Клеток пуркинье мозжечка

ОСОБЕННОСТИ АКТИВНОСТИ “БЫСТРЫХ” И “МЕДЛЕННЫХ”
КЛЕТОК ПУРКИНЬЕ МОЗЖЕЧКА
Подладчикова Л.Н.1, Бондарь Г.Г.1, Дунин-Барковский В.Л.2
1
НИИ нейрокибернетики им. А.Б.Когана РГУ, 344090, Ростов-на-Дону,
пр. Стачки, 194/1
2
Институт проблем передачи информации РАН, 101447, Москва, ГСП-4,
Большой Каретный пер., 19
Поступила в редакцию
Аннотация
В коре мозжечка морской свинки по соотношению быстрых и медленных
компонент в сложных импульсах (СИ) выделено три группы клеток Пуркинье
(КП): быстрые, промежуточные и медленные. КП быстрого типа в сравнении
с КП медленного типа имели следующие свойства: 1) преобладание
высокочастотных компонент в СИ (в среднем, 5 компонент с периодом около
2мс против
двух компонент с периодом около 4 мс); 2) короткая
длительность простых импульсов (ПИ) (2,13±0,53 мс против 3,9±0,65 мс) и
быстрое восстановление их амплитуды после предыдущего ПИ (через
2,83±0,75 мс против 11,0±2,82 мс); 3) выраженный пик отдачи в гистограммах
функции восстановления ПИ (3,09±1,64 против 1,45±0,36) и интенсивная
активация ПИ после СИ (2,81±1,64 против 1,26±0,52). У КП всех типов в
первичных фазах активности ПИ после СИ обнаружено укорочение
межимпульсного интервала (средний интервал 5,25±2,71 мс против 9,71±3,48
мс в отсутствие СИ). Предполагается, что свойства СИ зависят от типа КП и
являются важным фактором, влияющим на характер взаимодействия в КП
входов лианных и параллельных волокон.
Ключевые слова: мозжечок, клетки Пуркинье, лианное волокно, свойства
сложных импульсов, клетки Пуркинье-близнецы
Введение
Одна из центральных проблем исследований коры мозжечка связана с
уникальными по своим морфо-функциональным свойствам элементами лианными волокнами (ЛВ) и их ролью в настройке связей мозжечка [2-7].
Одна клетка - источник лианных волокон (далее - лианная клетка (ЛК)) дает
синапсы на нескольких (в среднем, на 10) клетках Пуркинье (КП) [8]. Пары
КП, которые иннервируются одной ЛК ("КП-близнецы", [9]) могут оказаться
чрезвычайно удобным объектом для экспериментальной верификации гипотез
о функциях ЛВ [1, 10-12]. Регистрация активности таких пар сложна, и в
литературе описано лишь несколько пар КП с общей ЛК [1, 13]. Первый
пример такой пары с регистрацией сложных импульсов (СИ) у двух КП,
расположенных на расстоянии несколько миллиметров приведен в [13]. В [9]
методом синхронного суммирования выявлены полевые низкоамплитудные
СИ, которые обусловлены действием коллатералей аксонов ЛК, вызывающих
СИ у референтных КП. Второй пример “КП-близнецов” и пока единственный
в литературе случай регистрации активности как СИ, так и ПИ у двух КП с
общим источником СИ описан в [1]. Оказалось, что характеристики формы
СИ, вызванных активностью разных ветвей аксона одной ЛК существенно
различаются. В настоящей работе предпринята попытка систематического
изучения разнообразия формы СИ у КП и анализа взаимосвязи между формой
СИ и другими свойствами активности данной КП. Предварительные
результаты опубликованы ранее [14].
Методика
Внеклеточные потенциалы КП регистрировались в передней доле червя
мозжечка 7 морских свинок. Многоэлектродное сканирование электрической
активности проведено в узких сагиттальных полосках (около 400 мкм
шириной и 2500 мкм длиной) поверхностных лепестков в условиях фоновой
активности. Компьютерная обработка сигналов проводилась с помощью
специальных программ [12], обеспечивающих возможность оценки различных
параметров активности КП во всей выборке зарегистрированных СИ и ПИ и в
частных выборках, формируемых при наложении дополнительных условий,
таких как наличие или отсутствие СИ или ПИ в определенном временном
окне до или после текущего импульса. Параметры СИ и ПИ измерялись по
усредненным потенциалам. Для последовательностей импульсов строились
гистограммы
функции
восстановления
ПИ
и
гистограммы
функции
кросскорреляции СИ и ПИ. Анализ взаимосвязи между формой СИ и другими
видами активности данной КП был проведен у тех КП (n=44), у которых на
протяжении времени регистрации (от 10 до 60 минут) активность была
стационарна, т.е. не было заметно признаков ухудшения функционального
состояния клеток. Подробности методики описаны в [1, 14].
Результаты
Особенности формы сложных импульсов клеток Пуркинье с общим
лианным волокном. Накопленная компьютерная база экспериментальных
данных содержит 14 парных регистраций фокальной активности в коре
мозжечка,
которые
импульсами,
включают
вызванными
потенциалы,
разными
ветвями
обусловленные
аксона
одной
сложными
ЛК.
Эти
регистрации представлены одной парой КП с идентифицируемыми СИ и ПИ у
обеих клеток, одной парой КП с СИ без ПИ и 12-ю парами - с наличием СИ и
ПИ в одном из отведений (референтном) и низкоамплитудных СИ в другом
(тестовом) отведении, выявляемых при синхронной суммации потенциалов в
обоих отведениях (синхронизация по началу СИ в референтном отведении).
Два примера полученных данных иллюстрирует Рис. 1. В обоих случаях
видны существенные различия формы СИ в референтном (вверху) и тестовом
(внизу) отведениях. Подобные различия формы СИ обнаружены в 10 из 14
случаев регистрации пар КП с общим ЛВ.
Рис. 1. Два примера (а, б) СИ в референтном отведении активности КП
(верхние кривые, отмечены ) и суммированных СИ в тестовом отведении
(нижние кривые). Расстояние между электродами в референтном и тестовом
отведениях 400 мкм (а) и 600 мкм (б); n - количество усредненных
потенциалов. В случае (а) индивидуальные СИ и ПИ идентифицировались как
в референтном, так и тестовом отведениях.
Характеристика активности клеток Пуркинье с различной формой
сложного импульса. На основании анализа усредненных потенциалов СИ за
все время регистрации данной клетки выделено 3 группы КП в зависимости от
соотношения медленной и быстрых компонент СИ: 1) КП с СИ быстрого типа
(медленная составляющая СИ или отсутствует, или имеет амплитуду
меньшую, чем у быстрых компонент, СИ состоит, в среднем, из 5 колебаний с
периодом около 2мс (1,61±0,44 мс); 2) КП с СИ промежуточного типа (в СИ
идентифицируются как низко-, так и высокочастотные компоненты, СИ
состоят, в среднем, из трех колебаний, имеющих период около 2 мс (2,31±0,65
мс) и амплитуду около половины амплитуды медленной составляющей; 3) КП
с СИ медленного типа (высокочастотные компоненты СИ или вообще не
выражены, или представлены небольшими волночками (в среднем, двумя),
имеющими амплитуду менее 1/5 основного колебания и средний интервал
3,23±0,81 мс. Как показал анализ результатов усреднения потенциалов в 5-и
последовательных выборках по 50 СИ у каждой из КП, несмотря на
значительную вариабельность параметров СИ, его тип оставался неизменным
в течение всего времени регистрации данной КП. Наряду с выраженностью
быстрых и медленных компонент, СИ трех типов различаются по амплитуде
потенциала, следующего за основным комплексом колебаний СИ – платопотециала [4] (отношение к максимуму амплитуды СИ, в среднем, равно 0,12,
0,20 и 0,23, соответственно), и интервалу между препотенциалом (в тех
случаях, когда он выявлялся) и основным колебанием (в среднем, 0,98, 0,80 и
2,39 мс). Пример активности нейронов трех групп иллюстрирует Рис. 2.
Видно, что КП с разной формой СИ имеют также различия в параметрах ПИ.
Так, для КП с СИ быстрого типа характерна слабая выраженность медленной
составляющей потенциала действия и как следствие - короткая длительность
ПИ в целом (в среднем, 2,13±0,53 мс против 3,67±1,91 мс и 3,9±0,65-мс для
КП с СИ промежуточного и медленного типов, соответственно). Кроме того, у
КП с быстрым типом СИ наблюдалось быстрое восстановление амплитуды
ПИ после предыдущего ПИ (в среднем, через 2,83±0,75 мс против 7,25±2,83
мс и 11,0±2,82 мс, соответственно). Для каждой КП динамика амплитуды ПИ
оценивалась во фрагментах активности без СИ (отсутствие СИ в интервале
±200 мс от референтного ПИ) по усредненным потенциалам действия,
следующим за предыдущим с некоторым фиксированным интервалом (1, 2, 3,
…, 15 мс). Пример результатов такого анализа представлен на Рис. 2.2. Видно,
что в отличие от КП быстрого типа, у КП промежуточного и медленного
типов ПИ, генерируемые с интервалом 3 мс после референтного не возникали,
а последующие ПИ имели меньшую амплитуду.
Рис. 2. Примеры активности КП с СИ быстрого, промежуточного и
медленного типов. 1) в верхнем ряду представлены осциллограммы
регистраций ПИ и СИ, в нижнем ряду - усредненные СИ (слева) и ПИ
(справа), n - количество усредненных потенциалов; 2) в верхнем ряду –
суперпозиция усредненных ПИ, генерируемых с интервалом 4 мсек (слева) и
7 мсек (справа), сплошной линией представлен предшествующий потенциал,
прерывистой - последующий; в нижнем ряду – зависимость амплитуды ПИ от
интервала до предшествующего ПИ.
Гистограммы функции восстановления (АКГ) ПИ, как и гистограммы
функции кросскорреляции (ККГ) между СИ и ПИ также выявляют различия
между тремя группами КП. Для сравнения АКГ и ККГ у нейронов трех групп
было
проведено
два
вида
анализа,
результаты
которых
отражены,
соответственно на Рис. 3 и в Таблице. В первом случае строились
усредненные АКГ и ККГ, позволившие оценить интегральную активность
каждой из трех групп КП. Во втором случае на основе АКГ и ККГ каждой из
КП вычислялись средние параметры активности в соответствующей группе
КП, при этом интенсивность активации определялась как отношение частоты
импульсации во время пика соответствующей гистограммы к среднему
уровню фоновой активности данной КП. Из данных, представленных на Рис. 3
и в Таблице видно, что клеткам с быстрым типом СИ свойственна
выраженная коротколатентная активация ПИ, следующая за начальной
инактивацией (рефрактерным периодом) как после ПИ, так и после СИ, в то
время как у нейронов с медленным типом СИ такое возбуждение проявлялось
как небольшой подьем на фоне торможения. КП с промежуточным типом СИ
по многим параметрам АКГ и ККГ занимают среднее положение между
крайними группами клеток.
Рис. 3. Гистограммы функций восстановления ПИ (1) и кросскорреляции
между СИ и ПИ (2) у КП с СИ быстрого, промежуточного и медленного
типов. На (1) и (2) верхний ряд – пример гистограмм отдельных нейронов,
нижний ряд – усредненные гистограммы для всей выборки КП данного типа.
Гистограммы нормированы к 50 отсчетным импульсам.
Из представленных результатов следует, что КП с СИ быстрого и
медленного типов различаются по совокупности свойств активности, в
частности, по соотношению быстрых и медленных компонент СИ и их
частоте, амплитуде плато-потенциала, длительности ПИ и интервалу
восстановления их амплитуды, форме АКГ ПИ и ККГ между СИ и ПИ и
длительности периода инактивации ПИ после СИ. При этом, однако, они
имеют близкую частоту ПИ и СИ.
Таблица 1. Параметры активности клеток Пуркинье со сложными импульсами
быстрого, промежуточного и медленного типов.
Параметры активности
Быстрый
Промежуточный
Медленный
n=11
n=19
n=14
7,79±1,54
8,45±1,63
10,60±2,40
Частота, Гц
1,06±0,50
1,09±0,29
0,93±0,45
Частота, Гц
64,65±34,97
56,28±27,28
62,43±28,98
21,22±10,00
18,32±6,50
35,31±24,07
2,81±1,64
1,75±0,85
1,26±0,52
3,09±2,12
1,63±0,51
1,45±0,36
9,25±2,95
8,71±3,37
9,12±3,94
Длительность,
СИ
Тип сложного импульса
мс.
Длительность
инактивации
после СИ, мс.
Интенсивность
активации после
ПИ
СИ, отн.ед.
Интенсивность
активации в
АКГ ПИ, отн.ед.
Латентный
период пика
АКГ ПИ, мс.
Атипичные простые импульсы после сложных импульсов. Во время
основного комплекса колебаний СИ и сразу после него ПИ, типичные для
данной КП, чаще всего не возникали (длительность фазы инактивации у КП
быстрого типа – около 20 мс, у КП медленного типа - около 40 мс). Вместе с
тем, изредка во время СИ и с большей вероятностью при переходе от
основного комплекса колебаний СИ к плато-потенциалу могли возникать
атипичные ПИ, имевшие меньшую (или большую), чем до СИ, амплитуду (в
среднем, на 27,12±15,38 %), большую длительность, иное соотношение фаз,
приуроченность к моментам изменения полярности основного потенциала.
Визуальный просмотр регистраций активности КП показал, что нередко такие
атипичные ПИ генерируются в виде разрядов с более коротким интервалом,
чем во фрагментах активности без СИ, причем первые ПИ часто возникают с
наименьшим интервалом (см. Рис. 2). Для количественной оценки этих
различий был проведен следующий анализ. В активности каждой КП были
выбраны для сопоставления первичные фазы активности ПИ после СИ
длительностью 20 мс и фрагменты активности без СИ (отсутствие СИ в
течении 250 мс до и 50 мс после ПИ). Начало первичной фазы активности ПИ
после периода полной инактивации определялось индивидуально для каждой
КП по ККГ между СИ и ПИ, оно варьировало в зависимости от типа КП и
чаще всего было равным 10 – 30 мс после начального фронта СИ. Затем
строились распределения интервалов между ПИ в двух видах фрагментов
активности каждой КП за все время регистрации. На Рис. 4 представлены
сводные результаты такого анализа. Видно, что КП с СИ всех типов и с
различными доминирующими межимпульсными интервалами проявляют
укорочение интервала между ПИ в фазу активности непосредственно после
СИ (средний интервал 5,25±2,71 мс против 9,71±3,48 мс в отсутствие СИ), при
этом наиболее выраженный сдвиг проявляют КП с быстрым типом СИ.
Рис. 4. Сводное распределение интервалов между ПИ в первые 20 мс после
СИ ( ) и фрагментах активности без СИ ( ) у клеток Пуркинье с СИ
быстрого (1), промежуточного (2) и медленного (3) типов. а) КП с
доминирующим интервалом ПИ в фоновой активности до 10 мс; б) КП с
доминирующим интервалом ПИ более 10 мс.
Тот или иной набор свойств атипичных ПИ и время, в течение которого
они возникали, зависил от многих факторов (тип и длительность СИ,
выраженность плато-потенциала, частота ПИ, предшествующих СИ, и пр.);
при этом падение амплитуды первых ПИ и укорочение длительности
доминирующего
межимпульсного
интервала
в
фазу
активности
непосредственно после СИ проявляли все проанализированные КП и эти
эффекты никогда не обнаруживались (тестировано 30 пар КП) после СИ
одновременно
отводимых
других
КП
(даже
одним
и
тем
же
микроэлектродом). Анализ свойств активности пары КП с общим ЛВ показал,
что по параметрам СИ и ПИ одна из КП, СИ которой представлены на Рис.1, а
вверху может быть отнесена к “быстрому” типу, в то время как другая (Рис.
1,а, внизу) - к “медленному”.
Обсуждение
Полученные результаты свидетельствуют о корреляция ряда параметров
активности ПИ и СИ у данной КП. Такая корреляция и сохранение типа СИ в
течение всего времени регистрации данной КП позволяют предположить, что
тип СИ может определяться морфо-функциональными особенностями КП.
Представленные
данные
свидетельствуют
о
зависимости
характера
взаимодействий СИ, связанных с активностью ЛВ, и ПИ, обусловленных
входами от зернистых клеток (параллельных волокон (ПВ)), от свойств СИ.
Несмотря на то, что в литературе накоплено большое количество данных о
существенной дивергенции морфологических и функциональных свойств КП
в коре мозжечка [4, 16, 17], в частности, по их размеру, свойствам СИ, уровню
мембранного потенциала и виду гистограмм ККГ между СИ и ПИ, корреляция
различных свойств одной и той же КП ранее не былы описана. В свете
полученных данных основной причиной различия активности [1] КП,
иннервируемых одним и тем же ЛВ, может являться различие типа СИ КПблизнецов. Не исключено, что ансамбли таких КП могут быть образованы
"быстрыми"
и
"медленными"
клетками,
имеющими
различный
тип.
реактивности мембраны и, возможно, разный размер тел клеток. Аналогичная
гетерогенность клеток в мотонейронных пулах и в функциональных группах
зрительной сенсорной системы (клетки типа X, Y, W) является хорошо
документированным фактом [15]. Проблема гетерогенности свойств КП в
исследуемых ансамблях высокой специфичности (группах КП с общим ЛВ)
требует дальнейшого экспериментального исследования.
Обнаруженный сдвиг в частотном ранге генерации ПИ сразу после СИ в
сторону коротких интервалов, соответствующих частоте компонент СИ и
пачек импульсов ЛВ [3, 4], особенно у КП быстрого типа, указывает на
возможность кодирования информации о СИ в выходной активности КП с
помощью групп ПИ, что согласуется с известными данными о характерных
паттернах активности КП после активации входов ЛВ [18] и нередких случаях
отведения от аксонов КП пачек импульсов [4]. В свете данных, полученных
при высокочастотной стимуляции аксонов КП коры мозжечка [19],
функциональная роль таких пачек импульсов может состоять, в частности, в
избирательной активации системы торможения внутри ядер мозжечка.
Полученные
факты
в
некоторой
степени
позволяют
объяснить
противоречивость известных экспериментальных данных, направленных на
верификацию гипотезы Бриндли-Марра-Олбуса [4, 5], поскольку они
свидетельствуют о выраженной зависимости характера влияния входов ЛВ на
активность, опосредованную ПВ, от типа СИ. Кроме того, нельзя исключить
возможность того, что атипичные ПИ, генерируемые во время и сразу после
СИ, могут быть обусловлены прямым раздражающим действием СИ (или его
компонент) на мембрану КП, а не потенциацией входов ПВ. В поздние фазы
после СИ в большинстве случаев ПИ имели типичную для данной КП форму
(за исключением 5 КП, у которых ПИ с атипичными свойствами возникали в
течение 300-500 мс после СИ) и их ЛП был не фиксирован относительно СИ.
Очевидно,
эти
факторы
следует
учитывать
при
экспериментальном
тестировании гипотез о взаимодействии ЛВ и ПВ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда
фундаментальных исследований, грант № 00-04-49344.
Литература
1. Дунин-Барковский В.Л., Маркин С.Н., Подладчикова Л.Н., Вунч Д.С. //
Биофизика, 1999, Т. 43, С.1094.
2. Dunin-Barkowski W.L. // In: Soc. Neurosci. Abstr., 2000, V. 26, Part 2, P. 1988.
3. Eccles J.C., Ito M., Szenthagotai J. // The cerebellum as a neuronal machine.
Springer - Verlag, N-Y, Heidelberg, Berlin. 1967.
4. Ito M. // The cerebellum and neural control. New York, Raven Press, 1984.
5. Marr D. // J. Physiol., 1969, V.202, № 4, P. 437.
6. Sasaki K., Bower J.M., and Linas R. // European J. of Neurosci., 1989, V.1,
P.572.
7. Torii K., Kitsukawa T., Kunifuji S., and Matsuzawa T. //. In: Proc. Vision,
recognition, action: neural models of mind and machine. 1997, Boston, USA, P.31.
8. Смолянинов В.В // В кн.: Модели структурно-функциональной организации
некоторых биологических систем. М: Наука, 1966, C. 203.
9. Dunin-Barkowski W.L., Larionova N.P. // Biol. Cybernetics, 1985, V.51, P.399.
10. Дунин-Барковский В.Л., Маркин С.Н., Подладчикова Л.Н. // Биофизика,
1997, Т. 42, C., 516.
11. Дунин-Барковский В. Л., Маркин С.Н., Подладчикова Л.Н. // В сб.:
Проблемы нейрокибернетики, Ростов-на-Дону, 1999, C. 204.
12. Маркин С.Н. Разработка алгоритмов, методов и средств исследования
нейронных ансамблей высокой специфичности. Канд. дисс., РГУ, Ростов-наДону, 1997.
13. Bell C.C., Kawasaki T. // J. Neurophysiol., 1972, V. 35, P. 155.
14. Подладчикова Л.Н., Бондарь Г.Г., Дунин-Барковский В.Л. // В мат-лах
конф. Нейроинформатика - 2001, Москва, Т. 1, С. 243.
15. Orban G.A. //. In: Studies of brain.function. Berlin-Heidelberg, N-Y, Tokyo,
1984.
16. T.J. Ebner, J.R.Bloedel. // J. Neurophysiol., 1981, V. 45, P. 962.
17. Hsiao C.F., R.Huang, H.Mu, C.Huang. In: Soc. Neurosci. Abstr., 1990, V.16,
Part 1, P.894.
18. T.J. Ebner, J.R.Bloedel. //- J. Neurophysiol., 1981, V. 45, P. 933.
19. Pedroarena C.M., C.Schwartz. // In: Soc. Neurosci. Abstr, 2000, p. 1987.
ACTIVITY PECULARITIES OF “ FAST” AND “SLOW” PURKINJE CELLS OF
THE CEREBELLUM .
Podladchikova L.N.1, Bondar G.G.1, Dunin-Barkowski W.L.2
1
Kogan Research Institute for Neurocybernetics, 194/1 Stachki Ave,
Rostov-on-Don, 344090, Russia
2
Information Transmission Problems Institute, Russian Academy of Sciences,
19 Bol'shoi Karetnyi, Moscow, GSP-4, 101447, Russia
Abstract
In the guinea pig cerebellar cortex, 3 types of the Purkinje cells (PC) have been
identified according to complex spikes (CS) properties: fast, intermediate, and slow
cells. Fast PCs have following activity properties as compared with slow PCs:
(i) salient components with short intervals in CSs (in the average, 5 components
with period about 2 ms versus 2 components with period about 4 ms); (ii) short
duration of simple spikes (SS) (in the average, 2,13±0,53 ms versus 3,9±0,65-ms)
and quick restoration of SS amplitude after preceding SS (in the mean, 2,83±0,75
ms versus 11,0±2,82 ms); (iii) more pronounced rebound in SS auto-correlation
histogram (3,09±2,12 versus 1,45±0,36) and short-latency excitation of SSs after
CSs (2,81±1,64 versus 1,26±0,52). Decrease of inter-spike intervals in SS activity
of all PCs has been revealed (5,25±2,71 ms versus 9,71±3,48 ms in activity
fragments without CSs). It is supported that CS properties depend on PC type and
may be one of basic factors determining interactions between climbing and parallel
fiber inputs in the PCs.
Key words: cerebellum, Purkinje cells, climbing fiber, complex spike properties,
twin Purkinje cells