ких процессов синтезируется циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). За счет двойного действия на аденилатциклазу Са2+ и серотонина возрастает образование цАМФ. Активированные киназы фосфорилируют белки ионных каналов. Киназа А взаимодействует с белками кальциевых каналов и открывает их для входа ионов кальция. Киназа С фосфорилирует белки калиевых каналов, вызывая
143
Рис. 31. Зависимое от активности пресинаптическое облегчение у аплизии (по Э. Кэнделу и Р. Хокинсу, 1992).
их закрытие. Это уменьшает калиевый ток из нейрона и калиевую гиперполяризацию, следующую за ПД и ВПСП, что приводит к удлинению ПД. На рис. 31 показана цепочка реакций, приводящих к инактивации К-каналов, вызываемой возбуждением модулирующих нейронов. Продление ПД удерживает потенциал-зависимые Са2+-каналы в открытом состоянии, что увеличивает в нейроне содержание свободного кальция и выброс медиатора. Фосфорили-рование калиевых каналов (S-каналов ) рассматривается как одна из форм кратковременной памяти, которая ограничена временем жизни белка, образующего S-каналы, и легко стирается при воздействии фосфопротеинфосфотаз (дефосфорилирующих S-каналы).
События, разворачивающиеся на постсинаптическом нейроне у млекопитающих в ситуации обучения, связаны с особой группой рецепторов, медиатором для которой служит глутамат. Среди них различают NMDA-рецепторы (они селективно активируются синтетическим аналогом глутамата N-метил-О-аспартатом) и не-NMDA-рецепторы. Каналы, связанные с NMDA-рецепторами, имеют двойные ворота, открывающиеся при выполнении двух условий: мембрана должна быть сильно деполяризована, а к рецептору должен присоединиться медиатор глутамат (рис. 32). Каналы, связанные с NMDA-рецепторами, находясь в открытом состоянии, пропускают очень большой поток ионов Са2+. Эта их отличительная особенность очень важна для механизма памяти. He-NMDA-рецепторы, реагируя на глутамат, сразу открывают кальциевые
144
Рис. 32. Внутриклеточные процессы в постсинаптическом нейроне гиппо-кампа, реагирующего на глутамат (по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).
ионные каналы без дополнительных условий и Са2+ входит в нейрон. Это создает уровень деполяризации нейрона, который необходим для реакции NMDA-рецепторов. Деполяризация нейрона снимает блокаду с NMDA-каналов, которая осуществляется внеклеточным магнием (Mg). Изменения на постсинаптической мембране с участием NMDA- и He-NMDA-рецепторов наиболее хорошо изучены у нейронов гиппокампа на модели долговременной
145
Привыкание
Многократное раздражение сифона
Раздражение сифона
Сенситизация
Повторное раздражение головы
Ток ионов Са2+ через потенциал-зависимые кальциевые каналы "снижается
Потенциал-зависимые Саг*-каналы инактивируются
Слабая реакция мотонейрона
Раздражение сифона
Калиевые каналы
l инактиви-\ руются
V
JF1 Количество
выделяемого/-^-.". • • ~—--«.^медиатора ***"^ возрастает
Продолжительное поступление Са2+ вследствие того, что инактивация калиевых каналов увеличивает длительность потенциала действия
Сильная реакция мотонейрона
Рис. 33. Механизм передачи сигнала от сенсорного нейрона к моторному,
участвующего во втягивании жабры у аплизии при привыкании (а) и син-
ситизации (б) (по Б. Альбертсу и др., 1994).
потенциации. Показано, что NMDA-рецепторы играют ключевую роль в долговременной потенциации. Если такие каналы селективно блокировать с помощью специального ингибитора, то долговременная потенциация не происходит, хотя синаптическая передача не нарушается. При этом животное теряет способность к тому виду научения, который связан с гиппокампом. Искусственно регули-146
руя внутриклеточный уровень ионов Са2+, можно усилить потен-циацию или предотвратить ее. Ионы Са2+, войдя в постсинапти-ческую клетку, соединяются с кальмодулином и в конечном счете активируют зависимые от него киназы. Предполагается, что кина-зы стимулируют синтез ретроградного мессенджера, который проникает в пресинаптический нейрон и там дополнительно усиливает выброс из него медиатора глутамата.
Ионные процессы при сенситизации и привыкании в системе сенсорный нейрон — моторный нейрон, отвечающей за исполнение рефлекса втягивания жабры у аплизии (по результатам опытов Э. Кэндела), схематически представлены на рис. 33. При сенситизации, которую можно вызвать у моллюска ударами по голове, активируются модулирующие нейроны. Они образуют на пресинап-тических окончаниях сенсорного нейрона синапсы, выделяющие серотонин. Серотонин через аденилатциклазу, с которой он взаимодействует, приводит к инактивации калиевых каналов, что создает условия для удлинения ПД у сенсорного нейрона. В результате сенсорный нейрон может выделять больше нейромедиатора в синаптическую щель, чем обычно. Аналогичный эффект сенситизации у этих же нейронов можно получить, прикладывая серотонин непосредственно к их мембране.
При привыкании повторяющееся возбуждение сенсорных клеток (на раздражение сифона) изменяет белки ионных каналов таким образом, что приток Са2+ в клетку падает за счет инактивации кальциевых каналов и количество высвобождаемого медиатора в синаптическую щель уменьшается.
Рассмотренные выше привыкание и сенситизация — очень простые формы научения. При ассоциативном научении процессы, происходящие в нервных клетках, значительно более сложны. Однако нейронные механизмы пластичности и связанные с ними ионные процессы, определяющие сенситизацию и привыкание, используются и в системе ассоциативного обучения. Так, события, развертывающиеся в нейроне во время сенситизации, могут быть обнаружены на начальном этапе ассоциативного обучения нейрона.
Отличительной особенностью ассоциативного обучения является наличие подкрепления, в роли которого может выступать сильное безусловное раздражение. Формирование ассоциации у нейронов предполагает наличие конвергенции подкрепляющего раздражителя и будущего условного сигнала. Механизмы условного рефлекса детально были изучены на нейронах моллюсков. Особенно следует отметить вклад, который внесли работы Э. Кэндела и его коллег, выполненные на морском моллюске аплизии. У моллюска имеется простой безусловный оборонительный рефлекс в
147
виде втягивания жабры, служащей органом дыхания, в ответ на раздражение его тела с противоположной стороны от жабры (сифона — мясистого отростка). Рефлекс вызывается возбуждением сенсорных нейронов сифона, которые прямо контактируют с мотонейронами жабры, а также с рядом интернейронов, образующих синапсы на тех же мотонейронах. Кроме того, рефлекс может быть вызван раздражением и других частей тела, в частности «хвоста», электрическая стимуляция которого и была использована в качестве безусловного раздражителя при выработке условного рефлекса. Установив, что у моллюска можно выработать условный оборонительный рефлекс — втягивание жабры — на слабое тактильное раздражение сифона, подкрепляемое электрическим ударом по «хвосту», авторы исследовали связи между сенсорными нейронами сифона и их клетками-мишенями — мотонейронами и интернейронами. Было обнаружено, что после выработки условного рефлекса слабая стимуляция сенсорных нейронов, связанных с сифоном, одновременно начинает вызывать возбудительные синап-тические потенциалы как в интернейронах, так и в моторных, что и определяет появление условнорефлекторного втягивания жабры. Э. Кэндел и Р. Хокинс (1992) так описывают результаты своих исследований по выработке условного оборонительного рефлекса у аплизии. Безусловный раздражитель — электрический удар по «хвосту» — активирует модулирующие нейроны, выделяющие се-ротонин. Таким образом, безусловный раздражитель представлен в сенсорном нейроне опосредованно через модулирующие нейроны. Условный раздражитель на сенсорном нейроне представлен их собственной активностью. Пунктом их конвергенции в сенсорном нейроне является аденилатциклаза, активация которой через два входа создает эффект, аналогичный сенситизации. Повышение проводимости через синапс в пресинаптическом нейроне, возникающее при ассоциативном обучении за счет совпадения активирующих влияний, поступающих через разные входы, требует от них соблюдения определенных временных отношений. Условный сигнал должен опережать действие безусловного на некоторый критический интервал времени. Это правило временных отношений условного и безусловного раздражителей было сформулировано И.П. Павловым. Для условного рефлекса втягивания жабры время опережения условным сигналом безусловного составляет около 0,5 с. Модулирующие нейроны, активированные болевым раздражением «хвоста» и действующие как усилители, вызывают большее пре-синаптическое облегчение сенсорных нейронов, если последние незадолго до этого находились в активном состоянии. Стимуляция же одних модулирующих нейронов вызывает меньшее синапти-148
Пресинапти-ческий нейрон
Пресинапти-ческий нейрон
Пост-
синапти- Пресинапти-ческий ческий нейрон • нейрон
Модулирующий нейрон
Пост-синапти-ческий нейрон
Рис. 34. Два принципа обучения: пре-постсинаптическое совпадение —
синапс Хебба (а) и обучение,'зависимое от модулирующего нейрона, —
пре-модулирующее совпадение, или зависимое от активности облегчение (б)
(по Э. Кэнделу, Р. Хокинсу, 1992).
ческое облегчение. Поэтому необходимо опережение безусловного раздражителя активацией пресинаптического нейрона, которая представляет действие условного раздражителя.
Это свойство пресинаптического облегчения, зависящее от вклада модулирующих нейронов, в 1963 г. Л. Тауц и Э. Кэндел назвали обучением, зависящим от активности (рис. 34), и стали его рассматривать как новый принцип обучения. Поэтому к первому принципу обучения, предложенному в 1949 г. Д. Хеббом, добавился второй. Принцип Д, Хебба утверждает необходимость совпадения активности пресинаптического и постсинаптического нейронов как условие усиления связи между ними (пре-постсинаптическое совпадение}. Он получил название «синапс Хебба*. Согласно второму принципу для усиления связи между нейронами активность постсинаптической клетки не нужна, если одновременно с пресинаптической клеткой активирован третий нейрон — модулирующий (пре-модулирующее совпадение).
Суть обучения, зависящего от активности, составляет одновременная активация фермента аденилатциклазы ионами Са2+, входящими в нейрон во время генерации ПД, и серотонином от модулирующих нейронов.
Появление пресинаптического облегчения в составе ассоциативного обучения за счет участия модулирующих нейронов доказано при формировании условного оборонительного рефлекса у виноградной улитки. В системе оборонительного рефлекса улитки модулирующие нейроны представлены пулом серотонинергичес-
149
ких клеток педального ганглия. Их модулирующее влияние широко распространяется в том числе и на пресинаптические окончания сенсорных нейронов на командном нейроне оборонительного рефлекса. Избирательная блокада модулирующих нейронов препятствует выработке условного рефлекса. Сопровождение условного сигнала ударом тока активирует модулирующие нейроны, которые запускают механизм пресинаптического облегчения.
Неясно, как далеко можно экстраполировать данные, полученные на моллюсках. Таков ли клеточный механизм фиксации следов памяти и у других животных? Э. Кэндел и Р. Хокинс полагают, что при обучении у моллюска и у млекопитающих действуют сходные механизмы, использующие модулирующее вещество, вызывающее зависимое от активности усиленное выделение ней-ромедиатора из пресинаптического нейрона. По их мнению, долговременная потенциация в гиппокампе как одна из форм обучения млекопитающих требует участия специального гипотетического модулирующего вещества.
6.5. ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ПОТЕНЦИАЦИЯ
И ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ДЕПРЕССИЯ КАК ВЫРАЖЕНИЕ ПЛАСТИЧНОСТИ В БИДИРЕКЦИОННОМ СИНАПСЕ
После того как в мозжечке было открыто явление долговременной депрессии (ДВД) и ее удалось связать с механизмом выработки мигательного условного рефлекса, интерес к изучению ДВД резко возрос. ДВД в мозжечке выявлена в отношении возбудительной передачи и развивается на синапсах параллельных волокон — сенсорного пути к клеткам Пуркинье. Для ее появления требуется сочетание стимуляции параллельных волокон, представляющих условный сигнал, со стимуляцией лазящих волокон, проводящих сигнал от безусловного раздражителя к клеткам Пуркинье. ДВД сегодня выявлена не только в мозжечке, но и в новой коре, гиппокампе, таламусе и др.
Какой эффект появится: ДВД или ДВП — зависит от того, какова частота стимуляции путей к пресинаптическому нейрону и каков уровень поляризации мембраны постсинаптического нейрона. В коре и гиппокампе высокочастотная стимуляция обычно вызывает ДВП, низкочастотная — ДВД. В мозжечке, наоборот, высокочастотная совместная стимуляция параллельных и лазящих волокон приводит к развитию ДВД.
Оказалось, что ДВД и ДВП более тесно связаны между собой, нежели представляли раньше. Оба явления могут быть воспроизведены на одном и том же синапсе (рис. 35). Синапс, в котором 150
Порог модификации
Уровень
постсинаптического возбуждения
ДВД-1
Рис. 35. Зависимость появления долговременной потенциации (ДВП)
и долговременной депрессии (ДВД) в бидирекционном синапсе от порога
модификации и уровня постсинаптического возбуждения.
можно при определенных условиях получить ДВП или ДВД, получил название бидирекционного. Он принципиально отличен от синапса Хебба, требующего пре-постсинаптического совпадения. Ему не нужно подкрепления в виде активации постсинаптического нейрона. Так, ДВД можно получить ритмической стимуляцией, когда мембрана постсинаптического нейрона гиперполяризована.
Полагают, что пластические изменения у такого бидирекционного синапса в виде появления ДВП и ДВД обусловлены действием ритмической стимуляции на особый тип рецепторов, возбуждение которых открывает каналы для впуска в клетку мощного потока ионов кальция. Такими свойствами обладают рецепторы NMDA. Их активация аналогична действию безусловного раздражителя. Высокочастотная стимуляция, вызывающая ДВП, действует непосредственно через NMDA-рецепторы. Хотя не исключается, что высокочастотный раздражитель может открывать и потенциал-зависимые кальциевые каналы. А это означает возможное подключение и постсинаптического нейрона, т.е. участие подкрепления полностью не исключается.
Для объяснения свойств бидирекционного синапса вводится понятие «порог модификации». Он соответствует определенной комбинации уровня постсинаптического возбуждения и частоты стимуляции, при которой не возникает ни ДВП, ни ДВД. Порог модификации — это некая критическая точка, в которой происходит переход от ДВП к ДВД. Только уход от порога модификации определяет появление ДВД или ДВП. Порог модификации — скользя-
151
щая величина, он может сдвигаться как в одну, так и в другую сторону в зависимости от состояния постсинаптического нейрона. Его скольжение получило название «пластичности синоптической пластичности» или «метапластичности».
В качестве возможных механизмов «метапластичности» рассматривают кальций-зависимые изменения активности внутриклеточных веществ. В их роли выступают протеинкиназы, вызывающие фосфорилирование белков, и протеинфосфотазы, инициирующие обратный процесс — дефосфорилирование. Баланс между фосфо-рилированием и дефосфорилированием определяет появление ДВП или ДВД. При малой интенсивности постсинаптического возбуждения преобладает активность фосфотазы, что приводит к дефосфори-лированию. При сильном возбуждении доминирует процесс фос-форилирования.
В некоторых случаях ДВД можно было получить только после предварительно вызванной ДВП. Такая ДВД была названа депо-тенциацией. Недавно были выявлены ДВП и ДВД тормозной передачи в неокортексе и в мозжечке. ДВП и ДВД противоположно действуют в отношении возбудительных и тормозных входов. Так, увеличение концентрации Са2+ в нейронах коры вызывает ДВП возбудительного входа и ДВД тормозного, и наоборот. В мозжечке увеличение содержания ионов Са2+ в нейронах ведет к ДВД возбудительного входа и ДВП тормозного.
6.6. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ
Повышенный интерес к изучению молекулярных механизмов памяти в 50—60-х годах был вызван работами известного шведского нейрохимика X. Хидена, изучавшего роль рибонуклеиновой кислоты (РНК) в процессах памяти и положившего начало исследованию кодирования приобретаемого навыка последовательностью нуклеотидов РНК. Он изучал содержание РНК и белков в нейронах вестибулярной системы у обученных крыс и кроликов. Крыс тренировали взбираться по наклонно натянутой проволоке, к концу которой прикреплялась приманка.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50