Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Міжнародний Центр молекулярної фізіології
Інститут фізіології ім. О.О.Богомольця
УДК 577.352.5+612.822
ФЕДУЛОВА СВІТЛАНА АНАТОЛІЇВНА
РОЛЬ КАЛЬЦІЄВИХ І КАЛІЄВИХ КАНАЛІВ У СИГНАЛЬНИХ
ФУНКЦІЯХ НЕРВОВИХ КЛІТИН
03.00.02 - Біофізика
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття ученого ступеня доктора біологічних наук
Київ – 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті фізіології ім. О.О.Богомольця та Міжнародному Центрі молекулярної фізіології Національної Академії Наук України
Науковий консультант: академік НАН України, доктор біологічних наук, професор П.Г.Костюк, директор Інституту фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України
Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор Зима Валентин Леонідович, професор кафедри біофізики Київського Національного університету ім. Тараса Шевченка.
доктор біологічних наук, професор Корогод Сергій Михайлович, професор кафедри експериментальної фізики, завідуючій лабораторією біофізики і біоелектроніки Дніпропетровського Національного Університету
доктор фізико-математичних наук Тесленко Віктор Іванович, провідний науковий співробітник відділу квантової теорії молекул і кристалів Інституту теоретичної фізики ім.М.М.Боголюбова НАН України
Провідна організація: Інститут біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України, відділ нейрохімії.
Захист відбудеться 05.06.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.198.01 при Інституті фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України, 01024, Київ-24, вул. Богомольця, 4
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України, 01024, Київ-24, вул. Богомольця, 4
Автореферат розісланий 29.04.2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор біологічних наук З.О.Сорокіна-Маріна
ВСТУП
Актуальність проблеми.
Однією із властивостей нервових клітин, що забезпечують їх сигнальну функцію, є електрозбудливість. Вивчення механізмів електрозбуливості нервової клітини - найбільш актуальний напрямок сучасної нейрофізіології. Електрична активність нейронів є тим ініціюючим фактором, що приводить до викиду нейромедіатора в нервових закінченнях і запуску каскаду складних реакцій, що обумовлюють такі явища, як нейрональна пластичність, навчання і пам'ять. У сомі і нейритах нервової клітини відбувається аналіз та інтегрування сигналів, що надходять через синапси аферентних сигналів та генерація відповіді у вигляді потенціалу дії (ПД), що поширюється.
Найважливіша роль у регуляції збудливості нейрона відведена різним типам потенціалокерованих натрієвих, кальцієвих і калієвих каналів у сомі та відростках нервових клітин. Особливий інтерес представляє одержання нових даних про функціювання кальцієвих каналів, що відіграють основну роль у сполученні різних внутрішньоклітинних і мембранних процесів. Кальцієвий струм, що протікає по цих каналах, може помітно змінювати концентрацію іонів кальцію всередині клітини та активувати секрецію нейромедіаторів і різноманітні внутрішньоклітинні процеси. Синаптична передача обумовлена великою кількістю мало вивчених механізмів, що стосуються контролю вивільнення нейромедіатора, опосередкованого входом іонів Са2+ у пресинаптичне закінчення.
Вихідний калієвий струм реполяризує мембрану після її деполяризації і стабілізує мембранний потенціал. Тип, кількість і щільність розподілу калієвих каналів відіграють важливу роль у регуляції властивостей збудливості нейронів, таких як здатність генерувати потенціали дії з різною частотою і модулювати тривалість і форму ПД. Зміна тривалості ПД і рівня деполяризації мембрани приводять, у свою чергу, до зміни потоку кальцію через потенціалокеровані кальцієві канали усередину клітини, що впливає на кальцій-залежні внутрішньоклітинні процеси.
Актуальним є розуміння ролі та взаємодії різних типів каналів калієвого і кальцієвого струмів у складній системі функціювання нервової клітини, опис специфічних параметрів цих струмів, що визначають їх інтегративні властивості та забезпечують сигнальні функції нейронів. Вивчення участі кальцієвих і калієвих струмів у формуванні типу електричної активності на різних етапах онтногенетичного розвитку може дати ключ до розуміння того, як мембранні процеси визначають функціональні особливості сенсорних нейронів. Механізми зміни сили синаптичного зв'язку шляхом фармакологічного впливу на кальцієві і калієві канали поодинокої пресинаптичної терміналі нейронів центральної нервової системи (ЦНС) є найменш вивченими зі складних процесів, які регулюють викид нейромедіатора.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконана в рамках наукових програм відділу загальної фізіології нервової системи Інституту фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України: "Молекулярні механізми інтегративной функції нервових клітин у нормі і при мозковій патології", "Зміни калієвої провідності у тривалокультивованих нейронів гіпокампа", а також наукових тем Міжнародного Центра Молекулярної фізіології НАН України: "Дослідження механізмів квантової передачі в поодиноких синапсах центральних нейронів ссавців", "Дослідження механізмів гальмівної синаптичної передачі нейронів центральної нервової системи".
Мета роботи.
Мета роботи полягала у визначенні ролі кальцієвих і калієвих каналів у формуванні електричної активності нейронів у розвитку і з'ясуванні функціонального значення кальцієвої і калієвої провідностей у регуляції механізмів генерації потенціалу дії та викиду нейромедіатора, тобто у здійсненні нейронами, що належать до різних відділів нервової системи, іх сигнальних функцій.
Задачі дослідження.
1. Зробити розділення та ідентифікацію потенціалокерованих кальцієвих і калієвих струмів, що протікають через різні типи каналів соматичної мембрани сенсорних і гіпокампальних нейронів, описати електрофізіологічні і фармакологічні властивості потенціалокерованих кальцієвих і калієвих каналів.
2. Вивчити зміни щільності каналів кальцієвого та калієвого струмів нейронів в онтогенетичному розвитку і функціональну роль цих змін у формуванні електричної активності.
3. Дослідити механізми викиду нейромедіатора з поодинокої пресинаптичної терміналі гальмівних синапсів культивованих нейронів гіпокампа.
4. Вивчити вплив потенціалокерованих кальцієвих і калієвих каналів мембрани пресинаптичної терміналі нейронів гіпокампа на механізми викиду нейромедіатора.
5. Дослідити вплив на синаптичний зв'язок фармакологічних і електрофізіологічних факторів, що змінюють потенціалокеровані кальцієву та калієву провідності пресинаптичної терміналі.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Продемонстровано, що інтегральна калієва провідність у сенсорних нейронах формується трьома типами вихідних калієвих струмів, подібних А-, DR-, K- типам калієвих струмів, зареєстрованих у соматичнїй мембрані нейронів гіпокампа. У сомі нейронів гіпокампа, окрім цих струмів, також зареєстровано і описано D-струм.
2. Для сенсорних нейронів, вивчені зміни щільності кальцієвих і калієвих струмів в онтогенезі. Встановлено, що низькопорогові кальцієві канали, характерні для сенсорних нейронів, що розвиваються, зникають в процесі онтогенезу, у той час як високопорогові кальцієві канали присутні у соматичній мембрані протягом усього раннього онтогенезу.
3. Використовуючи експериментальні дані, що одержані при досліджені онтогенетичних змін кальцієвих і калієвих каналів, методом чисельного експерименту була проведена реконструкція можливих змін у генерації ПД, що являється однією з сигнальних функцій сенсорних нейронів. Показано, що на генерацію повторних ПД критичний вплив робить визначений баланс між низькопороговою кальцієвою провідністю і компонентом калієвої провідності, що інактивується.
4. Показано, що в культивованих нейронах гіпокампа високопороговий кальцієвий струм може бути розділений на 3 підтипи на основі їх різної фармакологічної чутливості. Показано, що основна роль у забезпеченні викиду нейромедіатора в гальмівних синапсах належить високопороговим кальцієвим каналам N- і P/Q- підтипів,а високопорогові кальцієві канали L-підтипу не беруть участі у гальмівній синаптичній передачі культивованих нейронів гіпокампа.
6. Показана можливість багатоквантового викиду нейромедіатора з поодинокої пресинаптичної терміналі нейронів гіпокампа. Викид нейромедіатора є випадковим процесом, що описується статистичним законом Пуассона. Збільшення потоку іонів Са2+ у пресинаптичну терміналь шляхом підвищення його позаклітинної концентрації або збільшення інтенсивності стимуляції приводить до росту середнього вмісту квантового викиду за рахунок збільшення ймовірності багатоквантового викиду.
7. Встановлено, що блокування потенціалокерованих калієвих каналів, опосередковано збільшуючи вхід іонів Са2+ в пресинаптичну терміналь, приводить до збільшення сили синаптичного зв'язку за рахунок збільшення ймовірності багатоквантового викиду нейромедіатора при незмінній величині одного кванта. У формуванні калієвої провідності пресинаптичного закінчення домінуючу роль грають 4-АП чутливі калієві струми (ймовірніше за все А-типу).
8. Продемонстровано, що при тривалій деполяризації пресинаптичної терміналі викид нейромедіатора може відбуватися тільки у визначені, найбільш ймовірні моменти часу, середній інтервал між викидами 2.97±0.86 мс. Кількість везикул, що вивільняються в найбільш імовірний час, є випадковою величиною. Існування найбільш імовірних часів викиду зв'язано не з виснаженням запасу везикул, готових до викиду, і не з рівнем деполяризації пресинаптичної мембрани, а залежить від потоку кальцію усередину терміналі.
Практичне значення отриманих результатів.
Дане дослідження має фундаментальне значення і значно поглиблює і розширює існуючі уявлення про функціювання кальцієвих і калієвих каналів соматичної мембрани сенсорних і центральних нейронів, їх ролі в генерації ПД, а також про механізми вивільнення нейромедіатора з нервових закінчень у центральній нервовій системі. З'ясування закономірностей експресії кальцієвих і калієвих каналів у соматичній мембрані сенсорних нейронів у процесі онтогенезу істотне для з'ясування закономірностей розвитку нервової системи. Дані про механізми синаптичної передачі в нейронах ЦНС і точний кількісний аналіз квантового викиду в поодиноких центральних синапсах мають загальнобіологічне значення, оскільки дотепер такий аналіз був практично недоступний у силу серйозних технічних обмежень. Нові знання про механізми, що лежать в основі міжклітинної комунікації, є важливими для розуміння таких явищ як навчання і пам'ять.
Проведені дослідження властивостей і функцій кальцієвих і калієвих каналів сенсорних і центральних нейронів створюють теоретичну основу для пошуку селективно діючих фармакологічних і біологічно активних препаратів і ефективної цілеспрямованої корекції патологічних станів.
Особистий внесок здобувача.
Автор самостійно розробляла методики ізоляції та культивування функціонально повноцінних нейронів різних відділів ЦНС, технічне обґрунтування методики стимуляції поодинокої пресинаптичної терміналі нейронів гіпокампа і внесла ряд удосконалень у цю методику та самостійно проводила більшу частину експериментів, аналіз, статистичну обробку й узагальнення результатів.
Деякі експерименти були проведені разом з іншими співавторами опублікованих робіт, співробітниками Інституту фізіології О.О.Богомольця НАН України: академіком П.Г. Костюком, д.б.н. М.С.Веселовським, аспірантами Д.В.Васильєвим і О.В.Ісаєвою. В роботі використовувалося унікальне електрофізіологічне устаткування, створене провідним інженером С. Г. Романюком.
Апробація результатів дисертації.
Усі матеріали дисертації представлялися на семінарах Інституту фізіології ім.О.О.Богомольця НАН України, на Всесоюзних симпозіумах і з'їздах, на щорічних зборах нейрофізіологічного товариства США (Новий Орлеан, 1997; Лос-Анжелес, 1998; Маямі, 1999), на щорічних зборах біофізичного товариства США (Сан-Франциско, 1991; Канзас-Сіті, 1998), на Міжнародних конгресах фізіологічних наук (Гельсінкі 1989; Київ, 1997) на 5-ому Всесвітньому конгресі ІБРО (Єрусалім, 1999), на зборах фізіологічного товариства Великобританії (Бірмінгем, 1999; Лондон, 2000), на конференції НАТО "Кальцієва сигналізація" (Ель Чокко, Італія, 2000), на симпозіумах "Кальцій як молекула для клітинної інтеграції" (Кент, 2000), "Мембрани і сигналізація" (Київ, 2000), на засіданнях сектора молекулярної фізіології Інституту фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України.
Публікації
За результатами роботи опубліковано 31 стаття у провідних вітчизняних і закордонних журналах і 17 (за останні 3 роки) тез доповідей.
Структура й обсяг дисертації
Дисертація складається з вступу, огляду літератури, опису методів досліджень, результатів досліджень (6 розділів), аналізу й узагальнення результатів, висновків і списку 283 використаних літературних джерел. Робота викладена на 246 сторінках, містить 6 таблиць, проілюстрована 62 рисунками.
МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Об'єкти дослідження. В експериментах використовувалися неідентифіковані нейрони чотирьох поперекових пар СГ щурів (первинні сенсорні нейрони) п'яти вікових груп: ембріони 17 дня пренатального розвитку, 1, 5-6, 14-15 і 90-100-го днів постнатального розвитку. Нейрони СГ ембріонів і новонароджених щурів ізолювалися з застосуванням ферментативно-механічної обробки. Клітини залишалися в модифікованому середовищі Ігла на час електрофізіологічних досліджень.
Для приготування первинної культури нейронів гіпокампа використовувався мозок новонароджених щурів лінії Вістар. Тварин декапітували, їх мозок поміщали у фосфатний буфер, що не містив Са2+ і Mg2+ і мав такий склад (у мМ/л): NaCl – 137; KCl – 2.7; KH2PO4 – 1.47; Na2HPO4 – 8.06; глюкоза – 20; HEPES – 15; натрієва сіль бензилпеніціліна – 25 од/мл; стрептоміцина сульфату – 25 мкг/мл. Гіпокамп виділяли і поперечно розрізали на частини товщиною 2-3 мм. Після 10-ти хвилинної обробки 0,025%-ним розчином трипсину у фосфатному буфері при 34 0С тканину промивали в мінімальному середовищі Ігла з додаванням 10% кінської сироватки. У цьому розчині клітини гіпокампа механічно дисоціювалися. Щільність клітин підраховувалася на гемоцитометрі, після чого вона доводилася до остаточної щільності висіву 35000 клітин/см2 на скло, попередньо оброблені полі-L-орнітином і ламініном. Культивування проводилося при 37 0С в повітряно-газовому середовищі, збагаченному СО2 до 5%. На другий-третій день культивування в середовище додавалося 5 мкM цитозин-А-D-арабіно-фуранозіда для придушення проліферації гліальних клітин, а через 15-20 годин після цього здійснювалася повна зміна культурального середовища.
Штучні сольові розчини. При видаленні з розчинів іонів Na+ вони замінялися еквімолярною концентрацією іонів холіну. Осмотичність модифікованих розчинів підтримувалася додаванням хлориду холіну. При реєстраціях струмів методом "петч клемп" у конфігурації "ціла клітина" склад внутрішньопіпеточного розчину був наступним (у мМ/л): СsCl- 130, ТЭA-Cl- 10, MgCl2- 5, CaCl2- 1, ЭГТА- 10, трис-Cl- 10 чи CsCl - 60, CsOH - 60, EGTA - 10, HEPES - 20; рН доводили до 7,3 додаванням СsОН і DL-аспарагінової кислоти. При реєстрації вихідних калієвих струмів клітина заповнювалася наступним розчином: KF 150, Tris-HCl 30, рН доводився за допомогою Тrіs-OH до 7.3. Розчини для зовнішньої перфузії містили (у мМ/л): холіну хлориду -150, KCl-5, CaCl2-1 , MgCl2-1, HEPES-20, рН доводився до 7.4 додаванням Tris-OH. У зовнішньому розчині містився тетродотоксин (ТТХ) у концентрації 0.5-1 мкМ. Аплікація блокаторів калієвих каналів тетраетіламмонія (ТЕА) і 4-амінопіридина (4-АП) проводилася з використанням техніки швидкої локальної перфузії [Veselovsky et al., 1996] безпосередньо в області досліджуваного нейрона.
Для реєстрації викликаних гальмівних постсинаптичних струмів (вГПСС) від пари нейронів базовий розчин містив (у мM/л): NaCl - 140; KCl -3; Ca12 - 2; MgCl2 - 2; HEPES - 20; глюкоза - 30; p 7.3. Для заповнення пэтч-пипетки використовувався розчин наступного складу (у мМ/л): глюконат калію -100; KCl- 50; MgCl2 - 10; ЭГTA - 10; HEPES - 20; p 7.4. При дослідженнях поодинокої пресинаптичної терміналі розчини для зовнішньої перфузії містили (у мМ/л): NaCl-140, KCl-3, CaCl2-2 , MgCl2-2, HEPES-20, рН доводився до 7.4 додаванням Tris-OH. Внутрішньопіпеточний розчин містив (у мМ/л): KGlu-100, KCl-50, EGTA-5, MgCl2-5, pН доводився до 7.4 за допомогою Tris-OH. В позаклітинний розчин додавалися блокатори AMPA- і NMDA-рецепторів збуджуючих синапсів DNQX і D-APV у концентрації 20 мкМ кожен, що було достатньо для повного їх блокування.
Реєстрація струмів. Для виміру трансмембранних струмів ізольованих нейронів був застосований метод фіксації потенціалу в конфігурації "ціла клітина", описаний раніше [Hamill et al.,1981].
Локальна стимуляція поодинокої пресинаптичної терміналі. Візуальний контроль досліджуваного постсинаптичного нейрона та нервової терміналі виконувався при сумарному збільшенні в 1000 разів. Звичайно в полі зору (діаметр 200 мкм) знаходилися 1-2 нейрона. Проводилася стимуляція одного з нейритів клітини, що контактує з іншою клітиною, у якій при цьому виникав ГПСС (ці клітини позначалися як пре- і постсинаптичні одиниці відповідно). Реєстрація ГПСС здійснювалася за допомогою методу “петч-клемп” у конфігурації "ціла клітина". Стимулююча піпетка з внутрішнім діаметром близько 1 мкм заповнювалася зовнішнім розчином (опір 8-10 МОм) і з'єднувалася зі стимулятором з ізольованим виходом. Мала амплітуда стимулюючого потенціалу (0-25 В) продуціювала загальний струм не більше 2.5 мкА. У цьому випадку стимуляція відбувалася за рахунок локальної зміни потенціалу в позаклітинному розчині поблизу стимулюючої піпетки. Цей потенціал градуально зменшувався рівномірно у всіх напрямках, як функція відстані від кінчика піпетки. Потенціал на відстані 5 мкм від стимулюючої піпетки в поздовжньому і поперечному напрямках зменшувався до величин менших 5 мВ при стимулюючій напрузі 15 В. Звичайно стимулююча напруга, що використовувалася для стимуляції подинокої терміналі, була 6.5±3.5 В (n = 143), і діаметр зони ефективного зрушення потенціалу (0-100 мВ) не перевищував 2-3 мкм.
Аналіз даних. У процесі експерименту дані відцифровувалися аналого-цифровим перетворювачем (Axon Instruments, TL-1 interface) і зберігалися на твердому диску комп'ютера з використанням програмного пакету pClamp 6.0 (Axon Instruments). Частота відцифровки трансмембранних іонних струмів складала 0.5-10 КГц у залежності від тривалості досліджуваних подій. Аналіз струмів і даних проводився з використанням аналітичних програмних продуктів (pClamp 6.0, Axon Instruments; Origin 3.54, Microcal Software; TIDA for Windows, HEKA Elektronik). Для визначення достовірності отриманих результатів використовувався блок статистичних програм ANOVA з рівнем значимості не нижче Р = 0.05.
РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Опис калієвих вихідних струмів у сенсорних нейронах.
Нейрони спінальних гангліїв проводять у центральну нервову систему значну частину сенсорної інформації. Інтегральний вихідний калієвий струм соматичної мембрани спінальних гангліїв щурів міг бути розділений на три незалежних компоненти. Сімейства кривих сумарного вихідного струму реєструвалися двічі з різною схемою подачі потенціалу на мембрану досліджуваного нейрона. Ізольований струм, що швидко інактивувався (далі "швидкий") був отриманий як результат поточкового віднімання струмів, зареєстрованих під час другого етапу подачі потенціалу, від сумарного вихідного калієвого струму, отриманого під час першого етапу подачі потенціалу на мембрану досліджуваного нейрона (схема подачі потенціалу на мембрану клітини представлена на рис.1).
В усіх досліджених нейронах у відповідь на деполяризуючий зсув мембранного потенціалу виникав компонент калієвого струму, що повільно інактивувався ("повільний").
Струм затриманого випрямлення, що не інактивувався ("затриманий"), реєструвався при підтримуваному потенціалі -25 мВ, коли канали калієвих струмів іншого типу були повністю інактивовані.
Для визначення постійних часу активації всіх трьох типів калієвих струмів застосовувалася апроксімація наростаючої частини кривих струмів експоненціальною функцією в четвертій ступені. Постійна часу активації "швидкого" струму зміняювалася в діапазоні 6...1 мс при зміні потенціалу на мембрані у диапазоні –40...+40 мВ. Постійна часу активації "повільного" калієвого струму зменшувалася від 13 до 4 мс при зміні потенціалу від –10 мВ до +50 мВ. Постійна часу активації "затриманого" струму монотонно зменшувалася від 100 мс при -10 мВ до 25 мс при +50 мВ.
Спадаюча частина "швидкого" струму могла бути описана моноекспоненціальною функцією з постійною часу, що зменшувалася від 40 мс до 15 мс при зміні мембранного потенціалу від –40 мВ до +40 мВ. Спадаюча частина "повільного" струму щонайкраще описувалася сумою двох експонент. Постійна часу другої (повільної) експоненти інактивації на порядок перевищувала першу, більш швидку.
Експериментальні точки для визначення стаціонарної активації та інактивації калієвих струмів були описані рівнянням Больцмана (див Табл.1).
Додавання 2 мМ 4-АП приводило до блокування амплітуди "швидкого" струму на 80±7% (n=8), а "повільного" на 55±6% (n=8). "Затриманий" струм не мав якої-небудь значимої фармакологічної чутливості до 4-АП. ТЕА в концентрації 10 мМ блокував "повільний" струм на 40±5% (n=12), "затриманий" струм на 70±5% (n=12) і не викликав істотної зміни амплітуди "швидкого" струму.
Таблиця 1. Параметри рівняння Больцмана для стаціонарних характеристик калієвих струмів сенсорних нейронів.
Типи струмів "Швидкий" "Повільний" "Затриманий"
k, мВ V1/2 , мВ k, мВ V1/2 , мВ k, мВ V1/2 , мВ
Активація 12 -20 13.4 -13 12.5 -15
Інактивація -10 -84 -12 -55
V1/2 – значення потенціалу при досягненні половинного значення стаціонарної активації/інактивації, а k – коефіцієнт крутості.
Зміна розподілу вхідних і вихідних струмів у пре- і постнатальному розвитку.
Щільності всіх типів вхідних струмів були виміряні для п'яти вікових груп тварин: ембріони (7 днів до народження), 1, 6-7, 45-50 і 90-100 днів постнатального розвитку. У кожній віковій групі було досліджено по 76 нейронів. При вивченні щільностей вихідних струмів у вікових групах було досліджено по 50 нейронів. У процесі онтогенетичного розвитку відбувалося статистично недостовірне збільшення кількості нейронів, що експресують канали ТТХ-чутливого натрієвого і високопорогового кальцієвого струмів, одночасно помітно зменшувалася кількість клітин, що експресують канали ТТХ-нечутливого натрієвого і низькопорогового кальцієвого струмів.
Усі три типи калієвих струмів були виявлені практично в кожному дослідженому нейроні, хоча амплітуди струмів варіювали в значній мірі. Середня щільність "повільного", також як і "швидкого" калієвих струмів, статистично достовірно збільшувалася на протязі перших п'яти днів постнатального розвитку. Середня щільність "затриманого" калієвого струму зменшувалася протягом цього періоду розвитку і не змінювалася в наступному.
Функціональна роль різних іонних струмів у генерації ПД сенсорних нейронів.
Данні про функціювання різних типів потенціалокерованих іонних каналів нейрональної мембрани, опис характеристик цих каналів і данні про те, що щільності іонних струмів міняються в процесі онтогенезу, вимагають систематизації у встановленні відповідності між основними функціями нейрона і молекулярними механізмами, що забезпечують ці функції. Базуючись на експериментальних даних про іонні струми в сенсорних нейронах щурів, з використанням персонального комп'ютера була створена чисельна модель електричної активності цих нейронів. При цьому всі параметри струмів були зафіксовані на величинах, отриманих шляхом усереднення результатів дослідження 20 нейронів, і вони описують усереднений модельний нейрон. Розходження значень площі і ємності мембрани, що можуть бути істотними для нейронів на різних стадіях онтогенетичного розвитку, були враховані в експериментальних дослідженнях за допомогою нормування щільностей струму щодо вимірюваної ємності мембрани клітини. Ці щільності були перераховані в значення сумарної провідності g іонних каналів (віднесених безпосередньо до всієї мембрани усередненого модельного нейрона), що вимірялася в наносименсах.
У чисельному експерименті ПД виникав у відповідь на імпульс струму тривалістю 0.1 мс і амплітудою 6 нА. У тих випадках, коли провідності низько- і високопорогових кальцієвих струмів були зафіксовані на мінімальних зареєстрованих експериментально значеннях, модельований ПД мав класичну форму і володів вираженою слідовою гіперполяризацією.
Збільшення провідності високопорогових кальцієвих струмів викликало затягування заднього фронту ПД. При цьому співвідношення щільностей вхідних і вихідних струмів було таке, що після уповільненого спаду і виходу на плато, мембранний потенціал під дією переважно вхідного струму знову починав зміщатися в область деполяризації. При достатньому зсуві він повторно переходив поріг активації і це приводило до генерації другого ПД. Дійсно, підвищення провідності для вхідного низькопорогового кальцієвого струму забезпечувало виникнення другого ПД. До такого ж результату приводило і зниження провідності каналів компонента калієвого струму, що інактивується. Ці зміни провідностей кальцієвого і калієвого струмів безпосередньо зміщали баланс у бік вхідних струмів, тим самим викликаючи генерацію повторного ПД.
Зниження щільності повільного вхідного натрієвого струму приводило до появи другого ПД, провідність gNa,s була 85 нСм. Ефект дії повільного натрієвого струму був більш помітний при заданні екстремально високого значення провідності gNa,s. При цьому на спадаючій фазі ПД з'являлося плато на рівні – 30 мВ і підвищення провідності вхідного низькопорогового кальцієвого струму gCa,l до 27 нС виявлялося недостатнім для генерації повторного піка. Тільки при значенні gCa,l, рівному 55 нС, з'являвся другий ПД. Хід іонних струмів був таким, що до моменту, коли встановлювався приблизний баланс вхідних і вихідних струмів, натрієві струми були вже цілком інактивовані. Таким чином, зміна щільності ТТХ-нечутливого натрієвого струму може зміщувати баланс лише опосередковано – через інактивацію низькопорогового кальцієвого струму, викликану затримкою мембранного потенціалу на рівні –30 ...–50 мВ.
Зміни провідності мембрани для високопорогового струму при базових значеннях інших провідностей не приводили до генерації повторного ПД. Значне збільшення gCa,h викликало лише стійку деполяризацію мембрани. Більш того, і зменшення, і збільшення gCa,h викликали зникнення другого піка.
Зменшення провідності компоненту калієвого струму, що інактивується, викликало появу повторного ПД, а її збільшення, сприяючи зрушенню рівноваги убік вихідних струмів, перешкоджало цьому. Невелике збільшення gCa,l з 27 до 28 нСм нейтралізувало цей ефект. Значне зменшення gKi до 1300 нСм перешкоджало генерації другого ПД, причому підвищення щільності кожного з кальцієвих струмів (або обох одночасно) приводило лише до затягування плато. Причиною цього є стаціонарна інактивація низькопорогового кальцієвого струму. Виникнення плато при зниженні калієвої провідності забезпечувалося вхідними струмами, зокрема, ТТХ-нечутливим натрієвим. Затримка мембранного потенціалу на рівні -40 мВ обумовлювала повну стаціонарну інактивацію низькопорогового кальцієвого струму. При зниженні провідності gNa,s повторний ПД знову з'являвся.
Як показали результати описаних вище чисельних експериментів, ключовим для процесу генерації повторних ПД, очевидно, є баланс між компонентом калієвого струму, що інактивується, і низькопороговим кальцієвим струмом. Рівновага може спостерігатися тільки у вузькому діапазоні значень потенціалу між порогом активації низькопорогового струму (-70 мВ) і областю вище -50 мВ, у якій цей струм швидко інактивується. Траєкторія мембранного потенціалу перед генерацією повторного ПД обмежена досить вузькими рамками. Занадто різке падіння потенціалу приводить до його виходу з області активації низькопорогового струму, а занадто повільне – до стаціонарної інактивації цього струму.
Варіації іонних струмів у залежності від розміру соми сенсорних нейронів.
При дослідженні неідентифікованих нейронів, що належать одній структурі, але сильно відрізняються своїми функціональними властивостями, часто виникає питання про критерій поділу гетерогенної популяції нейронів на функціонально однотипні субпопуляції цих нейронів. Ємність нейрональної мембрани є більш об'єктивним критерієм справжнього розміру клітин, у той час як візуальна оцінка площі соми непрямим чином відбиває адгезивні властивості мембрани. Для 136 досліджених нейронів були побудовані розподіли по величині ємності мембрани, що була пропорційна розміру проекції соми, і відповідно до цього нейрони були розділені на три групи: малі, що мали середню ємність 26±5 пФ, середні - 41±5 пФ і великі - 61±4 пФ.
Нейрони, у соматичній мембрані яких був присутній ТТХ-нечутливий натрієвий струм, у більшості відносяться до клітин, що мають середній розмір соми. За рахунок присутності INa,s ПД цих нейронів має плато на спадаючій фазі і час між двома повторними імпульсаціями внаслідок цього буде затягнутий.
Нейрони, що мають низькопороговий кальцієвий струм, належать, в основному, до підгрупи з великим розміром соми. Присутність IСa,l приводить до істотного скорочення часу між повторними ПД.
Потенціалокеровані кальцієві іонні струми соматичної мембрани нейронів гіпокампа.
На сомі культивованих нейронів гіпокампа в розчині, що містив ТТХ, у відповідь на прямокутний деполяризуючий зсув мембранного потенціалу щодо підтримуваного потенціалу -90 мв виникав вхідний кальцієвий струм, вольт-амперна характеристика якого мала два піки, що відповідають низько- і високопороговому кальцієвим струмам. Транзієнтний низькопороговий кальцієвий струм виникав при деполяризації мембрани від -70 до -35 мВ і досягав максимальної амплітуди при потенціалах –45... –50 мВ (n=10). У випадку деполяризації мембрани понад -35 мВ розвивався високопороговий кальцієвий струм, амплітуда якого досягала максимуму при –15... –20 мВ (n=10).
Високопороговий компонент кальцієвого струму в досліджуваних нейронах гіпокампа розділявся на кілька підтипів на основі різної чутливості до органічних блокаторів, таких як ніфедіпін, w-CTx-GVIA і w-Aga-IVA. Фармакологічно можна було виділити, принаймні, чотири різних підтипи цього струму. Дія органічних блокаторов на різні компоненти високопорогового кальцієвого струму досліджувалася в умовах підтримки потенціалу до -60 мВ для повної стаціонарної інактивації низькопорогового кальцієвого струму, тестуючий зсув мембранного потенціалу -20 мВ, тривалість тестуючого зсуву 400 мс, частота тестуючої стимуляції була 1/600 с-1.
Аплікація 10 мкМ Cd2+ приводила до пригнічення низькопорогового кальцієвого струму тільки на 3±1%, при цьому високопороговий струм пригнічувався на 28±7% (n=5). Додавання 20 мкМ Сd2+ викликало придушення низькопорогового струму на 6±2%, а високопорогового - на 52±4% (n=5). Подальше збільшення концентрації Cd2+ (50 мкМ) не приводило до зміни максимальної амплітуди високопорогового струму, тоді як низькопороговий придушувався на 18±9% (n=3).
Ніфедіпін, відомий блокатор L-типу кальцієвих каналів, у концентрації 10 мкМ викликав зменшення максимальної амплітуди високопорогового кальцієвого струму на 23±5 % (n=6).
Високопороговий компонент кальцієвого струму блокувався на 30±5 % при дії w-CTx-GVIA у концентрації 1 мкМ (n = 4). Оскільки в нейронах w-CTx-GVIA блокує тільки N-струми, то можна зробити висновок, що у всіх досліджених нейронах були присутні кальцієві канали N-типу.
Високопороговий компонент кальцієвого струму виявляв чутливість до w-Aga-IVA- специфічного блокатору кальцієвих каналів P-/Q-підтипів, хоча ступінь блокування кальцієвого струму цим токсином була дуже варіабельна: w-Aga-IVA у концентрації 200 нм блокував кальцієвий струм на 37±13% (n=7).
В усіх досліджуваних нейронах при спільному додаванні блокаторів w-CTx-GVIA (1 мкМ), w-Aga-IVA (200 нМ) і ніфедіпіну (100 мкМ) високопороговий кальцієвий струм пригнічувався на 84±5 % (n=5). Таким чином, залишався деякий резистентний до всіх типів блокаторів низькоамплітудний компонент високопорогового кальцієвого струму. Можливо, що блокатори в застосовуваній концентрації не до кінця пригнічують досліджуваний струм і резистентний струм, що спостерігається, являє собою суму N-, L- і P-/Q-струмів, частково незаблокованих даними концентраціями блокаторов. Наявність резистентного струму можна також пояснити присутністю в нейронах гіпокампа кальцієвих каналів R-типу.
Чотири типи калієвих струмів у культивованих нейронах гіпокампа.
Склад зареєстрованих вихідних калієвих струмів і їх амплітуди при тривалому культивуванні помітно варіювали в процесі розвитку росту нейронів у культурі. Розділення калієвих струмів в соматичній мембрані нейронів гіпокампа (рис.1) виконувалося за схемою, описаною детально для сенсорних нейронів.
Калієвий струм D-типу виділявся з інтегрального вихідного струму завдяки своїй гіперчутливості до 4–АП. 4-АП у концентрації 10 мкM викликав істотне пригнічення повільного компонента калієвого
струму. Додаванння 4-АП у концентраціях понад 200 мкM не приводило до подальшого зменшення амплітуди залишкової частини повільного компонента калієвого струму. Ізольований D-струм був отриманий у результаті поточкового віднімання залишкового струму від контрольного (рис.2А). Постійні часу активації для А- DR- і К-струму монотонно зменшувалися при збільшенні тестуючого потенціалу і складали відповідно 2 мс, 12 мс, 45 мс при Vt=-10 мВ, а також 1.5 мс, 6 мс і 10 мс при Vt=+50 мВ.
Часова інактивація А-струму була апроксимована однією експонентою. Постійна часу цієї експоненти монотонно зменшувалася при збільшенні деполяризуючого зсуву потенціалу від 37 мс при -50 мВ до 17 мс при 50 мВ. У той же час інактивація калієвого струму DR-типу найкраще описувалася сумою двох експонент. Параметри часової інактивації струму DR-типу оцінювалися для нейронів, у яких амплітуда К-струму була суттєво менша за амплітуду DR-струму. Постійна часу повільної і швидкої експонент варіювала від 4500 мс і 550 мс при Vt=-20 мВ до 1800 мс і 300 мс при Vt=+40 мВ, відповідно. Спад D-струму міг бути задовільно описаний однією експонентою. Постійна часу цієї експоненти при зміні тестуючого потенціалу від –40 мВ до +60 мВ змінювалася від 1000 мс до 400 мс.
Стаціонарні активація й інактивація калієвих струмів оцінювалися за допомогою двоступінчастої схеми зсуву мембранного потенціалу. Рівень стаціонарної інактивації визначалася як відносна провідність мембрани під час фіксованого тестуючого зсуву потенціалу, після прикладеного до мембрани кондиціонуючого імпульсу, що змінювався з кроком 10 мВ.
Ця здатність ансамблю каналів пропускати струм після різних рівнів гіперполяризації мембрани може бути представлена як відносна провідність G/Gmax, де Gmax – максимальна калієва провідність. Для визначення величини стаціонарної активації каналів значення провідності визначалося як відношення амплітуди струму під час тестуючого зсуву потенціалу до електрорушійної сили: (Vm – Ek ), де Ek рівноважний потенціал для іонів калію (для даних концентрацій іонів калію у внутрішньо- і позаклітинному розчинах складав –71 мВ), Vm. – величина тестуючого потенціалу. При дослідженні А-струму перший вимір інтегрального струму під час тестуючого зсуву потенціалу проводився при відсутності затримки між кондиціонуючим і тестуючим зсувами потенціалу, другий – з використанням затримки після кондиціонуючого зсуву потенціалу. Під час затримки мембрана деполяризувалася до –45 мВ на 100 мс. Поточкове віднімання струмів, зареєстрованих у другому випадку, зі струмів, записаних у першому, дозволило ізолювати А-струм із сумарного калієвого струму.
Експериментально отримані значення для стаціонарного рівня активації й інактивації струмів визначалися за значенням відношення G/Gmax і задовільно описувалися рівнянням Больцмана.
Таблиця 2. Параметри рівнння Больцмана для стаціонарних характеристик калієвих струмів нейронів гіпокампа.
Типи струмів А-тип DR-тип K-тип D-тип
k, мВ V1/2, мВ k, мВ V1/2, мВ k, мВ V1/2, мВ k, мВ V1/2, мВ
Активація 10.8 -22 10.6 -5 11.5 -18 11.8 -36
Інактивація -7.1 -80 -10.4 -61 -9.5 -95
V1/2 – значення потенціалу при досягненні половинного значення стаціонарної активації/інактивації, k – коефіцієнт крутості.
Потенціалокеровані калієві струми в довгостроково культивованих нейронах гіпокампа мали різний ступінь фармакологічної чутливості до блокаторів калієвих каналів. Вольт-амперні характиристики А-струмів, отримані при додаванні 4-АП у різних позаклітинних концентраціях, свідчать, що взаємодія блокатора з каналом не виявляла вираженої потенціалозалежності. Величина максимальної амплітуди А-струму при даному тестуючому потенціалі залежала від концентрації блокатора, що прикладався. Для оцінки ступеня блокування IА при визначеному потенціалі і різних концентраціях 4-АП в розчині, була обрана модель адсорбції субстрату на активних центрах, що описується ізотермою Хілла. Ступінь блокування, тобто відносну величину заблокованої частини струму, визначали як (Iконтр - I)/ Iконтр, де Iконтр - амплітуда струму в нормальному зовнішньому розчині, а I - пікове значення струму при визначеній концентрації блокатора і при фіксованій частоті стимуляції не більш 2 с-1. Максимальна провідність каналів калієвого струму А-типу досягається, якщо тестуючий потенціал зміщається до +40 мВ, тому взаємодія "блокатор-канал" була досліджена при цьому мембранному потенціалі. Експериментальні значення найкраще описувалися рівнянням Хілла при коефіцієнті кооперативності, рівному 2, що припускає співвідношення: дві молекули субстрату - один активний центр. Половинне значення максимальної амплітуди А-струму досягалося, якщо концентрація 4-АП дорівнювала 2.1 мМ, 4-АП у концентрації 1 мМ блокував А-струм на 27±9% (n=4), а в концентрації 5 мМ - на 87±8% (n=5). Калієвий струм А-типу був не чутливий до позаклітинного додавання 10 мМ ТЕА.
DR-струм блокувався 10 мМ ТЕА на 55%. Позаклітинне додавання 4-АП у концентрації 1 мМ приводило до блокування DR-струму на 45%, а в концентрації 5 мМ - на 80%.
D-струм виявляв найбільшу чутливість до додавання 4-АП, оскільки додаток 4-АП у концентрації 200 мкМ викликав повне оборотне придушення цього струму. Калієвий струм, що не інактивується, не мав помітної фармакологічної чутливості до 4-АП, проте, добре блокувався ТЕА. Додавання в позаклітинний розчин 10 мМ ТЕА приводило до зменшення амплітуди цього струму на 70±5% (n=5).
Вплив кальцієвих і калієвих струмів на ефективність гальмівної синаптичної передачі.
Основна ідея моделі квантового викиду нейромедіатора полягає в тому, що медіатор вивільняється з пресинаптичної терміналі дискретними порціями, приблизно рівними по кількості нейромедіатора, що знаходиться в поодинкій пресинаптичній везикулі. Кожна везикула містить один квант (кілька тисяч молекул) нейромедіатора. Везикули прилипають до внутрішньої поверхні терміналі у визначених місцях вивільненя. У центральних синапсах кількість місць вивільнення асоціюється з загальним числом везикул, що готові до викиду, кількістю пресинаптичних терміналей і числом активних зон. Кількість морфологічно помітних активних зон в поодинокій пресинаптичній терміналі центральних нейронів визначається як одна, іноді дві. Дотепер точний аналіз квантового викиду нейромедіатора в поодинокому синапсі центральних нейронів був лімітований технічними труднощями, що не дозволяли проводити надійну реєстрацію струмів і статистичний аналіз даних.
Є загальноприйнятим, що початкова подія, що приводить до вивільнення нейромедіатора, пов'язана з потоком кальцію через потенціалокеровані канали пресинаптичної терміналі. У попередніх розділах було показано, що зареєстровані в культивованих нейронах гіпокампа кальцієві і калієві струми виявилися ідентичними за своїми параметрами струмам, що раніше були описані у свіжеізольованих нейронах і зрізах гіпокампа щурів, тому культура нейронів гіпокампа є адекватною моделлю дослідження властивостей нейронів ЦНС. Дослідження впливу змін кальцієвої і калієвої провідностей на викид нейромедіатора з поодинокої пресинаптичної терміналі може допомогти розумінню механізмів синаптичного зв'язку, що регулюються іонами Са2+.
Гальмівні постсинаптичні струми, викликані викидом ГАМК з поодинокої
пресинаптичної терміналі.
Викликані ГПСС (вГПСС) у культивованих нейронах гіпокампа досліджувалися з використанням методу "петч-клемп" у конфігурації реєстрації від цілої клітини в сполученні з методикою позаклітинної стимуляції окремого синаптичного закінчення в розчині, що вміщує ТТХ.
Викликані ГПСС виникали як відповідь на короткі (3-5 мс) деполяризуючі імпульси струму, що пропускаються через скляний мікроелектрод, заповнений позаклітинним розчином (рис.3А). Стимуляція проводилася безпосередньо в зоні досліджуваного синаптичного закінчення, зрушення стимулюючого електроду безпосередньо від центра досліджуваної поодинокої терміналі (точка R0) на 2-3 мкм у будь-якому напрямку (позначено колом з діаметром 3 мкм, точка R) приводило до повного зникнення викликаної постсинаптичної відповіді навіть у випадку збільшення стимулюючого струму і вихідної напруги в два рази (рис. 3Б). Амплітуда середніх викликаних ГПСС мала лінійну залежність від величини підтримуваного потенціалу з величиною потенціалу реверсії –16±4 мВ (n = 4). Рівноважний потенціал, розрахований по рівнянню Нернста для використаних концентрацій іонів хлору, складав –19 мВ. Додавання специфічного блокатора ГАМК-рецепторів – бікукуліна - в концентрації 2мкМ приводило до повного й оборотного зникнення викликаних струмів. Таким чином, зареєстровані вГПСС були ідентифіковані як ГАМК-індуковані Cl- струми.
Середні параметри часового ходу вГПСС оцінювалися для обраних струмів з рівними амплітудами в кожнім з 10 досліджених поодиноких синапсів. Час до піка оцінювався по наростаючій частині струму від 10% до 90% пікової амплітуди. Час до піка для вГПСС, що мали різні амплітуди, був однаковим і складав 1.1±0.4 мс (n=32).
Спад вГПСС найкраще описувався сумою двох експонент. Постійні часу для експонент, що описують спад струму, були 8.4±3.9 мс і 52±16 мс (n=32), відповідно.
Опис імовірності багатоквантового викиду нейромедіатора
статистичним законом Пуасcона.
Амплітуди вГПСС варіювали від границі вимірного мінімуму близько 7-8 пА до величин більших, ніж 200 пА при підтримуваному потенціалі –75 мВ. Амплітуди викликаних ГПСС у всіх досліджених поодиноких синапсах (n = 32) флуктуювали відносно дискретних кратних величин пікових амплітуд, як показано на вставках рис.3Б, 4А,В.
У більшості досліджених нейронів надійна стимуляція поодинокої нервової терміналі і реєстрація струмів, що викликані викидом з неї нейромедіатора, не були настільки тривалими, щоб зібрати достатню кількість ГПСС для адекватного статистичного аналізу. Частота стимуляції не перевищувала 1/5 с-1, таким чином, щоб накопичити 300 струмів, було потрібно 25 хв абсолютно нерухомого положення стимулюючої піпетки, оскільки її дрейф на 1.5-2 мкм викликав повне зникнення постсинаптичних відповідей. Амплітудні розподіли були реконструйовані для 8 різних поодиноких синапсів, реєстрація від яких цілком відповідала вищевикладеній вимозі. Ці амплітудні розподіли виявили легко помітні множинні піки, як це показано на рис.4А,В. При апроксимації експериментальних амплітудних розподілів сумою декількох Гауссіан, що припускають накладення незалежних квантових подій, були виявлені рівновіддалені один від одного послідовні піки. Відстань між піками в амплітудних розподілах у середньому складала 20 пА при підтримуваному на постсинаптичній клітині потенціалі –75 мВ (рис.4А,В), незалежно від величини стимулюючого імпульсу. Перший пік з модою на 0 пА являє собою розподіл реєстрацій, коли стимуляція пресинаптичної терміналі не приводила до виникнення викиду нейромедіатора і, як наслідок, представляє відсутність постсинаптичного струму.
Середня відстань між піками, рівна 20±3 пА, була розрахована для 8 досліджених синапсів з кількістю реалізацій у кожному експерименті не менш 270. Припускаючи, що відстань між піками дорівнює величині одного кванта інтегрального ГПСС, можна зробити висновок, що середня величина кванта дорівнює 20 пА при підтримуваному потенціалі –75 мВ.
Отримані дані вказують на те, що викид медіатора в окремому синаптичному закінченні нейронів гіпокампа має ймовірний характер. Механізм викиду медіатора є квантовим. Кількість піків в амплітудних розподілах для різних поодиноких синапсів варіювала від 2 до 6, крім першого піка навколо нуля. Оскільки амплітуда постсинаптичної відповіді пропорційна кількості викинутого нейромедіатора, то можна припустити, що медіатор викидається дискретними, приблизно рівними порціями, що, сумуючись, приводять до багатопікового амплітудного розподілу. У використаній нами експериментальній конфігурації видима морфологічна структура (рис.3А) – поодинока нервова терміналь нейронів ЦНС – відповідно до базової ідеї квантової моделі, повинна відповідати одній активній зоні (або зрідка двом). Однак, багатопіковий амплітудний розподіл означає, що поодинока синаптична терміналь не є ідентична одній активній зоні з одним місцем викиду тільки для однієї везикули, оскільки в цьому випадку ми б одержали амплітудний розподіл тільки з двома піками, один із яких представляв би шум з медіаною на нульовій відмітці.
Оскільки амплітудний розподіл із шістьма піками означає, що подинока терміналь має або 1) одну активну зону із шістьма місцями викиду, 2) дві активні зони з трьома місцями викиду кожна, або 3) шість активних зон, кожна з одним місцем викиду. Припущення про існування центральної терміналі, що має 6 активних зон, не підтверджується жодним морфологічним дослідженням. Шостий пік в амплітудній гистограмі означає тільки для першого випадку одночасний викид шести везикул, для другого – одночасний виких трьох везикул з кожної активної зони і синхронну роботу двох активних зон. Це означає, що викид нейромедіатора в гальмівних синапсах центральних нейронів являється багатоквантовим. Для опису отриманих результатів статистичним законом Пуассона для випадкових подій ми повинні були перейти від безперервного амплітудного розподілу до розподілу дискретних квантових подій. Для побудови гістограми кількості квантових одиниць у кожній відповіді, поодинокий квант повинен бути виділений із багатоквантової події. При побудові дискретного розподілу Пуассона за один квант приймалися вГПСС з амплітудою в межах -8...-28 пА, за два кванти від -28 пА до -48 пА і т.д.
Розподіл Пуассона для ймовірності викиду х квантів медіатора записується у виді P(x) = e-m mx /x!, де m - математичне чекання кількості квантів (квантовий вміст). Квантовий вміст визначається як відношення сумарної кількості викинутих квантів у серії з N іспитів до кількості цих іспитів.
Залежність розподілу числа квантів від кількості їх одночасної реалізації в кожній багатоквантовій відповіді, що відповідає амплітудному розподілу вГПСС, показана на рис.4Б,Г. Стовбці на графіку представляють експериментально отримані кількості зареєстрованих струмів, що відповідають: (0) - відсутності викиду, (1) - викиду однієї квантової одиниці, (2) двом квантовим одиницям і т.д. Кількість вивільнених квантів нейромедіатора оцінювалося виходячи з даної амплітуди постсинаптичного струму і визначеної з амплітудної гістограми величини одного кванта - 20 пА. Як видно з цього рисунка, дискретний розподіл викиду медіатора досить добре корелює з теоретично розрахованим за законом Пуассона (показано зірочками).
Регулярність викиду нейромедіатора при тривалій деполяризації поодинокої пресинаптичної терміналі.
Постсинаптичні струми, викликані стимулюючим імпульсом струму тривалістю 10-20 мс, були класифіковані як відповіді “на включення”. Підчас такого стимулу постсинаптична відповідь виникала у виді декількох накладених послідовних вГПСС (подій), що виникають після різних часових затримок (рис.5).
Оскільки кількість везикул, що вивільнябть нейромедіатор в синаптичну щілину, у кожний момент викиду є випадковою величиною, то амплітуди послідовних постсинаптичних відповідей змінюються також дискретним випадковим чином. Затримки вимірялися як час, що пройшов від початку деполяризуючого стимулу до кожної послідовної події, як це докладно описано в підписі до рис.5. У фізіологічному розчині, що вміщував ТТХ, розподіли затримок для вГПСС були побудовані для 16 синапсів з кількістю реалізацій не менш 60 і числом подій не менш 150.
В усіх досліджених поодиноких синапсах розподіли затримок мали множинні регулярно розташовані піки. Апроксимація таких розподілів сумою декількох Гауссіан у припущенні накладення незалежних подій, що відбуваються в різний час протягом продовженого деполяризуючого стимулу, виявила рівновіддалені послідовні піки. Кількість піків залежала від тривалості стимулу і збільшувалася при подовженні стимулюючого імпульсу. На гістограмах з рівновіддаленими піками відстань між піками в середньому складала 2.97±0.86 мс (n = 58), незалежно від числа піків у розподілі (рис.6). Таким чином, час, що відповідає пікам розподілу часових затримок, являє собою найбільш ймовірний час викиду. Порівняння розподілів затримок для першої і другої подій з розподілом генеральної популяції всіх затримок демонструє збіг піків і провалів для всіх розподілів. Перша часова затримка вимірювалася як час, що пройшов від початку стимуляції пресинаптичної терміналі до першого зареєстрованого постсинаптичного струму. Викид нейромедіатора (ГАМК), що викликає виникнення зареєстрованих постсинаптичних струмів, може відбуватися в кожний найбільш ймовірний час викиду, однак, якщо перед цим викидом не відбувалося викиду, то ця затримка вважалася першою. Положення першого піка в гістограмі для першої події відповідає першому піку загальної гістограми. Друга затримка вимірялася як час, що пройшов від початку стимуляції поодинокої пресинаптичної терміналі до реєстрації другого постсинаптичного струму. Гістограма для другої події не має піка, що відповідає положенню першого, оскільки перша подія виключалася з аналізу. Можна заключити, що викид нейромедіатора з максимальною ймовірністю може здійснюватися тільки в найбільш імовірний час, незалежно від того, був попередній викид чи ні.
Для різних поодиноких терміналей положення першого піка в розподілі затримок варіювало від 4.4 до 5.4 мс. Для всіх досліджених синапсів положення першого піка в середньому дорівнювало 4.27±0.74 мс. Цей проміжок часу статистично достовірно відрізнявся від величини інтервалу між викидами з рівнем надійності 0.001. Очевидно, що час до першого викиду необхідний для проходження якихось перехідних процесів між станом спокою та активної дії синаптичного з'єднання.
Зміна потоку Са2+ шляхом маніпулювання величиною стимулюючого імпульсу.
Відомо, що для того, щоб впливати на умови, що приводять до викиду нейромедіатора, необхідно варіювати величиною потоку Са2+, що входить в пресинаптичну терміналь. Різна форма потенціалу дії, деполяризуючого мембрану пресинаптичної терміналі до різних значень потенціалу на різні проміжки часу, викликає зміну входу кальцію через потенціалокеровані кальцієві канали.
У застосовуваних умовах експерименту зміна тривалості та інтенсивності стимуляції пресинаптичної терміналі еквівалентна зміні деполяризації мембрани пресинаптичної терміналі до різних значень потенціалу на різні часи. Прикладання короткого (3-5 мс) стимулюючого імпульсу при лінійному збільшенні амплітуди стимулюючого імпульсу приводило до нелінійної зміни усередненого вГПСС. Для перевірки стабільності реєстрації і повної нерухомості стимулюючої піпетки при лінійному збільшенні стимулу проводився контрольний експеримент, що демонстрував повну оборотність зміни усереднених вГПСС при зменшенні стимулу. При побудові амплітудних розподілів для різних величин стимулюючого імпульсу струму при незмінній його тривалості було встановлено, що збільшення інтенсивності стимулюючої деполяризації не впливає на величину одного кванта (рис.4). Для всіх досліджених поодиноких терміналей при будь-якій стимуляції, що неушкоджує терміналь, одна квантова одиниця залишалася рівна в середньому 20 пА. Збільшення стимулюючого струму приводило до росту ймовірності викиду нейромедіатора, а також до збільшення ймовірності багатовезикулярного викиду, як це видно при порівнянні експериментальних амплітудних гістограм (рис.4А,В). Ці гістограми були отримані при стимуляції однієї і тієї ж поодинокої синаптичної терміналі імпульсами струму з різною амплітудою (0.5 мкА і 0.8 мкА, відповідно). Викид нейромедіатора був випадковим процесом і міг бути описаний статистичним законом Пуассона при будь-яких амплітудах стимулюючого струму, що неушкоджують терміналь (рис.4Б, Г).
Прикладення довготривалої стимуляції до поодинокої пресинаптичної терміналі, в область деполяризації втягується і частина постсинаптичної мембрани, при цьому деполяризиуючий зсув як пре-, так і постсинаптичної мембрани відбувається до невизначеного значення. Зміна постсинаптичного потенціалу приводить до удаваної зміни середнього квантового вмісту викиду, за рахунок зміни видимого еквівалента вивільненого кванта нейромедіатора, вимірюваного у вигляді вГПСС. Лінійне монотонне збільшення інтесивності стимуляції також повинне монотонно збільшувати середнє значення квантової одиниці. Однак, лінійне збільшення стимулюючого імпульсу приводить до дзвіноподібної зміни амплітуди усереднених кривих вГПСС. Невелике збільшення амплітуди як короткого, так і продовженого стимулюючого імпульсу викликає збільшення усереднених вГПСС до деякої максимальної величини. Подальше лінійне збільшення інтенсивності стимулу приводило до оборотнього зменшення середньої амплітуди вГПСС. Така залежність не може бути результатом збільшення середнього квантового вмісту, а є тільки відображенням нелінійної зміни потоку Са2+ у пресинаптичну терміналь, що відповідає нелінійній вольт-амперній характеристиці потенціалокерованого кальцієвого струму. Збільшення потоку Са2+ всередину пресинаптичної терміналі за час деполяризації приводило також до росту ймовірності викиду везикул у кожний найбільш імовірний час. Найбільша ймовірність викиду, що могла бути отримана, була близько 0.5 для кожного ймовірного часу. Основна частина експериментів проводилася при амплітудах стимулюючого струму не більше 0.8 мкА, коли ймовірність викиду в кожний найбільш імовірний час не перевищувала 0.3.
Накладення розподілу затримок для першої події на генеральний розподіл для однієї і тієї ж пресинаптичної терміналі показує, що при тих інтенсивностях стимуляції, коли усереднений вГПСС досягає максимальних значень, найбільша кількість викидів відбувається в перший найбільш імовірний час.
В експериментах на одній і тій же поодинокїй терміналі збільшення амплітуди стимулюючого імпульсу приводило до статистично недостовірного зміщення положення першого піка в гістограмі тимчасових затримок до менших часів. Відсутність кореляції між амплітудами першої і другої подій показує на незалежність наступного викиду від попереднього протягом тривалої деполяризації.
Збільшення амплітуди стимулюючого імпульсу приводило до зменшення кількості піків на гістограмі затримок при незмінності середньої відстані між піками в межах явного поділу піків.
Підвищення позаклітинної концентрації Са2+ до 5 мМ не приводило до зміни середнього інтервалу між викидами в межах стандартної похибки.
Однак, при підвищеній концентрації Са2+, вГПСС могли спостерігатися після закінчення стимуляції (рис. 7). У синапсах, в яких після закінчення стимулу спостерігалися викиди, ці викиди відбувалися у визначений, найбільш імовірний час. Постсинаптичні струми, що виникають після закінчення стимуляції, є відповідями “на вимикання” деполяризації, прикладеної до пресинаптичної терміналі. Розподіл затримок від початку стимулу до кожної послідовної події було багатопіковим. Однак, якщо під час стимулу піки були рівновіддаленими, то після закінчення стимулу середній інтервал між викидами збільшувався (рис. 7). Таким чином, можна зробити висновок, що існування найбільш імовірного часу викиду не визначається мембранним потенціалом як на пре-, так і на постсинаптичній мембрані, але залежить від входу Са2+ у пресинаптичну терміналь, і, можливо, від часу накопичення деякої граничної концентрації кальцію, необхідної для викиду везикул.
Участь різних типів потенціалокерованих кальцієвих каналів у синаптичній передачі.
Отримані дані дозволили зробити висновок про те, що нейрони гіпокампа, культивовані з низькою щільністю, экспресують фармакологічно гетерогенну популяцію високопорогових кальцієвих каналів: N-, L-, P-/Q- і, можливо, R-підтипів. Оскільки кальцієві канали цих підтипів раніше були описані на свіжоізольованих нейронах і зрізах гіпокампа щурів, можна зробити висновок про те, що культура нейронів гіпокампа низької щільності може служити адекватною моделлю для дослідження участі кальцієвих каналів у здійсненні гальмівної синаптичної передачі.
Різна фармакологічна чутливість потенціалокерованих каналів до неорганічних і органічних блокаторів дозволила досліджувати участь різних типів кальцієвих каналів у забезпеченні входу Са2+ у пресинаптичну терміналь. Дія блокаторів вивчалася на середніх вГПСС при дослідженні 36 пар нейронів з застосуванням позаклітинної стимуляції.
Викликані ГПСС були високочутливі до дії Сd2+. Зменшення середньої амплітуди вГПСС при аплікації Сd2+ мало залежало від концентрації блокатора. При аплікації низьких концентрацій Сd2+ (2 і 5 мкМ) середня амплітуда вГПСС зменшувалася на 56±7% і 66±6%, відповідно. Додавання Сd2+ у концентрації 10 мкМ викликало зниження середньої амплітуди на 81±8%. Оскільки Сd2+ блокує тільки високопороговий кальцієвий струм і ефективно пригнічує вГПСС, можна припустити, що вхід Са2+ у пресинаптичну терміналь забезпечується, в основному, по високопорогових каналах.
Ніфедіпін, що є специфічним блокатором високопорогових кальцієвих каналів L-підтипу, у концентрації 10 мкМ придушував амплітуду вГПСС лише на 6±4% (n=9), що було значно менше, ніж дія (23±5%) на кальцієвий струм соматичної мембрани культивованих нейронів гіпокампа.
Дія 1 мкМ w-CTx-GVIA приводило до придушення вГПСС на 39±6% (n=10). При дії 200 нм w-Aga-IVA середня амплітуда вГПСС зменшувалася на 42±6% (n=10). Послідовний додаток w-Aga-IVA і w-CTx-GVIA приводив до придушення постсинаптичної відповіді в середньому на 80±6% (n=5), що приблизно відповідає алгебраїчній сумі ступенів придушення кожним із блокаторов окремо. Ступінь впливу цих блокаторов на синаптичну передачу в процентному відношенні близький до безпосереднього впливу цих блокаторів на потенціалокеровані кальцієві канали. Це говорить про участь кальцієвих каналів N- і P/Q-підтипів у забезпеченні викиду нейромедіатора в гальмівних синапсах.
Вплив позаклітинної концентрації іонів кальцію на вГПСС.
Збільшення позаклітинної концентрації кальцію від 2 мМ у нормальному фізіологічному розчині до 10 мМ приводить до лінійного збільшення амплітуди кальцієвого струму, що входить по потенціалокерованим каналам низько- і високопорогового кальцієвих струмів. Отже, підвищення концентрації позаклітинного кальцію, збільшуючи вхід Са2+ по потенціалокерованим каналам пресинаптичної терміналі, повинно змінювати ймовірність викиду медіатора. Дійсно, підвищення позаклітинної концентрації Са2+ приводило до збільшення середньої амплітуди вГПСС на п'ятьох досліджених парах нейронів. Крива залежності нормованої пікової амплітуди від позаклітинної концентрації Са2+ апроксимувалася рівнянням Хілла. Найкраща апроксимація досягалася при значенні ЕС50 = 1.68 мМ і коефіцієнтом кооперативности 2.64. Нелінійна залежність вГПСС від позаклітинної концентрації Са2+ і наявність насичення в зростанні вГПСС вказує на те, що викид нейромедіатора забезпечується опосередковано, через структури, здатні “кооперувати” дію іонів кальцію.
Вплив збільшення концентрації позаклітинного Са2+ на вивільнення нейромедіатора з поодинокої пресинаптичної терміналі було вивчено в серії з 10 експериментів. Виявилося, що при стимуляції поодинокої пресинаптичної терміналі збільшення позаклітинної концентрації кальцію при фіксованих параметрах стимуляції приводить до збільшення середньої амплітуди вГПСС, але не робить впливу на кінетику розвитку постсинаптичної відповіді. Збільшення концентрації позаклітинного кальцію приводило до збільшення квантового вмісту викиду медіатора. Значення m оцінювалося по методу підрахунку пропусків виникнення вГПСС, коли при стимуляції пресинаптичної терміналі не виникав постсинаптичний струм. Залежність амплітуди вГПСС від позаклітинної концентрації іонів кальцію мала сигмоідальний характер. Оскільки раніше було показано, що випадковий процес вивільнення медіатора з пресинаптичної терміналі підкоряється статистичному закону Пуассона, середній квантовий вміст може бути підрахований по формулі:
m = ln (N/N0),
де N - загальна кількість спостережень, рівна загальному числу зареєстрованих струмів (у наших експериментах N було не менш 60 для кожної з досліджених поодиноких терміналей), N0 - кількість пропусків у кожній серії спостережень.
Збільшення позаклітинної концентрації кальцію не впливало на середню величину одного кванта вГПСС. Висновки про незмінність величини одного кванта були зроблені на підставі порівняння середнього квантового вмісту викидів при його оцінці двома способами: по кількості пропусків і по величині одного кванта. Пряма, проведена по точках, що відповідють середньому квантовому вмісту викиду при різних позаклітинних концентраціях Са2+, має нахил 45о.. На підставі цих експериментальних даних можна зробити висновок про незмінність величини кванта і підпорядкуванні процесу викиду нейромедіатора закону Пуассона.
Збільшення квантового вмісту викиду при блокуванні калієвих каналів.
У наступній серії експериментів вивчався вплив мілімолярних концентрацій блокаторів калієвих каналів на синаптичну передачу в окремому синаптичному закінченні в умовах відсутності генерації потенціалу дії – нормальний фізіологічний розчин містив ТТХ у концентрації 0.25 мкМ. Як згадувалося раніше, блокування калієвої провідності приводить до збільшення входу кальцію, подовжуючи і підвищуючи рівень деполяризації пресинаптичної мембрани. Блокуючи канали калієвого струму, ми опосередковано збільшуємо вхід кальцію в пресинаптичну терміналь. Дійсно, зовнішня аплікація 4-АП безпосередньо в область досліджуваного поодинокого нервового закінчення в концентрації 5 мМ приводила до збільшення середньої амплітуди вГПСС на 90±30% (n=7). Ефект збільшення постсинаптичної відповіді при блокуванні калієвих каналів мембрани пресинаптичної терміналі був практично оборотній. Відмивання 4-АП нормальним позаклітинним розчином приводило до відновлення колишньої амплітуди постсинаптичного струму. Збільшення середньої амплітуди вГПСС було зв'язано із збільшенням квантового вмісту викиду медіатора і не змінювало величини одного кванта. Середній квантовий вміст оцінювався двома способами для контрольного зовнішнього розчину, при додавання 5 мМ 4-АП і відмиванні нормальним зовнішнім розчином. Нахил прямої складав 45о, що є доказом правильності припущення про незмінність величини одного кванта (20 пА) при дії 4-АП. Кінетика спаду вГПСС у контролі і в присутності 4-АП не мінялася.
Аплікація 20 мМ ТЕА приводила до значно меншого ефекту, амплітуда вГПСС зростала на 20±5% (n=5). Блокування потенціалокерованих калієвих каналів пресинаптичної мембрани приводить до збільшення квантового вмісту викиду нейромедіатора в окремому синаптичному закінченні, але не впливає на величину кванта.
АНАЛІЗ І УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ
Багато складних механізмів, що лежать в основі сигнальних функцій нервових клітин, регулюються й опосредковуються калієвою і кальцієвою провідностями. Дані, представлені в роботі, поглиблюють і розширюють існуючі представлення про роль різних типів калієвих і кальцієвих каналів у здійсненні сигнальних функцій первинних сенсорних і центральних нейронів. Результати досліджень потенціалокерованих та кінетичних характеристик і фармакологічних властивостей каналів кальцієвих і калієвих струмів дозволили визначити їх інтегративну роль у здійсненні нервовою клітиною однієї з основних сигнальних функцій – генерації потенціалу дії. Опис специфічних параметрів кальцієвих і калієвих струмів у процесі онтогенезу клітини дозволив зрозуміти причину змін, що відбуваються у параметрах потенціалів дії на різних стадіях розвитку сенсорних нейронів. Ці зміни можуть бути одним з факторів, що забезпечують формування повноцінно функціонуючої нервової системи. Іони Са2+, надходячи в сому нервової клітини по потенціалокерованим каналам, забезпечують сполучення мембранних і внутрішньоклітинних процесів. Калієві струми, беручи участь у реполяризації клітинної мембрани, регулюють потік кальцію по потенціалокерованих каналах. Щільність калієвих струмів, змінюючись у процесі онтогенезу нервової системи, впливає на потік Са2+, і таким чином, опосередковано регулює сполучення сигнальних функцій і внутрішньоклітинних процесів. Реконструкція можливих потенціалів дії методом чисельного експерименту, заснованого на використанні експериментально обмірюваних специфічних параметрів вхідних і вихідних струмів, допомогла зрозуміти природу процесів, що приводять до генерації повторних потенціалів дії. У нормальних умовах первинні сенсорні нейрони не генерують повторні ПД, однак, за допомогою експериментально визначених характеристик іонних струмів сенсорних нейронів, стало можливим моделювати умови, що можуть мати місце при визначених патологічних змінах і можуть позначатися на здійсненні нервовою клітиною однієї з основних сигнальних функцій – генерації потенціалу дії.
Другою найбільш важливою сигнальною функцією нервової клітини є синаптична передача, що лежить в основі міжклітинної комунікації. Літературні джерела вказують на виняткову важливість потенціалокерованої кальцієвої провідності у синаптичній передачі. Однак більшість досліджень кальцієвих каналів, локалізованих у пресинаптичних закінченнях, присвячена збудливій синаптичній передачі, тоді як участь кальцієвих каналів у гальмівній синаптичній передачі вивчено недостатньо. У дійсному дослідженні були описані властивості гальмівної синаптичної передачі і роль потенціалокерованих кальцієвих каналів різних типів у регуляції її ефективності на культивованих нейронах гіпокампа щурів. Перевагою культури з низькою щільністю нейронів є наявність функціональних гальмівних синапсів і можливість їх візуальної ідентифікації на відміну від досліджень, проведених на зрізах мозку. Можливість візуальної ідентифікації інтернейрона (як пресинаптичної клітини) і пірамідальних нейронів (як постсинаптичних) дозволила провести дослідження фізіологічного гальмівного синапса між парою нейронів.
У літературі висловлювалося припущення про можливість багатовезикулярного викиду в нейронах центральної нервової системи. Точне підтвердження цього припущення вимагало застосування прямих электрофізіологічних методів дослідження механізму викиду медіатора в синаптичних терміналях нейронів ЦНС. Візуальна ідентифікація поодинокої синаптичної терміналі розроблена для культивованих з низькою щільністю нейронів гіпокампа і нова методика прямої електричної стимуляції поодинокого синаптичного закінчення надали можливість вивчення механізму викиду нейромедіатора з поодинокої пресинаптичної терміналі. Застосування прямих електрофізіологічних методів дослідження механізму викиду медіатора в поодиноких синаптичних терміналях нейронів гіпокампа ЦНС дозволило одержати нові дані про механізми гальмівної синаптичної передачі, обумовленої викидом ГАМК, і регуляції цих механізмів шляхом маніпулювання вхідним потоком Са2+. Дані, отримані з застосуванням методики зовнішньої прямої електричної стимуляції поодинокої пресинаптичної терміналі, дозволили провести точний статистичний аналіз викиду нейромедиатора в центральних синапсах, що раніше було неможливо через ряд технічних обмежень. Регуляція потоку іонів Са2+ по потенціалокерованим каналам поодинокої пресинаптичної терміналі здійснювалася багатьма шляхами: селективним блокуванням різних підтипів кальцієвих каналів, зміною рівня деполяризації пресинаптичної мембрани за рахунок зміни інтенсивності стимуляції і шляхом зрушення потенціалу спокою при аплікації блокаторів різних типів калієвих каналів, зміною тривалості деполяризації пресинаптичної терміналі. Аналогічні дослідження не проводилися раніше і їх результати дозволили описати недосліджені раніше фундаментальні властивості гальмівної синаптичної передачі нейронів ЦНС, що є одним з факторів, що забезпечують сигнальну функцію нервових клітин. Аналіз результатів усіх цих експериментів показав, що викид нейромедіатора з гальмівного синаптичного закінчення обумовлений великою кількістю складних послідовних процесів, що опосередковуються входом Са2+, і в дійсній роботі описані вперше. Нові знання про механізми, що лежать в основі такої сигнальної функції нервової клітини як гальмівна синаптична передача, мають фундаментальне значення і можуть внести свій внесок у розуміння основних питань нейрофізіології про феномени навчання і пам'яті.
ВИСНОВКИ
1. На основі визначення потенціалокерованих і фармакологічних властивостей, у мембрані сенсорних нейронів і культивованих нейронів гіпокампа розділені й описані компоненти калієвого струму. А-струм має швидку кінетику активації й інактивації, є чуттєвим до додатку 4-АП і нечутливий до ТЕА. Струм DR-типу має більш повільну кінетику активації й інактивації, частково блокується при аплікації як 4-АП, так і ТЕА. Калієвий струм К-типу активується при найбільш позитивних потенціалах, не має часової і стаціонарної інактивації, частково пригнічується при додаванні ТЕА і нечутливий до 4-АП. Калієві струми А-, DR- K- типів у нейронах гіпокампа і сенсорних нейронах схожі своїми стаціонарними, кінетичними і фармакологічними властивостями, незважаючи на належність цих нейронів до різних відділів нервової системи. У культивованих нейронах гіпокампа, крім зазначених типів струмів, був описаний калієвий струм D-типу. Калієвий струм D-типу активувався при найбільш негативних потенціалах і був гіперчутливим до 4-АП.
2. При вивченні змін щільностей кальцієвих і калієвих струмів в онтогенезі встановлено, що низькопорогові кальцієві канали, характерні для сенсорних нейронів, що розвиваються, зникають в процесі онтогенезу, у той час як високопорогові кальцієві канали присутні у соматичній мембрані протягом усього раннього онтогенезу. Базуючись на експериментальних даних про характерні параметри кальцієвих і калієвих струмів, методом чисельного експерименту показано, що можливість генерації повторних потенціалів дії, їх частота, тривалість і амплітуда залежать від визначеного балансу між щільностями низькопорогового кальцієвого і компонента калієвого струму, що інактивується.
3. Показано, що в культивованих нейронах гіпокампа високопороговий кальцієвий струм може бути розділений на 3 підтипи на основі їх різної фармакологічної чутливості. Показано, що основна роль у забезпеченні викиду нейромедіатора в гальмівних синапсах належить високопороговим кальцієвим каналам N- і P/Q- підтипів, а високопорогові кальцієві канали L-підтипу не беруть участі у гальмівній синаптичній передачі культивованих нейронів гіпокампа. Застосування специфічних блокаторів низькопорогового кальцієвого струму показало, що потік кальцію через канали цього струму не має впливу на гальмівну синаптичну передачу культивованих нейронів гіпокампа.
4. Дослідження поодинокої гальмівної синаптичної терміналі шляхом її локальної зовнішньої електричної стимуляції показали можливість багатоквантового викиду нейромедіатора в центральних нейронах. Викид нейромедіатора є вирогідним процесом, що може бути описаний статистичним законом Пуассона. Величина одного кванта постсинаптичної відповіді дорівнює 20 пА при підтримуваному потенціалі –75 мВ.
5. Гальмівні постсинаптичні струми, що виникають як відповідь на тривалу (10-20 мс) зовнішню деполяризацію поодинокого пресинаптичного закінчення, реєструвалися у формі декількох послідовних накладених незалежних подій, що відбуваються після різних часових затримок. В усіх досліджених нейронах розподіл затримок був багатопіковим з рівновіддаленими піками. Середня відстань між піками дорівнює 2.97±0.86 мс. Амплітуди послідовних гальмівних постсинаптичних струмів флуктуювали випадковим чином, незалежно від послідовного номера події. Кількість везикул, що могли вивільнити нейромедіатор в кожний найбільш імовірний час, була випадковою.
6. Результати статистичного аналізу показують, що протягом тривалої деполяризації викид нейромедіатора може відбуватися у визначені моменти часу з максимальною ймовірністю, незалежно від того, був попередній викид чи ні. Існування найбільш імовірного часу викиду не визначається мембранним потенціалом як на пре-, так і на постсинаптичній мембрані, але залежить від входу Са2+ у пресинаптичну терміналь, і, можливо, від часу накопичення деякої граничної концентрації кальцію, необхідної для викиду везикул.
7. Встановлено, що блокування потенціалокерованих калієвих каналів пресинаптичної терміналі, опосередковано збільшуючи вхід іонів Са2+, приводить до збільшення сили синаптичного зв'язку за рахунок збільшення імовірності багатоквантового викиду нейромедіатора при незмінній величині одного кванта. У формуванні калієвої провідності пресинаптичного закінчення домінуючу роль грають 4-АП чутливі калієві струми (імовірніше за все А-типу).
8. Збільшення потоку іонів Са2+ у пресинаптичну терміналь шляхом збільшення інтенсивності стимуляції або підвищення його позаклітинної концентрації приводять до збільшення середнього вмісту квантового викиду, за рахунок збільшення ймовірності викиду медіатора при незмінній величині одного кванта нейромедіатора, що вивільняється. Викид нейромедіатора залишається імовірним процесом, що підкоряється закону Пуассона.
9. Одержані експериментальні дані розкривають механізми за допомогою яких, потенціал дії, що поширюється, перетворюється у внутрішньоклітинний сигнал у нервовому закінчені і приводить до вивільнення квантів нейромедіатора та стає основним процесом у міжклітинній комунікації. Продемостровано, що у цьому каскаді надзвичайно складних біофізичних процесів одну з головних ролей грає потік іонів Са2+, що регулюється потенціалокерованими кальцієвими і калієвими каналами.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Kostyuk P. G., Veselovsky N. S., Fedulova S. A., Tsyndrenko A.Ya. Ionic currents in the somatic membrane of rat DRG neurons. II. Potassium currents.// Neuroscience. - 1981. - v.6. - №12, -рр.2431-2437
2. Fedulova S. A., Kostyuk P. G., Veselovsky N. S. Two types of calcium channels in the somatic membrane of new born rat DRG neurons.//J.Physiol. - 1985. - v.359, - рр.431-446.
3. Веселовский Н.С., Костюк П.Г., Федулова С.А., Широков Р.Е. Деактивация кальциевых токов в соме нейронов спинальных ганглиев при выключении деполяризующего смещения мембранного потенциала.// Нейрофизиология. – 1985. - т.17 - №5, - C. 682-691
4. Веселовский Н.С., Федулова С.А., Широков Р.Е. Электроуправляемые натриевые каналы соматической мембраны симпатических нейронов.// Нейрофизиология. – 1986 - т.18. - №1, - C. 108-117
5. Н.С.Веселовский, Федулова С.А. Эффект замены ионов кальция ионами бария при исследовании входящих токов нейронов млекопитающих.// Нейрофизиология. - 1986. - т.18. - №6, - C. 313-318.
6. Костюк П. Г., Федулова С. А., Веселовский Н. С.. Изменение ионных механизмов электровозбудимости соматической мембраны сенсорных нейронов крыс в онтогенезе. Распределение ионных каналов входящего тока.// Нейрофизиология. – 1986. - т.18 - №6, - C.813-820
7. Федулова С.А., П.Г.Костюк, Н.С.Веселовский Изменение ионных механизмов электровозбудимости соматической мембраны сенсорных нейронов крыс в онтогенезе. Соотношение плотностей входящих токов.// Нейрофизиология. – 1986 - т.18, - №6, - C.820-827
8. Веселовский Н.С., С.А.Федулова, П.Г.Костюк Изменение ионных механизмов электровозбудимости соматической мембраны сенсорных нейронов крыс в онтогенезе. Связь кальциевых каналов с внутриклеточным метаболизмом.// Нейрофизиология. - 1986, т.18 - C.827-832
9. Kostyuk P. G., Doroshenko P. A., Martynyuk A. E., Veselovsky N. S., Fedulova S. A. Calcium channels and cAMP metabolism in nerve cells.// In Calcium Electrogenesis and Neuronal Functioning (eds. U.Heinemann, M.Klee, E.Neher & W.Singer). - 1986. – Springer. - P.9-16.
10. Федулова С.А., Шуба Я.М., Найденов В.Г., Золотухин С.Б. Трансмембранные токи в ооцитах Xenopus после инъекции мозговой мРНК.// Нейрофизиология. – 1988. - т.20. - №6, - C.829-832
11. Fedulova S.A, Kostyuk P.G., Veselovsky N.S. Ionic mechanisms of electrical excitability in rat sensory neurons during postnatal ontogenesis.// Neuroscience. – 1991. - v.41. - №1, - рр.303-309.
12. Герасименко О.В., Костюк П.Г., Любанова О.П., Федулова С.А., Шуба Я.М. Потенциалуправляемые ионные каналы входящего тока, экспрессированные в ооцитах Xenopus после введения мозговой мРНК.// Нейрофизиология. – 1991. - т.23. - №3, - C.344-353
13. Valasek Z., S.-Rozsa K., Fedulova S. A. Effect of serotonin and opiate peptides on ion currents of dialyzed Helix neurons.//Acta Biologica Hungarica. - 1992. – v.43(1-4). - рр.69-77.
14. Fedulova S. A., Kostyuk P. G., Veselovsky N. S. Comparative analysis of ionic currents in the somatic membrane of embryonic and newborn rat sensory neurons.// Neuroscience. – 1994. – v.58 - №2, - P.341-346.
15. Тохтуев А.Е., Федулова С.А. Вклад различных ионных токов в генерацию повторных потенциалов действия: исследование с применением численного эксперимента.// Нейрофизиология. – 1997. - т.29. - №2, - C. 83-90
16. Васильев Д.В., Веселовский Н.С., Федулова С.А. Потенциалактивируемые калиевые токи соматической мембраны сенсорных нейронов крыс в раннем постнатальном периоде.// Нейрофизиология. – 1998 - т.30. - №1. - C. 25-35.
17. Федулова С.А. Калієвий струм, що швидко інактивується, в тривало культивованих нейронах гіпокампа.// Нейрофизиология. – 1998. - т.30 - №4/5, - C.325-329.
18. Васильєв Д.В., Ісаєва О.В., Федулова С.А., Веселовский М.С. Пресинаптична модуляція блокаторами калієвих каналів гальмівної синаптичної передачі в нейронах гіпокампа щурів.// Нейрофизиология. - 1998 - т.30. - №4/5, - C.336-341
19. Ісаєва О.В., Федулова С.А., Веселовский М.С. Потенціалозалежні кальцієві канали в культивованих нейронах гіпокампа щурів.// Нейрофизиология, - 1998. - т.30. - №4/5, - C.361-364
20. Fedulova S. A., Vasilyev D. V., N. S. Veselovsky. Voltage-operated potassium currents in the somatic membrane of rat dorsal root ganglion neurons. Ontogenetic aspects.// Neuroscience. - 1998 –v. 85. - P. 497-508.
21. Федулова С.А. Варіації іоних струмів в залежності від розміру нейронів новонароджених щурів.// Фізіологічний журнал. –1999.- т.45, - №№4, - №№№C.41-47.
22. Fedulova S.A., Vasilyev D.V., Isaeva E.V., Romanyuk S.G.and Veselovsky N.S. Possibility of multiquantal transmission at single inhibitory synapse in cultured rat hippocampal neurons.// Neuroscience. – 1999 – v.92 – №4, - рр.1217-1230
23. Исаева Е.В., Сидоренко В.Г., Федулова С.А., Веселовский Н.С. Вызванные тормозящие постсинаптические токи в динамике развития культивируемых нейронов гиппокампа крыс.// Нейрофизиология. – 1999. - т.31. - №5, - C.370-377
24. Федулова С.А. Особенности блокирования 4-аминопиридином калиевого тока А-типа в культивируемых нейронах гиппокампа.// Нейрофизиология. – 1999. - т.31. - №6 - C.457-461
25. Fedulova S.A, Vasilyev D.V., and Veselovsky N.S. Temporal regularity of neurotrasmitter release at single terminal in cultured hippocampal neurons.// Neuroscience. – 2000 - v.100. - №2, - pp.229-239.
26. Fedulova S.A, Vasilyev D.V., Veselovsky N.S. Mechanisms of neurotransmission at single inhibitory synapse in cultured rat hippocampal neurons.// J. Physiol. – 2000. – v.523P. - pp. 194P
27. Fedulova S. A., Vasylyev D. V., Veselovsky N. S. Temporal pattern of asynchronous neurotransmiter release in cultured hippocampal neurones.// J. Physiol. – 2000. – v. 523P - pp. 194P
28. S.A.Fedulova, D.V.Vasilyev and N.S.Veselovsky. Multiquantal release during prolonged stimulation of single terminal in rat hippocampal neurons.// J. Physiol. – 2000 – v..525P. - pp. 59P
29. Ю.В.Медведева, Н.С.Веселовский, С.А.Федулова, П.Г.Костюк. Спонтанные тормозящие постсинаптические токи в совместной культуре нейронов спинальных ганглиев и спинного мозга.//Нейрофизиология. – 2000. – т.32., - № 3, - С.204-205
30. С.А. Федулова, Исаева Е.В., Веселовский Н.С. Участие кальциевых токов различных типов в регуляции эффективности тормозной синаптической передачи в культуре нейронов гиппокампа// Нейрофизиология. – 2000. – т.32, - №6, - C. 450-456
31. Fedulova S. A., Veselovsky N. S. Multiquantal transmission at single inhibitory synapse in cultured rat hippocampal neurons.// In Calcium Signaling (eds. M.Morad & P.Kostyuk). - 2001. – IOS Press. - P.190-195.
Тези (за останні 3 роки)
1. S.A. Fedulova, D. Owen, D.V. Vasilyev, N.S. Veselovsky. Developmental study of the expression of potassium channels in the somatic membrane of sensory neurons.// Society for Neuroscience 27th Annual Meeting. Abstract book. - 1997. - New Orleans. - P.1740, 681.4,
2. D.V. Vasilyev, S.A. Fedulova, E. V. Isaeva, N.S. Veselovsky Fast-inactivating potassium current in cultured hippocampal neurons.// International Workshop “Intracellular signaling” in association with XXXIII International Congress of Physiological Science. Neurophysiology, - 1997.- Kiev - v. 29, - № 4/5. - P.376
3. E.V.Isaeva, D.V. Vasilyev, S.A. Fedulova, N.S. Veselovsky Evoked and spontaneous excitatory postsynaptic currents in cultured hippocampal neurons.// International Workshop “Intracellular signaling” in association with XXXIII International Congress of Physiological Science, Neurophysiology. - 1997. - Kiev. - v. 29, No 4/5. - P.369
4. D.V.Vasilyev, S.A.Fedulova, E.V.Isaeva, N.S.Veselovsky. Three distinct types of potassium currents in cultured rat hippocampal neurons.// 42-th Annual Meeting of the Biophysical Society. Biophysical journal. – 1998. - Kansas City –74. – P.496, 05C-05D.
5. S.A.Fedulova, D.V.Vasilyev, E.V.Isaeva, M.E.Barish, N.S.Veselovsky. Multiple potassium channels regulate neurotransmitter release from single boutons of inhibitory hippocampal synapses in culture.// Society for Neuroscience 28th Annual Meeting. Abstract book. - 1998. - Los Angeles. - P. 322, 129.5.
6. D.V.Vasilyev, S.A.Fedulova, E.V.Isaeva, D.Faber, N.S.Veselovsky Effect of different concentration of extracellular Ca2+ on inhibitory postsynaptic currents evoked at single synapses of cultured hippocampal neurons.// Society for Neuroscience 28th Annual Meeting. Abstract book. - 1998. - Los Angeles. - P.1314, 522.9.
7. S.A.Fedulova, N.S.Veselovsky, D.V.Vasilyev. Inhibitory transmission at single synapse in cultured rat hippocampal neurons.// Fifth IBRO World Congress of Neuroscience. Abstract book. – 1999. – Jerusalem. - P.127.
8.S.A.Fedulova, D.V.Vasilyev, N.S.Veselovsky. Transformation of potassium currents modulation by activation of mGluR in cultured hippocampal neurons.// Fifth IBRO World Congress of Neuroscience. Abstract book. – 1999. – Jerusalem. - P.184.
9. S. A. Fedulova, N. S. Veselovsky, D. S. Vasilyev, C.E.Jahr Temporal regularity of evoked multiquantal GABA release in synapses of cultured hippocampal neurones.// Society for Neuroscience 29th Annual Meeting. Abstract book. – 1999. - Miami Beach. - P.476, 187.16.
10. S. A. Fedulova, D. V. Vasilyev, V.A. Derkach S. A. Fedulova, and N. S. Veselovsky. Enhancement of A-type potassium current by mGluR in cultured hippocampal neurons.// Society for Neuroscience 29th Annual Meeting. Abstract book. – 1999. - Miami Beach. - P.1727, 686.9.
11. S. A. Fedulova, D. V. Vasilyev, E.W. McClesky, N. S. Veselovsky. Activation of mGluR modulates a slow potassium current component in cultured hippocampal neyrons.// Society for Neuroscience 29th Annual Meeting. Abstract book. – 1999. - Miami Beach. – P. 1727, 686.10.
12. Fedulova S.A, Vasilyev D.V., Veselovsky N.S. Mechanisms of neurotransmission at single inhibitory synapse in cultured rat hippocampal neurons.// The Physiological Society of UK, 1000th Meeting. Abstracts. – Birmingham. - 2000 – P. 89P-90P, C62.
13.Fedulova S. A., Vasylyev D. V., Veselovsky N. S. Temporal pattern of asynchronous neurotransmiter release in cultured hippocampal neurones.// The Physiological Society of UK, 1000th Meeting. Abstracts. – Birmingham. - 2000 – P. 90P-91P, C63.
14.S.A.Fedulova, D.V.Vasilyev, N.S.Veselovsky. Multiquantal release during prolonged stimulation of single terminal in rat hippocampal neurons.// The Physiological Society of UK, London Meeting. Abstracts. – London. - 2000 – p. 97P, C52.
15. S. A. Fedulova. Ca2+ -dependent transmission at a single inhibitory synaptic terminal of hippocampal neurons.// Advanced NATO Workshop “Ca2+ signaling and cross-talk”, Abstract book. – 2000. - Italy, Il Ciocco. – Session 7.
16. S. A. Fedulova, D. S. Vasilyev, N. S. Veselovsky. Role of Ca2+ influx in neurotransmitter release at single hippocampal bouton.//European research meeting "Саlcium as a molecule for cellular integration". Abstract book. – 2000. – Way College, Kent – P.36.
17. E.V.Isaeva, S.A.Fedulova, N.S.Veselovsky. Interaction between bicuculine and GABA in cultured rat hippocampal neurons.// The Physiological Society of UK, King's College London Meeting. Abstracts. – London. - 2000 – P. 232P, PC74.
Анотація. Федулова С.А. Роль кальцієвих і калієвих каналів у сигнальних функціях нервових клітин. Рукопис докторської дисертації. 02.00.03-Біофізика. Інститут фізіології ім.О.О.Богомольця НАН України. Київ, 2001.
Диссертація присвячена актуальній проблемі розуміння ролі і взаємодії різних типів мембранних каналів калієвого і кальцієвого струмів у складній системі функціювання нервової клітини, опису специфічних параметрів цих струмів, що визначають їх интегративні властивості й особливості, що забезпечують сигнальні функції нейронів. В роботі визначенна роль кальцієвих і калієвих каналів у формуванні електричної активності нейронів у процесі їх розвитку і з'ясуванні функціонального значення кальцієвої і калієвої провідностей у регуляції механізмів викиду нейромедіатора, генерації потенціалу дії, тобто здійсненні сигнальної функції нейронами, що належать до різних відділів нервової системи. На основі експериментальних даних показано, що на генерацію повторних ПД критичний вплив робить визначений баланс між низькопороговою кальцієвою провідністю і компонентом калієвої провідності, що інактивується. Показано, що високопорогові кальцієві канали L-підтипу не приймають участі у гальмівній синаптичній передачі культивованих нейронів гіпокампа, а основна участь у забезпеченні викиду нейромедіатора в гальмівних синапсах беруть високопорогові кальцієві канали N- і P/Q- підтипів. Вперше показана можливість багатоквантового викиду нейромедіатора з поодинокої пресинаптичної терміналі нейронів гіпокампа. Викид нейромедіатора є вирогідним процесом, що описується статистичним законом Пуассона.
Ключові слова: кальцієваі канали, калієві канали, сенсорні нейрони, нейрони гіпокампа, генерація потенціалу дії, гальмівний синаптичний зв"язок, квантовий викид нейромедіатора.
Resume. Fedulova S.A. Role of calcium and potassium channels in signaling function of nervous cells. Manuscript. Dissertation for doctor of science degree, 02.00.03 – biophysics. A.A.Bogomoletz Institute of physiology NAS of Ukraine. Kiev, 2001.
The role and interaction of different types of calcium and potassium currents in complicated nerves cell functions were studied in the dissertation. Specific currents parameters, which determine integrative properties of these currents and provide signaling functions of neurons, were described. The role of calcium and potassium channels in neuronal electrical activity during ontogenetic development and their functional significance in mechanisms of neurotransmitter release regulation and generation of action potential were defined in neurons from different parts of the nervous system. It has been demonstrated, that balance between low threshold calcium and inactivating potassium conductivity determine an ability to generate repetitive action potentials. L-type high voltage-activated calcium current not participates in inhibitory synaptic transmission of hippocampal neurons, and the main role in neurotransmitter release belongs to N- and P/Q- types. The possibility of multiquantal release at a single presynaptic terminal of cultured hippocampal neurons has been demonstrated and it has been shown neurotransmitter release is a random process described by Poisson statistics.
Key words: calcium channels, potassium channels, sensory neurons, hippocampal neurons, action potential generation, inhibitory postsynaptic transmission, quantal neurotransmitter release.
Аннотация. Федулова С.А. Роль кальциевых и калиевых каналов в сигнальных функциях нервных клеток. Рукопись докторской диссертации. 02.00.03-биофизика. Институт физиологии им.О.О.Богомольца НАН Украины. Киев, 2001.
Диссертация посвящена актуальной проблеме понимания роли и взаимодействия разных типов мембранных каналов калиевого и кальциевого токов в сложной системе функционирования нервной клетки, описания специфических параметров этих токов, которые определяют их интегративные свойства и особенности, которые обеспечивают сигнальные функции нейронов. В работе определена роль кальциевых и калиевых каналов в формировании электрической активности нейронов в процессе их развития и выяснено функциональное значение кальциевой и калиевой проводимостей в регуляции механизмов выброса нейромедиатора, генерации потенциала действия, то есть осуществлении сигнальной функции нейронами, которые принадлежат к разным отделам нервной системы. На основе определения потенциалозависимых и фармакологических свойств, в мембране сенсорных нейронов и нейронов гиппокампа разделенны и описанны компоненты калиевого тока. Калиевые тока А-, DR- K- типов в нейронах гиппокампа и сенсорных нейронах схожи своими стационарными, кинетическими и фармакологическими свойствами, несмотря на принадлежность этих нейронов к разным отделам нервной системы. В культивированных нейронах гиппокампа, кроме указанных типов токов, был описан калиевый ток D-типа. Калиевый ток D-типа активировался при наиболее отрицательных потенциалах и был гиперчувствительным к приложению 4-АП. При изучении изменений плотностей кальциевых и калиевых токов в онтогенетическом развитии установлено, что низкопороговые кальциевые каналы, характерные для сенсорных нейронов, которые развиваются, исчезают в процессе онтогенеза, в то время как высокопороговые кальциевые каналы присутствуют в соматической мембране на протяжении всего раннего онтогенеза. Базируясь на экспериментальных данных о характерных параметрах кальциевых и калиевых токов, методом численного эксперимента показано, что возможность генерации повторных потенциалов действия, их частота, продолжительность и амплитуда зависят от определенного баланса между плотностями низкопорогового кальциевого тока и инактивирующегося компонента калиевого тока.
Показано, что в культивированных нейронах гиппокампа высокопороговий кальциевый ток может быть разделен на 3 подтипа на основе их разной фармакологической чувствительности. Показано, что основная роль в обеспечении выброса нейромедиатора в тормозных синапсах принадлежит высокопороговым кальциевым каналам N- и P/Q- подтипов, а высокопороговые кальциевые каналы L-подтипа не участвуют в тормозной синаптической передаче нейронов гиппокампа. Применение специфических блокаторов низкопорогового кальциевого тока показало, что поток кальция через каналы этого тока не имеет влияния на тормозную синаптическую передачу культивированных нейронов гиппокампа. Исследование одиночной тормозной синаптической терминали путем ее локальной внешней электрической стимуляции показали возможность багатоквантового выброса нейромедиатора в центральных нейронах. Выброс нейромедиатора есть вероятностным процессом, который может быть описан статистическим законом Пуассона. Тормозные постсинаптические токи, которые возникают как ответ на продолжительную (10-20 мс) внешнюю деполяризацию одиночного пресинаптического окончания, регистрировались в форме нескольких последовательных наложенных независимых событий, которые происходят после разных временных задержек. Во всех исследованных нейронах распределение задержек было многопиковым с равноотстоящими пиками. Амплитуды последовательных тормозных постсинаптических токов флуктуировали случайным образом, независимо от последовательного номера события. Количество везикул, которые могли высвободить нейромедиатор в каждое наиболее вероятное время, была случайной. Результаты статистического анализа показывают, что при продолжительной деполяризации выброс нейромедиатора может происходить в определенные моменты времени с максимальной вероятностью, независимо от того, был предшествующий выброс или нет. Существование наиболее вероятного времени выброса не определяется мембранным потенциалом как на пре-, так и на постсинаптической мембране, но зависит от входа Са2+ в пресинаптическую терминаль.
Блокирование потенциалоуправляемых калиевых каналов пресинаптической терминали, опосредствованно увеличивая вход ионов Са2+, приводит к увеличению силы синаптической связи за счет увеличения вероятности многоквантового выброса нейромедиатора при неизменной величине одного кванта. В формировании калиевой проводимости пресинаптического окончания доминирующую роль играют 4-АП чувствительные калиевые токи (вероятнее всего А-типа). Увеличение потока ионов Са2+ в пресинаптическую терминаль путем увеличения интенсивности стимуляции или повышения его внеклеточной концентрации приводят к увеличению среднего содержания квантового выброса, за счет увеличения вероятности выброса медиатора при неизменной величине одного кванта высвобождаемого нейромедиатора. Выброс нейромедиатора остается вероятностным процессом, который подчиняется закону Пуассона.
Полученные экспериментальные данные раскрывают механизмы с помощью которых, распространяющийся потенциал действия, превращаясь во внутриклеточный сигнал в нервном окончании, приводит к высвобождению квантов нейромедиатора и становится основным процессом в межклеточной коммуникации. Продемостровано, что в этом каскаде чрезвычайно сложных биофизических процессов одну из главных ролей играет поток ионов Са2+, который регулируется потенциалоуправляемыми кальциевыми и калиевыми каналами.
Ключевые слова: кальциевые каналы, калиевые каналы, сенсорные нейроны, нейроны гиппокампа, генерация потенциала действия, тормозная синаптическая передача, квантовый выброс нейромедиатора.