Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование

На компьютерной модели мотонейрона ядра отводящего нерва с детально реконструированными дендритными разветвлениями исследовали особенности пространственной картины бистабильных электрических состояний дендритов, мембрана которых обладала N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяемой...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Нейрофизиология
Date:	2010
Main Author:	Кулагина, И.Б.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України 2010
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68369
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:	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 6. — С. 457-465. — Бібліогр.: 17назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860248480543408128
author	Кулагина, И.Б.
author_facet	Кулагина, И.Б.
citation_txt	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 6. — С. 457-465. — Бібліогр.: 17назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Нейрофизиология
description	На компьютерной модели мотонейрона ядра отводящего нерва с детально реконструированными дендритными разветвлениями исследовали особенности пространственной картины бистабильных электрических состояний дендритов, мембрана которых обладала N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяемой в основном наличием кальциевых каналов L-типа. На комп’ютерній моделі мотонейрона ядра відвідного нерва з детально реконструйованими дендритними розгалуженнями досліджували особливості просторової картини бістабільних електричних станів дендритів, мембрана котрих мала N-подібну вольт-амперну характеристику (ВАХ), зумовлену в основному наявністю кальцієвих каналів L-типу.
first_indexed	2025-12-07T18:39:56Z
format	Article
fulltext	НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 457 УДК 577.3:578.69:611.8:612:612.014 И. Б. КУЛАГИНА1,2 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ МОТОНЕЙРОНОВ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ НЕИНАКТИВИРУЮЩИМИСЯ ВХОДЯЩИМИ ТОКАМИ: МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ Поступила 30.10.10 На компьютерной модели мотонейрона ядра отводящего нерва с детально реконструиро- ванными дендритными разветвлениями исследовали особенности пространственной кар- тины бистабильных электрических состояний дендритов, мембрана которых обладала N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяемой в основном наличием кальциевых каналов L-типа. Такие каналы, согласно косвенным данным натурных экспери- ментов, присутствуют в дендритах указанных клеток наряду с глутаматергическими кана- лами NMDA-типа, также способными обусловливать электрическую бистабильность мем- браны и соответствующие ей специфические паттерны электрической активности упомя- нутых нейронов. Для исследуемой модели были получены стационарные локальные ВАХ, а также перенесенные на трехмерные изображения реконструированных разветвлений дендритов пространственные карты распределений мембранной разности потенциалов, поверхностной плотности трансмембранного тока и приращений осевого дендритного тока, которые определяют вклад того или иного дендритного участка в общий осевой ток, доставляющий заряд к триггерной зоне нейрона. Результаты моделирования показали, что включение неинактивирующихся кальциевых каналов в дендритную мембрану приводит к возникновению ранее не описанных особенностей картины пространственного распре- деления бистабильных электрических состояний дендритов. Такие особенности наиболее существенны в условиях стабильного состояния высокой деполяризации соответствующих участков дендритов. В указанном случае подобной особенностью являлось наличие зоны максимальной плотности входящего трансмембранного тока, охватывавшей участки ветв- лений первых порядков у всех дендритов. Поскольку в суммарном токе наибольший от- носительный вклад принадлежал входящему кальциевому току, упомянутая зона первых ветвлений может рассматриваться как своего рода зона «горячих точек» (hot spots), харак- теризующаяся увеличенным входом Са2+. Данная ситуация может иметь важные функцио- нальные последствия для местной внутриклеточной кальцийзависимой сигнализации. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: стволовые и спинальные мотонейроны, неинактивирую- щийся входящий ток, бистабильность мембраны, тоническая активация, про- странственный паттерн электрической активности. 1 Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара (Украина). 2 Международный центр молекулярной физиологии (Днепропетровское отделение) НАН Украины (Украина). Эл. почта: kulagina_iryna@yahoo.com (И. Б. Кулагина). ВВЕДЕНИЕ Электрическая бистабильность мембраны, обла- дающей ионными каналами неинактивирующегося или медленно инактивирующегося входящего тока, обусловливает возможность генерации соответ- ствующими нейронами ряда специфических сте- реотипных паттернов электрической активности (в частности, периодических плато-потенциалов, со- провождаемых возникновением пачек потенциа- лов действия – ПД). Мембрана с такими каналами имеет N-образную вольт-амперную характеристи- ку (ВАХ), которая получила свое название благо- даря чередованию участков положительного, от- рицательного и вновь положительного наклонов, соответствующих определенным последователь- ным диапазонам значений мембранного потенци- ала. К числу каналов, обеспечивающих электри- ческую бистабильность мембраны и связанные с ней электрофизиологические феномены, относят- ся присутствующие во внесинаптических участках НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6458 И. Б. КУЛАГИНА мембраны потенциалуправляемые кальциевые ка- налы L-типа и нечувствительные к тетродотоксину (ТТХ) натриевые каналы стойкого (persistent) тока, а также сосредоточенные в мембранных зонах глу- таматергических возбуждающих синапсов лиганд- управляемые каналы, чувствительные к N-метил-D- аспартату (НМДА). Указанные плато-потенциалы были обнаружены в спинальных мотонейронах че- репахи, кошки [1] и мыши [2], а также в кортикаль- ных пирамидных нейронах [3]. Было показано, что такие потенциалы обусловлены наличием каль- циевого тока L-типа, а аналогичные потенциалы в мотонейронах ядра подъязычного нерва [4], пи- рамидных нейронах зоны CA1 гиппокампа [5] и V слоя новой коры [6] – наличием стойкого натрие- вого тока. Особый интерес вызывают упомянутые выше феномены в мотонейронах спинного и ствола головного мозга, поскольку именно для этих кле- ток характерна генерация периодических пачечных разрядов, в значительной мере обеспечивающих управление стереотипными периодическими мо- торными паттернами (в ходе наземной локомоции, плавания, чесания, саккадических движений глаз и т. п.). Следует подчеркнуть, что мотонейроны, бу- дучи нервными клетками, наиболее подробно изу- ченными в функциональном аспекте, остаются од- ними из наиболее труднодоступных объектов для прямого исследования биофизических свойств зна- чительной части их мембраны, прежде всего ден- дритной. Одной из причин такой ситуации является то, что наиболее распространенный в исследовани- ях такого рода метод переживающих срезов ока- зался в отношении мотонейронов малопригодным: данные клетки сильно травмируются, прежде всего из-за большого размера их дендритных деревьев. Это замечание в полной мере относится к стволо- вым мотонейронам, в частности к моторным клет- кам, расположенным в ядрах отводящего и гла- зодвигательного нервов. Композиция и свойства ионных каналов в дендритной мембране таких ней- ронов пока однозначно не выяснены. Результаты исследований in vivo на мотонейронах ядра отводя- щего нерва c использованием ионофореза НМДА и стимуляции синаптических входов, поступающих от ядра тройничного нерва, продемонстрировали возможность индуцировать состояние электриче- ской бистабильности мембраны в этих клетках пу- тем активации НМДА-чувствительных рецепторов предположительно дендритной локализации [7, 8]. В других экспериментах стволовые нейроны подоб- ного типа отвечали на приложение пилообразных (ramp) токов характерным образом; полученные данные авторы интерпретировали как косвенное свидетельство участия кальциевого тока L-типа в обеспечении бистабильности [8]. Результаты этих, все еще крайне редких, работ на указанных объ- ектах ставят вопрос: что же может быть общего и особенного в феномене электрической бистабиль- ности клеточной мембраны, если такое свойство порождено действием токов, идущих через столь разные по своей природе и характеру потенциалза- висимости каналы. Полученные ранее данные ис- следований на моделях мотонейронов ядра отводя- щего нерва с реконструированными дендритными разветвлениями свидетельствовали о том, что элек- трическая бистабильность, связанная с активацией дендритных НМДА-каналов неинактивирующегося входящего тока, проявляется в существовании двух устойчивых электрических состояний дендритной мембраны – низкой и высокой деполяризации. Ука- занная особенность тесно связана со спецификой геометрии дендритного разветвления [9]. Целью настоящей работы было выяснение воз- можности наличия бистабильных электрических состояний мембраны дендритных разветвлений тех же мотонейронов, что и упомянутые выше, но в условиях, когда подобные состояния обусловле- ны токами через дендритные каналы кальциевого тока L-типа. Часть предварительных данных, полу- ченных в нашем исследовании, были опубликова- ны ранее в форме тезисов [10]. МЕТОДИКА Для построения модели мотонейрона ядра отводя- щего нерва мы использовали цифровые данные о дендритном разветвлении, которое было реконстру- ировано с высоким пространственным разрешением в Отделении клеточной нейрокибернетики Нацио- нального центра научных исследований Франции (Марсель). Детали соответствующих натурных экс- периментов, включая процедуры идентификации, окраски и реконструкции, были приведены в сов- местной публикации [11]. Удельная мембранная емкость Cm составляла 1 мкФ/см2, а удельное сопро- тивление цитоплазмы Ri = 100 Ом·см (по всей клет- ке). Мембрана сомы и аксона модельного мотоней- рона считалась пассивной. Мембрана дендритного разветвления модельного нейрона обладала внеси- наптическими ионными каналами пассивной про- водимости (EP = –65 мВ) и кальциевого тока L-типа НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 459 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ (ECa = +132 мВ), а также каналами возбуждающей глутаматергической проводимости. Глутаматерги- ческая проводимость была однородно распределена по всей дендритной мембране. Она включала в себя, согласно ранее опубликованным данным [12], два компонента – потенциалзависимый (НМДА-типа) и не зависящий от потенциала (АМПА-типа). В со- ответствии с наличием таких ионных каналов мем- брана изолированного дендритного компартмента имела N-образную стационарную локальную ВАХ (рис. 1). Для построения модели и исследования пространственных карт распределения мембранно- го потенциала V, плотности тока на единицу площа- ди поверхности Jm и плотности на единицу длины i = Jm ⋅ πD (πD – периметр сечения компартмента) использовали программное средство моделирова- ния «NEURON» [13]. Специальные программные модули, разработанные нами, обеспечивали пере- несение карты данных на трехмерное изображение реконструированного реального дендритного раз- ветвления. Мембранный ток на единицу длины ден- дрита, который равнялся приросту ∆Icore/∆x осевого тока на единицу длины маршрута x, использовался для оценки вкладов каждого дендритного участка в общий ток, доставляемый к соме вдоль дендри- тов (т. е. для оценки эффективности передачи тока), как было впервые предложено и подробно описано в нашей предыдущей работе [14]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Задачей первой части данной работы было выяс- нение того, как наличие кальциевой проводимо- сти L-типа влияет на локальные электрические свойства дендритной мембраны, характеризуемые стационарными ВАХ суммарного и парциальных токов, на концентрацию цитозольного Са2+ и равно- весный потенциал кальциевого тока (рис. 1). Мы также старались выяснить возможность возникно- Р и с. 1. Локальные стационарные вольт-амперные характеристики (ВАХ) дендритной мембраны (А–В) и зависимости локальных значений внутриклеточной концентрации Са2+ (Г, мМ), потенциала равновесия (Д, мВ) и поверхностной плотности (Е, мА/см2) кальциевого тока от мембранного потенциала. А – парциальные ВАХ глутамат- ергического синаптического тока, пассивного тока утечки и каль- циевого тока L-типа (1–3 соответ- ственно), а также их сумма (Jtot). Б и В – ВАХ кальциевого тока, которые были рассчитаны соответственно без учета и с учетом изменений стационарной концентрации Са2+, обусловленных процессами выка- чивания, связывания и диф фузии. По оси абсцисс – потенциал, мВ; по оси ординат – поверхностная плот- ность тока, мА/см2. Р и с. 1. Локальні стаціонарні вольт-амперні характеристики дендритної мембрани (А–В) та залежності локальних значень внутрішньоклітинної концентрації Са2+ (Г, мМ), потенціалу рівноваги (Д, мВ) та поверхневої щільності (Е, мА/см2) кальцієвого струму від мембранного потенціалу. А 2 3 1 –100 –50 50 –0.05 0.05 0.15 мА/см2 мА/см2 · 10–3 мА/см2 · 10–3 мА · см2 · 10–3 мМ мВ –0.15 0 100 150 мВ 40 мВ 0 мВ 20 мВ0–20–40–60–60 –50 –40 –30 –20 –10 200–20–40–60–80 –20 0 20 40 60 80 1.5 1.0 0.5 100 60 4 2 0 –2 –2 –4 –6 –8 –10 –12 –4 –6 –8 –10 50 40 30 20 10 Jtot Б В Г Д Е НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6460 И. Б. КУЛАГИНА Р и с. 2. Устойчивые состояния низкой и высокой деполяризации мембраны сомы (А) и реконструированного дендритного разветвления (Б, Г, Д) мотонейрона ядра отводящего нерва, соотнесенные со стационарной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дендритной мембраны (В). А – временной ход изменений мембранного потенциала сомы при приложении коротких толчков деполяризующего или гиперполяризующего тока на этапах установления низкой или высокой устойчивой деполяризации в условиях тонической активации глутаматергических синапсов. Б – распределения мембранного потенциала вдоль реконструированного дендритного разветвления, соответствующие устойчивым состояниям высокой и низкой деполяризации (верхнее и нижнее семейства кривых, соответствующие моментам наблюдения 5000 и 8000 мс на А). В – та же локальная ВАХ, что и на рис. 1, В, но развернутая таким образом, чтобы соотнести дендритные напряжения с участками положительного и отрицательного наклонов этой характеристики. Г и Д – соответственно представленные в увеличенном масштабе нижнее и верхнее семейства кривых, показанных на Б. Р и с. 2. Стійкі стани низької та високої деполяризації мембрани соми (А) і реконструйованого дендритного розгалуження (Б, Г, Д) мотонейрона ядра відвідного нерва, співвіднесені зі стаціонарною вольт-амперною характеристикою дендритної мембрани (В). А Б ДГ В мВ мВ мА/см2 · 10–3 мВ 5000 7000 9000 0 –10 –20 –30 –40 –50 –60 4 2 0 –2 –4 –6 –8 –10 0 250 500 750 0 –33 –15 –17 –19 –21 –23 –25 –35 –37 –39 –41 –43 0 0250 250500 500750 мкм 750 мкм –40 –80 мс мкм вения глобальной электрической бистабильности мембраны в целом дендритном разветвлении под действием распределенной тонической активации глутаматергических синапсов. Локальные свойства бистабильности определяли по наличию устойчи- вых стационарных неоднородных распределений мембранного потенциала (рис. 2). Обнаруженные эффекты наиболее наглядно иллюстрируются в условиях интенсивности активации глутаматерги- ческих синапсов 0.67 мС/см2; в этом случае обеспе- чивалась электрическая бистабильность реконстру- ированного дендритного разветвления модельного нейрона в целом. Соответствующие данному уровню синаптиче- ской активации локальные стационарные ВАХ были рассчитаны при двух условиях – без учета измене- ний концентрации внутриклеточного Са2+, обуслов- ленных действием ионных насосов и процессами связывания и диффузии, и с учетом таких измене- ний. В обоих случаях ВАХ суммарного тока были N-образными, что и является предпосылкой су- ществования электрической бистабильности. При этом, однако, диапазоны мембранных напряжений, соответствующие участкам положительного и отри- цательного наклонов ВАХ, а также точки нулевого тока (стационарные точки) существенно различа- лись. В первом случае (без учета изменений [Са2+]) ВАХ имела участок отрицательного наклона в ди- НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 461 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ апазоне –45…–6 мВ с единственной точкой нуле- вого тока при Е = +26 мВ (рис. 1, А, Б). Во втором же случае диапазон был более узким (–36…–23 мВ) с точкой нулевого тока при Е = –17 мВ (В). Такие различия ВАХ определялись характерной колоко- лообразной зависимостью стационарной концен- трации Са2+ от уровня стационарного напряжения на мембране (Г). Эта зависимость обусловливала характерные изменения уровня равновесного по- тенциала кальциевого тока (Д), что в свою оче- редь сказывалось на движущем потенциале (т. е. отклонении мембранного потенциала от равновес- ного потенциала кальциевого тока – Е – ЕСа) и ве- личине парциального кальциевого тока через ка- налы L-типа (Е). Характерно, что в обоих случаях локальные ВАХ были моностабильными, с устой- чивым состоянием высокой деполяризации. Это означает, что глобальная бистабильность мембра- ны разветвления может возникать только благода- ря оказываемому на локальные мембранные меха- низмы каждого данного участка дендрита действию латерального тока его соседних участков [15]. Воз- никновение глобальной электрической бистабиль- ности в дендритном разветвлении с такими локаль- ными свойствами мембраны иллюстрируется рис. 2. Как видно из данного рисунка, в нейроне с пас- сивной мембраной сомы и аксона в условиях то- нической активации глутаматергических синапсов, распределенных на дендритах, которые обладают каналами кальциевого тока L-типа, мембранный потенциал стабилизируется на одном из двух уров- ней – либо низкой, либо высокой деполяризации. В соматическом компартменте это потенциалы –41 или –20 мВ соответственно (А). Бистабильность указанных глобальных состояний подтверждается характером реакции клетки на приложение к соме коротких (1 мс) толчков деполяризующего или ги- перполяризующего тока. Так, толчок деполяризую- щего тока, приложенный во время пребывания ней- рона в состоянии низкой деполяризации, вызывал «перескок» в состояние высокой деполяризации, и это состояние не изменялось при повторном прило- жении такого же толчка (см. область интервалов на- блюдения 4000–6000 мс). И наоборот, приложение толчка гиперполяризующего тока во время нахожде- ния клетки в устойчивом состоянии высокой депо- ляризации вызывало «перескок» в состояние низкой деполяризации, и такое состояние также не изме- нялось в случае повторного приложения толчка такой же полярности (интервалы наблюдения 6000–8000 мс). Позже оно, однако, сменялось состоянием высо- кой деполяризации под действием деполяризаци- онного толчка (интервалы наблюдения свыше 8000 мс). Каждое из двух указанных состояний характе- ризовалось неоднородным распределением деполя- ризационного мембранного потенциала вдоль ден- дритов. Как высокая, так и низкая деполяризация была наибольшей на дистальных участках и убыва- ла по направлению к соме с неодинаковой крутиз- ной вдоль разных дендритных маршрутов (рис. 2, Б, Г, Д). Напряжения составляли –43 мВ на соме и –36 мВ на дистальных дендритах в случае состо- яния низкой деполяризации (Б, нижнее семейство кривых, и Г) и соответственно –25 мВ на соме и –17 мВ на дистальных дендритах в состоянии высокой деполяризации (Б, верхнее семейство кривых, и Д). Следует отметить, что в состоянии низкой деполя- ризации диапазон дендритных напряжений соответ- ствовал одному и тому же участку положительного наклона локальной ВАХ (В), рассчитанной с уче- том изменений концентрации Са2+. В состоянии же высокой деполяризации напряжения в дистальных и наиболее проксимальных частях разветвления со- ответствовали разным участкам данной ВАХ, име- ющим положительный и отрицательный наклоны. Во второй части работы мы исследовали про- странственную структуру бистабильных состояний мембраны. Для этого рассчитывали пространствен- ные распределения стационарных значений мем- бранного потенциала (рис. 2, Г, Д), поверхностной плотности полного трансмембранного тока (рис. 3, А, Б, Г, Д), а также приращения осевого тока на еди- ницу длины дендрита (рис. 3, В, Е). Кодированные цветом значения данных величин наносили на трех- мерное изображение реконструированного реаль- ного дендритного разветвления исследуемого мо- тонейрона ядра отводящего нерва (рис. 3, Б, В, Д, Е). Таким образом мы получали карту, наглядно от- ображающую сходство (участки одинакового цвета) или различия (участки разного цвета) частей ден- дритного разветвления по основным количествен- ным параметрам электрического состояния. Основные результаты, представленные на рис. 3, можно описать следующим образом. Простран- ственные распределения плотности полного транс- мембранного тока в устойчивых состояниях низкой и высокой деполяризации, наряду с общими черта- ми, проявляли и существенные различия. Послед- ние были особенно выражены в проксимальных частях дендритного разветвления, расположенных на расстояниях менее 200–250 мкм от сомы (А, Б, Г, Д). Общими чертами были следующие. Полный НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6462 И. Б. КУЛАГИНА А Б В Г Д Е мкА/см2 –0.3 –0.8 –1.3 –1.8 –2.5 0 0250 250500 500750 мкм 200 мкм –0.3 0 –0.7 –0.3 –1.1 –0.6 –1.6 –0.8 –2.0 –1.1 –2.5 –1.4 мкА/см2 пА/мкм 750 мкм Р и с. 3. Пространственная картина распределения поверхностной плотности полного трансмембранного тока (А, Б, Г, Д) и приращения осевого тока на единицу длины маршрута (В, Е) вдоль реконструированного дендритного разветвления модельного нейрона, находящегося в устойчивых состояниях низкой (А–В) или высокой (Г–Е) деполяризации (показаны на рис. 2 , Г и Д соответственно). А, Г – зависимость поверхностной плотности суммарного трансмембранного тока (ось ординат, мкА⋅см2) от маршрутного расстояния от сомы (ось абсцисс, мкм) вдоль всех ветвей. Б и Д – те же величины, что и на А и Г, кодированные цветом с использованием показанной на вставке шестицветной палитры и нанесенные на трехмерное изображение реконструированного дендритного разветвления. В и Е – такие же карты, что и на Б и Д, но картируемой величиной (см. вставку) является приращение осевого тока на единицу длины дендритного маршрута. Р и с. 3. Просторова картина розподілу поверхневої щільності повного трансмембранного струму (А, Б, Г, Д) та приросту осьового струму на одиницю довжини маршруту (В, Е) уздовж реконструйованого дендритного розгалуження модельного нейрона, що знаходиться в стійких станах низької (А–В) або високої (Г–Е) деполяризації (показані на рис. 2 , Г і Д відповідно). НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 463 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ трансмембранный ток имел входящее направле- ние (отрицательные значения). Абсолютное значе- ние этого тока увеличивалось по мере приближе- ния к соме. Маршрутные профили образовывали более или менее выраженные группы. Это свиде- тельствовало о наличии в дендритном разветвле- нии групп ветвей и маршрутов с внутригрупповым сходством и межгрупповым различием протекаю- щих в них электрических процессов, причем как в одном, так и в другом глобальном стабильном состоянии. Существенные различия сводились в основном к характеру маршрутных профилей плот- ности тока на проксимальных (удаление от сомы до 250 мкм) участках дендритного разветвления. На этих участках с приближением к соме поверхност- ная плотность входящего тока в устойчивом со- стоянии низкой деполяризации монотонно увели- чивалась. В состоянии же высокой деполяризации приближение до расстояний порядка 200–100 мкм обусловливало монотонное увеличение тока, а со смещением на более близкие расстояния абсолют- ная величина плотности входящего тока уменьша- лась. На картах распределения данного параметра, нанесенных на трехмерное изображение нейро- на, видно, что отмеченные особенности характер- ны для всех дендритов. При этом участки с наи- большей плотностью входящего тока (показаны красным цветом на Г) локализовались в области одного-двух начальных порядков ветвления, т. е. в области, где, собственно, начинается усложнение дендритной структуры. Отмеченные выше отличительные особенности распределений плотности тока, обнаруживаемые в ходе сравнения двух разных устойчивых электри- ческих состояний (рис. 3, А, Б, Г, Д), объясняются особенностями распределений мембранного потен- циала, соотнесенных с диапазонами напряжений, которые соответствуют участкам положительного и отрицательного наклонов локальной ВАХ ден- дритной мембраны (рис. 2, Б, В). Так, в состоя- нии высокой деполяризации именно на маршрут- ных расстояниях 200–250 мкм от сомы постепенно спадающая мембранная деполяризация переходи- ла уровень –23 мВ, который разделяет диапазо- ны напряжений, соответствующие участкам поло- жительного и отрицательного наклонов локальной ВАХ (рис. 1, Б; 2, В). Пространственная карта приращений осевого дендритного тока, которая позволяет оценивать и сравнивать вклады разных участков дендрита в об- щий ток, текущий по этому дендриту к триггерной зоне нейрона в области сомы/аксона, представле- на на рис. 3, В и Е. В устойчивых состояниях как низкой (В), так и высокой (Е) деполяризации ха- рактерной общей тенденцией было прогрессивное увеличение данного показателя (приращения тока) по мере приближения к соме, причем крутизна из- менения в разных дендритных маршрутах была неодинаковой. Наблюдаемая тенденция соответ- ствовала пространственным изменениям поверх- ностной плотности трансмембранного тока (ср. с Б и Д). В соответствии с характером соотношения поверхностной плотности мембранного тока и при- ращения осевого тока на единицу длины дендри- та (второй их этих показателей является произве- дением первого на периметр сечения дендрита) в области локальных утолщений дендритных вет- вей (участков значительного увеличения диаметра и, соответственно, периметра) наблюдались менее или более существенно увеличенные значения при- ращений по сравнению с таковыми в соседних бо- лее тонких участках (см. вкрапления красного и зе- леного цветов на В и Е). Таким образом, полученные нами результаты указывают на то, что пространственная картина би- стабильных электрических состояний мембраны реконструированного дендритного разветвления модельного мотонейрона ядра отводящего нерва мо- жет обладать весьма важными, на наш взгляд, осо- бенностями. Эти особенности реализуются, если дендритная мембрана «населена» потенциалзависи- мыми каналами неинактивирующегося кальциевого тока. Результаты экспериментальных исследований [8] свидетельствуют о том, что присутствие таких каналов в дендритах нейронов данного типа впол- не возможно. В этом плане заслуживает внимания сравнение результатов упомянутого исследования с результатами опубликованных ранее модельных исследований электрической бистабильности мем- браны тех же клеток с реконструированными ден- дритами [9]. У таких дендритов локальная стацио- нарная ВАХ мембраны также была N-образной, но током, который определял подобное свойство ВАХ, был ток через лигандуправляемые каналы глутамат- ергических синапсов НМДА-типа, а не через каль- циевые каналы. Результаты сравнения показали, что основные различия, связанные с вкладом каналов неинактивирующегося кальциевого тока L-типа, за- ключаются в следующем. Во-первых, в состояни- ях и низкой, и высокой деполяризации перепад на- пряжений между наиболее дистальными участками дендритов и сомой в случае наличия кальциевых ка- НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6464 И. Б. КУЛАГИНА налов несколько меньше (от –36 до –43 мВ). Такой перепад равняется приблизительно –50 … –60 мВ в случае дендритов без таких каналов [9] при низкой деполяризации. В условиях же высокой деполяриза- ции соответствующие значения составляют от –17 до –25 мВ в случае присутствия кальциевых кана- лов и от 0 до –12 мВ без них [9]. Во-вторых, диапа- зон напряжений на участке отрицательного наклона локальной стационарной ВАХ был существенно бо- лее узким при наличии кальциевых каналов (от –36 до –23 мВ; рис. 1, Б) по сравнению с аналогичным участком ВАХ дендритной мембраны, содержащей в себе только НМДА-каналы (от –60 до –15 мВ [9]). В-третьих, соотношения диапазонов дендритных напряжений и диапазонов участков положительного и отрицательного наклонов ВАХ существенно раз- личались. Так, в состоянии низкой деполяризации напряжения вдоль дендритов с кальциевыми кана- лами всегда находились в пределах участка поло- жительного наклона локальной ВАХ (рис. 2, Б, В), а в дендритах только с НМДА-каналами – всегда в пределах участка отрицательного наклона [9]. В со- стоянии высокой деполяризации напряжения в ден- дритах с кальциевыми каналами находились в диа- пазонах участков либо положительного (дистальные ветви), либо отрицательного (проксимальные вет- ви) наклона (рис. 2, Б, В). Значения же напряжений вдоль дендритов, имевших только НМДА-каналы, всегда оставались в диапазоне, соответствующем участку положительного наклона ВАХ (см., напр., рис. 2, D и рис. 3 сообщения Дюрана и соавт. [9]). В-четвертых, соответственно этому существенно различались пространственные профили плотности мембранного тока. В состоянии низкой деполяриза- ции по мере приближения от дистальных участков к соме плотность входящего мембранного тока в ден- дритах, обладающих кальциевыми каналами, везде увеличивалась (рис. 3, А, Б), тогда как в дендритах исключительно с НМДА-каналами эта величина с приближением к соме уменьшалась на всем протя- жении дендритных маршрутов (рис. 4, А, С в цити- руемой выше работе [9]). В состоянии высокой де- поляризации по мере приближения от дистальных участков к соме плотность входящего мембранного тока в дендритах с кальциевыми каналами вначале увеличивалась (до расстояний порядка 100 мкм), а затем уменьшалась (рис. 3, Г, Д). В дендритах же только с НМДА-каналами эта плотность была прак- тически нулевой в наиболее дистальных ветвях и везде увеличивалась по мере приближения к соме (рис. 4, B, D в цитируемой работе [9]). В-пятых, приращения осевого тока (вклад в общий сомато- петальный ток) в дистальных областях дендритов с наличием кальциевых каналов был довольно су- щественным в состоянии как низкой, так и высо- кой деполяризации (рис. 3, В и Е). В то же время дистальные дендриты с НМДА-каналами в состоя- нии высокой деполяризации практически не обес- печивали никакого вклада в соматопетальный ток из-за практического совпадения значения мембран- ной деполяризации с потенциалом равновесия тока (нулевой движущий потенциал для трансмембран- ного тока), как показано Дюраном и соавт. (рис. 5, B, D [9]). Отмеченная существенная специфика яв- лений электрической бистабильности мембраны в дендритах с кальциевыми каналами и без них мо- жет иметь важные функциональные последствия, особенно если такие дендриты находятся в состо- янии высокой деполяризации. Поскольку в данном состоянии максимальные значения плотности пол- ного входящего тока наблюдались в области первых порядков ветвления дендритов (рис. 3, Г, Д), а наи- больший вклад в полный ток давал ток через каль- циевые каналы (рис. 1, А, Е), именно эта область должна обеспечивать поступление наибольшего ко- личества Са2+ в цитозоль и, стало быть, может от- личаться наибольшей интенсивностью внутрикле- точных кальцийзависимых сигнальных процессов. Благодаря указанному обстоятельству упомянутая область первых ветвлений дендритов может рас- сматриваться как область своего рода «горячих то- чек» (hot spots), через которые происходит макси- мальный вход Са2+. Как необходимо отметить, использованная нами модель нейрона является ограниченной в том смыс- ле, что из-за отсутствия («отключения» в резуль- тате принятых исходных условий) «быстрых» раз- рядных механизмов сомы и аксона устойчивые состояния без наличия переключающих воздей- ствий длятся бесконечно долго (это полностью со- ответствует классическому определению стабиль- ных состояний). Однако следует признать, что именно благодаря данному ограничению можно де- тально изучать особенности пространственной кар- тины разных электрических состояний и осущест- влять их сравнительный анализ. Что же касается динамических состояний, то на основании получен- ных статических карт подобные состояния, видимо, можно достаточно обоснованно прогнозировать. При включении активных механизмов в мембрану сомы и аксона бесконечно длящиеся состояния ста- нут конечными [16, 17]. Устойчивым и бесконечно НЕЙРОФИЗИОЛОГИЯ / NEUROPHYSIOLOGY.—2010.—T. 42, № 6 465 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДЕНДРИТНОЙ МЕМБРАНЫ длящимся состояниям высокой и низкой деполяри- зации будут соответствовать так называемые плато- потенциалы (plateau potentials) и «долины» (valley potentials), пространственная картина распределе- ния которых неизбежно будет иметь общие черты с картиной стационарных устойчивых состояний. І. Б. Кулагіна1,2 ЕЛЕКТРИЧНА БІСТАБІЛЬНІСТЬ ДЕНДРИТНОЇ МЕМБРАНИ МОТОНЕЙРОНІВ, ЗУМОВЛЕНА ВХІДНИМИ СТРУМАМИ, ЩО НЕ ІНАКТИВУЮТЬСЯ: МОДЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ 1 Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара (Україна). 2 Міжнародний центр молекулярної фізіології (Дніпропетровське відділення) НАН України (Україна). Р е з ю м е На комп’ютерній моделі мотонейрона ядра відвідного нерва з детально реконструйованими дендритними розгалуженнями досліджували особливості просторової картини бістабіль- них електричних станів дендритів, мембрана котрих мала N-подібну вольт-амперну характеристику (ВАХ), зумовлену в основному наявністю кальцієвих каналів L-типу. Такі ка- нали, згідно з непрямими даними натурних експериментів, є присутніми в дендритах вказаних клітин поряд із глута- матергічними каналами NMDA-типу, також здатними зумов- лювати електричну бістабільність мембрани і відповідні до неї специфічні патерни електричної активності згаданих ней- ронів. Для досліджуваної моделі були отримані стаціонар- ні локальні ВАХ, а також перенесені на тривимірні зобра- ження реконструйованих розгалужень дендритів просторові карти розподілів мембранної різниці потенціалів, поверх- невої щільності трансмембранного струму та приростів осьового дендритного струму, котрі визначають внесок тієї чи іншої дендритної ділянки в загальний осьовий струм (цей струм доставляє заряд до тригерної зони нейрона). Як пока- зали результати моделювання, включення кальцієвих кана- лів, що не інактивуються, в дендритну мембрану призводить до виникнення раніше не описаних особливостей картини просторового розподілу бістабільних електричних станів дендритів. Такі особливості є найбільш істотними в умовах стабільного стану високої деполяризації відповідних діля- нок дендритів. У вказаному випадку подібною особливістю була наявність зони максимальної щільності вхідного транс- мембранного струму, що охоплювала ділянки галужень пер- ших порядків у всіх дендритів. Оскільки в сумарному струмі найбільший відносний внесок належить вхідному кальцієво- му струму, згадана зона перших галужень може розглядатись як свого роду зона «гарячих точок» (hot spots), котра характе- ризується збільшеним входженням Са2+. Дана ситуація може мати важливі функціональні наслідки для місцевої внутріш- ньоклітинної кальційзалежної сигналізації. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. O. Kiehn and T. Eken, “Functional role of plateau potentials in vertebrate motor neurons,” Current Opin. Neurobiol., 8, 746- 752 (1998). 2. M. Mynlieff and K. G. Beam, “Characterization of voltage- dependent calcium currents in mouse motoneurons,” J. Neurophysiol., 68, 85-92 (1992). 3. O. Bernander, C. Koch, and M. Usher, “The effects of synchronized inputs at the single neuron level,” Neural Comput., 6, 622-641 (1994). 4. O. Kiehn, “Plateau potentials and active integration in the final common pathway for motor behavior,” TINS, 14, 68-73 (1991). 5. R. Lipowsky, T. Gillessen, and C. Alzheimer, “Dendritic Na+ channels amplify EPSPs in hippocampal CA1 pyramidal cells,” J. Neurophysiol., 76, 2181-2191 (1996). 6. P. C. Schwindt and W. E. Crill, “Amplification of synaptic current by persistent sodium conductance in apical dendrite of neocortical neurons,” J. Neurophysiol., 74, 2220-2224 (1995). 7. J. Durand, “NMDA actions on rat abducens motoneurons,” Eur. J. Neurosci., 3, 621-633 (1991). 8. J. Durand, J. P. Geritaud, and M. Ourdouz, “Excitatory amino acid receptors and synaptic transmission in rat extraocular motoneurons,” in: Information Processing Underlying Gaze Control, J. M. Delgado-García, E. Godaux, and P.-P. Vidal (eds.), Pergamon, New York (1994), pp. 13-20. 9. S. M. Korogod, I. B. Kulagina, V. I. Kukushka, et al., “Spatial reconfiguration of charge transfer effectiveness in active bistable dendritic arborizations,” Eur. J. Neurosci., 16, 2260- 2270 (2002). 10. I. B. Kulagina, S. M. Korogod, and J. Durand, “Comparative simulation study of the electrical bistability induced in abducens motoneurons by different non-inactivating inward currents of the dendritic membrane,” FENS Abstr., 1, A 058. 10 (2002). 11. S. M. Korogod, H. Bras, V. N. Sarana, et al., “Electrotonic clusters in the dendritic arborization of abducens motoneurons of the rat,” Eur. J. Neurosci., 6, 1517-1527 (1994). 12. И. Б. Кулагина, В. А. Мякушко, С. М. Когород, “Дистант- ная модуляция передачи тока от дендритных глутаматер- гических синапсов, осуществляемая ГАМК-эргическими синап сами соматической зоны мотонейронов: модель- ное иссле дование”, Нейрофизиология/Neurophysiology, 42, № 2, 182-191 (2010). 13. M. L. Hines and N. T. Carnevale, “Neuron – a tool for neuroscientists,” Neuroscientist, 7, 123-135 (2001). 14. S. M. Korogod and I. B. Kulagina, “Geometry-induced features of current transfer in neuronal dendrites with tonically activated conductances,” Biol. Cybern., 79, 231-240 (1998). 15. S. M. Korogod and I. B. Kulagina, “Electrical bistability in a neuron model with monostable dendritic and axosomatic membranes”, Нейрофизиология/Neurophysiology, 32, № 2, 98-101 (2000). 16. J. Hounsgaard and O. Kiehn, “Serotonin-induced bistability of turtle motoneurons caused by a nifedipine-sensitive calcium plateau potential,” J. Physiol., 414, 265-282 (1989). 17. R. H. Lee and C. J. Heckman, “Bistability in spinal motoneurons in vivo: systematic variations in persistent inward currents,” J. Neurophysiol., 80, 583-593 (1998).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-68369
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0028-2561
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:39:56Z
publishDate	2010
publisher	Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України
record_format	dspace
spelling	Кулагина, И.Б. 2014-09-21T18:54:40Z 2014-09-21T18:54:40Z 2010 Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование / И.Б. Кулагина // Нейрофизиология. — 2010. — Т. 42, № 6. — С. 457-465. — Бібліогр.: 17назв. — рос. 0028-2561 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68369 577.3:578.69:611.8:612:612.014 На компьютерной модели мотонейрона ядра отводящего нерва с детально реконструированными дендритными разветвлениями исследовали особенности пространственной картины бистабильных электрических состояний дендритов, мембрана которых обладала N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), определяемой в основном наличием кальциевых каналов L-типа. На комп’ютерній моделі мотонейрона ядра відвідного нерва з детально реконструйованими дендритними розгалуженнями досліджували особливості просторової картини бістабільних електричних станів дендритів, мембрана котрих мала N-подібну вольт-амперну характеристику (ВАХ), зумовлену в основному наявністю кальцієвих каналів L-типу. ru Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України Нейрофизиология Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование Електрична бістабільність дендритної мембрани мотонейронів, зумовлена вхідними струмами, що не інактивуються: модельне дослідження Article published earlier
spellingShingle	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование Кулагина, И.Б.
title	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_alt	Електрична бістабільність дендритної мембрани мотонейронів, зумовлена вхідними струмами, що не інактивуються: модельне дослідження
title_full	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_fullStr	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_full_unstemmed	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_short	Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
title_sort	электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/68369
work_keys_str_mv	AT kulaginaib élektričeskaâbistabilʹnostʹdendritnoimembranymotoneironovobuslovlennaâneinaktiviruûŝimisâvhodâŝimitokamimodelʹnoeissledovanie AT kulaginaib električnabístabílʹnístʹdendritnoímembranimotoneironívzumovlenavhídnimistrumamiŝoneínaktivuûtʹsâmodelʹnedoslídžennâ

Электрическая бистабильность дендритной мембраны мотонейронов, обусловленная неинактивирующимися входящими токами: модельное исследование

Institution

Similar Items