Фундаментальные основы пластичности нервной системы

В.Г. Скребицкий, М.Б. Штарк

Научный центр неврологии РАМН, Москва Институт молекулярной биологии и биофизики СО РАМН, Новосибирск

Фундаментальные основы пластичности нервной системы

Основой пластичности нервной системы является модификация эффективности синаптической передачи: длительная потенциация или депрессия. Применение современных технологий — регистрация ионных токов отдельных клеток, молекулярно-генетический анализ, нейровизуализация, компьютерное моделирование и другие методы — раскрывают молекулярные механизмы, лежащие в основе синаптической пластичности, что в свою очередь открывает перспективы фармакологической коррекции и генной терапии неврологических расстройств, связанных с болезнью Альцгеймера, алкоголизмом, гипоксией, старением и различными формами нарушения обучения и памяти.

Ключевые слова: синаптическая пластичность, гиппокамп, болезнь Альцгеймера.

(Вестник РАМН. 2012; 9: 39-44).

Под пластичностью в современной нейронауке понимают способность нервной ткани к адаптивным перестройкам [1]. Основой пластичности нервной системы является синаптическая пластичность, т.е. способность синапсов увеличивать или уменьшать свою эффективность в зависимости от определенных функциональных условий. На синаптической пластичности в мозге основаны, по крайней мере, следующие системные процессы:

— развитие нервной системы;

— компенсаторные реакции;

— обучение и память.

В настоящем докладе мы сконцентрируем внимание на синаптической пластичности, лежащей в основе обучения и памяти. Очень важным фактором в этой связи был поиск адекватной модели, которая, с одной стороны, воспроизводила бы реальные физиологические процессы, а с другой — была бы доступна для анализа на молекулярно-биологическом и генетическом уровнях. Такая модель была предложена в 1973 г. норвежскими учеными Блиссом и Ломо [2]. Суть ее продемонстрирована на рис. 1, где видно, что высокочастотная стимуляция коллатералей Шафера (пучка волокон, идущих от поля СА3 к полю СА1 гиппокампа) приводит к значительному увеличению ответа на одиночное раздражение, которое сохраняется в течение десятков минут, часов, дней, а при опре-

V.G. Skrebitskii, M.B. Shtark

Research Center of Neurology Russian Academy of medical Science, Moscow Institute of Molecular Biology and Biophysics Siberian Division of RAMS, Novosibirsk

The Fundaments of Neuronal Plasticity

Plasticity of the nervous system is determined by the modification of efficacy of synaptic transmission: long- term potentiation and long- term depression. Different modern technical approaches such as: registration of ionic currents in single neuron, molecular- genetic analysis, neurovisualization, and others reveal the molecular mechanisms of synaptic plasticity. The understanding of these mechanisms, in its turn, stimulates the development of methods ofpharmacological correction of different forms of brain pathology such as Alzheimer disease, parkinsonism, alcoholism, aging and others. Key words: Synaptic plasticity, hippocamp, long term potentiation, early genes, protein S-100B, Alzheimar’s disease, alcoholism, donepesil, noopept, patch- clamp method, ionic currents.

(Vestnik Rossiiskoi akademii meditsinskikh nauk — Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2012. 9: 39—44).

%

300

200

100

Рис. 1. Длительная потенциация синаптических связей в гиппокампе.

39

деленных условиях стимуляции — недель и месяцев, т.е. времени, сопоставимым с реальной памятью и обучением [3]. Это явление получило название длительной потенциации (ДП). Молекулярные механизмы ДП в настоящее время достаточно хорошо изучены. Они связаны с активацией определенных

подтипов глутаматных рецепторов, входом в клетку ионов кальция, запуском внутриклеточных биохимических каскадов, транслокацией циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в ядро клетки, акти-

вацией ранних генов, и, в конечном счете, изменением конформации рецепторного белка и его чувствительности к глутамату, а также образованием новых синапсов (рис. 2).

40

Рис. 2. Молекулярные механизмы длительной потенциации.

30 60

120

c-fos

30 60

120 мин

Рис. 3. Динамика содержания мРНК є^-1, ^т, при дли-

тельной потенции в поле СА1 гиппокампа крысы.

Примечание. По оси абсцисс — время после тетанизации, по оси ординат — кратность увеличения экспрессии относительно контроля (нететанизированные срезы).

* — р<0,05; ** — р<0,01.

Поскольку активация ранних генов является одним из ключевых звеньев в этой цепочке процессов, мы задались целью изучить динамику содержания матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК) для трех ранних генов во время развития ДП. С использованием метода цепной полимеразной реакции (ПЦР) нами было показано, что содержание, по крайней мере, двух из них (е^-1 е^ип) растет параллельно с развитием ДП [4] (рис. 3).

На рис. 4 в виде схемы представлены основные процессы, происходящие в шипике дендрита во время ДП. Упомянутая выше активация ранних генов приводит к транскрипции мРНК, которая транспортируется в шипик

дендрита и там под влиянием выделяющегося медиатора запускает цепь биохимических процессов, приводящих к реструктуризации формы шипика, увеличению постси-наптического уплотнения (т.е. числа постсинаптических рецепторов) и, в конечном счете, увеличению синаптической эффективности [5].

Необходимо также отметить, что помимо возрастания содержания мРНК белков, определяющих эффективность синаптической передачи, нами было обнаружено увеличение содержания мРНК белка S-100B, представленного в основном в глиальных клетках, что поднимает важный вопрос об участии астроглии в регуляции эффективности синаптической передачи [6] (рис. 5).

Далее будет рассмотрен вопрос о возможности использования ДП в гиппокампе для анализа различных форм мозговой патологии, связанной с нарушением синаптической пластичности, и путей их фармакологической коррекции. К изучаемым формам патологической пластичности относятся, по крайней мере, следующие:

— действие амилоидного пептида (болезнь Альцгеймера);

— алкоголизм;

— гипоксия;

— старение;

— «генетические нокауты».

Мы остановимся более подробно на изучении двух первых форм нарушений синаптической пластичности.

41

a Basal state

b Translation activation

c Arc-dependent consolidadion

gggjg F-actin NMDA CID AMP V BDNF O Arc A Cofilin TrkB ©Phosphate

receptor receptor ^

New \New O Glutamate PSD ^o^RNA - containing ^ ^ Stored mRNA

F-actin Arc mRNA '—' granule

Рис. 4. Синаптическая стимуляция приводит к активации синтеза белков в шипике: увеличению числа актиновых нитей и постсинаптических рецепторов.

42

321 -

S100B

30 60 120

Рис. 5. Динамика содержания мРНК S100B при длительной потенции в поле СА1 гиппокампа крысы.

Примечание. По оси абсцисс — время после тетанизации, по оси ординат — кратность увеличения экспрессии относительно контроля (нететанизированные срезы).

* — р<0,05; ** — р<0,01.

200

ne)

I 150 a b of

% 100 e pi

p-s 50 Po

0

Abeta 200 nM + donepezii

ЇВДШІ-

0.5

Controi

1

0.1

с

0 10 20 30 40 50 60

HFS ^ Time

2-^

Controi

______I 2 mV

5 ms

Abeta 200 nM

Abeta 200 nM + donepezii

Рис. 6. Донепезил восстанавливает длительную потенциацию, нарушенную амилоидным пептидом (Abeta).

Хорошо известно, что болезнь Альцгеймера, являющаяся тяжелым нарушением когнитивных способностей, связана с образованием в мозговой ткани бляшек, образованных р-амилоидным пептидом (Abeta). Механизмы повреждающего действия Abeta на синаптическую пластичность изучены далеко не полно. Мы провели исследование, в котором показали, что введение пептида в проточную жидкость, в которой находится срез гиппокампа, до начала высокочастотной стимуляции приводит к полному подавлению индукции ДП [7].

В то же время введение в проток вместе с Abeta доне-пезила (препарата, используемого для лечения болезни Альцгеймера) устраняет повреждающее действие пептида дозозависимым способом (рис. 6). Более детально механизмы этого эффекта еще предстоит выяснить.

Другой моделью патологического нарушения когнитивных способностей является подавление ДП при введении в проточную жидкость этилового спирта, который помимо прочих его эффектов является блока-тором НМДА ^-метил^-аспартат) подтипа глута-матных рецепторов, что, видимо, определяет его повреждающее действие на ДП. Нами было исследовано действие на синаптические процессы ряда коротких пептидов, обладающих ноотропной активностью и синтезированных в НИИ фармакологии РАМН [8]. Один из них, синтезированный на основе пролина и получивший название Ноопепт, используется в клинической практике и продается в аптеках. Нами было обнаружено, что Ноопепт (наряду с другим пептидом — пироглютамила-спарагином) обладает способностью восстанавливать ДП, нарушенную алкоголем [8] (рис. 7).

Для более детального исследования препарата, мы проанализировали механизм его действия на ионные токи в отдельных пирамидных клетках поля СА1 срезов гиппокампа. На рис. 8 показаны пирамидные клетки в слое stratum pyramidalis (слева) и отдельная клетка с регистрирующим микроэлектродом (справа); внизу приведены спонтанные тормозные токи, зарегистрированные

стимулирующий электрод

регистрирующий 200 электрод

150

^ Perforant path

Laterai 100

І\ЛаН iol 1

Schaffer coiiaterai^^gjg^ii|C

commissuar fibres

%

200

150

100

50

I I

50

% 200 і 150 100 50

-30 -15 0 15 30 45 60

d

+++++++++++

С

200 і

150

100

___I 2mB

5ms

50

% 250 -і 200 150 100

t

I I

___I 2mB

5ms

-30 -15 0 15 30 45 60

e

JL

-30 -15 0 15 30 45 60

-30 -15 0 15 30 45 60

контроль этанол + Ноопепт + АВП

Рис. 7. Нарушение длительной потенциации в гиппокампе под действием этанола и ее восстановление при совместной аппликации этанола с Ноопептом и АВП(4-9).

c

мин

мин

Пирамидные клетки в поле СА1 гиппокампа

Path-clamp

регистрация

л^лЛ'чЛ^/у\/W

в этой клетке. На рис. 9 представлен типичный пример увеличения ноопептом амплитуды (А—Е) и частоты (^ спонтанных тормозных токов. Усиление тонического торможения нейронов гиппокампа, очевидно, лежит в основе анксиолитического действия препарата, возможно, в какой-то степени опосредующего его ноотропную активность. Другая, мнемотропная сторона его действия, возможно, связана с модуляцией глутама-тергической передачи, что является дальнейшей задачей нашего исследования.

А T

f

Рис. 8.

100 pA

100

43

E

400 pA 100 ms

Controi

D

125 100

75

— Controi c

— Noopept 50

— Wash

25 0

10 pA|_____

20 msec

100

75

pa50

25

0

Controi Noopept Wash

— Noopept

50 100 150 200 0 50 100150200250300350400 -2-1 01 23456789101112

pA pA min

Рис. 9. Действие Ноопепта на амплитуду и частоту спонтанных ТПСТ в пирамидных нейронах поля CA1.

А

B

C

F

0

ЛИТЕРАТУРА

1. Kandel E.R., Schwartz J.H., and Jessell T.M. Principles of Neuronal 6.

Science. McGrow-Hill. 2000.

2. Bliss T.VP., Lomo T. Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. J Physiol. 1973; 232: 331—336.

3. Скребицкий В.Г Влияние нейрорегуляторов на синаптическую активность гиппокампа. Успехи физиологичеких наук. 7.

1985; 4: 35-48.

4. Соколова О.О., Штарк М.Б., Лисачев П.Д., Пустыльняк В.О.,

Эпштейн О.И. Динамика экспрессии ранних генов при долговременной посттетанической потенциации в поле СА1 гиппокампа крыс. БЭБиМ. 2009; 147: 227-229. 8.

5. Bramham C.R., Wells D.C. Dendritic mRNA: transport and function. Nature Publishing Group. 2007; 8: 776-789.

Lisachev P.D., Shtark M.B., Sokolova O.O., Pustylnyak V.O., Salakhutdinova M.Yu., Epstein O.I. A Comparison of the Dynamics of S100B, S100A1, and S100A6 mRNA Expression in Hippocampal CA1 Area of Rats during Long-TermPotentiation and after Low-Frequency Stimulation. Cardiovascular Psychiatry and Neurology. 2010; Article ID 720958: 1-6.

Kapai N.A., Bukanova Yu.V., Solntseva E.I., Skrebitsky V.G. Donepezil in a narrow concentration range augments control and impaired by beta-amiloid peptide hippocampal LTP in NMDA- independent manner. Cell. Molec. Neurobiol. 2012; 32: 219-226.

Гудашева Т.А., Островская Р.У., Трофимов С.С. Пептидные аналоги пирацетама как лиганды предполагаемых ноотропных рецепторов. Хим. Фарм. Журн. 1985; 11: 1322-1328.

8. Капай Н.А, Чепкова А.Н., Гудашева Т.А., Морозова А.А., Скребицкий В.Г Амид пироглютамиласпарагина нормализует развитие длительной потенциации в срезах гиппокампа крыс. Бюл. Эксп. Биол и мед. 2004; 8: 176—179.

9. Kondratenko R.V, Derevyagin VI., Skrebitsky VG. Novel nootropic dipeptide Noopept increases inhibitory synaptic transmission in CA1 pyramidal cells. Neuroscience Letters. 2010; 476: 70-73.

КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Скребицкий Владимир Георгиевич, доктор биологических наук, профессор, член-корр. PАН и PАМН, заведующий

лабораторией функциональной синаптологии отдела исследований мозга ФГБУ «НЦН» PАМН

Адрес: 125319, Москва, ул. Черняховского, д. 4/7

Тел./факс: (495) 917-23-82

E-mail: skrebitsky@yahoo.com

Штарк Марк Борисович, доктор биологических наук , профессор, академик PАМН, руководитель отдела физики

и биоинженерии Института молекулярной биологии и биофизики

Адрес: б30117, Новосибирск, ул. Тимакова, д. 2

Тел./факс: (383)335-98-47

E-mail: mark@soramn

44