При аналізі отриманих данних, як у дослідах з локальної стимуляції аксона, так і при стимуляції поодинокої синаптичної терміналі видно, що кількість подій була різною у різних амплітудних розподілах. Так як амплітуда постсинаптичної відповіді пропорційна кількості вивільненого нейротрансмітера, можна припустити, що трансмітер вивільняється дискретними, приблизно рівними порціями, сумація яких приводять до мультипікового амплітудного розподілу. В більшості робіт вивчення вивільнення медіатора та його квантова модель розглядається на фізіологічному, природному рівні, коли ймовірність вивільнення велика, тобто велика кількість подій, що спостерігаються і, таким чином, кількість квантів. Однак, із збільшенням амплітуди флуктуація піків амплітудного розподілу і, відповідно, кванту буде сильно змінюватись, що приводить до неоднозначних суперечливих результатів. Таким чином, при високих ймовірностях вивільнення медіатора квантова природа процесу стає менш очевидною. Використана в нашій роботі методика локальної стимуляції поодинокої синаптичної терміналі виводить наші дослідження на рівень одного синапсу, зменшуючи ймовірність вивільнення медіатора і збільшуючи точність визначення кванту. Також, в противагу ідеї, що в поодинокому синапсі може вивільнятися тільки одна везікула в ряді робіт показано, що окремі синапси можуть вивільняти велику кількість везікул у відповідь на один потенціал дії.

Використана в роботі експериментальна конфігурація дозволяє локально стимулювати поодиноку синаптичну терміналь; згідно базовій ідеї квантової моделі одна синаптична терміналь повинна відповідати одній активній зоні. Однак, багатопіковий амплітудний розподіл означає, що поодинока синаптична терміналь не є ідентичною одній активній зоні з одним місцем вивільнення тільки для однієї везікули. На доказ даного твердження отримані багатопікові набори, що представлені в вигляді функції густини ймовірності, були описані двома конкурентними моделями. Перша, біноміальна, представляє собою теорію квантової природи вивільнення медіатора, та нормальна, яка свідчить на користь неквантовості. Якість опису практичного амплітудного набору, і, відповідно, вибір теоретичної моделі як вірної, був перевірений за допомогою критерію достовірності Пірсона (²-розподілу) для відповідних функцій, в більшості досліджуваних амплітудних наборів біноміальна модель описувала практичний розподіл кращим чином. При побудові автокореляційної функції, як в випадку амплітудних розподілів, отриманих шляхом стимуляції аксону, так і в випадку стимуляції поодинокої синаптичної терміналії, також проводилось порівняння квантовості або неквантовості розподілу. На користь квантової моделі виступала функція, що описує практично отриманий амплітудний розподіл набором Гаусових функцій, де кожна окрема функція Гауса виражала квант вивільнення з визначеною дисперсією. Число оцінки значення автокореляції, що відображає якість побудови автокореляційної функції і, як наслідок, вибір на користь квантової або неквантової моделі, було отримано для мультигаусової функції і для 250 різних унімодальних функцій, що описують даний розподіл. Загальна оцінка для кожного конкретного амплітудного набору представлялась в вигляді кумулятивної функції, де в випадку квантового розподілу параметр числа оцінки значення автокореляційної функції був незмінно вищим. Як видно, отримані нами дані свідчать на користь багатоквантової моделі вивільнення медіатора.

Отримані результати по апроксимації амплітудних розподілів багатопіковою квантовою моделлю означають, що стимульована поодинока терміналь має або одну активну зону з декількома місцями вивільнення, або декілька активних зон з декількома можливими місцями вивільнення в кожній.

В деяких сучасних дослідженнях прямо показано, що в окремому центральному синапсі існує тільки одна активна зона, в якій відбувається вивільнення тільки однієї везікули, навіть коли ймовірність вивільнення одиниці. Звичайно, окрема активна зона може вивільняти багато везікул за певний час. Після того, як везікула вивільняється, ймовірність наступного вивільнення падає практично до нуля на протязі наступних 3-5 мс, і потім збільшується до свого нормального значення ще на протязі 3-5 мс. Згідно цим експериментам, сайт вивільнення є окрема активна зона і ймовірність р відповідає ймовірності вивільнення в цій активній зоні однієї докінгової везікули. Як наслідок, більшість центральних збуджуючих синапсів мають тільки одну активну зону, і, таким чином, сайт вивільнення є цілим синапсом, а ймовірність вивільнення приблизно лінійно залежить від кількості докінгових везікул. Проведені нами експерименти в умовах локальної стимуляції поодинокої терміналі з частотою близько 1 кГц показали, що постсинаптичний струм дійсно швидко зменшується по амплітуді практично до нуля і після невеликої перерви відновлює своє попереднє значення. Однак, таке зменшення постсинаптичного струму не відбувалось миттєво після декількох стимуляцій, а виснажувалось поступово, хоча і за короткий час. Аналізуючи амплітудні набори вГПСС на двох умовних часових етапах стимуляції - на початку затухання струму, при достатньо великій ймовірності вивільнення і в процесі її спаду, практично до нуля, в контексті біноміальної моделі квантового вивільнення медіатора із одиничної синаптичної терміналі, була показана незмінність - постійність розміру кванту медіатору, що вивільняється, на обох часових проміжках. Даний факт свідчить не тільки на користь самої квантової природи вивільнення медіатора в даних синапсах, але і припускає наявність не однієї, а декількох, до десятка, везікул, готових до вивільнення, інакше постсинаптичний струм затухав би миттєво. Цей висновок підтверджують сучасні морфологічні дослідження електронної мікроскопії. Так, квантовий ультраструктурний аналіз в збуджуючих синапсах гіппокампу показав, що наявність готових до вивільнення, докінгових везікул в синаптичних зєднаннях доходить до 30 одиниць, в залежності від розміру даної активної зони, а в середньому складає до 10 везікул. Цікаво також відмітити, що кількість докінгових везікул лінійно залежить від розміру активної зони, в кожному конкретному синаптичному зєднанні. Хоча при порівняльному аналізі культуральних нейронів і нейронів в зрізах було відмічено, що кількість причеплених везікул в синаптичних зєднаннях культуральних клітин завжди менша (практично у два рази) за відсутності відмінностей в розмірах активних зон. При цьому кількість активних зон, що спостерігалась в синаптичних зєднаннях в культурі була більшою, ніж у зрізах. Слід відмітити, що дані морфологічні ультраструктурні дослідження синаптичних зєднань, як і більшість, відносяться до збуджуючих синапсів, хоча в якійсь мірі вони можуть бути інтерпретовані і для гальмівних зєднань. Взагалі розмір синаптичних контактів в різних відділах мозку відрізняється, що в рамках розглянутої теорії багатоквантового вивільнення може відігравати велику роль та потребує подальших майбутніх досліджень.

Згідно кальцієвої гіпотези нервовий імпульс приводить до входу іонів кальцію в пресинаптичну терміналь, де вони звязуються з кальцій-чутливою молекулою (сенсором), що приводить до збільшення ймовірності злиття везікул з мембраною. Існує залежність між середньою кількістю медіатора (середнім квантовим вмістом), що вивільняється при поодинокому потенціалі дії та концентрацією двовалентних іонів. При цьому припускається, що кальцієвий сенсор може звязувати до чотирьох іонів кальцію і місця звязування є незалежними та ідентичними. Катц та Міледі (1969) показали, що транзієнтний вхід іонів кальцію, який викликається нервовим імпульсом, прямо, безпосередньо визначає процес вивільнення медіатора. Із вищесказаного випливає, що для того, щоб впливати на умови, що приводять до вивільнення нейротрансміттера, необхідно змінювати величиною потоку Са²⁺, що входить в пресинаптичну терміналь. Кількість нейротрансмітера, що вивільняється із пресинаптичної терміналі, прямо пропорційна кількості Са²⁺, яка входить в терміналь при проходженні потенціалу дії. Раніше на нервово-мязовому зєднанні в умовах фіксації потенціалу було показано, що потенціалкерований кальцієвий струм викликає в синапсі вивільнення нейротрансміттера так, що амплітуда усереднених збуджуючих постсинаптичних струмів збільшується або зменшується, повторюючи форму вольт-амперної характеристики кальцієвого струму в пресинаптичній терміналі. Відомо, що іони Са²⁺ відіграють важливу роль в процесі вивільнення нейромедіатора та надходження Са²⁺ із зовнішньоклітинного середовища відбувається через високопорогові канали, що присутні в пресинаптичній терміналі. Очевидно, що в наших дослідах при стимуляції поодинокої терміналі лінійне збільшення амплітуди стимулу викликало лінійну зміну деполяризації потенціалу всередині синаптичної терміналі, що в свою чергу нелінійно змінювало надходження іонів Са²⁺ через високопорогові канали та відповідно модулювало кількість вивільнення нейромедіатора. Іншими словами, зміна середньої амплітуди вивільнення вГПСС повністю модулюються вольт-амперною характеристикою високопорогових каналів, що регулюють динаміку Са²⁺ в пресинаптичному закінченні. В наших експериментах було отримано подібну залежність амплітуди гальмівних постсинаптичних струмів в культурі кори головного мозку від величини стимулюючого струму. Подібні результати також були отримані на гальмівних синаптичних відповідях в культивованих нейронах гиппокампа. Із проведеного біноміального аналізу гістограм амплітудних наборів вГПСС на різних етапах стимуляційної залежності було показано, що зміни в амплітуді повязані зі збільшенням ймовірності вивільнення медіатора, що, очевидно, збільшувалась в звязку з збільшенням входу іонів кальцію в пресинаптичну терміналь. Важливим фактом квантового аналізу амплітудних розподілів вГПСС в дослідах з лінійним збільшенням локального імпульсу, що стимулює поодиноку терміналь є те, що при різних величинах стимулу квантовий розмір не змінювався. Таким чином, мінімальна порція кванта не залежала ні від рівня деполяризації пресинаптичної терміналії ні від кількості іонів Са²⁺.

В даних дослідженнях ми охарактеризували квантову природу синаптичної передачі в гальмівних синапсах нейронів кори головного мозку. Застосування методу зовнішньої локальної стимуляції поодинокої пресинаптичної терміналі та реєстрація викликаних відповідей на постсинаптичному нейроні дає новий якісний рівень оцінки квантових подій та спостереження процесів, що відбуваються при вивільненні нейротрансміттера. Аналіз отриманої постсинаптичної активності проводився декількома незалежними статистичними методами, застосування яких в наступному, як математичного апарата для аналізу синаптичних подій, дозволить більш точно аналізувати механізми, що відбуваються в процесі вивільнення медіатора.

Висновки