Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование
На компьютерной модели сети интернейронов, связанных с помощью шунтирующих ГАМК-эргических синапсов, исследовалось влияние тонического ГАМК-эргического тока на процессы синхронизации импульсной активности в такой сети; последняя активировалась тоническим возбуждающим сигналом. Указанный ток характер...
Saved in:
| Published in: | Нейрофизиология |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
2010
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68362 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование / С.А. Кочубей, Л.П. Савченко, А.В. Семьянов // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 382-389. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859708629910814720 |
|---|---|
| author | Кочубей, С.А. Савченко, Л.П. Семьянов, А.В. |
| author_facet | Кочубей, С.А. Савченко, Л.П. Семьянов, А.В. |
| citation_txt | Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование / С.А. Кочубей, Л.П. Савченко, А.В. Семьянов // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 382-389. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Нейрофизиология |
| description | На компьютерной модели сети интернейронов, связанных с помощью шунтирующих ГАМК-эргических синапсов, исследовалось влияние тонического ГАМК-эргического тока на процессы синхронизации импульсной активности в такой сети; последняя активировалась тоническим возбуждающим сигналом. Указанный ток характеризовался двумя параметрами – потенциалом реверсии и вносимой проводимостью. Показано, что тонический ГАМК-эргический ток с потенциалом реверсии отрицательнее порога генерации потенциалов действия нейронами сети уменьшает частоту разрядов данных нейронов и их синхронизацию. Синхронизация убывает монотонно с увеличением проводимости, вносимой подобным током. Как установлено, существует значение проводимости, вносимой тоническим тормозным током, при которой активность нейронной сети имеет бистабильный характер. В зависимости от начальных условий в такой сети могут спонтанно возникать синхронные колебания, сходные с эпилептиформной активностью.
На комп’ютерній моделі мережі інтернейронів, пов’язаних за допомогою шунтуючих ГАМК-ергічних синапсів, досліджувався вплив тонічного ГАМК-ергічного струму на процеси синхронізації імпульсної активності в такій мережі; остання активувалася тонічним збуджуючим сигналом. Вказаний струм характеризувався двома параметрами – потенціалом реверсії та внесеною провідністю. Показано, що тонічний ГАМК-ергічний струм з потенціалом реверсії негативніше порога генерації потенціалів дії нейронами мережі зменшує частоту розрядів даних нейронів та їх синхронізацію. Синхронізація зменшується монотонно зі збільшенням провідності, внесеної подібним струмом. Як було встановлено, існує значення провідності, внесеної тонічним гальмівним струмом, при якій активність нейронної мережі має бістабільний характер. Залежно від початкових умов у такій мережі можуть спонтанно виникати синхронні коливання, подібні до епілептиформної активності.
|
| first_indexed | 2025-12-01T04:28:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5382
УДК 576.54 +577.352.54+612.822.3
С. А. КОЧУБЕЙ1, Л. П. САВЧЕНКО2, А. В. СЕМЬЯНОВ3
МОДУЛЯЦИЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ
В СЕТИ ИНТЕРНЕЙРОНОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ТОНИЧЕСКИХ ТОРМОЗНЫХ
ГАМК-ЭРГИЧЕСКИХ ВЛИЯНИЙ: МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Поступила 25.06.10
На компьютерной модели сети интернейронов, связанных с помощью шунтирующих
ГАМК-эргических синапсов, исследовалось влияние тонического ГАМК-эргического
тока на процессы синхронизации импульсной активности в такой сети; последняя ак-
тивировалась тоническим возбуждающим сигналом. Указанный ток характеризовался
двумя параметрами – потенциалом реверсии и вносимой проводимостью. Показано, что
тонический ГАМК-эргический ток с потенциалом реверсии отрицательнее порога ге-
нерации потенциалов действия нейронами сети уменьшает частоту разрядов данных
нейронов и их синхронизацию. Синхронизация убывает монотонно с увеличением про-
водимости, вносимой подобным током. Как установлено, существует значение прово-
димости, вносимой тоническим тормозным током, при которой активность нейронной
сети имеет бистабильный характер. В зависимости от начальных условий в такой сети
могут спонтанно возникать синхронные колебания, сходные с эпилептиформной актив-
ностью.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гиппокамп, нейронная сеть, шунтирующий синапс, ГАМК-
эргическое тоническое торможение, гамма-ритм.
1 Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара
(Украина).
2 Университетский колледж Лондона (Великобритания).
3 Институт исследования мозга, Рикен (Япония).
Эл. почта: sergiy.kochubey@gmail.com (С. А. Кочубей).
ВВЕДЕНИЕ
Помимо квантовой синаптической передачи, приво-
дящей к генерации дискретных «быстрых» возбуж-
дающих или тормозных постсинаптических токов
в ответ на резкое увеличение концентрации того
или иного нейромедиатора в синаптической щели,
существуют также механизмы внесинаптической
передачи сигналов. В результате такой передачи
генерируется небольшой по амплитуде, но гораздо
более продолжительный, чем в случаях дискретно-
го синаптического действия, трансмембранный ток
[1]. Длительность активации (порядка нескольких
секунд и более) позволяет квалифицировать подоб-
ные токи как тонические. Такие токи были обнару-
жены практически во всех отделах головного мозга –
мозжечке [2], коре [3], таламусе [4] и даже в кле-
точных культурах нейронов гиппокампа [5, 6].
Было установлено, что источником тонических
токов является активация внесинаптических ре-
цепторов [7, 8] под влиянием внеклеточной диф-
фузии из синаптической щели («перелива», спил-
овера) глутамата или ГАМК (соответственно у
возбуждающих и тормозящих синапсов).
Особый интерес представляет ГАМК-эргическое
тоническое торможение, оказывающее постоянное
воздействие на нейроны гиппокампа, для которых
характерна синхронизированная циклически орга-
низованная импульсная активность [9]. В основе
такого действия лежит диффузия ГАМК во внекле-
точное пространство с последующей активаци-
ей внесинаптических ГАМКА-рецепторов, имею-
щих более высокую аффинность по отношению к
ГАМК, чем рецепторы в зоне синаптических кон-
тактов.
Вероятная функциональная роль тонического
тока – это регуляция мембранного потенциала и
возбудимости нейронов, а также модуляция синап-
тической интеграции в тормозных интернейронах
и паттерна их разрядов [10]. В гиппокампе основ-
ным эффектом тонического ГАМК-эргического
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 383
МОДУЛЯЦИЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ В СЕТИ
торможения является шунтирование возбуждаю-
щих постсинаптических токов в нейронах [11, 12]
вследствие падения сопротивления их мембран, т. е.
повышения электрической проводимости. Анало-
гичный эффект, очевидно, наблюдается и в пре-
синаптических элементах (терминалях аксонов).
Такое шунтирование, естественно, снижает ам-
плитуду потенциалов действия (ПД), достигающих
пресинаптического участка аксона. Как следствие,
в этих условиях уменьшается входной поток ионов
Сa2+, а значит, и вероятность выброса нейропере-
датчика – процесса, управляемого внутриклеточ-
ной концентрацией Сa2+ [13–15].
Воздействие тонического тока на всю мембрану
нейрона или только на отдельные ее компартмен-
ты может приводить не только к подавлению, но
и к усилению входящих синаптических токов (см.
ниже). Как полагают, это является одним из основ-
ных механизмов регуляции интегральной возбуди-
мости нейрона [16]. Тонические токи существенно
влияют на сетевые феномены, в частности на фор-
мирование эпилептиформной активности. Было
показано, что увеличение внеклеточной концен-
трации ГАМК, вызванное возбуждением сети ней-
ронов, приводит к повышению интенсивности то-
нических токов. Это обеспечивает компенсаторное
уменьшение уровня возбуждения выходных эле-
ментов (пирамидных нейронов) в зоне СА1 гиппо-
кампа [17] и возрастание степени синхронизации
ПД, генерируемых элементами нейронных сетей
данной зоны.
В настоящее время, однако, механизм влияния
тонического ГАМК-опосредуемого тока на син-
хронизацию генерации ПД в сетях интернейро-
нов (феномен, очевидно, играющий ключевую роль
в генерации эпилептической активности) оста-
ется нераскрытым. Мы пытались определить ха-
рактер и механизмы влияния тонического ГАМК-
эргического тока на процессы синхронизации
колебаний потенциала и генерации разрядов в сети
интернейронов гиппокампа, активируемых в ре-
зультате поступления тонического возбуждающего
воздействия. Для решения этой задачи мы исполь-
зовали метод математического моделирования се-
тей интернейронов.
МЕТОДИКА
Модель нейронной сети. Архитектура сети соот-
ветствовала кольцу, состоящему из 200 связанных
интернейронов (ni, i = 1…200) поля CA3 гиппокам-
па (рис. 1, А) [18]. Модель каждого интернейрона
в сети была реализована в виде одиночного цилин-
дрического компартмента с одинаковыми длиной
Lsc и диаметром d, равными 61.809 мкм, что опре-
деляет площадь поверхности такого компартмен-
та S ≈ 12000 мкм2. Это значение примерно соот-
ветствует средней общей площади поверхностной
мембраны интернейрона гиппокампа крысы [6].
Электрическая динамика мембраны интернейронов
описывалась моделью типа Ходжкина – Хаксли с
кинетикой, детали которой были представлены ра-
нее [19]. Данный мембранный механизм обеспечи-
вал потенциал покоя клетки E0 = –64.58 мВ и по-
роговый потенциал генерации ПД Etr = –56.79 мВ
(механизм определения величины порогового по-
тенциала см. ниже).
Связи между интернейронами были представле-
ны шунтирующими ГАМК-эргическими синапсами
с потенциалом реверсии синаптического тока Esyn =
= –59 мВ. Динамика проводимости, вносимой то-
ком этих синапсов, описывалась уравнением:
, (1)
где τ1 = 0.16 мс – постоянная времени нарастания
тока, а τ2 = 1.2 мс – константа времени затухания
[19]. Все нейроны характеризовались следующими
идентичными пассивными электрическими параме-
трами: удельная емкость мембраны C = 1 мкФ/см2,
аксиальное удельное сопротивление Ra = 100 Ом·см
[18].
Каждый нейрон в сети образовывал с вероятно-
стью 0.57 синаптические контакты с субпопуля-
цией из 100 своих ближайших соседей, что соот-
ветствует анатомическим сведениям о количестве
подобных контактов между парвальбуминчувстви-
тельными нейронами в области СА1 [20].
Геометрический размер сети определялся услов-
ными расстояниями между соседними нейронами,
которые зависели от значения задержки между ге-
нерацией пресинаптического ПД и инициацией со-
ответствующего постсинаптического тока, инду-
цированного этим ПД (рис. 1, В); данное значение
вычислялось по следующей формуле:
, (2)
где Δt = 0.2 мс – время задержки, υ = 0.25 м/с –
скорость проведения сигнала вдоль волокна [19],
i и j – порядковые номера интернейронов в сети
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5384
С. А. КОЧУБЕЙ, Л. П. САВЧЕНКО, А. В. СЕМЬЯНОВ
(от 1 до 200). С учетом этих параметров расстояние
l между двумя связанными соседними нейронами в
модели сети составляло 50 мкм.
Тоническое возбуждение. Сеть из интернейронов
без воздействия внешнего сигнала не была способ-
на к самовозбуждению. Для генерации серий ПД
нейронами сети был необходим внешний источ-
ник постоянной деполяризации. В данной модели
в качестве внешнего стимула использовалось при-
ложение постоянного возбуждающего тока с по-
тенциалом реверсии Eex = 0 мВ. При определенной
амплитуде Iex тонического возбуждения нейроны
сети становились способными генерировать им-
пульсацию с высокосинхронизированными колеба-
ниями частоты (рис. 1, Г, Д). После снятия влия-
ния внешнего воздействия колебательный процесс
в сети постепенно затухал.
Моделирование тонического ГАМК-эргического
торможения. Тонический ток моделировался в виде
внесения распределенной проводимости с потен-
циалом реверсии EГАМК = –59 мВ; данная величина
совпадала с соответствующим значением для шун-
тирующих ГАМК-эргических синапсов. Величина
потенциала реверсии для этого тока во всех вычис-
лениях была принята постоянной, а удельная про-
водимость могла изменяться от 0.4 до 3.2 мСм/см2,
что перекрывало весь диапазон возможных физио-
логических изменений указанного тока.
Реализация модели. Для моделирования описан-
ной нейронной сети использовалась программная
среда «Neuron 7.0» [21].
Пороговый потенциал. Величина порогового по-
тенциала определялась в модели с помощью ramp-
сигнала, линейно изменяющегося во времени. В
каждый интернейрон инжектировался деполяриза-
ционный ток, амплитуда которого изменялась со-
гласно формуле:
, (3)
где b = 5·10–8
нА/мс – скорость нарастания тока и
t – время (мс). Величина параметра b позволяла ис-
ключить емкостную составляющую мембранного
потенциала и отследить влияние, которое оказыва-
ет на порог возбуждения интернейронов только из-
менение состояния ионных каналов. В момент вре-
мени t = 3415 мс величина мембранного потенциала
достигала порогового значения Etr = –56.79 мВ,
после чего начиналась генерация ПД. При объеди-
нении одиночных интернейронов в сеть значение
порогового потенциала не изменялось.
Параметры колебаний в сети. Состояние сети
характеризовалось двумя параметрами – частотой
генерируемых разрядов и коэффициентом их син-
хронизации.
Средняя частота ПД, генерируемых элементами
нейронной сети (fnet), вычислялась по формуле:
, (4)
где fi – величина, обратная среднему межимпульс-
ному интервалу (МИИ), которая определялась для
каждого из интернейронов сети, N – количество ин-
тернейронов. Значения МИИ для каждого отдель-
ного нейрона вычислялись с помощью растрограмм
(рис. 1, Д).
Коэффициент синхронизации в сети. Коэффици-
ент синхронизации активности всей сети k(τ) опре-
делялся как среднее значение совокупности коэф-
фициентов синхронизации kij(τ) для каждой пары
(i, j) нейронов в сети. Расчет каждого коэффици-
ента проводился в интервале времени 1500–2000
мс, чтобы исключить влияние начального нестаци-
онарного состояния. Этот интервал разбивался на
K участков длительностью τ = 0.1/fnet. Импульсы,
генерируемые каждой парой нейронов, были пред-
ставлены в бинарном формате X (l) и Y (l) как еди-
ницы, когда в текущем временнóм интервале l на-
блюдается ПД, и как нуль, если ПД отсутствует.
Затем для каждой пары i-го и j-го нейронов вычис-
лялся коэффициент kij(τ) согласно формуле:
, (5)
РЕЗУЛЬТАТЫ
Во всех симуляциях сеть вначале переводили из
стационарного состояния в состояние генерации
несинхронной активности (рис. 1, Д). Для десин-
хронизации импульсации в сети в течение первых
500 мс к каждому нейрону прикладывали стоха-
стический возбуждающий ток со средней частотой
аппликации Fex = 100 с–1 и средней проводимостью
Gex = 1 нСм. Далее начиная с 500 мс и до оконча-
ния вычислений (2000 мс) этот стохастический ток
заменяли постоянным тоническим возбуждающим
током (рис. 1, Г) с амплитудой Iex. В результате ко-
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 385
МОДУЛЯЦИЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ В СЕТИ
Р и с. 1. Принципы построения и работы модели сети интернейронов поля СА3 гиппокампа.
А – схема архитектуры сети, которая состоит из 200 интернейронов, соответствующих модели объединенных в виртуальное
кольцо корзинчатых клеток зубчатой извилины гиппокампа. Проводимость мембраны клеток соответствовала описанной в работе
Йонаса [19]. Каждая клетка случайным образом соединена с субпопуляцией из 100 ближайших соседей с вероятностью 0.57 через
шунтирующие ГАМК-эргические синапсы с потенциалом реверсии синаптического тока Esyn = –59 мВ. Б – генерация потенциала
действия в ответ на внешнее возбуждение интернейрона. В – геометрические параметры сети, определяемые условным расстоянием
l между двумя соседними нейронами, которое зависит от скорости проведения сигнала и времени задержки при синаптической
передаче. Г – переход от неупорядоченных колебаний частоты импульсации к ее синхронным осцилляциям в результате приложения
возбуждающего тонического стимула к сети. Такой переход четко прослеживается при помощи построения растрограммы (Д). По
оси абсцисс – время, мс; по оси ординат – амплитуда возбуждающего стимула, нА (Г) и порядковый номер интернейрона в сети (Д).
Р и с. 1. Принцип побудови та роботи моделі мережі інтернейронів поля СА3 гіпокампа.
А
15 мВ
4 мс
нА
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
100
80
60
40
20
0
0 250 500 750 1000 1250 1500 мс
Г
Д
Б
В
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5386
С. А. КОЧУБЕЙ, Л. П. САВЧЕНКО, А. В. СЕМЬЯНОВ
лебания в системе упорядочивались, и в сети могли
появляться синхронные осцилляции частоты сле-
дования ПД. С увеличением амплитуды тоническо-
го тока от 0.02 до 0.08 нА изменялись как частота
генерации импульсов, так и степень ее синхрониза-
ции (рис. 2, А и Б соответственно).
Оказалось, что при увеличении амплитуды то-
нического возбуждающего тока Iex (начиная с Iex =
= 0.035 нА) коэффициент синхронизации и частота
генерации ПД в сети резко возрастали (с 0.17 до 0.58
и с 21 до 30 с–1 соответственно). После того как ам-
плитуда тока Iex превышала 0.04 нА, осцилляции в
сети становились полностью синхронизированными
(k ≈ 0.98), а частота генерации синхронизированных
ПД и, соответственно, колебаний сетевой активно-
сти продолжала монотонно возрастать. Этот резуль-
тат показывает, что увеличение влияния тонического
возбуждения обусловливает очень высокую степень
синхронизации в сети, приводя каждый интерней-
рон в возбужденное состояние с одинаковыми ха-
рактеристиками. После преодоления порогового зна-
чения Iex увеличение интенсивности данного тока
практически не влияет на синхронизацию в сети, а
приводит к линейному повышению частоты выход-
ных сигналов fnet, синхронизированных в диапазоне
гамма-ритма (30–120 Гц).
Влияние тонического ГАМК-эргического тока.
Как указывалось выше, наряду с тоническим воз-
буждением в сети действует и тоническое тор-
можение. Для определения влияния тонического
ГАМК-эргического торможения на процессы син-
хронизации в сети интернейронов гиппокампа,
находящейся под воздействием тонического воз-
буждения, были проведены вычисления согласно
следующему протоколу. Амплитуду возбуждающе-
го тока фиксировали на постоянном уровне, а про-
водимость Gton, вносимую ГАМК-эргическим током,
варьировали от 0.4 до 3.2 мСм/см2. Для каждого
значения проводимости вычисляли частоту fnet ва-
риации выходных сигналов (последовательностей
ПД) (рис. 3, А) и коэффициент синхронизации k ПД
в сети (Б). Для этого проводили 20 вычислений зна-
чений fnet и k, а затем рассчитывали их средние зна-
чения (рис. 3) как функции от проводимости Gton.
Было проведено три серии вычислений для условий
с разной амплитудой возбуждающего тока.
В первой серии амплитуда тонического возбуж-
дения Iex составляла 0.05 нА. Проводимость, вно-
симая тормозным тоническим током (Gton), из-
менялась от 0.5 до 1.5 мСм/см2. В данном случае
наблюдалось незначительное уменьшение частоты
флуктуаций выходной активности сети fnet (от 40.4
до 35.2 Гц), а коэффициент синхронизации коле-
баний при этом практически не изменялся, нахо-
дясь в диапазоне 0.978...0.965. Начиная от Gton =
=1.6 мСм/см2 в сети наблюдалось резкое падение ча-
стоты колебаний выходных сигналов, синхронизация
в сети уменьшалась, указанные колебания станови-
лись все более стохастическими. Начиная от Gton =
= 2.1 мСм/см2 колебания в сети теряли синхрони-
зацию (k < 0.15). При дальнейшем увеличении тор-
мозной проводимости осцилляции частоты ПД, ге-
нерируемых интернейронами, полностью затухали,
и сеть переходила в стационарное «гиперполяризо-
ванное» состояние (fnet = 0, k = 0).
В серии симуляций с Iex = 0.04 нА, как и в первом
случае, с увеличением величины тормозной прово-
димости частота и степень синхронизации посте-
пенно уменьшались. В данном случае fnet и k были
меньшими по сравнению с таковыми, наблюдаемы-
ми при определенном значении тонической прово-
димости Gton в предыдущем вычислительном экспе-
рименте. Когда Gton достигала значения 3.2 мСм/см2,
колебания в сети интернейронов полностью зату-
хали, и сеть переходила в гиперполяризованное со-
стояние.
В третьей серии вычислений значение тониче-
Р и с. 2. Зависимость частоты fnet (А) и коэффициента
синхронизации k (Б) выходной импульсной активности сети
от амплитуды тока, обеспечивающего тоническое возбуждение
этой сети Iex.
Р и с. 2. Залежність частоти fnet (А) та коефіцієнта синхронізації
k (Б) вихідної імпульсної активності мережі від амплітуди
струму, котрий забезпечує тонічне збудження цієї мережі Iex.
с–1
1.0
50
0.8
40
0.6
30
0.4
20
0.2
10
0
0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 нА
0
А
Б
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 387
МОДУЛЯЦИЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ В СЕТИ
ского возбуждающего тока было уменьшено до
критического значения Iex = 0.037 нА, и вычисления
зависимостей fnet и k от значений Gton были повто-
рены (рис. 3). Как и в двух предыдущих случаях,
обнаружилось, что влияние внесения тонической
ГАМК-эргической проводимости обусловливает
уменьшение степени синхронизации и частоты ко-
лебаний в сети, и в конечном итоге интернейроны
переводятся в стационарное гиперполяризованное
состояние.
Во всех трех случаях (при сильном, умерен-
ном и слабом тонических возбуждающих воздей-
ствиях) наблюдался некий диапазон величин то-
нической тормозной проводимости, в пределах
которого происходило резкое уменьшение средне-
го коэффициента синхронизации с очень большой
дисперсией средней частоты выходных сигналов
fnet. Такая большая величина дисперсии, вероятно, в
основном связана с тем, что синхронизация умень-
шалась скачкообразно. В каждой из 20 стохасти-
ческих реализаций на этом участке наблюдались
либо существенная синхронизация, либо ее полное
отсутствие. Такое поведение модельной системы
позволяет предположить, что при указанных зна-
чениях тонической проводимости возникала биста-
бильность режимов синхронизации. В этих усло-
виях система может либо синхронизоваться, либо
вообще не синхронизоваться в зависимости от слу-
чайных вариаций начальных условий.
ОБСУЖДЕНИЕ
Тонические (постоянные в пределах достаточно
длительного отрезка времени) возбуждающие и
тормозные трансмембранные токи, возникающие
в нейронах сети в результате активации внесинап-
тических рецепторов на их мембранах, очевидно,
играют значительную роль в процессах синхрони-
зации выходной активности такой сети [22, 23]. Как
было показано ранее [24, 25], возбуждающий ток с
потенциалом реверсии, находящимся в области де-
поляризации относительно значения порога, всегда
способствует синхронизации активности сети, что
подтверждается и нашими результатами (рис. 2).
Этот ток способен вызывать в сети интернейро-
нов колебания частоты генерируемых ими ПД; сте-
пень синхронизации и частота таких колебаний тем
больше, чем больше проводимость, вносимая дан-
ным током.
По-другому ведет себя сеть в условиях приложе-
ния тонического ГАМК-эргического тока. Потенци-
ал реверсии этого тока находится «в окрестностях»
порога генерации ПД нейронами, причем неболь-
с–1
50
40
30
20
10
0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.3
0
0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 мСм/см2
А
Б
Р и с. 3. Влияние тонического ГАМК-эргического торможения,
вносящего проводимость Gton, на частоту импульсации fnet (А)
и степень ее синхронизации (Б) в сети гиппокампальных
интернейронов при разных значениях амплитуды тонического
возбуждающего сигнала Iex – 0.05, 0.04 и 0.037 нА (1-3
соответственно).
Заштрихованные области – диапазоны бистабильного поведения
сети.
Р и с. 3. Вплив тонічного ГАМК-ергічного гальмування, що
вносить провідність Gton, на частоту імпульсації fnet (А) та ступінь
її синхронізації (Б) у мережі гіпокампальних інтернейронів при
різних значеннях амплітуди тонічного збуджуючого сигналу
Iex – 0.05, 0.04 та 0.037 нА (1-3 відповідно).
1
1
2
2
3
3
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5388
С. А. КОЧУБЕЙ, Л. П. САВЧЕНКО, А. В. СЕМЬЯНОВ
шие отклонения значений внутриклеточной кон-
центрации ионов хлора ведут к существенному из-
менению указанного потенциала реверсии. В одних
случаях данный ток может быть тормозным, тог-
да как в других случаях он фактически становит-
ся возбуждающим. Подобная динамика потенциала
реверсии позволяет полагать, что роль такого тока
в синхронизации активности нейронных сетей мо-
жет оказаться достаточно специфической. Однако
до настоящего времени вопрос о роли тонического
ГАМК-опосредуемого тока в синхронизации актив-
ности сетей оставался без ответа.
Настоящей работой мы начали серию модельных
исследований роли тормозного тонического тока в
организации сетевой активности нейронов. На этом
этапе мы ограничились исследованием роли подпо-
рогового тонического ГАМК-опосредуемого тока в
синхронизации импульсации сети. В результате со-
ответствующих расчетов удалось установить, что
тонический ток с потенциалом реверсии ниже по-
рога генерации ПД нейронами сети (т. е. в обла-
сти большей гиперполяризации) всегда уменьшает
синхронизацию импульсации и частоту колебаний
в сети интернейронов (рис. 3). Все расчеты показа-
ли, что могли наблюдаться три типа динамики им-
пульсации сети в зависимости от величины вно-
симой тонической проводимости. Первый режим,
когда проводимость, обусловливаемая тоническим
ГАМК-эргическим током, была относительно мала,
характеризовался жесткой стабильной синхрониза-
цией генерации ПД нейронами сети. Второй режим
(после увеличения проводимости) демонстрировал
наличие либо синхронного, либо несинхронного
состояния (в зависимости от начальных условий).
Данный участок «средней» синхронизации на со-
ответствующем графике характеризуется больши-
ми стандартными отклонениями. При этом средние
значения все же ложились на монотонно убываю-
щую кривую, отображающую процесс влияния то-
нического ГАМК-эргического торможения на син-
хронизацию колебаний импульсации в сети. В
случае очень большой проводимости, обусловли-
ваемой тоническим током, синхронизация полно-
стью отсутствовала.
Данная работа была проведена с целью подойти
к пониманию механизмов возникновения и поддер-
жания «синхронных» состояний в нейронных сетях
гиппокампа. Одна из важных нерешенных проблем
в явлении синхронизации импульсной активности
подобных сетей состоит в том, что феномен син-
хронизации стохастичен, а природа этой особенно-
сти неясна. Можно предположить, что существует
некий «реверсивный» механизм управления син-
хронизацией активности нейронов сети. В каче-
стве одного из кандидатов на роль такого механиз-
ма, очевидно, и может рассматриваться тонический
ГАМК-эргический ток, потенциал реверсии кото-
рого находится в «окрестностях» порога возбужде-
ния и может либо превышать значение этого пара-
метра, либо не достигать его. Результаты нашего
исследования показывают, что даже незначитель-
ные изменения проводимости, вносимой данным
током, при постоянстве потенциала его реверсии
и, наоборот, незначительные смещения потенци-
ала реверсии в результате небольших изменений
ионной композиции внутри клеток могут приво-
дить к полному изменению степени синхронизации
импульсной активности, генерируемой нейронами
сети. Мы полагаем, что многие случаи возникнове-
ния либо исчезновения синхронизации могут опре-
деляться относительно малыми сдвигами парамет-
ров тонических ГАМК-опосредуемых токов.
С. А. Кочубей1, Л. П. Савченко2, А. В. Сем’янов3
МОДУЛЯЦІЯ СИНХРОНІЗАЦІЇ ІМПУЛЬСНОЇ
АКТИВНОСТІ В МЕРЕЖІ ІНТЕРНЕЙРОНІВ ПІД
ВПЛИВОМ ТОНІЧНИХ ГАЛЬМІВНИХ ГАМК-ЕРГІЧНИХ
ВПЛИВІВ: МОДЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
1 Дніпропетровський національний університет ім. Олеся
Гончара (Україна).
2 Університетський коледж Лондона (Велика Британія).
3 Інститут дослідження мозку, Рікен (Японія).
Р е з ю м е
На комп’ютерній моделі мережі інтернейронів, пов’язаних
за допомогою шунтуючих ГАМК-ергічних синапсів, дослі-
джувався вплив тонічного ГАМК-ергічного струму на про-
цеси синхронізації імпульсної активності в такій мережі;
остання активувалася тонічним збуджуючим сигналом.
Вказаний струм характеризувався двома параметрами –
потенціалом реверсії та внесеною провідністю. Показано,
що тонічний ГАМК-ергічний струм з потенціалом ревер-
сії негативніше порога генерації потенціалів дії нейрона-
ми мережі зменшує частоту розрядів даних нейронів та їх
синхронізацію. Синхронізація зменшується монотонно зі
збільшенням провідності, внесеної подібним струмом. Як
було встановлено, існує значення провідності, внесеної то-
нічним гальмівним струмом, при якій активність нейронної
мережі має бістабільний характер. Залежно від початкових
умов у такій мережі можуть спонтанно виникати синхронні
коливання, подібні до епілептиформної активності.
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 5 389
МОДУЛЯЦИЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ В СЕТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. A. Semyanov, M. C. Walker, D. M. Kullmann, et al., "Tonically
active GABAA receptors: modulating gain and maintaining the
tone," Trends Neurosci., 27, No. 5, 262-269 (2004).
2. S. G. Brickley, S. G. Cull-Candy, and M. Farrant, “Development
of a tonic form of synaptic inhibition in rat cerebellar granule
cells resulting from persistent activation of GABAA receptors,”
J. Physiol., 497, Part 3, 753-759 (1996).
3. P. A. Salin and D. A. Prince, “Spontaneous GABAA receptor-
mediated inhibitory currents in adult rat somatosensory
cortex,” J. Neurophysiol., 75, No. 4, 1573-1588 (1996).
4. Q. Y. Liu, J. Vautrin, K. M. Tang, et al., "Exogenous GABA
persistently opens Cl- channels in cultured embryonic rat
thalamic neurons," J. Membrane Biol., 145, No. 3, 279-284
(1995).
5. T. S. Otis, K. J. Staley, and I. Mody, “Perpetual inhibitory
activity in mammalian brain slices generated by spontaneous
GABA release,” Brain Res., 545, Nos. 1/2, 142-150 (1991).
6. D. A. Turner, “Segmental cable evaluation of somatic transients
in hippocampal neurons (CA1, CA3, and dentate),” Biophys.
J., 46, No. 1, 73-84 (1984).
7. E. S. Vizi and J. P. Kiss, “Neurochemistry and pharmacology
of the major hippocampal transmitter systems: synaptic and
nonsynaptic interactions,” Hippocampus, 8, No. 6, 566-607
(1998).
8. J. S. Isaacson, “Spillover in the spotlight,” Current Biol., 10,
No. 13, R475-R477 (2000).
9. M. Bartos, I. Vida, M. Frotscher, et al., “Rapid signaling at
inhibitory synapses in a dentate gyrus interneuron network,”
J. Neurosci., 21, No. 8, 2687-2698 (2001).
10. D. M. Kullmann, “Presynaptic kainate receptors in the
hippocampus: slowly emerging from obscurity,” Neuron, 32,
No. 4, 561-564 (2001).
11. D. M. Kullmann and A. Semyanov, “Glutamatergic modulation
of GABAergic signaling among hippocampal interneurons:
novel mechanisms regulating hippocampal excitability,”
Epilepsia, 43, Suppl. 5, 174-178 (2002).
12. A. Ruiz, E. Campanac, R. S. Scott, et al., “Presynaptic
GABAA receptors enhance transmission and LTP induction at
hippocampal mossy fiber synapses,” Nat. Neurosci., 13, No. 4,
431-438 (2010).
13. P. R. Laming, H. Kimelberg, S. Robinson, et al., “Neuronal-
glial interactions and behaviour,” Neurosci. Biobehav. Rev.,
24, No. 3, 295-340 (2000).
14. K. P. Lehre, L. M. Levy, O. P. Ottersen, et al., “Differential
expression of two glial glutamate transporters in the rat brain:
quantitative and immunocytochemical observations,” J.
Neurosci., 15, No. 3, Part 1, 1835-1853 (1995).
15. A. Ruiz, R. Fabian-Fine, R. Scott, et al., “GABAA receptors
at hippocampal mossy fibers,” Neuron, 39, No. 6, 961-973
(2003).
16. S. J. Mitchell and R. A. Silver, “Shunting inhibition modulates
neuronal gain during synaptic excitation,” Neuron, 38, No. 3,
433-445 (2003).
17. A. Scimemi, A. Semyanov, G. Sperk, et al., “Multiple and
plastic receptors mediate tonic GABAA receptor currents in the
hippocampus,” J. Neurosci., 25, No. 43, 10016-10024 (2005).
18. X. J. Wang and G. Buzsaki, “Gamma oscillation by synaptic
inhibition in a hippocampal interneuronal network model,” J.
Neurosci., 16, No. 20, 6402-6413 (1996).
19. I. Vida, M. Bartos, and P. Jonas, “Shunting inhibition improves
robustness of gamma oscillations in hippocampal interneuron
networks by homogenizing firing rates,” Neuron, 49, No. 1,
107-117 (2006).
20. A. I. Gulyas, M. Megias, Z. Emri, et al., “Total number and
ratio of excitatory and inhibitory synapses converging onto
single interneurons of different types in the CA1 area of the rat
hippocampus,” J. Neurosci., 19, No. 22, 10082-10097 (1999).
21. M. L. Hines and N. T. Carnevale, “The NEURON simulation
environment,” Neural Comput., 9, No. 6, 1179-1209 (1997).
22. L. Savtchenko, “Oscillatory neuronal networks,” Neuro-
physiology/Neurofiziologiya, 40, Nos. 5/6, 417-421 (2008).
23. S. Kochubey and L. Savtchenko, “Geometrical size of the
neuronal network plays a key role in synchronization of its
activity,” Neurophysiology/Neurofiziologiya, 40, No. 3, 224-
227 (2008).
24. E. O. Mann and I. Mody, “Control of hippocampal gamma
oscillation frequency by tonic inhibition and excitation of
interneurons,” Nat. Neurosci., 13, No. 2, 205-212 (2010).
25. P. Cavelier, M. Hamann, D. Rossi, et al., “Tonic excitation
and inhibition of neurons: ambient transmitter sources and
computational consequences,” Progr. Biophys. Mol. Biol., 87,
No. 1, 3-16 (2005).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-68362 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0028-2561 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T04:28:50Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кочубей, С.А. Савченко, Л.П. Семьянов, А.В. 2014-09-21T17:50:24Z 2014-09-21T17:50:24Z 2010 Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование / С.А. Кочубей, Л.П. Савченко, А.В. Семьянов // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 382-389. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 0028-2561 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68362 576.54 +577.352.54+612.822.3 На компьютерной модели сети интернейронов, связанных с помощью шунтирующих ГАМК-эргических синапсов, исследовалось влияние тонического ГАМК-эргического тока на процессы синхронизации импульсной активности в такой сети; последняя активировалась тоническим возбуждающим сигналом. Указанный ток характеризовался двумя параметрами – потенциалом реверсии и вносимой проводимостью. Показано, что тонический ГАМК-эргический ток с потенциалом реверсии отрицательнее порога генерации потенциалов действия нейронами сети уменьшает частоту разрядов данных нейронов и их синхронизацию. Синхронизация убывает монотонно с увеличением проводимости, вносимой подобным током. Как установлено, существует значение проводимости, вносимой тоническим тормозным током, при которой активность нейронной сети имеет бистабильный характер. В зависимости от начальных условий в такой сети могут спонтанно возникать синхронные колебания, сходные с эпилептиформной активностью. На комп’ютерній моделі мережі інтернейронів, пов’язаних за допомогою шунтуючих ГАМК-ергічних синапсів, досліджувався вплив тонічного ГАМК-ергічного струму на процеси синхронізації імпульсної активності в такій мережі; остання активувалася тонічним збуджуючим сигналом. Вказаний струм характеризувався двома параметрами – потенціалом реверсії та внесеною провідністю. Показано, що тонічний ГАМК-ергічний струм з потенціалом реверсії негативніше порога генерації потенціалів дії нейронами мережі зменшує частоту розрядів даних нейронів та їх синхронізацію. Синхронізація зменшується монотонно зі збільшенням провідності, внесеної подібним струмом. Як було встановлено, існує значення провідності, внесеної тонічним гальмівним струмом, при якій активність нейронної мережі має бістабільний характер. Залежно від початкових умов у такій мережі можуть спонтанно виникати синхронні коливання, подібні до епілептиформної активності. ru Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України Нейрофизиология Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование Модуляція синхронізації імпульсної активності в мережі інтернейронів під впливом тонічних гальмівних ГАМК-ергічних впливів: модельне дослідження Article published earlier |
| spellingShingle | Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование Кочубей, С.А. Савченко, Л.П. Семьянов, А.В. |
| title | Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование |
| title_alt | Модуляція синхронізації імпульсної активності в мережі інтернейронів під впливом тонічних гальмівних ГАМК-ергічних впливів: модельне дослідження |
| title_full | Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование |
| title_fullStr | Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование |
| title_full_unstemmed | Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование |
| title_short | Модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных ГАМК-эргических влияний: модельное исследование |
| title_sort | модуляция синхронизации импульсной активности в сети интернейронов под влиянием тонических тормозных гамк-эргических влияний: модельное исследование |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68362 |
| work_keys_str_mv | AT kočubeisa modulâciâsinhronizaciiimpulʹsnoiaktivnostivsetiinterneironovpodvliâniemtoničeskihtormoznyhgamkérgičeskihvliâniimodelʹnoeissledovanie AT savčenkolp modulâciâsinhronizaciiimpulʹsnoiaktivnostivsetiinterneironovpodvliâniemtoničeskihtormoznyhgamkérgičeskihvliâniimodelʹnoeissledovanie AT semʹânovav modulâciâsinhronizaciiimpulʹsnoiaktivnostivsetiinterneironovpodvliâniemtoničeskihtormoznyhgamkérgičeskihvliâniimodelʹnoeissledovanie AT kočubeisa modulâcíâsinhronízacííímpulʹsnoíaktivnostívmerežíínterneironívpídvplivomtoníčnihgalʹmívnihgamkergíčnihvplivívmodelʹnedoslídžennâ AT savčenkolp modulâcíâsinhronízacííímpulʹsnoíaktivnostívmerežíínterneironívpídvplivomtoníčnihgalʹmívnihgamkergíčnihvplivívmodelʹnedoslídžennâ AT semʹânovav modulâcíâsinhronízacííímpulʹsnoíaktivnostívmerežíínterneironívpídvplivomtoníčnihgalʹmívnihgamkergíčnihvplivívmodelʹnedoslídžennâ |