Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопрос о материальных механизмах обеспечения высшей нервной деятельности - по терминологии Павлова проблема "души и тела" (Павлов, 1929), является одной из наиболее интригующих задач, доступных в настоящее время детальному экспериментальному исследованию. Одним из существенных разделов данной проблемы является вопрос о клеточных механизмах обучения и памяти. Интерес к данному вопросу вызван тем, что, с одной стороны, от его решения в значительной степени зависит решение всей проблемы в целом, поскольку обучение и память являются тем базисом, на котором основано мышление и другие высшие функции мозга (Анохин, 1968; Соколов, 1981; Симонов, 1987). С другой стороны, этот вопрос имеет существенное прикладное значение: во-первых, нарушения на клеточном уровне являются причиной ряда заболеваний ЦНС, приводящих к дисфункции обучения и памяти, и, следовательно, выяснение механизмов этих клеточных процессов важно для поиска путей лечения таких заболеваний; во-вторых, изучение реализованных природой закономерностей хранения и переработки информации может помочь в создании принципиально новых эффективных технических устройств типа нейрокомпьютеров, использующих в своей работе принципы функционирования мозга.
В течение последних десятилетий накоплены многочисленные свидетельства тому, что одним из основных механизмом обучения и памяти на клеточном уровне является синаптическая пластичность -изменение эффективности синаптических контактов между нейронами в результате тех или иных внешних воздействий (Воронин, 1982; 1993; Скребицкий, 1985; Котляр, 1987; Barnes, 1988; Bliss and Collingridge, 1993). В литературе описано несколько
десятков различных видов синаптической пластичности. В гиппокампе - области мозга, участвующей в процессе запоминания поступающей в мозг информации, основными моделями для изучения синаптической пластичности являются длительная потенциации (ДП), длительная депрессия, кратковременная потенциация и депрессия, депотенциация и другие (Воронин, 1982; 1993; Byrne, 1987; Larkman and Jack, 1995). Значительный прогресс в изучении этих видов синаптической пластичности связан с широким использованием препаратов in vitro - переживающих срезов мозга -позволяющих проводить эксперименты в стабильных стандартизированных условиях. Результатом большого количества исследований стало выявление многих деталей тех процессов, которые лежат в основе синаптической пластичности. Однако, вопрос о конкретных механизмах участия самой синаптической пластичности в процессах обучения и памяти до сих пор не решен.
Возможным подходом к решению этого вопроса является изучение факторов, определяющих синаптическую пластичность в областях мозга, ответственных за запоминание информации (гиппокамп, новая кора) в условиях, близких к естественным. Поскольку поступающая информация закодирована в паттернах нейронных разрядов, одним из таких факторов является пространственно-временная структура активации афферентных волокон. При предъявлении новых стимулов, вызывающих усиление внимания, то есть в состояниях, предполагающих активное запоминание поступающей информации, в гиппокампе животных ярко выражен так называемый тета-ритм - паттерн, состоящий из одиночных разрядов нейронов или кратковременных высокочастотных пачек, следующих с частотой 3-7 Гц (Виноградова, 1975; Котляр, 1987; Buzsaki, 1991). Большое значение имеет также паттерн, состоящий в одновременной активации двух или
нескольких независимых афферентных входов. Подобный паттерн может наблюдаться при одновременном поступлении информации на нейроны ассоциативных центров из нескольких различных структур мозга. Воспроизведение этих паттернов в экспериментальных условиях как in vivo, так и in vitro, эффективно вызывает различные типы синаптической пластичности, включая ДП (Gustafsson and Wigstrom, 1986; Lynch et al., 1990). Однако, детальные механизмы, определяющие высокую эффективность этих паттернов при вызове синаптической пластичности, на момент начала настоящего исследования оставались недостаточно изученными.
Другим подходом является изучение синаптической пластичности у животных после экспериментальных воздействий, направленных на нарушение и/или восстановление способности к обучению и памяти. Подобные экспериментальные воздействия являются, как правило, моделями тех или иных заболеваний мозга, что обуславливает значимость изучения механизмов их действия также и с прикладной точки зрения. Степень воздействия может быть строго дозирована в эксперименте, а его результат в виде нарушения структуры и/или свойств мозга может быть сопоставлен с изменением обучения и памяти, что позволяет использовать данный подход для проверки различных гипотез о клеточных механизмах обучения и памяти. Этот перспективный подход получает все большее применение для решения как фундаментальных, так и прикладных задач. Однако, в настоящее время известны лишь единичные примеры использования этого метода для выяснения механизмов участия синаптической и нейронной пластичности в процессах обучения и памяти.
Целью настоящей работы было изучение клеточных механизмов, обеспечивающих такие важные функции мозга как
обучение и память. В этой связи были поставлены следующие задачи:
Изучить механизмы, определяющие высокую эффективность в инициации гиппокампальной синаптической пластичности физиологически адекватных паттернов афферентной стимуляции -совместной активации двух независимых входов и активации, воспроизводящей временную структуру тета-ритма;
Исследовать гиппокампальную синаптическую пластичность при дисфункциях обучения и памяти вследствие: а) нарушения холинергической иннервации гиппокампа (модель болезни Альцгеймера); б) нарушения развития зубчатой фасции путем инъекции в перинатальный период антимитотического агента метилазоксиметанола (модель алкогольной или медикаментозной интоксикации in utero).
Научная новизна исследований. В данной работе впервые были получены следующие результаты.
-
Высокая эффективность тетанизаций, воспроизводящих паттерн тета-ритма (короткие пачки стимулов, следующие с интервалом около 200 мс), критически зависит от активации эндогенной тормозной ГАМК-ергической системы. Основной механизм этой зависимости связан с подавлением быстрого компонента ТПСП (ТПСПа) в ответе на тестирующую стимуляцию при его наложении на медленный компонент ТПСП (ТПСПб) от кондиционирующего стимула.
-
Высокая эффективность ассоциативных тетанизаций в области СА1 (вызов ДП в слабом тестируемом входе при его совместной активации с сильным кондиционирующим) по крайней мере частично обусловлена активацией кондиционирующими стимулами эндогенной холинергической системы.
-
Продолжительная тетанизация кондиционирующего входа, проводимая до его совместной активации с тестируемым, значительно снижает ассоциативную ДП в тестируемом входе.
-
Описан новый тип синаптической пластичности в гиппокампе -гетеросинаптическая кратковременная депрессия, вызываемая тета-активацией афферентных входов. Показано, что механизмы этого эффекта включают активацию эндогенной холинергической системы.
-
Насыщение ранней фазы ДП не является устойчивым. Через 1-2 часа после насыщения ДП серией последовательных тетанизаций можно вновь индуцировать ДП, содержащую как раннюю, так и более поздние фазы. Это дает новое (физиологическое) обоснование различия механизмов поддержания ранней и более поздних фаз ДП.
-
Способность животных к обучению пространственной ориентации коррелирует с ДП популяционного пика и не коррелирует с ДП популяционного ВПСП области СА1 гиппокампа.
-
Перерезка фимбрии и форникса, приводящая к снижению уровня холинергических маркеров в гиппокампе и значительному ухудшению способности животных к обучению, сопровождается повышением вызванной эпилептиформной активности, однако не влияет на величину гомосинаптической ДП в области СА1 гиппокампа.
-
Перинатальная инъекция антимитотического агента метилазоксиметанола, приводящая к нарушению выработки условной реакции пассивного избегания, не вызывает видимых нарушений структуры зубчатой фасции, однако существенно изменяет свойства латерального и медиального пучков перфорантного пути (ЛПП и МПП). В ЛПП происходит замещение парной фасилитации на парную депрессию, а в МПП уменьшение
вызванных ответов и замещение длительной посттетанической потенциации на длительную депрессию.
Таким образом, в работе впервые систематически изучены клеточные механизмы высокой эффективности физиологически адекватных паттернов афферентной активации в процессе инициации синаптической пластичности гиппокампальных путей, физиологическими методами показано различие механизмов поддержания ранней и более поздних фаз ДП, а также исследованы изменения синаптической пластичности при дисфункциях обучения и памяти вследствие нарушения субкортикальной иннервации гиппокампа и развития зубчатой фасции.
Научно-практическая значимость работы. Представленные в диссертации материалы важны для понимания организации деятельности мозга в процессе запоминания и хранения поступающей информации. Исследованные свойства синаптической пластичности на модели болезни Альцгеймера (нарушение холинергической иннервации гиппокампа) и при нарушении развития мозга в результате интоксикации антимитотическими веществами in utero (инъекция метилазоксиметанола в перинатальный период развития животного) важны для понимания нейронных механизмов этих патологий и, следовательно, для поиска возможных путей их преодоления.
Положения, выносимые на защиту. 1. Эффективность тетанизаций, воспроизводящих физиологически адекватные паттерны активации афферентных волокон, в значительной степени определяется вовлечением ГАМК- и холинергической систем. Так, высокая эффективность тета-тетанизаций в процессе индукции гиппокампальной ДП обусловлена подавлением быстрых ГАМКд-зависимых ТПСП, вызванных тестирующими стимулами, в результате их взаимодействия с
медленными ГАМКв-зависимыми ТПСП, вызванными кондиционирующей стимуляцией. Высокая эффективность ассоциативных паттернов существенно зависит от активации эндогенной холинергической системы.
-
Гомосинаптическая и ассоциативная ДП имеют сходные базовые механизмы поддержания, состоящие из двух или более фаз. Механизмы ранней фазы ДП локализованы преимущественно пресинаптически. В течение 1-2 часов они трансформируются в механизмы более поздних фаз с иной локализацией.
-
Синаптическая пластичность является необходимым, но не достаточным условием запоминания новой информации. В норме ДП популяционного пика в области СА1 положительно коррелирует со способностями животных ориентироваться в водном лабиринте. При нарушениях обучения и памяти синаптическая пластичность может изменяться (пример - воздействие антимитотических веществ в период эмбриогенеза), либо оставаться неизменной (пример-нарушение холинергической иннервации гиппокампа взрослых животных).
Апробация диссертации. Материалы диссертации
докладывались на научных конференциях и симпозиумах, включая: XXVIII Совещание по проблемам высшей нервной деятельности, посвященное 140-летию со дня рождения акад. И.П.Павлова (Ленинград, 1989); VIII Международный нейрофизиологический симпозиум (Магдебург, 1990); Научный Совет "Физиология человека и животных" АН УССР (Донецк, 1991); Всесоюзный симпозиум (Киев, 1991); Пятая конференция по нейрофизиологии обучения и памяти (Ирвин, Калифорния, 1992); XVII, XVIII и XIX Международные конгрессы Европейской ассоциации нейронаук (Вена, 1994; Амстердам, 1995; Страсбург, 1996); Третьи научные чтения им. акад. АМН Саркисова С.А. и симпозиум „Современные
представления о структурно-функциональной организации мозга" (Москва, 1995); Четвертый международный конгресс по нейронаукам IBRO (Киото, 1996), а также в лекциях и на семинарах в Институте мозга РАМН (Москва), Институте психиатрии (Лондон), Отделе нейробиологии Института биофизической химии им. Макса Планка (Геттинген), Университете Онтарио (Торонто), Лаборатории нейробиологии и патофизиологии развития Национального института медицинских исследований (Париж).
Публикации. Описанные в работе данные отражены в 33 публикациях: 17 статьях, из которых 9 опубликованы в международных изданиях, а также в 16 тезисах докладов, из которых 10 отражают доклады на международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методического раздела, пяти глав с изложением и обсуждением экспериментальных результатов, общего заключения и выводов. Работа изложена на .242 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы и 55 рисунков. Список цитированной литературы включает 512 источников.