Введение к работе
Актуальность исследования. Изучение механизмов биофизических и
биохимических процессов, происходящих в нервной системе и лежащих в основе
обучения и памяти, является одной из основных проблем нейробиолотии (Woody,
1986; Byrne, 1987; Thompson, 1987; Балабан и др., 1992; Hawkins et ah, 1993).
Анализ этих процессов, определяющих длительные модификации поведения, на
нейронном уровне представляется принципиальным, так как биофизические и
биохимические характеристики нервных клеток являются важным звеном в
переходе кратковременных пластических изменений в долговременные (Соколов,
1981; Kandel, Schwartz, 1982; Alkon et al., 1987; Воронин, 1987; Балабан, Захаров,
1992; Пивоваров, 1995; Matzel et al., 1998). Популярным объектом исследования
клеточных механизмов обучения и памяти являются моллюски, обладающие
относительно простой нервной системой с идентисЬшнгоуемыми клеточными
элементами и достаточно сложным поведенческим репертуаром. Эксперименты на
брюхоногих моллюсках и упрощенных моделях направленные на изучение
клеточных основ ассоциативного обучения ,оказались результативными
применителыю к анализу пластичности (Кэндел 'і980;Максимова Балабан 1983;
Carew Sahlev 1986; Сахаров 1992; Самойлов и,до 1993; Балабан' Захаров' 1992-
Lsne,Glanzrnan,1995) , '
В настоящее время активно исследуется такая нейробиологическая модель долговременных модификаций поведения как долговременная сенситизация, которая позволяет успешно исследовать мембранные и ионные механизмы (Frost et al., 1985; Береговой, Гайнутдинов, 1988; Walters, 1987; Byrne etal., 1991; Никитин и др., 1992; Balaban, Bravarcnko, 1993; Walters, Ambron, 1995; Береговой, 1996; Никитин, Судаков, 1997; Cleary et al., 1998). Под долговременной сенситизацией (ДС) понимают долговременное усиление реакций на раздражитель в результате предъявления другого (обычно сильного или повреждающего) раздражителя не зависящее от предшествующего сочетания раздражителей которое сохраняется в течение нескольких часов и более (Кэндел 1980) Известно что ДС как у аплизии так и у виноградной улитки на поведенческом уровне сохраняется более 2-х недель и блокируется ингибиторами белкового синтеза ашзомицином и циклогексимидом ("Castellucci et al 1989- Береговой и лп 1990; Никитин Ктьгоев 1993; Bartsch et al 1995) Во^сех'проведенныхэлекгооАизиологических экспериментах к настоящему времени исследовались Таоактеристики идентифицированных нейрон! cpa3v после выработки ЛсГоаІе et al 98Alters , 98Г Гайнутди ов Береговой ,99" Никитин Гзьфев 1995 Берегові
втеГниевГеменГсо^
Интенсификация исследований механизмов обучения и памяти на клеточном уровне привела к новым эксперимегггальным подходам по изучению нейромедиаторных и модуляторных эффектов серотонина и дофамина и механизмов участия соответствующих систем в явлениях пластичности поведения
(Сахаров, Каботянский, 1986; Farley, Wu, 1989; Wallers. Ambron, 1995; Иерусалимский и др., 1997). Серотонин выступает возбуждающим фактором при сенситизации оборонительных рефлексов, а дофамин является тормозным медиатором (Сахаров, Каботянский, 1986; Сахаров, 1990; Гайнутдинов, Береговой, 1994; Zakharov et al., 1995). Истощение серотонина в нервной системе 5,7-дигидрокситриптамином (5,7-DHT) нарушает долговременное облегчение в сенсорных нейронах агшизии (Glanzman et al., 1989). 5,7-DHT блокирует выработку ДС и у виноградной улитки (Балабан и др., 1992). Найдено также влияние на формирование ДС истощения дофамина амфетамином (Гайнутдинов, Береговой, 1994). Однако эксперименты на пиявке показали, что истощение серотонина в нервной системе при помощи 5,7-DHT хотя и сильно уменьшает выраженность обусловливания у этих животных, но обучаются они существенно лучше, чем при предъявлении несочетанных стимулов (Sahley, 1994; Burrell, Sahley, 1999). Таким образом, исследования мембранных механизмов проявления эффектов воздействия на серотонинергическую и дофаминергическую системы при долговременных пластических изменениях представляется актуальной задачей в рамках проблемы нейробиологии обучения и памяти.
Цепи и задачи исследования. Целью работы явилось исследование мембранных , механизмов воздействия на серотонинергическую и дофаминергическую системы при долговременной сенситизации (ДС) у виноградной улитки.
В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи: '1. Провести детальный анализ изменений электрических характеристик командных нейронов при ДС у виноградной улитки.
-
Исследовать длительность сохранения изменений электрических параметров клеток после формирования ДС.
-
Исследовать на уровне электрических характеристик командных нейронов эффект истощения серотонина в нервной системе нейротоксином 5,6-дигидрокситриптамином на формирование ДС.
-
Провести детальный анализ изменений электрических характеристик командных нейронов при истощении дофамина нейротоксином 6-гидроксидофамином.
-
Исследовать на уровне электрических характеристик командных нейронов эффекты истощения дофамина нейротоксином 6-гидроксидофамином на формирование ДС.
Положения, выносимые на защиту:
-
Выработка долговременной сенситизации у виноградной улитки приводит к уменьшению мембранного и порогового потенциалов командных нейронов оборонительного поведения, и эти изменения сохраняются на протяжении сохранения изменений поведенческих реакций (в течение 14 дней).
-
Инъекции веществ, истощающих серотонин (5,6-дигидрокситриптамин) и дофамин (б-гидрокситриптамин), нарушают формирование долговременной сенситизации (ДС). Процедура выработки ДС у 5,6-DHT- и б-OHОЛ-
з инъецированных улиток не приводит к изменению мембранного и порогового потенциалов командных нейронов. Эффектом воздействия 6-OHDA является деполяризационный сдвиг мембранного потенциала и снижение порога генерации потенциала действия в командных нейронах оборонительного поведения.
Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые обнаружено, что у виноградной улитки после выработки долговременной сенситизации (ДС) уменьшенные величины мембранного и порогового потенциалов командных нейронов оборонительного поведения сохраняются в течение 2-х недель. Впервые найдено, что процедура выработки ДС у улиток, инъецированных 5,6-дигидрокситриптамином, селективно разрушающим серотониновые элементы в нервной системе, не приводит к изменению мембранного и порогового потенциалов командных нейронов. Впервые показано, что инъекция б-гидроксидофамина селективно разрушающего дофаминовые элементы приводит к деполяризацйшному сдвигу мембранного потенциала и снижению порога ГСНСОЙЦИИ пОТЄНЦИала действия в командных нейронах. Впервые найдено что пші инъекции 6-гидроксидофамина нарушается выработка ДС и не происходит дальнейшего снижения мембранного и порогового потенциатов командных нейронов.
Научно-практическая ценность. Полученные результаты позволяют составить более полное представление о механизмах пластичности нервной системы, лежащих в основе обучения и памяти на уровне идентифицируемых элементов нейронной сети. Установление факта длительного сохранения сдвигов характеристик элементов нейронной сети позволяет с большей четкостью определять нейронные локусы долговременных форм пластичности. Показаны изменения электрических характеристик клеток при инъекциях нейротоксинов 5,6-дигидрокситриптамипа и б-гидроксидофамина, веществ, вызывающих специфическую дегенерацию терминалей соответственно серотонин- и дофаминсодержащих нейронов, и блокада этими веществами изменений характеристик клеток происходящих при обычной выработке долговременной сенситизации. Это позволяет приблизиться к пониманию механизмов, лежащих в основе той важной роли в явлении долговременной памяти котогл/ю играют известные модуляторные системы, в частности серотониновая и дофаминовая
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на итоговых конференциях Казанского научного центра РАН (Казань, 1997-1999), республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов (II, Казань, 1996; III, Казань, 1997), 5-th East European Conference of the International Society for Invertebrate Neurobiology (Moscow, 1997), Всероссийском симпозиуме "Растущий организм: адаптация к физической и умственной нагрузке" (Казань, 1998), XVII Всероссийском физиологическом съезде (Ростов-на-Дону, 1998), Всероссийской школе для молодых ученых по пейробиологии (V, Казань, 1998; VI, Казань, 1999), II Съезде биофизиков России
(Москва, 1999), Conference "Conceptual advances in the studies of associative learning and memory" (Moscow, 1999).
Реализация результатов исследования. По материалам диссертации опубликована 21 публикация. Полученные результаты использованы в курсах лекций на кафедрах химфизики и физиологии человека и животных КГУ.
Структура и объем диссертации. Диссертация сосооит из ввввения, обзора литературы, описания методики, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 121 странице, содержит 23 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 213 источников, из них 146 иностранных.