Короткочасна пластичність, викликана тетанічною стимуляцією. Нами виявлено, що в різних парах нейронів тетанічна стимуляція (30 Гц, 4 сек) призводить до збільшення або до зменшення амплітуди викликаних гальмівних постсинаптичних струмів, тобто до посттетанічної потенціації чи до посттетанічної депресії (ПТД). Такий протилежний ефект спостерігається і в культурі нейронів гіпокампа (Storozhuk et al., 2002) і в культурі нейронів неокортекса (Storozhuk et al., 2005). Встановлено, що істотний внесок і в ПТП, і в ПТД вносять пресинаптичні механізми. Приймаючи до уваги дані літератури про наявність декількох типів ГАМК-ергічних нейронів (Lacaille & Schwartzkroin, 1988; McBain et al., 1994) ми припустили, що протилежний ефект тетанізації, тобто виникнення ПТП і ПТД, пояснюється гетерогенністю властивостей пресинаптичних нейронів. Ми досліджували, чи є відмінності між синаптичними зв'язками, у яких спостерігається потенціація і депресія після тетанічної стимуляції. Крім відмінностей у величинах коефіцієнтів варіації ГПСС, ми знайшли істотну відмінність розрахованої ймовірності вивільнення медіатора в "ПТП" і в "ПТД" зв'язках. Імовірність вивільнення медіатора в "ПТП парах" була істотно вищою у порівнянні з "ПТД парами". Наша оцінка Р для "ПТП зв'язків" близька до оцінки Р для синапсів між корзинчастими і гранулярними клітинами гіпокампа (Kraushaar & Jonas, 2000), у яких спостерігається посттетанічна потенціація (Jensen & Mody, 2001). На користь припущення про те, що саме відмінність Р лежить в основі протилежного ефекту тетанізації, свідчить також виявлена нами кореляція між розрахованою величиною Р і ефектом тетанізації. У парах з меншим значенням Р спостерігалася ПТП, а в парах із великим значенням Р - ПТД. Ці наші результати перекликаються з результатами роботи, у якій досліджували залежність ПТП від імовірності вивільнення медіатора. Зменшення концентрації іонів кальцію в позаклітинному середовищі спричиняло зменшення амплітуди ГПСС, але істотно збільшувало ПТП. І навпаки, збільшення концентрації іонів кальцію в позаклітинному середовищі збільшувало амплітуду викликаних ГПСС, але зменшувало ПТП. Вважається, що, в основному, відмінності імовірності вивільнення медіатора в різних синапсах обумовлені внутрішніми властивостями синапса. Важливу роль у внутрішніх відмінностях може відіграти неоднакова здатність інтернейронів експресувати кальційзв'язуючі білки (парвальбумін, кальбіндин), що було встановлено за допомогою імуноцитохімічних методів (Freund & Buzsaki, 1996). Дійсно, збільшення буферної ємності для іонів кальцію в пресинаптичному нейроні за допомогою екзогенного буфера зменшує ймовірність вивільнення медіатора і збільшує ПТП (Jensen et al., 1999). Здається ймовірним, що ендогенні кальцієві буфери можуть впливати на синаптичну передачу в природних умовах. Тому можна припустити, що "ПТП інтернейрони" можуть відрізнятися від "ПТД інтернейронів" більшою буферною ємністю для іонів кальцію за рахунок ендогенних буферів, таких як парвальбумін і кальбіндин. Таке припущення дозволяє пояснити протилежний ефект тривалої тетанізації, який ми спостерігали в наших експериментах. Відмінності ГАМК-ергічних зв'язків у нашій роботі були виявлені при тетанізації з частотою 30 Гц, тобто частотою, що лежить у діапазоні -ритму. Це дозволяє припускати, що відмінності ГАМК-ергічних синаптичних зв'язків, які спостерігаються нами, можуть відігравати важливу фізіологічну роль. Зокрема, вони можуть по-різному брати участь у підтримці балансу між збудженням і гальмуванням під час осциляторної активності. Синаптичні зв'язки з високою імовірністю вивільнення більш ефективно контролюють (пригнічують) збудження на початку пачки імпульсної активності, але їхня участь короткочасна внаслідок депресії, а синаптичні зв'язки з низькою ймовірністю вивільнення можуть контролювати процес збудження протягом більш тривалого часу.

Раніше було показано важливу роль мітохондрій у посттетанічній потенціації в нервово-м'язовому з'єднанні рака (Tang, Zucker, 1997). Нами вперше показано залучення мітохондрій у посттетанічну потенціацію гальмівної синаптичної передачі в центральних синапсах ссавців, а саме в ГАМК-ергічних синапсах нейронів неокортекса (Storozhuk et al., 2005). Разом, вищенаведені результати дозволяють припускати, що залучення мітохондрій до цієї форми пластичності є загальною закономірністю, характерною для багатьох (або навіть всіх) типів синапсів.

Короткочасна пластичність ГАМК-ергічної передачі, спричинена деполяризацією постсинаптичного нейрона. Гетерогенність властивостей ГАМК-ергічних зв'язків може також бути виявлена в результаті дії на постсинаптичний нейрон. Дійсно, явище пригнічення гальмування, зумовленого деполяризацією (ПГЗД), спостерігалося тільки в частині синаптичних зв'язків нейронів гіпокампа (Ohno-Shosaku et al., 1998). Нами вперше встановлено, що це також закономірно для нейронів неокортекса щура (Storozhuk et al., 2005). Слід зазначити, що незважаючи на те, що ПГЗД спричинюється впливом на постсинаптичний нейрон, це явище в нейронах мозочка та гіпокампа обумовлено пресинаптичними механізмамм (Wilson, Nicoll 2002). Оскільки в наших експериментах на нейронах неокортекса пригнічення гальмування, зумовленого деполяризацією, супроводжувалося збільшенням коефіцієнта парної стимуляції та коефіцієнта варіації амплітуд ГПСС, можна зробити висновок, що і в даному випадку це явище також опосередковане пресинаптичними механізмами.

Гомеостатична пластичність ГАМК-ергічної передачі. Відомо, що рівновага між процесами гальмування і збудження в нейронних мережах головного мозку сильно залежить від ефективності як глутаматергічної, так і ГАМК-ергічної синаптичної передачі. Тривала потенціація (LTP) повинна була б приводити до зсуву рівноваги між збудженням і гальмуванням в бік збудження і, навпаки, тривала депресія (LTD) - у бік гальмування, і в обох випадках це мало б негативні наслідки. Але такого, як правило, не спостерігається при нормальному функціонуванні ЦНС. Для пояснення даного спостереження нещодавно було запропоновано гіпотезу гомеостатичної пластичності - пластичності, що компенсує тривалі зміни активності в нейронних мережах. Встановлено, що тривала зміна імпульсної нейронної активності призводить до компенсаторних змін глутаматергічної передачі. В літературі почали з'являтися дані щодо гомеостатичних змін ГАМК-ергічної передачі в нейронних мережах неокортексу та мозочка. Питання відносно можливості гомеостатичних змін ГАМК-ергічної передачі в нейронних мережах гіпокампа раніше не досліджувалось і було одним із завдань даної роботи. Нами встановлено, що тривала блокада спонтанної імпульсної активності за допомогою тетродотоксину призводить до зменшення ефективності ГАМК-ергічної синаптичної передачі. Наші дані щодо локалізації гомеостатичних змін ГАМК-ергічної передачі свідчать про те, що у разі тривалої дії ТТХ відбуваються перш за все пресинаптичні зміни, оскільки зменшення амплітуди викликаних постсинаптичних струмів супроводжувалось збільшення коефіцієнта варіації ГПСС (Storozhuk et al., 2004). Наш висновок щодо важливості ролі пресинаптичних механізмів в гомеостатичній пластичності ГАМК-ергічної передачі нещодавно було підтверджено іншими авторами (Huupponen et al., 2007). Влив тривалого зменшення спонтанної імпульсної активності (за допомогою кінуренату) на ГАМК-ергічну предачу істотно відрізнявся від дії тривалої блокади. Хоча ефективність ГАМК-ергічної передачі за таких умов безпосередньо не змінювалась (при відносно низькій частоті тестування), спостерігалось істотне збільшення депресії при стимуляції парами імульсів з міжімпульсним інтервалом 100 мс (Ivanova et al., 2003). Зважаючи на те, що нейрони в культурі можуть генерувати потенціали дії з частотою близькою до частоти стимуляції у наших експериментах, збільшення депресії при парній стимуляції може призводити до зменшення сумарного гальмування в нейронних мережах. Таким чином, додатковим механізмом гомеостатичної пластичності може бути зміна короткочасної дієзалежної пластичності.

Можливі механізми гомеостатичних змін. Вважається, що ефективність гальмування в корі головного мозку може регулюватись за допомогою мозкового нейротрофічного фактора - BDNF. Відомо також, що BDNF синтезується і вивільняється нейронами під час їх активності і саме зменшення або збільшення вивільнення BDNF є сигналом для змін ефективності збуджуючих синапсів (Rutherford еt al., 1998; Turrigiano, 1999). Вважається, що BDNF відіграє важливу роль у регуляції ефективності ГАМК-ергічної передачі в культурі нейронів кори, гіпокампа, мозочка. Відомо, що тривалий вплив на BDNF сигналізацію призводить до протилежного ефекту на переміщення ГАМКА і AMPA рецепторів у гальмівних та збуджуючих синапсах (Kilman et al, 2002). Можна припустити, що за умов зменшення спонтанної активності нейронів (експерименти з ТТХ) рівень BDNF зменшується внаслідок чого ефективність гальмівної синаптичної передачі знижується. Останнім часом були отримані результати, які підтверджують важливу роль BDNF у гомеостатичній пластичності ГАМК-ергічної синаптичної передачі (Swanwick et al, 2006).

На основі результатів, отриманих в даній роботі, та аналіза даних літерутури можна зробити наступні узагальнення.

1) Гетерогенність міжнейронних синаптичних зв'язків однакової ергічності спостерігається не тільки в ЦНС ссавців, але і в ЦНС безхребетних. Гетерогенність синаптичних зв'язків нейронів головного мозку ссавців зберігається при культивуванні нейронів.

2) Залучення кальцієвих каналів та мітохондрій в посттетанічну потенціацію є спільною рисою для збуджуючої та гальмівної синаптичної передачі як безхребетних, так і ссавців.

3) Залучення і пре-, і пост-синаптичних механізмів в модуляцію синаптичної передачі відбувається не тільки у ссавців, але у і безхребетних.

4) Гомеостатичні зміни ефективності синаптичної предачі відбуваються не тільки в збуджуючих, але і в гальмівних синапсах; і пре-, і постсинаптичні механізми можуть бути залученими в гомеостатичну пластичність.

ВИСНОВКИ

У проведеній роботі відповідно до поставленої мети та завдань дослідження проведено аналіз модуляції та пластичності синаптичної передачі, їх механізмів. Дослідження синаптичної передачі в нейронах гангліїв молюсків і в культурі нейронів головного мозку одного з представників ссавців дозволило встановити деякі загальні закономірності і механізми пластичних змін синаптичної передачі в простих нейронних системах; виявити особливості модуляції збуджуючої та гальмівної синаптичної передачі; показати гетерогенність синаптичних зв'язків однакової ергічності, встановити одну з можливих причин такої гетерогенності; з'ясувати деякі клітинні механізми пластичних змін, що зумовлюють пластичність на рівні поведінки.

1) Нейропептид SCP та серотонін протилежним чином впливають на ефективність синаптичних зв'язків між гальмівним холінергічним інтернейроном L16 та сенсорними нейронами; пригнічуюча дія серотоніну на ефективність цих синаптичних зв'язків частково зумовлена постсинаптичними механізмами. Полегшуючий вплив SCP на синаптичні зв'язки нейрона L16 дозволяє пояснити транзиєнтне зменшення рефлексу втягуваня зябри та сифона, яке спостерігалося на рівні поведінки після відносно слабкого подразнення хвоста аплізії.

2) Серотонін протилежним чином впливає на ефективність синаптичних зв'язків сенсорних нейронів з кластерів LE та RF. А саме, серотонін збільшує ефективність синаптичних зв'язків сенсорних нейронів LE-кластера та зменшує ефективність синаптичних зв'язків сенсорних нейронів RF-кластера. Таким чином, незважаючи на однакову ергічність, локалізацію в одному ганглії ЦНС аплізії та подібну функціональну роль, властивості цих синаптичних зв'язків істотно відрізняються (тобто гетерогенні). Пригнічуючий вплив серотоніну на синаптичні зв'язки сенсорних нейронів RF-кластера дозволяє пояснити відсутність сенситизації захисної реакції викиду чорнильної рідини (яка спостерігається на рівні поведінки).

3) Тетанічна стимуляція збуджуючого інтернейрона L29 в абдомінальному ганглії аплізії призводить до посттетанічної потенціації (ПТП) тривалістю більше, ніж 25 хвилин. ПТП в синаптичних зв'язках збуджуючих інтернейронів церебральних гангліїв аплізії зумовлена пресинаптичними механізмами. Важливу роль у цьому явищі відіграє збільшення ймовірності вивільнення медіатора. Фармакологічні дані свідчать про залучення в ПТП кальцієвих каналів L- типу.

4) Тривала тетанічна стимуляція пресинаптичного нейрона протилежним чином впливає на ефективність ГАМК-ергічної синаптичної передачі в різних парах нейронів. Це призводить до посттетанічної депресії (ПТД) в ~ 55 % досліджених пар та до посттетанічної потенціації (ПТП) у ~45 % зв'язків. Пресинаптичні механізми вносять істотний внесок в ПТП та в ПТД. Тому ці результати дозволяють припускати істотні відмінності властивостей (гетерогенність) саме пресинаптичних нейронів.

5) Порівняння властивостей `ПТП'- і `ПТД'- зв'язків не виявило достовірних відмінностей амплітуд викликаних струмів, а також квантових параметрів синаптичної передачі q, m і N. Проте коефіцієнт варіації амплітуди викликаних ГПСС і ймовірність вивільнення медіатора з пресинаптичних терміналей істотно відрізнялися для `ПТП' і `ПТД' пар. Для `ПТП' зв'язків характерна нижча ймовірність викиду медіатора (0.52), а для `ПТД' пар - значно вища ймовірність викиду медіатора (0.89).

6) Важливу роль в посттетанічний потенціації в центральних гальмівних синапсах ссавців, а саме в ГАМК-ергічних синапсах нейронів неокортекса відіграють мітохондрії.

7) Істотний внесок в модулюючий ефект ацетилхоліну на ефективність ГАМК-ергічної синаптичної передачі можуть вносити постсинаптичні механізми.

8) Явище "пригнічення гальмування, зумовленого деполяризацією" притаманне ГАМК-ергічним синаптичним зв'язкам нейронів неокортекса, проте воно характерне лише для частини цих синаптичних зв'язків.

9) Гомеостатичні зміни характерні для ГАМК-ергічної синаптичної передачі. Тривала блокада імпульсної нейронної активності за допомогою тетродотоксина призводить до зменшення ефективності ГАМК-ергічної синаптичної передачі, а тривале зменшення нейронної активності за допомогою блокатора іонотропних глутаматних рецепторів кінуренату призводить до змін короткочасної пластичності ГАМК-ергічної синаптичної передачі, а саме депресії при парній стимуляції.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ СТАТЕЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Kononenko N.I., Storozhuk M.V. Dopamine inhibits transmission between the interneuron initiating pacemaker activity in a bursting neuron and the bursting neuron on the snail Helix pomatia // Comp Biochem Physiol C. - 1992. - Vol. 102, № 1. - P. 17-22.

2. Storozhuk M.V., Kostyuk P.G., Kononenko N.I. Patch-clamp recording of cAMP-induced membrane current noise in Helix pomatia neurons // Neurosci Lett. - 1993. - Vol. 154, № 1-2. - P. 203-205.

3. Belan P.V., Kiss T., Snitsarev V., Storozhuk M.V., Osipenko O.N. The effect of acetylcholine and serotonin on calcium transients and calcium currents in identified Helix pomatia L. neurons // Cell Signal. - 1994. -Vol. 6, № 5. - P. 551-559.

4. Fredman S.M. F., Storozhuk M.V. Synaptic plasticity in the cerebral ganglion of Aplysia // Netherlands J of Zoology. - 1994. - 44, - P. 259-251.

5. Angers A., Storozhuk M.V., Duchaine T., Castellucci V.F., DesGroseillers L. Cloning and functional expression of an Aplysia 5-HT receptor negatively coupled to adenylate cyclase // J Neurosci. - 1998. - Vol. 18, № 15. - P. 5586-5593.

6. Storozhuk M.V., Castellucci V.F. Some receptor properties in motor neurons of an Aplysia withdrawal reflex // Neurochem Res. - 1999. - Vol. 24, № 11. - P. 1443-1447.

7. Storozhuk M.V., Castellucci V.F. The synaptic junctions of LE and RF cluster sensory neurones of Aplysia californica are differentially modulated by serotonin // J Exp Biol. - 1999. -Vol. 202 (Pt 2), - P. 115-120.

8. Storozhuk M.V., Fredman S.M. Analysis of potentiation in the cerebral ganglion of Aplysia // Neuroscience. - 1999. - Vol. 91, № 2. - P. 777-781.

9. Storozhuk M., Castellucci V.F. Modulation of cholinergic transmission in the neuronal network of the gill and siphon withdrawal reflex in Aplysia // Neuroscience. - 1999. - Vol. 90, № 1. - P. 291-301.

10. Zappulla J.P., Wickham L., Bawab W., Yang X.F., Storozhuk M.V., Castellucci V.F., DesGroseillers L. Cloning and characterization of Aplysia neutral endopeptidase, a metallo-endopeptidase involved in the extracellular metabolism of neuropeptides in Aplysia californica // J Neurosci. - 1999. - Vol. 19, № 11. - P. 4280-4292.

11. Storozhuk M.V., Melnick I.V., Kostyuk P.G., Belan P.V. Postsynaptic mechanism may contribute to inhibitory acetylcholine effect on GABAergic synaptic transmission in hippocampal cell cultures // Synapse. - 2001. -Vol. 41, № 1. - P. 65-70.

12. Storozhuk M.V., Ivanova S.Y., Pivneva T.A., Melnick I.V., Skibo G.G., Belan P.V., Kostyuk P.G. Post-tetanic depression of GABAergic synaptic transmission in rat hippocampal cell cultures // Neurosci Lett. - 2002. - Vol. 323, № 1. - P. 5-8.

13. Ivanova S.Y., Storozhuk M.V., Kostyuk P.G. Changes in paired pulse depression as an indicator for involvement of presynatic mechanism(s) in a modulation of GABAergic synaptic transmission in rat hippocampal cell cultures // Neurophysiology. - 2002. - Vol. 34, № 2/3. - P. 161-163.

14. Storozhuk M., Glyvuk N. Effect of Latrotoxin-like protein on spontaneous postsynaptic responses. // Neurophysiology. - 2002. - Vol. 34, № 2/3. - P. 152-154.

15. Ivanova S.Y., Storozhuk M.V., Melnick I.V., Kostyuk P.G. Chronic treatment with ionotropic glutamate receptor antagonist kynurenate affects GABAergic synaptic transmission in rat hippocampal cell cultures // Neurosci Lett. - 2003. - Vol. 341, № 1. - P. 61-64.

16. Storozhuk M.V., Ivanova S.Y., Kostyuk P.G. Homeostatic plasticity of GABA-ergic synaptic transmission in rat hippocampal cell culture // Neurophysiology. - 2004. - Vol. 36, № 5-6. - P. 385-390.

17. Іванова, С. Ю., Сторожук, М.В., Костюк, О.П., Костюк, П.Г.., Імпульсна нейронна активність в культурі нейроні в гіпокампа щура: вплив блокади синаптичної передачі та гіпоглікемії // Фізіологічний журнал- 2004. - Vol. 50, № 4. - C. 16-21.

18. Ivanova S.Y., Lushnikova I.V., Pivneva T.A., Belan P.V. F., Storozhuk M.V., Kostyuk P.G. Differential properties of GABAergic synaptic connections in rat hippocampal cell cultures. // - Synapse. - 2004. - Vol. 53, № 2. - P. 122-130.

19. Storozhuk M.V., Ivanova S.Y., Balaban P.M., Kostyuk P.G. Possible role of mitochondria in posttetanic potentiation of GABAergic synaptic transmission in rat neocortical cell cultures // Synapse. - 2005. - Vol. 58, № 1. - P. 45-52.

20. Сторожук, М.В., Иванова, С. Ю., Костюк, П.Г. Пре- и постсинаптчески индуцируемая кратковременная пластичность ГАМК-эргической синаптической передачи // Нейрофизиология/Neurophysiology. - 2005. - T. 37, № 3. - С. 261-272.

21. Сторожук М.В., Ретрогадна сигналізація в ГАМК-ергічних та глутаматергічних синапсах головного мозку// Фізіологічний журнал. - 2006. - T. 52, № 7. - C. 103-109.

22. Storozhuk M.V., Ivanova S.Y., Piomelli D. Presence of depolarization-induced suppression of inhibition in a fraction of GABAergic synaptic connections in rat neocortical cultures // Neurosci Behav. Physiol. - 2006. - Vol. 36, № 7. - P. 709-713.

Тези доповідей (за останні 5 років):

1. Сторожук М.В., Іванова С. Ю., Мельнік І.В., Півнєва Т.А., Білан П.В., Костюк П.Г. Посттетанічна депресія ГАМК-ергічної синаптичної передачі в культурі нейронів гіпокампа щурів. Тези ІІІ З'їзду Українського біофізичного товариства, Львів 2002, c. 81.

2. Ivanova S.Y. and Kostuyk P.G. Homeostatic regulation of the efficacy of synaptic transmission. Тези ІІ міжнародного симпозіуму " Фізіологія та біофізика гладеньких м'язів". Neurophysiology 2003, v.35 (3/4), p.350.

3. Storozhuk M., Ivanova S. and Kostyuk P. Differential properties of GABAergic synaptic connections in rat hippocampal cell cultures. First Ukrainian Congress for cell biology, Lviv, 2004, p.316.

4. Іванова С., Сторожук М., Костюк П. Вплив тривалоЇ блокади ГАМКА- рецепторів на ефективність ГАМК-ергічної синаптичної передачі. Установчий з'їзд Українського товариства клітинної біології, Львів 2004, с. 310

5.Сторожук М.В., Іванова С. Ю., Костюк П.Г. Пре- та постсинаптично-індукована короткочасна пластичність ГАМК-ергічної синаптичної передачі Тези ІІІ конференції Українського товариства нейронаук Нейронауки: теоретические и клинические аспекты (2005) с. 115.

6. Storozhuk M., Ivanova S. and Kostyuk P. Differential properties of GABAergic synaptic connections in rat hippocampal cell cultures Abstracts of L. Tauc Neurobiological Conference (2004) "The World of the Synapse " Gif-sur-Yvette, France: J. of Physiology -Paris 99 (2006) p. 274.

7. Storozhuk M.V., Castellucci V.F. Modulation of synaptic transmission in the neuronal network of Aplysia withdrawal reflex. Abstracts of VIII Conference of the International Society for Invertebrate Neurobiology Simpler Nervous Systems Kazan, Russia, (2006) p 84.

8. Drebot I.I., Storozhuk M.V., Kostyuk P.G. Effect of capsaicin on spontaneous GABAergic IPSCs in hippocampal cell cultures FENS Abstr., vol.3, A119.7, 2006.

АНОТАЦІЇ

Сторожук М.В. Модуляція, пластичність та гетерогенність властивостей синаптичних зв'язків в простих нейронних мережах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.13 - фізіологія людини і тварин. Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню модуляції та пластичності синаптичної передачі. У нейронних мережах, що опосередковують захисні рефлекси у молюска аплізії, описана модуляція ефективності синаптичних зв'язків між ідентифікованим гальмівним холінергічним інтернейроном L16 та сенсорними нейронами нейропептидом SCP та серотоніном. Показано, що серотонін протилежним чином впливає на ефективність збуджуючих синаптичних зв'язків сенсорних нейронів з LE та RF кластерів. Ці результати дозволяють пояснити деякі явища, які спостерігалися на рівні поведінки аплізії. Встановлено, що істотний внесок в посттетанічну потенціацію синаптичних зв'язків збуджуючих інтернейронів аплізії відіграють пресинаптичні механізми; вперше отримані фармакологічні дані, щодо залучення кальцієвих каналів L- типу в ПТП. При дослідженні пластичності та модуляції ГАМК-ергічної синаптичної передачі встановлено, що явище "пригнічення гальмування, зумовленого деполяризацією", притаманне ГАМК-ергічним синаптичних зв'язкам нейронів неокортекса та характерне лише для частини цих синаптичних зв'язків. Отримані дані щодо залучення мітохондрій в посттетанічну потенціацію в синапсах нейронів неокортекса. Показано, що істотний внесок в модулюючий ефект ацетилхоліну на ефективність ГАМК-ергічної синаптичної передачі можуть вносити постсинаптичні механізми. Вперше для нейронних мереж гіпокампа виявлені гомеостатичні зміни ГАМК-ергічної синаптичної передачі.

Ключові слова: синаптична пластичність, модуляція синаптичної передачі, нейрони гіпокампа; нейрони неокортекса; посттетанічна потенціація, посттетанічна депресія, ГАМК-ергічна передача; гомеостатична пластичність.

Сторожук М.В. Модуляция, пластичность и гетерогенность свойств синаптических связей в простых нейронных сетях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по специальности 03.00.13 - физиология человека и животных. - Институт физиологии им. А.А. Богомольца НАН Украины, Киев 2007.

Диссертация посвящена исследованию модуляции и пластичности синаптической передачи. Наиболее методически удобным для исследований такого рода является использование разных модельных систем, каждая из которых имеет свои преимущества. Для изучения синаптической пластичности, которая лежит в основе модификаций поведения, ЦНС беспозвоночных, в частности моллюсков, предоставляет уникальную возможность не только исследовать синаптические связи нейронов из популяций клеток с похожими свойствами, то есть кластеров, но и связи отдельных функционально идентифицированных нейронов. Используя эту возможность при исследовании модуляции и пластичности в центральной нервной системе моллюска Aplysia californica, было сделано следующее. Охарактеризованы свойства синаптических связей между тормозным нейроном L16 и сенсорными нейронами. Показано, что нейропептид SCP и серотонин оказывают противоположное влияние на их эффективность. Обнаруженное облегчающее влияние SCP на синаптические связи нейрона L16 позволяет объяснить транзиентное уменьшение рефлекса после стимуляции хвоста животного, наблюдавшееся на поведенческом уровне.

Показано, что серотонин оказывает противоположное модулирующее влияние на эффективность синаптических связей сенсорных нейронов из LE и RF кластеров. Обнаруженное угнетающее влияние серотонина на синаптические связи сенсорных нейронов из RF кластера позволяет объяснить наблюдающееся на поведенческом уровне отсутствие сенситизаци реакции выброса чернильной жидкости. Показано, что тетаническая стимуляция интернейрона L29 в абдоминальном ганглии аплизии приводит к достаточно длительной (25 минут) посттетанической потенциации (ПТП) в синаптических связях этого нейрона с мотонейронами; ПТП в синаптических связях, возбуждающих интернейронов в церебральных ганглиях аплизии обусловлена пресинаптическими механизмами; увеличение вероятности выброса медиатора играет важную роль в этом явлении. Кроме того, получены фармакологические данные о вовлечении кальциевых каналов L- типа в посттетаническую потенциацию.

Другой модельной системой, использованной в данной работе, была культура нейронов (гиппокампа или неокортекса) крысы. С использованием этой модельной системы было установлено следующее. Одинаковая тетаническая стимуляция пресинаптического нейрона (30 Гц, 4 секунды) оказывает противоположное влияние на эффективность ГАМК-эргической синаптической передачи в разных парах нейронов. Это воздействие приводит к посттетанической депрессии (ПТД) в ~55 % исследованных пар и к посттетанической потенциации в ~45 %. ПТД сопровождалась увеличением коэффициента вариации амплитуд ТПСТ и уменьшением депрессии при парной стимуляции. Анализ временного хода восстановления амплитуд ТПСТ после тетанизации в парах, в которых наблюдалась ПТД, позволил обнаружить в этом процессе два компонента с постоянными времени 11 и 110 секунд. Продолжительность более быстрого компонента была близкой к продолжительности изменений коэффициента вариации ТПСТ и депрессии ТПСТ при парной стимуляции. Поэтому вероятно, что пресинаптические изменения являются главным фактором именно этого компонента ПТД. Посттетаническая потенциация (ПТП) сопровождалась уменьшением коэффициента вариации амплитуд ТПСТ и увеличением депрессии при парной стимуляции. Эти результаты свидетельствуют о вовлечении пресинаптических механизмов в ПТП. Подтверждением важной роли именно пресинаптических механизмов в ПТП в ГАМК-эргических синапсах являются также наши данные о роли митохондрий в посттетанической потенциации. Проведено сравнение свойств синпаптических связей, в которых после тетанизации наблюдается ПТП и ПТД ("ПТП" и "ПТД" связей соответственно) связей; обнаружено, что для "ПТП" связей характерна более низкая вероятность высвобождения медиатора (0.52), а для "ПТД" связей - более высокая (0.89). Эти результаты указывают на гетерогенность свойств ГАМК-эргических связей в культуре нейронов. Обнаружено, что в модулирующий эффект ацетилхолина на ГАМК-эргическую синаптическую передачу в культуре нейронов гиппокампа могут вносить существенный вклад постсинаптические механизмы. Эти наши результаты также указывают на неоднородность свойств синаптических связей. Показано, что явление подавления торможения, вызванного деполяризацией, присуще нейронам неокортекса крысы и это явление характерно для части (23 %) ГАМК-эргических синаптических связей. Это свидетельствует о том, что ГАМК-эргические связи в культуре нейронов неокорекса (в этом отношении) гетерогенны. Впервые для нейронных сетей гиппокампа показаны гомеостатические изменения ГАМК-эргической синаптической передачи. Установлено, что длительная блокада нейронной активности в культуре нейронов гиппокампа с помощью блокатора натриевых каналов тетродотоксина приводит к уменьшению эффективности ГАМК-эргической синаптической передачи, а длительное уменьшение нейронной активности с помощью кинурената приводит к изменению кратковременной пластичности ГАМК-эргической синаптической передачи, а именно, депрессии при парной стимуляции.

Ключевые слова: синаптическая пластичность, модуляция синаптической передачи, нейроны гиппокампа; нейроны неокортекса; посттетаническая потенциация, посттетаническая депрессия, ГАМК-эргическая передача; гомеостатическая пластичность.

Storozhuk M.V. Modulation, plasticity and heterogeneity of synaptic connection properties in simple neuronal networks. - Manuscript.

Dissertation for doctor of science degree by specialty 03.00.13 - human and animal physiology. - A.A. Bogomoletz institute of physiology, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to investigation of modulation and plasticity of synaptic transmission. In neuronal networks, mediating aplysia defensive behavior, modulation of synaptic transmission between identified cholinergic interneuron L16 and sensory neurons by neuropeptide SCP and serotonin has been described. It was also found that serotonin differentially affects synaptic connections between sensory neurons from LE and RF clusters. These results provide basis for explanation of two phenomena observed at behavioral level. Posttetanic potentiation (PTP) of synaptic connections of excitatory interneurons is mediated by presynaptic mechanisms, pharmacological evidence indicates important role L-type calcium channels in this phenomenon. Study of GABAergic synaptic transmission revealed that depolarization-induced suppression of inhibition (DSI) is present at rat neocortical synapses and is selectively expressed in a subpopulation of GABAergic connections. Evidence for involvement of mitochondria in PTP of neocortical GABAergic synapses is presented. Postsynaptic mechanisms can make substantial contribution in modulatory effect acetycholine on GABAergic transmission. Homeostatic plasticity of GABAergic trаnsmission in hippocampal neuronal networks has been revealed.

Key words: synaptic plasticity, modulation of synaptic transmission, hippocampal neurons, neocortical neurons, GABAergic transmission, posttetanic depression, homeostatic plasticity.

Размещено на Allbest.ru