Синаптическая пластичность, отличная от хеббовского типа

СЕКЦИЯ 2
А.С. БАЗЯН
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
bazyan@mail.ru
СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ, ОТЛИЧНАЯ
ОТ ХЕББОВСКОГО ТИПА ПЛАСТИЧНОСТИ
Аннотация
Повышенную чувствительность ГАМКА рецептора к пентилентеразолу
вырабатывали ежедневным (24 суток) введением субконвульсивной дозы
пентилентетразола (киндлинг). Выработанная судорожная активность и
повышенная эффективность аллостерической регуляции расформировывается через 7 дней, но воспроизводится через 6 месяцев (аллостерическая
пластичность) независимо от текущей активности рецептора и возрастных
особенностей крыс. Описанный процесс пластичности отличается от пластичности Хеббовского типа тем, что не сохраняется, а расформировывается, но быстро воспроизводится при напоминании.
ГАМКА рецептор является сложным супрамолекулярным рецепторным
комплексом, субъединичная композиция которого включает 5 субъединиц.
К ним относятся: ГАМК рецептор, бензодиазепиновый (БДЗ) рецептор,
пикротоксиновый (ПКТ) рецептор и т.д. ГАМК рецептор является аллостерическим регулятором БДЗ и ПКТ рецепторов и наоборот. Например, пентилентетразол (ПТЗ) взаимодействует с ПКТ рецептором, уменьшает активность ГАМК, БДЗ рецепторов, проводимость хлорного канала и в соответствующих дозах вызывает судорожную активность [8]. Геном нейронов
экспрессирует 19 субъединиц ГАМКА рецептора. Субъединичная композиция рецептора определяет степень аллостерической регуляции. Например,
наличие 2 субъединицы в композиции увеличивает аллостерический эффект диазепама или клоназепама и наоборот. Кроме того, отсутствие 2
субъединицы увеличивает блокирующий эффект цинка [8] и т.д.
Показано, что выработка повышенной судорожной активности
(киндлинга) приводит к модификации аллостерической регуляции ГАМК А
рецептора, модификации экспрессии генов судъединиц рецептора [3, 7], и
как следствие, изменение субъединичной композиции рецептора [3]. Описанный процесс схож с процессом глутаматергической пластичности, который наблюдается при высокочастотной стимуляции гиппокампа [9] и
считается основой процессов обучения и памяти. В то же время, гиппо-
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
83
СЕКЦИЯ 2
кампальный киндлинг вырабатывается длительной высокочастотной стимуляцией гиппокампа [7].
Целью данных экспериментов было исследование процессов аллостерической регуляции рецепторов ГАМКА рецепторного комплекса, и их
способность к длительным пластическим перестройкам. В связи с этим,
задачей экспериментов было исследование регуляции БДЗ рецептора коры мозжечка ПТЗолом. Данная структура была выбрана вследствие того,
что мозжечок и ассоциированные с ним структуры ствола мозга осуществляют моторный контроль, в том числе и судорожных реакций [5], и
принимают активное участие в процессах обучения и памяти [13].
Эксперименты проводили на самцах крыс линии Вистар с исходной
массой 180 – 220 г. ПТЗ («Sigma», США) вводили внутрибрюшинно. Контрольным крысам в аналогичных условиях вводили физиологический раствор. Тяжесть судорог в ответ на введение ПТЗ оценивали в баллах ранее
описанным способом [2]. Контрольных и опытных крыс декапитировали
через разные периоды времени после введения ПТЗ, извлекали кору мозжечка, выделяли мембранную фракцию и с помощью 3Н-диазепама
(68 Ci/mmol, «Amersham», Англия), определяли по Скэтчерду, плотность
рецептора (Вmax – максимальное число мест связывания 3Н-диазепама) и
константу диссоциации (Кd) [2]. Достоверность различий оценивали по tкритерию Стьюдента и по F критерию ANOVA. Результаты представлены
в виде оценок среднего арифметического значения и его средней ошибки
(M±S.E.M.).
В первой серии экспериментов исследовали крыс чувствительных и
резистентных к ПТЗ. Для выявления индивидуальной чувствительности
крыс разделили на две группы по 30 животных в каждой. Животным первой группы однократно вводили ПТЗ в дозе 25 мг/кг. Животным второй
группы – в дозе 30 мг/кг. Из первой группы были выбраны чувствительные животные  тяжесть судорог 2 бала. Из второй группы были выбраны
не чувствительные (резистентные) животные  отсутствие судорог. Часть
крыс (по 6 контрольных, резистентных и чувствительных) декапитировали через 1 ч после введения ПТЗ. Вторую часть крыс, того же состава,
декапитировали через 7 сут. после введения ПТЗ. Исследования показали,
что через 1 час после инъекции ПТЗ у чувствительных крыс наблюдается
достоверное уменьшение плотности БДЗ рецепторов в коре мозжечка
(рис. 1, А), в то время как различий между контрольными и резистентными крысами не наблюдалось. Через 7 сут. после инъекции ПТЗ значительных различий плотности БДЗ рецепторов коры мозжечка между животными трех групп не наблюдалось (рис. 1, А). Не наблюдалось также различий по сродству (Kd) к 3Н-диазепаму между исследованными группами
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
84
СЕКЦИЯ 2
животных ни через 1 ч, ни через 7 сут. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что исходно плотность БДЗ рецепторов
у этих трех групп крыс одинакова. Но, при исходно равной плотности
рецепторов, меньшая доза ПТЗ у чувствительных крыс вызывает более
интенсивный эффект, и по показателям судорожной активности и по показателям связывания 3Н-диазепама, чем более высокая доза у чем более
высокая доза у резистентных крыс. Именно этот процесс и определяется
как эффективность или интенсивность аллостерической регуляции. Как
указывалась выше, эффективность аллостерической регуляции зависит от
состава субъединичной композиции ГАМКА рецептора [8]. Следовательно, можно предположить, что у чувствительных и резистентных крыс
субъединичная композиция ГАМКА рецептора исходно отличается.
Рис. 1. Параметры связывания 3H-диазепама с мембранами коры мозжечка крыс
после однократной инъекции пентилентетразола (ПТЗ). A, плотность бензодиазепиновых рецепторов (Bmax) у контрольных, резистентных и чувствительных крыс
через 1 час и 7 суток после инъекции ПТЗ в дозах 30 и 25 мг/кг соответственно. Б,
плотность бензодиазепиновых рецепторов (Bmax) у крыс через 1, 48 часов и 7 суток после инъекции пентилентетразола (ПТЗ) в дозе 50 мг/кг. *pt < 0,05
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
85
СЕКЦИЯ 2
Во второй серии экспериментов исследовали острые судороги. Крысам
однократно вводили ПТЗ в дозе 50 мг/кг. Эта доза вызывала высокую судорожную активность. Крыс декапитировали (по 6 контрольных и опытных) через 1, 48 часов и 7 суток после введения ПТЗ. Было показано, что
плотность БДЗ рецепторов достоверно уменьшается через 1 час после
инъекции ПТЗ и удерживается на этом уровне в течение 48 часов. К 7 суткам плотность БДЗ рецепторов возвращается к исходному уровню (рис. 1,
Б). Константы диссоциации остались без изменения.
Повышенную чувствительность к ПТЗ можно выработать экспериментально. Крысам ежедневно вводили субконвульсивную дозу ПТЗ (20 мг/кг
в течение 24 сут). Такое воздействие вызывает постепенное повышение
чувствительности животных к действию конвульсанта. Это выражается в
том, что не действующая ранее субконвульсивная доза ПТЗ вызывает судороги, тяжесть которых нарастает с течением времени и завершается
генерализованным клонико-тоническим припадком. После выработки
повышенной чувствительности крыс декапитировали (по 6 контрольных и
опытных) через 1, 48 часов и 7 суток после последнего введения ПТЗ. Результаты, полученные после выработки повышенной чувствительности
(киндлинга) (рис. 2) идентичны результатам, полученным после острых
судорог (рис. 1, Б). Длительное до 48 часов уменьшение плотности БДЗ
рецепторов, с возвращением к исходному уровню на 7-е сутки (рис. 2).
При этом константа диссоциации не менялась. Такое длительное уменьшение плотности БДЗ рецепторов можно объяснить только модификацией
экспрессии генов. Известно, что, несмотря на ионотропную природу
(хлорный канал) ГАМКА рецептора, его БДЗ рецептор вызывает метаботропную (метаболическую) реакцию. Показано, что бензодиазепины запускают экспрессию генов через протеинкиназу С [10] и экспрессируют
белки субъединиц ГАМКА рецептора [6]. Кроме того, в интервале от 4 до
48 часов после выработки киндлинга обнаруживается двухфазная модификация экспрессии генов субъединиц ГАМКА рецептора, которая нормализуется на 5ые сутки [7]. Эти результаты идентичны нашим результатам.
Следовательно, можно предположить в основе выработки повышенной
чувствительности ГАМКА рецептора лежит модификация его субединичной композиции через модификацию экспрессии генов.
Сохранение высокой чувствительности к ПТЗ исследовали у контрольных и киндлтнговых крыс через 6 месяцев, однократным тестирующим введением ПТЗ (20 и 30 мг/кг). Выработанная повышенная чувствительность сохранялась на 6 месяцев, но не полностью. Соответствующие
выработке результаты воспроизводились при дозе ПТЗ 30, но не при дозе
20 мг/кг, которая использовалась при выработке. Повышенная чувствиУДК 004.032.26(06) Нейронные сети
86
СЕКЦИЯ 2
тельность начинает проявляться с 5 мин (рис. 3). Первый пик активности
выявляется на 20 мин, второй – на 35 мин, вместо 5 и 20 мин у контрольных крыс. Общая длительность и тяжесть судорожной активности значительно увеличена.
Рис. 2. Плотность бензодиазепиновых ре-цепторов (Bmax) в мембранах коры мозжечка крыс через 1, 48 часов и 7 суток после киндлинга, и однократ-ного тестирующего введения пентилентет-разола (ПТЗ), через 6 месяцев. *p(t) < 0,05 относительно контроля, **p(t) < 0,01 относи-тельно контроля, xp(t) < 0,05 относительно
киндлинга
Для определения плотности рецепторов и их сродства, в этой серии
были декапитированы 3 группы крыс (по 6 крыс в каждой группе): контрольные животные – физиологический раствор за 1 час до декапитации;
киндлинг контроль – физиологический раствор за 1 час до декапитации,
крысам с высоким уровнем судорожной активности 6 месяцев назад;
киндлинг + ПТЗ – с тестируемыми судорогами при введении ПТЗ
(30 мг/кг) за 1 час до декапитации. Отдельно были исследованы 10ти месячные животные (по 6 крыс в каждой группе): контроль – физиологический раствор за 1 час до декапитации; острые судороги – ПТЗ (30 мг/кг) за
1 час до декапитации. Эти животные по возрасту соответствуют киндлинговым животным.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
87
СЕКЦИЯ 2
Через 6 месяцев после выработки киндлинга наблюдалось значительное уменьшение плотности БДЗ рецепторов коры мозжечка по сравнению
с контрольными крысами (рис.2). Конвульсии, вызванные тестирующей
инъекцией ПТЗ (30 мг/кг) сопровождалось достоверным увеличением
плотности БДЗ рецепторов (рис. 2). Причем это не простое увеличение
плотности рецепторов, а воспроизведение того уровня, который был выработан 6 месяцев назад и определен через 1 и 48 часов после выработки
киндлинга (рис.2). Константы диссоциации остались без изменений. Конвульсии, вызванные ПТЗ в дозе 30 мг/кг у контрольных 10-ти месячных
крыс, сопровождались изменениями совершенно другого типа. Уменьшение плотности (Bmax, в 1,51 раза, pt < 0,05) БДЗ рецепторов коры мозжечка
и уменьшение их сродства к 3Н-диазепаму (константа диссоциации – Kd, в
1,36 раза, pt < 0,05). На основании полученных результатов можно сделать
вывод о том, что вновь выработанная эффективность аллостерической
регуляции консолидируется, и воспроизводиться через 6 месяцев независимо от текущей активности БДЗ рецепторов и независимо от возрастных
особенностей функционирования этих рецепторов. Увеличение эффективности аллостерической регуляции и его воспроизведение, через длительное время, независимо от текущего состояния рецепторов можно
назвать аллостерической пластичностью.
Рис. 3. Тяжесть судорог у контрольных и киндлинговых крыс, через 6 месяцев
после выработки при тести-рующей инъекции пентилентетразола (ПТЗ) в дозе
30 мг/кг. *pF < 0,05
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
88
СЕКЦИЯ 2
Как указывалось выше, консолидацию аллостерической пластичности
можно объяснить модификацией экспрессии генов и изменением субъединичной композиции ГАМКА рецептора. На основании результатов
полученных спустя 6 месяцев, можно предположить, что приобретенная
субъединичная композиция рецептора практически сохранилась, несмотря
на явные возрастные изменения, выявленные у этих животных. Такой вывод можно сделать на основании того, что латентный период воспроизведения судорожной активности у киндлингрвых животных составил 5 мин.
Этого времени явно недостаточно для экспрессии генов. Следовательно,
экспрессия генов в процессе воспроизведения не участвует. Тогда, на что
же были потрачены эти 5 мин?
Увеличение плотности БДЗ рецепторов (рис. 2, киндлинг + ПТЗ по отношению к киндлингу, через 6 месяцев) является показателем увеличения
активности ГАМК рецептора и усилением торможения. Но хорошо известно [2], что в основе ПТЗ судорог лежит процесс перевозбуждения,
который сопровождается уменьшением процесса торможения (рис. 1).
Тогда, можно предположить, что воспроизведение (через усиление) уровня ГАМКергического торможения и воспроизведения судорожной активности сопровождается воспроизведением консолидированного уровня
процессов возбуждения. На взаимодействие ГАМК и глутаматергических
рецепторов указывает несколько работ. Показано, что NMDA-рецептор
вовлекается в процесс формирования киндлинга, вырабатываемого
1,4-БДЗ обратным агонистом – FG 7142 [4]. Агонисты БДЗ рецептора ингибируют [4], а антагонисты облегчают [11] NMDA-индуцируемую высокочастотную длительную потенциацию. Так как экспрессия генов не
участвует в процессе воспроизведение, то можно предположить, что воспроизведение процессов возбуждения осуществляется через внутриклеточное взаимодействие ГАМК и глутаматергических рецепторов через
процессы фосфорилирования. Эти процессы вполне укладываются в 5-ти
минутный интервал.
Можно ли считать, что процессы аллостерической пластичности,
наблюдаемые нами, участвуют в процессах обучения и памяти? Медленное воспроизведение судорожной активности через 6 месяцев очень
напоминает медленное воспроизведение условнорефлекторной памяти
через большой интервал после обучения. Известно, что в этом случае для
воспроизведения рефлекса требуется больше сочетаний, чем в последний
день тестирования, но меньше сочетаний, чем в день выработки. Кроме
того, длительная потенциация при высокочастотной стимуляции считается клеточной моделью обучения, несмотря на то, что длительное предъявУДК 004.032.26(06) Нейронные сети
89
СЕКЦИЯ 2
ление высокочастотной стимуляции вырабатывает киндлинг (повышенную судорожную готовность). В то же время судорожное состояние является амнестическим фактором, ПТЗ (50 мг/кг) судороги вызывают амнезию [1], но эта амнезия вызвана диссоциированным состоянием. Субконвульсивная доза ПТЗ (30 мг/кг) воспроизводит рефлекс полностью, приблизительно также как и при описанных выше экспериментах. На основании этого мы предполагаем, что процессы аллостерической пластичности
функционируют как при процессах обучения и памяти, так и при судорожных состояниях. Разница в том, что эти процессы диссоцированы относительно друг друга. Судорожное состояние это генерализованное состояние и процессы пластичности протекают во многих клетках одновременно, а при процессах обучения и памяти механизмы пластичности реализуются в отдельных нейронах или в отдельных локальных сетях.
Как при судорожных состояниях, так и при процессах обучения и памяти формируются нейронные сети определенной конфигурации (пространственно-временная топология сети), которые организовываются на
основании процессов ГАМК и глютаматергической синаптической пластичности. Предполагается, что процессы синаптической пластичности
это жесткие модификации синаптической активности, которые сохраняются на всю жизнь [9]. При этом возможны образование новых синапсов,
прорастание терминалей и другие подобное процессы. Все эти процессы
формируют жесткие синаптические связи и жесткую конфигурацию
нейронной сети. Например, однократная инъекция пилокарпина в дозе
150 мг/кг вызывает хроническую эпилепсию тэмпоральной зоны [3]. Показано, что хроническая эпилептическая активность связана с пластической модификацией ГАМКА рецептора на уровне экспрессии генов и с
морфологическими изменениями в зубчатой фасции гиппокампа. Предполагается [3], что морфологические изменения связаны с прорастанием
новой дополнительной терминали из аксонального холмика к телу собственного нейрона.
Полученные нами результаты указывают на принципиально другой
механизм консолидации хранения и воспроизведения памяти, отличающийся от хеббовского принципа. Этот механизм основывается также на
модификации экспрессии генов и субъединичной композиции рецептора.
Но необходимо отметить два принципиально разных момента. В основе
уменьшения ГАМКА рецепторной реакции представленной на рис. 1 (Б) и
рис. 2 (через 1 и 48 часов) лежат два типа реакций. В первом случае
(рис. 1. Б) меняется плотность рецептора, то есть вероятнее всего часть
рецепторов интернализуется в мембрану. А во втором случае (рис. 2 через
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
90
СЕКЦИЯ 2
1 и 48 часов) модифицируется субъединичная композиция рецептора. Это,
возможно, означает, что конечная выработанная реакция может консолидироваться формированием новых специфических параметров элементов
системы.
Второй момент связан с процессом расформирования нейронной сети
после обучения. Восстановление плотности ГАМК А рецептора через неделю (рис. 2, 7-й день) указывает на расформирования специфической
топологии нейронной сети (по крайней мере, в мозжечке), так как ГАМКА
рецептор единственный известный ионотропный (постсинаптический,
генерирующий ТПСП) тормозной рецептор головного мозга млекопитающих. Выработанная аллостерическая пластичность (рис. 2, через 6 месяцев) приводит к тому, что активность ГАМК А рецептора, при напоминании, воспроизводится скачком, независимо от текущей активности рецептора. Это означает, что специфическая конфигурация нервной сети также
воспроизводится скачком при напоминании независимо от текущей конфигурации сети.
Список литературы
1. Базян А.С., Гецова В.М., Орлова Н.В. Фармакологическое напоминание эмоционального состояния облегчает воспроизведение амнезированного следа памяти // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2000. Т. 86. № 5. С. 578-587.
2. Bazyan A.S., Zhulin V.V., Karpova M.N., Klishina N.Y. and Glebov R.N. Long-term reduction of benzodiazepine receptor density in the rat cerebellum by acute seizures and kindling and
its recovery six months later by a pentylenetetrazole challenge // Brain Res. 2001. V. 888. № 2. P.
212-220.
3. Coulter, D.A. Epilepsy-associated plasticity in gamma-aminobutyric acid receptor expression, function, and inhibitory synaptic properties // Int. Rev. Neurobiol. 2001. V. 45. P. 237-252.
4. Higashima M., Kinoshita H., Koshino Y. Differences in the effects of zolpidem and diazepam on recurrent inhibition and long-term potentiation in rat hippocampal slices // Neurosci. Lett.
1998. V. 245. № 2. P. 77-80.
5. Ito M. Movement and thought: identical control mechanisms by the cerebellum // Trends
Neurosci. 1993. V. 16. № 10. P. 448-450.
6. Johnston J.D., Price S.A., Bristow D.R. Flunitrazepam rapidly reduces GABA(A) receptor
subunit protein expression via a protein kinase C-dependent mechanism // Br. J. Pharmacol. 1998.
V. 124. № 7. P. 1338-1340.
7. Kokaia, M., Pratt, G. D., Elmer, E., Bengzon, J., Fritschy, J. M., Kokaia, Z., Lindvall, O.
and Mohler, H. Biphasic differential changes of GABAA receptor subunit mRNA levels in dentate
gyrus granule cells following recurrent kindling-induced seizures // Mol. Brain Res. 1994. V. 23.
№ 4. P. 323-332.
8. Macdonald, R. L. and Olsen, R. W. GABAA receptor channels. // Annu. Rev. Neurosci.
1994. V. 17. P. 569-602
9. Mayford M., Abel T., Kandel E.R. Transgenic approaches to cognition // Cur. Opin.
Neurobiol. 1995. V. 5. № 1. P. 141-148.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
91
СЕКЦИЯ 2
10. Niles L.P., Smith L.J., Tenn C.C. Modulation of c-fos expression in the rat striatum by diazepam // Neurosci. Lett. 1997. V. 236. № 1. P. 5-8.
11. Seabrook G.R., Easter A., Dawson G.R., Bowery B. J. Modulation of long-term potentiation in CA1 region of mouse hippocampal brain slices by GABAA receptor benzodiazepine site
ligands // Neuropharmacol. 1997. V. 36. No 6. P. 823-830.
12. Stephens D.N.; Turski L. Kindling to the benzodiazepine receptor inverse agonist, FG
7142: evidence for involvement of NMDA, but not non-NMDA, glutamatergic receptors // Neuropharmacol. 1993. V. 132. № 10. P. 1011-1817.
13. Thompson R.F., Bao S., Chen L. Cipriano, B. D., Grethe, J. S., Kim, J. J., Thompson, J.
K., Tracy, J. A., Weninger, M. S. and Krupa, D. J. Associative learning // Intern. Rev. Neurobiol.
1997. V. 41. P. 151-189.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
92