаптическом нейроне, возникающее при ассоциативном обучении за счет совпадения активирующих влияний, поступающих через разные входы, требует от них соблюдения определенных временных отношений. Условный сигнал должен опережать действие безусловного на некоторый критический интервал времени. Это правило временных отношений условного и безусловного раздражителей было сформулировано И.П. Павловым. Для условного рефлекса втягивания жабры время опережения условным сигналом безусловного составляет около 0,5 с. Модулирующие нейроны, активированные болевым раздражением «хвоста» и действующие как усилители, вызывают большее пре-синаптическое облегчение сенсорных нейронов, если последние незадолго до этого находились в активном состоянии. Стимуляция же одних модулирующих нейронов вызывает меньшее синапти-

Пресинапти-ческий нейрон

Модулирующийнейрон

Пост-
сил апти-	Пресинапти-
ческий	ческий нейрон
/ нейрон
^\|. 1
^^"Ц

Рис. 34. Два принципа обучения: пре-постсинаптическое совпадение — синапс Хебба (а) и обучение, зависимое от модулирующего нейрона, — пре-модулирующее совпадение, или зависимое от активности облегчение (б) (поЭ. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).

ческое облегчение. Поэтому необходимо опережение безусловного раздражителя активацией пресинаптического нейрона, которая представляет действие условного раздражителя.

Это свойство пресинаптического облегчения, зависящее от вклада модулирующих нейронов, в 1963 г. Л. Тауц и Э. Кэндел назвали обучением, зависящим от активности (рис. 34), и стали его рассматривать как новый принцип обучения. Поэтому к первому принципу обучения, предложенному в 1949 г. Д. Хеббом, добавился второй. Принцип Д. Хебба утверждает необходимость совпадения активности пресинаптического и постсинаптического нейронов как условие усиления связи между ними (пре-постсинаптическое совпадение). Он получил название «синапс Хебба^. Согласно второму принципу для усиления связи между нейронами активность постсинаптической клетки не нужна, если одновременно с пресинаптической клеткой активирован третий нейрон — модулирующий (пре-модулирующее совпадение).

Суть обучения, зависящего от активности, составляет одновременная активация фермента аденилатциклазы ионами Са²^, входящими в нейрон во время генерации ПД, и серотонином от модулирующих нейронов.

Появление пресинаптического облегчения в составе ассоциативного обучения за счет участия модулирующих нейронов доказано при формировании условного оборонительного рефлекса у виноградной улитки. В системе оборонительного рефлекса улитки модулирующие нейроны представлены пулом серотонинергичес-

ких клеток педального ганглия. Их модулирующее влияние широко распространяется в том числе и на пресипаптические окончания сенсорных нейронов на командном нейроне оборонительного рефлекса. Избирательная блокада модулирующих нейронов препятствует выработке условного рефлекса. Сопровождение условного сигнала ударом тока активирует модулирующие нейроны, которые запускают механизм пресинаптического облегчения.

Неясно, как далеко можно экстраполировать данные, полученные на моллюсках. Таков ли клеточный механизм фиксации следов памяти и у других животных? Э. Кэндел и Р. Хокинс полагают, что при обучении у моллюска и у млекопитающих действуют сходные механизмы, использующие модулирующее вещество, вызывающее зависимое от активности усиленное выделение ней-ромедиатора из пресинаптического нейрона. По их мнению, долговременная потенциация в гиппокампе как одна из форм обучения млекопитающих требует участия специального гипотетического модулирующего вещества,