Постсинаптическое действие гамма-аминомасляной кислоты в коре головного мозга новорожденных крыс и мышей - Автореферат

Постсинаптическое действие гамма-аминомасляной кислоты в коре головного мозга новорожденных крыс и мышейРабота выполнена в лаборатории биофизики синаптических процессов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук (КИББ КАЗНЦ РАН, г. Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой физиологии человека и животных Казанского (Приволжского) федерального университета Ситдикова Гузель Фаритовна доктор биологических наук, доцент кафедры физиологии ФГБОУ ВПО «Казанская государственная академия ветеринарной медицины имени Н.Э.Нарушение ГАМКЕРГИЧЕСКОГО ингибирования приводит к изменениям в балансе между возбуждением и торможением и, как следствие, к изменениям активности нейрональных сетей. Если возбуждающее действие ГАМК в ЦНС взрослого млекопитающего проявляется, в основном, в патологических состояниях, то на ранних этапах онтогенеза возбуждение, производимое активацией ГАМКА рецепторов, считается общепринятым правилом (Freund & Buzsaki, 1996;Ben-Ari et al., 1997;Leinekugel et al., 1997;Parra et al., 1998;Gupta et al., 2000;Somogyi & Klausberger, 2005;Ben Ari et al., 2007;Tepper et al., 2010). Считается, что на этих этапах развития малое количество синапсов, которые необходимы для активации нейрональной сети, компенсируется возбуждающим действием ГАМК. Однако несмотря на значительное количество данных, свидетельствующих о возбуждающем действии ГАМК на ранних этапах развития, совершенно неизученным остается вопрос о ключевом свойстве возбуждающей синаптической передачи, а именно о временных задержках проведения возбуждения в ГАМК синапсах и факторах, которые эти задержки определяют. Кроме того, все наблюдения, свидетельствующие о деполяризующем и возбуждающем действии ГАМК на нейроны развивающегося мозга были получены с использованием in vitro препаратов срезов мозга и нейрональных культур, приготовление которых неизбежно приводит к повреждению нейронов и может вызывать изменение характера действия ГАМК от тормозного к возбуждающему, вторичному травме.Несмотря на многочисленные доказательства возбуждающего действия ГАМК на нейроны различных структур развивающегося мозга in vitro, а также на свидетельства существования случаев деполяризующего действия ГАМК в ЦНС взрослых животных, до настоящего времени нигде не рассматривался аспект временных характеристик ГАМКЕРГИЧЕСКОГО возбуждения. Поэтому центральной находкой данного исследования является то, что передача возбуждения в ГАМКЕРГИЧЕСКИХ синапсах мозга новорожденных животных происходит медленно и характеризуется высокой вариабельностью величины задержки. Это было показано с помощью неинвазивной внеклеточной регистрации популяционной активности нейронов, при которой не нарушаются ни потенциал покоя, ни внутриклеточная концентрация хлора в нейронах, а также с помощью пэтч-кламп регистрации в конфигурации «целая клетка» при повышенном содержании Cl-во внутрипипеточном растворе. В работе также показана зависимость временных характеристик ГАМКЕРГИЧЕСКОГО возбуждения от концентрации Cl-в постсинаптическом нейроне: значение и вариабельность величины задержки проведения ПД уменьшались при искусственном повышении концентрации внутриклеточного хлора во время регистрации в конфигурации «целая клетка», и, напротив, увеличивались при снижении уровня внутриклеточного хлора с помощью блокатора Na /K /2Cl-котранспортера буметанида. Сравнение физиологических значений ПП, ДСГАМК и порога генерации ПД привело к заключению о том, что при физиологических значениях концентрации внутриклеточного хлора деполяризующие ГАМК-ПСП не достигают порога возникновения ПД, и для генерации возбуждения в постсинаптическом нейроне требуется активация дополнительной подпороговой потенциалзависимой проводимости.Возбуждающее действие ГАМК в головном мозге крыс и мышей в течение первой недели постнатального развития не является артефактом, связанным с повреждением нейронов при приготовлении срезов мозга. В ходе второй недели после рождения травматизация нейронов при нарезке срезов приводит к изменению действия ГАМК с тормозного на возбуждающее в поверхностном слое среза гиппокампа. Задержка проведения возбуждения в ГАМКЕРГИЧЕСКОМ синапсе гиппокампа новорожденных крыс длительна и высоко вариабельна, ее величина имеет значения в диапазоне от 10 до 200 мс с модой около 28 мс. Временные и вероятностные параметры задержки проведения ПД в возбуждающем ГАМКЕРГИЧЕСКОМ синапсе гиппокампа имеют обратную зависимость от концентрации Cl-в постсинаптическом нейроне. Для генерации возбуждения в постсинаптическом нейроне требуется активация подпороговой неинактивируемой натриевой проводимости.

Несмотря на многочисленные доказательства возбуждающего действия ГАМК на нейроны различных структур развивающегося мозга in vitro, а также на свидетельства существования случаев деполяризующего действия ГАМК в ЦНС взрослых животных, до настоящего времени нигде не рассматривался аспект временных характеристик ГАМКЕРГИЧЕСКОГО возбуждения. Поэтому центральной находкой данного исследования является то, что передача возбуждения в ГАМКЕРГИЧЕСКИХ синапсах мозга новорожденных животных происходит медленно и характеризуется высокой вариабельностью величины задержки. Это было показано с помощью неинвазивной внеклеточной регистрации популяционной активности нейронов, при которой не нарушаются ни потенциал покоя, ни внутриклеточная концентрация хлора в нейронах, а также с помощью пэтч-кламп регистрации в конфигурации «целая клетка» при повышенном содержании Cl- во внутрипипеточном растворе. В работе также показана зависимость временных характеристик ГАМКЕРГИЧЕСКОГО возбуждения от концентрации Cl- в постсинаптическом нейроне: значение и вариабельность величины задержки проведения ПД уменьшались при искусственном повышении концентрации внутриклеточного хлора во время регистрации в конфигурации «целая клетка», и, напротив, увеличивались при снижении уровня внутриклеточного хлора с помощью блокатора Na /K /2Cl- котранспортера буметанида. Сравнение физиологических значений ПП, ДСГАМК и порога генерации ПД привело к заключению о том, что при физиологических значениях концентрации внутриклеточного хлора деполяризующие ГАМК-ПСП не достигают порога возникновения ПД, и для генерации возбуждения в постсинаптическом нейроне требуется активация дополнительной подпороговой потенциалзависимой проводимости. Существование такого промежуточного этапа в генерации ПД, вероятно, является ключевым фактором, обуславливающим медленное проведение возбуждения в ГАМКЕРГИЧЕСКОМ синапсе. Помимо полученных данных, ряд фактов свидетельствует тому, что неинактивируемая натриевая проводимость вносит свой вклад в возбуждающее действие ГАМК, усиливая ГАМК опосредованную деполяризацию нейронов. Во-первых, INAP присутствует в незрелых пирамидных нейронах САЗ области гиппокампа (MCBAIN & Dingledine, 1992) и обеспечивает их спонтанное возбуждение (Sipila et al., 2005;Sipila et al., 2006a). Во-вторых, порог активации INAP находится около -60 МВ (Sipila et al., 2006a), что близко к значению мембранного потенциала, которое достигают ГАМК-ПСП. В-третьих, то, что ГДП, в которых возбуждающая ГАМКЕРГИЧЕСКАЯ проводимость играет превалирующую роль, блокируются ингибиторами INAP фенитоином и рилузолем (Sipila et al., 2006a) также согласуется с нашими наблюдениями. Вариабельность величины задержки ПД в ГАМКЕРГИЧЕСКОМ синапсе, вероятно, отражает динамические изменения состояния потенциалзависимых проводимостей. На уровне популяции вариабельность увеличивается также и вследствие гетерогенности нейронов по внутриклеточному содержанию Cl-, которое влияет на величину синаптической задержки. Таким образом, данное исследование изменяет традиционную точку зрения о том, что ГАМК-ПСП напрямую активируют ПД (Ben Ari, 2002;Ben Ari et al., 2007). Однако вполне вероятно, что предложенный механизм генерации возбуждения в ГАМКЕРГИЧЕСКОМ синапсе не является единственно возможным. Вполне вероятны случаи, при которых ЕГАМК достигает или превышает порог генерации ПД, например, в клетках с сильно деполяризованным значением ЕГАМК на очень ранних этапах развития, вследствие эпилептогенного процесса (Cohen et al., 2002;Khalilov et al., 2003;Huberfeld et al., 2006), травмы (Pieraut et al., 2007) или в клетках с относительно негативным порогом генерации ПД, таких как интернейроны неокортекса (Rheims et al., 2008).

Сдвиг ЕГАМК в сторону более положительных значений показан для различных видов нейрональной травмы, включая повреждение нейронов вследствие нарушения осмотического баланса, аксотомии, продолжительной эпилептической активности, ишемии (van den Pol AN et al., 1996;Ben Ari, 2002;Ben Ari et al., 2007;Inglefield & Schwartz-Bloom, 1998;Galeffi et al., 2004). Все эти наблюдения приводят к предположению о том, что возбуждающее действие ГАМК в срезах мозга новорожденных животных могло бы быть не возрастным феноменом, что предполагает традиционная точка зрения о действии ГАМК в ЦНС на ранних этапах онтогенеза, а лишь частным случаем нейрональной травмы, связанным с перерезкой отростков нервных клеток при приготовлении срезов. В пользу этого предположения свидетельствует и отсутствие деполяризующего действия ГАМК в не требующих нарезки in toto препаратах интактного гиппокампа, что было показано в исследованиях на животных в возрасте от пяти до семи дней постнатального развития. В данном исследовании, у крыс в течение второй недели после рождения нами, действительно, было обнаружено изменение полярности гиперполяризующих ответов нейрональной популяции на активацию ГАМКА рецепторов в приповерхностной области среза гиппокампа, где нейроны в большей степени подвержены повреждению во время нарезки срезов. Однако в течение первой постнатальной недели каких-либо различий в возбуждающем действии ГАМК на нейроны, расположенные в глубине и на поверхности среза, выявлено не было. Более того, возбуждение, наблюдаемое в ответ на действие экзогенного агониста ГАМКА рецепторов, а также на синаптически высвобождаемую ГАМК, было обнаружено в in toto препарате интактного гиппокампа в течение первых нескольких дней после рождения, что отвергает гипотезу о нейрональной травме как причине деполяризующего и возбуждающего действия ГАМК на клетки мозга новорожденных животных in vitro.1. Возбуждающее действие ГАМК в головном мозге крыс и мышей в течение первой недели постнатального развития не является артефактом, связанным с повреждением нейронов при приготовлении срезов мозга.

2. В ходе второй недели после рождения травматизация нейронов при нарезке срезов приводит к изменению действия ГАМК с тормозного на возбуждающее в поверхностном слое среза гиппокампа.

3. Задержка проведения возбуждения в ГАМКЕРГИЧЕСКОМ синапсе гиппокампа новорожденных крыс длительна и высоко вариабельна, ее величина имеет значения в диапазоне от 10 до 200 мс с модой около 28 мс.

4. Временные и вероятностные параметры задержки проведения ПД в возбуждающем ГАМКЕРГИЧЕСКОМ синапсе гиппокампа имеют обратную зависимость от концентрации Cl- в постсинаптическом нейроне.

5. При физиологических значениях внутриклеточной концентрации Cl- деполяризация постсинаптической мембраны, опосредованная активацией ГАМКА рецепторов, не достигает порога генерации ПД. Для генерации возбуждения в постсинаптическом нейроне требуется активация подпороговой неинактивируемой натриевой проводимости.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Valeeva G., Abdullin A., Tyzio R., Skorinkin A., Nikolski E., Ben-Ari Y., Khazipov R. Temporal coding at the immature depolarizing GABAERGIC synapse. Front. Cell. Neurosci., 2010, V. 4, pii. 17.

2. Petrov K.A., Yagodina L.O., Valeeva G.R., Lannik N.I., Nikitashina A.D., Rizvanov A.A., Zobov V.V., Bukharaeva E.A., Reznik V.S., Nikolsky E.E., Vyskocil F. Different sensitivities of rat skeletal muscles and brain to novel anticholinesterase agents, alkylammonium derivatives of 6-methyluracil (ADEMS). Br. J. Pharmacol., 2011, V. 163, №4, P. 732-744.

3. Валеева Г. Р., Хазипов Р. Н., Никольский Е.Е. Возбуждающее действие ГАМК в онтогенезе. Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова, 2011, Т. 97, № 11, С. 1179-1186.

4. Dzhala V., Valeeva G., Glykys J., Khazipov R., Staley K. Traumatic alterations in GABA signaling disrupt hippocampal network activity in the developing brain. J. Neurosci., 2012, V.32, №12, P. 4017-4031.

5. Валеева Г.Р., Мухтаров М.Р, Хазипов Р.Н. О природе необычайно длительной задержки в возбуждающем ГАМКЕРГИЧЕСКОМ синапсе гиппокампа новорожденных крысят. Тезисы IX Всероссийской научно-теоретической конференции «Физиологические механизмы адаптации растущего организма», октябрь 2008г., Казань, С. 24-25.

6. Абдуллин А.Р., Валеева Г. Р., Скоринкин А.И., Хазипов Р.Н. Синаптические механизмы синхронизации нейрональной активности в развивающемся мозге. Тезисы Всероссийской научной конференции с международным участием «Теоретические основы физической культуры», октябрь 2009г., Казань, С.3-4.

7. Valeeva G. Spike Timing at the immature depolarizing GABAERGIC synapse. Proceedings of XVIIIE Colloque de l"Ecole Doctorale des Sciences de la Vie et de la Sante, 31 May - 1 June, 2010, Marseille, France.

8. V. Dzhala, G. Valeeva, R. Khazipov, K. Staley. Network effects of traumatic neuronal chloride accumulation. Neuroscience Meeting Planner, 12-16 November, 2011, Washington, DC, Program No. 249.07. Online.

Размещено на .ru