Введение к работе
Актуальность проблемы. Акустико-лягеральная система играет ажную роль в жизнедеятельности позвоночных животных. Она вюто-пет в себя рецепторные структуры, расположенные в органе Корти, естибулярном и отолитовом аппаратах и боковой линии (Агіезз Кяр-ors et al., 1936; Шмальгаузен, 1938; Дислер, I960; Diikgraaf, .963; Викников, 1979). Органы боковой линии и внутреннего уха :ходны по своему строению, хотя первые расположены в коже и под-южных' структурах. Репетирующим элементом для тех и других яв-шется волосковая клетка, синаптически контактирующая с аффе-)енткым волокном. В эмбриональный период органы боковой линии и экутреннего уха развиваются из одного и того же октсдермального 'толщения височной области. Общность происхождения и иннервации, сходство функциональной и морфологической организации перифери-ієской и центральной частей являются основанием для объединения органов внутреннего уха и боковой линии в единую акустико-лате-эальную систему. Большое сходство структуры и механизмов, обеспечивающих восприятие механических стимулов, позволяет использо-зать сведения, полученные при изучении более доступных периферических сенсорных приборов органов боковой линии, для понимания цеятельности рецепторов внутреннего уха, исследование которых ю методическим причинам значительно белее затруднено.
В связи с открытием в составе органов боковой линии некоторых низших позвоночных животных специализированных рецепторов turn восприятия электрического состояния водной среды к акусткко-яатеральной системе была отнесена и электрорецепторная система (Liesmann, 1958; Иавшали, Maohln, 1958). Со времени открытия
элекгрорецепторов ота система привлекает пристальное внимание исследователей (см.обзоры: Андрианов и др., 1979; viencour,I979; Bullock, 1982; Андрианов, Ильинский, 1983; Eleotrorecaption, 1986). Источниками сигналов для электрорецепторов могут служить самые разнообразные электрические явления, возникающие в водной среде в результате различных физических и физико-химических процессов (при перепадах солености, изменениях температуры, движении воды в магнитном поле Земли и др.), а также обусловленные многочисленными биологическими процессами, связанными с жизнедеятельностью животных. Столь широкий круг факторов, являющихся раздражителями для системы электрорецепторов, свидетельствует о важной роли этой системы в жизни жкзотных.
Внимание к проблеме электрорецепции обусловлено тем, что элекгрорецепторы как производные органов боковой линии представляют собой относительно просто организованные и легкодоступные структуры. Это обстоятельство в сочетании с преимуществами использования электрического тока в качестве раздражителя делает электрорецепторы удобной моделью для исследования рецепторних процессов. Распространенным объектом при изучении различных аспектов электрорецзрщи являются пластиножаберные рыбы (акулы и скаты), которые обладают хорошо развитым и высокочувствительным электрорецепторным аппаратом ампул Лоренцини.
Хорошо известно, что рецепторы акустико-латеральной системы принадлеиат к типу вторичночувствующих рецепторов, которые характеризуются пространственным разграничением рецептиругвдей и спайкгенерирующей систем и наличием синаптической передачи с ре-цепторной клетки на афферентное нервное волокно. Понимание механизмов спнаптической передачи важно со многих точок зрения. Именно на синаптическом уровне происходит трансформация локаль-
- б -
ных рецепторних потенциалов в импульсную активность афферентных волокон. Наличие синаптической передачи обеспечивает конвергенцию большого числа рецепторних клеток на одно афферентное волокно и повышение чувствительности рзцепторов к адекватной стимуля-ции. Существенней особенностью синаптических образований рецепторов акустико-латеральной системы является их высокая чувствительность к потенциалу. Физиология сенсорного синапса до настоящего времени исследована недостаточно, в частности, не решен вопрос об ионных механизмах синаптической передачи и природе нейромедиатора, выделяемого рецепторной клеткой. Выяснение механизмов синаптической передачи в электрорецепторах и, как частный вопрос, природы нейропередатчика имеет важное значение и для понимания функционирования других рецепторов акустико- тате-ральной системы, а .акже фоторецепторов, основу функциональной организации которых составляет химический синапо с высокой электрической чувствительностью (Bennett, 1976).
Несмотря на большой интерео к проблеме идентификации нейропередатчика в рецепторах акустико-латеральной системы (см. обзоры: Outh et'al., 1976; Klinke, 1981, 1986; Quth, Uelaoed, 1982; Bobbin et al., 1984; Акоев, Андрианов, 1988) этот вопроо нельзя считать окон«ательно решенным. Данные разных авторов часто носят 'ротиворечивый характер и не всегда соответствуют друг другу. В определенной степени это объясняется различиями в свойствах объектов исследования, а также методик изучения рецепторов внутреннего уха. Значительные преимущества в этом плане имеют электрорецепторы (ампулы Лоренцини) некоторых рыб, имеющие относительно крупные размеры, что позволяет проводить эксперименты в условиях изолированного препарата.
- G -
Цель и задачи исследования. Основной целью работы ярилось исследование физиологических механизмов синаптической передачи в рецепторах акустико-латеральной систены. Были поставлены еле дующие конкретные задачи:
-
Исследовать электрофизиологические свойства электрорецепторов (еыпул Лоренцини) мандибулярной группы черноморского ската fiaja clavatp.
-
Выяснить роль одно- и двухвалентных ионов в механизмах фонового йыделения медиатора и вызванной активности рецепторов
-
Определить вещества,специфически действующие на постси наптическую мембрану ампул Лоренцини путем проведения анализа эффектов предполагаемых кандидатов в нейромедиаторы: Ь- и D -глутаминовой кислот (L- и D -ГЛУ), L -аспарагиновой кислоты ( і -АСП), ацетилхолина (АХ), гашааминоыасляной кислоты (ГАМК) таурина (ТАУ), адреналина (АДР), норадреналина (НорАДР), серо-тонина (СЕР) и допашна (ДСП), а также блокаторов соответствующих синаптических рецепторов,
-
С целью определения типов аминокислотных постсиналти-ческих рецепторов изучить влияние агонистов возбуждающих аминокислот - каиновой кислоты (КК), квискваловой кислоты (KB) и Я метил-D-аспарагиновой кислоты (НВДА), а также их антагонистов диэтклового эфира L-глутаминовой кислоты (ДЭЭ-ГЛУ), диметило-вого эфира Ь -глутаминовой кислоты (ДМЭ-ГЛУ), D - «6 -аминоади-пиновой кислоты (АА), 2-амино-4-фосі|юнобутановой. кислоты (ASE), 2-амино-5-фосфоновалериэновой кислоты (АФВ), кинуреновой кислоты (КЕН), цис-2,3-гошеридиндикарбоксиловой кислоты (ПДА) и D -глутамилглицине (ДГТ).
Положения диссертации, выносимые на защиту.
I. Ампулы Лоренцини мандибулярной группы скатов Raja оіата
і обладают функциональными свойствами, типичными для вмпулиро-анных электрорецепторов, характерным свойством которых явяяет-п передача возбуждения от рецепторной клетки на окончание аферентного волокна с помощью возбуждающего медиатора. Фоновое «деление медиатора и вызванная афферентная активнооть электро-ецепторов регулируется ионами кальция И магния и не зависит от онцентрации ионов калия.
2. Из широкого круга предполагаемых кандидатов в нейромеди-
торы в афферентном синапсе ампул Лоренцинн только Ь -ГЛУ и Ъ -
.СП удовлетворяют требованиям, предъявляемым к нейромедиатору.
I работе демонстрируется существование постсинаптических рецеп-оров,специфических для возбуждающих аминокислот, сходство эффектов экзогенных Ь-ГЛУ и Ь-АШ и эндогенного переда чика, і также идентичности действия антагонистов возбуждающих амино-іислот на эффекты аминокислот и эндогенного медиатора, Получение данные позволяют предполагать, что функцию передатчика в афферентном синапсе ампул Лоренцини выполняет Ь-ПЛУ.
3. Аминокислотные постсинаптическиз рецепторы ампул Лорен
цини обладают чувствительностью к основным агонистам возбуждающих
аминокислот - КК, KB и ЩЦА, а также к действия соответствующих
специфических блоке-'оров. Предполагается, что глугаматкый рецеп
тор ампул Лі ренцини представлен тремя типами постсккаптичоских
рецепторов, чувствительных к КК, KB и НВДА,
Научная новизна. Разработана методика нейрофармакологичес-кого исследования изолированных электрорецептороо (ампул Лорон-цини) скатов, включающая в себя методы перфузии базальних мембран электрорецепторных клеток в сочетании с отведением импульсной активности от одиночных нервных волокон, связанных о электрорецепторами. Результаты исследований позволили обнаружить но-
вые, принципиально важные механизмы, лежащие в основе преобразования электрического стимула в нервную импульсацию в афферент ных волокнах. Детально иоследована роль одно- и двухвалентных ионов в регуляции фонового выделения медиатора и чувствительности рецепторов к электрическому и температурному воздействию. Доказано, что афферентный синапс электрорецепторов принадлежит к аминокислотному типу, а функцию нейропередатчика в этих рецепторах могут выполнять Ь -ГЛУ и Ъ -АСП. Впервые показано, что реализация эффектов Ь -ГЛУ и L -АСП в электрорецепторах (ампулах Лоренцини) осуществляется за счет активации нескольких мест связывания на постсинаптической мембране для трех агонис-тов возбуждающих еминокислот - КК, KB и НВДА. Доказывается, что общность морфо-фунициональной организации различных рецепторов скустико-латералъной системы не сопровождается идентичностью молекулярных механизмов синаптической передачи.
Теоретическая и практическая значимость. Изучение физиологии синаптической передачи в электрорецепторной системе рыб вакно для понимания функционирования рецепторов акустико-лате-ральной системы (рецепторов органа Кортн, вестибулярного аппарата и боковой линии). Морфологические особенности организации сенсорных синапоов ампул Лоренцини, которые проявляются в конвергенции болшого числа рецепторных клеток на одно афферентное волокно, являются основой периферических механизмов сенсорной интеграции. Методические разработки, применные для изучения процесса выделения медиатора из пресинаптической области и его взаимодействия о рецепторами постсинаптической мембраны, позволяют использовать рецепторные структуры ампул Лоренцини в качестве удооного объекта для изучения общих механизмов синоптической передачи. Чувствительность афферентных синапоов ч действию
агонистов и антагонистов глутаминовай кислоты позволяет также применять этот синапс как методическую модель для изучения фармакологии глутаматных рецепторов и изыскания соединений, взаимодействующих с этими рецепторами. В частности, антагониоты глу-таминовой кислоты могут использоваться в качестве медицинских препаратов, обладающих противосудорожным действием и влияющих также на вестибулярные реакции человека.
Широкое использование в последние годы гербицидов, инсектицидов часто приводит к попадании их в водную среду и, таким образом, неизбежно влияет на поведенческие реакции рыб, В этой связи исследование механизмов синаптической передачи в рецеп-торном аппарате боковой линии имеет не только общетеоретическое значение, но важно практически для изучения возможных ток ичес-ких воздействий yKbdaHHbix соединений и, как следствие, для борьбы с этими вредными факторами, путем ооздания более жестких нормативов для водоемов.
Результаты настоящей работы могут использоваться в курсе лекций по нормальной физиологии и сенсорной физиологии. Они отражены в главе Руководства по физиологии (Эволюционная физиология, ч.П), написанной в соавторстве о О.Б.Ильинским, нескольких обзорах, а также в направленной в печать монографии рСинапти-ческая перег дча в рецепторах акустико-лагеральной систеш", написанной совместно с Г.Н.Акоевым.
Исследованная проблема является составной частью Общегосударственной комплексной программы исследования и использования Мирового океана в интересах науки и народного хозяйства (Задание 03.I7.H3).
Апробация работы. Результаты данной работы доложены на ХХУШ международном физиологическом конгрессе, Будапешт (1980);
-ІО-
на Ш Всесоюзной конференции, посвященной 80-летию со дня рождения акад.Х.С,Коштоянца, Москва (1980); на I Всесоюзном биофизическом съезде, Москва (1982); на Симпозиуме по физиологии морских рыб, Мурманск (1984); на Симпозиуме "Физиология медиаторов. Периферический синапс", Казань (1984); на Симпозиуме по физиологии и биохимии медиаторных процессов, Москва (1985); на Конференции, посвяшенной 100-летию со дня рождения акад.Л.А.Оро'ели Ленинград (1986); на Всесоюзной конференции по нейронаукаы, Киев (1986); на 15 Съезде Всесоюзного физиологического общества, Кишинев (1987); на Всесоюзной конференции "Исследование глута-матэргических синапсов", Ленинград (1987); на Всесоюзном симпозиуме по сенсорной рецепции, Москва (1968),
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 356 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, описания методики исследования, семи глав полученных результатов, обсуждения результатов исследования, заключения, выводов и списка литературы. Работа содержит 91 рисунок. Указатель литературы содержит 66 отечественных и 401 иностранных источников.