СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ

СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ
Цикл лекций
Пресинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
Кафедра нейродинамики и нейробиологии ННГУ
Мухина И.В.
Нижний Новгород, 2008
Синаптическая пластичность
Пластичность
взрослого мозга
Синаптическая пластичность
Кратковременная
(секунды, минуты)
Системная пластичность
Долговременная
(часы, дни, года)
•Фасилитация (мс);
•Усиление (с);
•Посттетаническая потенциация (мин)
Депрессия
Кратковременная СП
- изменение величины секреции
медиатора
Проявляется в:
1. Увеличении секреции медиатора:
- облегчении или фасилитации (несколько
сотен мс);
- уcилении (augmentation) (несколько с);
- посттетанической потенциации (десятки
мин).
2. В уменьшении секреции медиатора:
- депрессии.
В основе кратковременных форм СП лежат разнообразные:
1. пресинаптические механизмы, связанные с:
•повышением концентрации и изменением динамики спада
внутриклеточного кальция,
•изменениями величины входящего кальциевого тока,
•удлинением временного хода секреции,
•нарушением соотношения между тратой и восполнением запаса
медиатора.
•структурно-функциональной организацией активных зон нервных
окончаний. При разрушении активных зон под действием
фармакологических агентов способность синапсов к пластичности
практически исчезает.
2. постсинаптические механизмы, связанные с:
•повышением (потенциацией) чувствительности постсинаптических
рецепторов к медиатору;
•снижением (десенситизацией) чувствительности постсинаптических
рецепторов к медиатору.
В зависимости от выраженности тех или иных процессов при различных
параметрах активности и условиях функционирования синапса преобладает либо
облегчение, либо депрессия секреции медиатора.
Пресинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
•
Физиологическое свидетельство квантового
освобождения получили Б.Кац и П. Фетт
(1952) при изучении синаптической области
нервно-мышечного волокна при
микроэлектродном отведении.
Возникновение миниатюрных потенциалов
концевой пластинки (МПКП) – результат
секреции одного кванта ацетилхолина и его
действия на синаптическую мембрану.
•
В результате на постсинаптической мембране концевой
пластинки открываются 1300 каналов (для открытия
Площадь постсинаптической
одного канала требуется 2 молекулы АХ); в синапсе
мембраны в гиппокампе –
гиппокампа – 100 каналов.
2
0,04 мкм
Пресинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
•
•
•
•
Один квант содержит 7000 – 10000
молекул ацетилхолина (содержимое
везикулы почти изотонично аксоплазме).
Квантовое освобождение медиатора
потребовало появления специального
механизма, осуществляющего это
освобождение в нужный момент.
Механизм освобождения кванта
запускается потенциалом действия,
приходящим из тела нейрона по аксону к
синаптической терминали.
Ключевым компонентом этого
механизма являются
потенциалзависимые кальциевые
каналы, которые находятся в
пресинаптической мембране.
Пресинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
Повышение концентрации и изменение динамики спада
внутриклеточного кальция
Деполяризация пресинаптической мембраны
Кратковременное повышение [Ca] в
аксоплазме от 10-8 до 10-4 М
Активация экзоцитоза
Освобождение кванта медиатора в
синаптическую щель
Постсинаптический потенциал
Модуляция синаптической
передачи:
1. Изменение концентрации [Ca] в
наружном растворе;
2. Блокатор кальциевых каналов
(например, кадмий);
3. Пресинаптические рецепторы
(например, ауторецепторы);
4. Тормозной синапс,
предотвращающий генерацию
пресинаптического ПД
Пресинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
•
•
•
•
•
Пиковая концентрация [Ca] возникает кратковременно на 1-1,5 мс.
Кальциевый сигнал называется транзиентным.
[Ca] распределяется в цитоплазме в виде доменов над каналами и
быстро рассасывается путем простой диффузии .
Уборка свободно кальция осуществляется путем:
связывания свободного кальция внутриклеточными буферными
системами;
удаления Са-АТФазой;
компартментализации посредством активного транспорта в ретикулум
и митохондрии.
Экзоцитоз медиатора происходит только вблизи транзиентного
кальция! Дистанция между каналом и активной зоной является
критической для экзоцитоза.
Существует механическая связь между каналом и местом
освобождения медиатора через белки мембраны синтаксин,
синаптотагмин .
Для измерения входа [Ca]
применяют флюоресцентные
красители, которые связываются с
кальцием.
Регистрация кальциевых
протуберанцев осуществляется с
помощью конфокального микроскопа.
<0.1 mM Ca2+
2 mM Ca2+
Пресинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
Изменение величины входящего кальциевого тока
1. Изменение концентрации [Ca] в наружном растворе;
2. Блокатор кальциевых каналов (например, кадмий,
магний);
3. Регуляция через пресинаптические рецепторы
(например, ауторецепторы);
4. Наличие тормозного синапса, предотвращающего
генерацию пресинаптического ПД
*Синхронное высвобождение медиатора требует не только
повышенного уровня [Ca] , но и деполяризации мембраны для
взаимодействия домена синаптотагмина (кальциевый сенсор)
С2В с фосфоинозитидами мембраны, необходимого при
формировании синаптопоры при экзоцитозе (см. далее).
Пресинаптические механизмы
кратковременной синаптической
пластичности
Удлинение временного хода секреции нейромедиаторов
Варианты механизма
экзоцитоза
Кальциевый
буфер ВАРТА
!
Механизм
экзоцитоза
Ca2+ активирует кальций
кальмодулинзависимую
протеинкиназу II
D= 30-50nm
Ca2+
Время образования
новых везикул – от 30 с
до 1 мин
CaM-kinase II
Путь - 100-600 nm
Время диффузии
нейротрансмиттера
через щель - 0,05 мс
α-SNAP, NSF-ATPase и
C2B домен синаптотагмина
обеспечивают
диссоциацию комплекса
SNARE
Механизм экзоцитоза
5. Структурно-функциональная организация активных зон нервных окончаний
Столбнячный
токсин
Ботулин
SNARE – soluble
N-ethylmaleimidesensitive factor
Attechment protein
Receptor
SNARE,
20 мс
Сенсор Ca2+
Синаптопора - 0,2 мс
Пути образования везикул
3
1
2
Синаптическая задержка
Синаптическая задержка – время между началом пресинаптической
деполяризации и началом постсинаптического потенциала.
Обусловлена:
• Временем, необходимым для деполяризации нервного окончания;
• Временем открывания кальциевых каналов;
• Временем увеличения внутриклеточной концентрации кальция,
который запускает процесс экзоцитоза.
В аксоне кальмара синаптическая задержка – 4 мс;
В нервно-мышечном соединении лягушки – 0,5 мс.
• В ответ на 1 ПД высвобождается одновременно 1-300 квантов
* Помимо квантового высвобождения существует постоянная неквантовая утечка медиатора из
пресинаптического окончания в состоянии покоя
Пресинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
Нарушение соотношения между тратой и восполнением запаса
медиатора
•
Нейротрансмиттеры – достаточно простые вещества, синтезируемые в одну или две
ферментативные стадии;
• Исходные продукты для синтеза легко доступны, большинство медиаторов
утилизируется;
• Выбор медиаторов ограничен – одни и те же медиаторы могут служить как для быстрой
(через ионотропные рецепторы), так и для медленной (метаботропные рецепторы)
передачи. Пример: ацетилхолин, глутамат, ГАМК, серотонин, АТФ;
• В настоящее время выявлено более 15 нейротрансмиттеров:
- ацетилхолин,
- амины - норадреналин, дофамин, серотонин, гистамин,
- аминокислоты - глицин, гамма-аминомаслянная кислота, глутамат, аспартат,
- полипептиды – вещество Р, энкефалины и эндорфины,
- пуриновые основания - АТФ, аденин
- газы – NO, CO.
Постсинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
Различают два класса постсинаптических
рецепторов:
Ионотропные
Метаботропные
Быстрые, коэффициент усиления низкий
Медленные, коэффициент усиления высокий
Возбуждающий постсинаптический ток = ВПСТ
Na+/K+ ,
Ca2+каналы
Cl- каналы
Тормозный постсинаптический ток = ТПСТ
K+ каналы
Cl- каналы
Никотиновый ионотропный рецептор
•Через открытые ионные каналы могут проходить ионы калия и
натрия в соотношении 1:1.
•Натриевые и калиевые токи направлены противоположно.
•Соотношение зависит от уровня мембранного потенциала. При
Еm=0 токи оказываются равными 0. Это значение называют
потенциалом равновесия или реверсии синаптического тока
(Еr).
Схема холинергической синаптической передачи
Измерение потенциала реверсии токов концевой
пластинки в нервно-мышечном синапсе методом фиксации
напряжения
Еr
Амплитуда постсинаптического ответа
зависит от уровня потенциала клетки в
данный момент.
Постсинаптические токи по амплитуде
увеличиваются при гиперполяризации
мембраны и уменьшаются при
деполяризации.
ГАМК-рецепторы
Метаботропные ГАМК-рецпторы
Ионотропные ГАМК-рецепторы
GABAa
Градиенты для хлора в процессе развития организма
Схема ГАМКергической синаптической передачи
.
Глутаматные рецепторы
(N-метил-D-аспартат);
AMPA (2-альфа-амино-3гидрокси-5-метил-4изоксазольпропионовая
кислота) ;
KA (каиновая кислота).
Подтипы рецепторов глутамата
Ионотропные
Функциональные
классы
гены
NMDA
Метаботропные
AMPA
KA
Class I
Class II
Class III
NR1
GluR1
GluR5
mGluR1
mGluR2
mGluR4
NR2A
GluR2
GluR6
mGluR5
mGluR3
mGluR6
NR2B
GluR3
GluR7
NR2C
GluR4
mGluR7
mGluR8
NR2D
KA1
NR3
KA2
лиганд-зависимые ионые каналы
И3Ф,
кальций
цАМФ
Система вторичных посредников
1. Ионотпропные АМРА рецепторы
•
•
AMPA-рецепторы обладают меньшим сродством к глутамату, чем NMDA-рецепторы, но они
обладают быстрой кинетикой и формируют быстрый компонент возбуждающего
постсинаптического потенциала.
присутствие в AMPA-рецепторе субъединицы GluR2 (GluRB) меняет его свойства: в открытом
состоянии он становится непроницаем для ионов кальция.
Вольтамперная
характеристика
Функции ионотропных рецепторов не
ограничиваются только открытием канала. Эти
функции связаны со способностью внутриклеточной
карбоксильной терминали взаимодействовать с
широким кругом внутриклеточных белков, которые
волечены в структурно-функциональную
организацию постсинаптического аппарата и
внутриклеточную передачу сигналов. Например,
AMPA-рецепторы активируют тирозин-киназу,
которая запускает каскад митоген-активированной
протеинкиназы.
2. Ионотпропные каинатные рецепторы
Вольтамперная
характеристика
3. Ионотропные потенциалзависимые
NMDA рецепторы
•
•
•
•
•
NMDA-рецепторы состоят из четырех
субъединиц, по 40-92 кД каждая, (двух
NR1 и двух из четырех NR2A, NR2В,
NR2С, N2D). Эти субъединицы
являются гликопротеидлипидными
комплексами.
NMDA-рецептор представляет из себя
целый рецепторно-ионофорный
комплекс, включающий в себя:
1) сайт специфического связывания
медиатора (L-глутаминовой кислоты);
2) регуляторный, или
коактивирующий сайт
специфического связывания глицина;
3) аллостерические модуляторные
сайты, расположенные на мембране
(полиаминовый) и в ионном канале
(сайты связывания фенциклидина,
двухвалентных катионов и
потенциалзависимый Mg2+связывающий участок).
Ионотропные потенциалзависимые
NMDA рецепторы (продолжение)
NMDA-рецепторы обладают рядом особенностей:
• одновременно хемо- и потенциал-чувствительностью,
•медленной динамикой запуска и длительностью эффекта,
• способностью к временной суммации и усилению
вызванного потенциала.
•Наибольшие ионные токи при активации агонистами
возникают при деполяризации мембраны в узком диапазоне
-30- -20 мВ (в этом проявляется потенциалзависимость
NMDA-рецепторов). Ионы Mg2+ селективно блокируют
активность рецепторов при высокой гиперполяризации или
деполяризации.
•Глицин в концентрации 0,1 мкМ усиливает ответы NMDAрецептора, увеличивая частоту открывания канала. При
полном отсутствии глицина рецептор не активируется Lглутаматом .
В некоторых областях мозга для работы NMDAрецептора требуется присутствие D-серина в качестве
коагониста (например, в переднем мозге).
Вольтамперная
характеристика
Метаботропные рецепторы (mGluR)
•
•
•
•
•
•
mGluR рецепторы обладают молекулярной морфологией, сходной с
другими метаботропными G-протеин связанными рецепторами.
То есть они содержат 7 транс-мембранных доменов, внеклеточную
N-терминаль и внутриклеточную COOH-терминаль.
По своему аминокислотному составу они значительно отличаются
от других метаботропных рецепторов, за исключением ГАМКбрецептора: здесь имеется некоторая гомологичность.
Рецепторы группы I активируют фосфолипазу С, продуцирующую
вторичные посредники диацилглицерол и инозитол трифосфат.
Рецепторы группы II и III угнетают активность аденилатциклазы.
Различные mGluR обладают существнено различающейся
чувствительностью к глутамату, причем mGluR7 нечувствительна к
глутамату. Считается, что чувствительность к глутамату зависит от
расположения рецепторов по отношению к синаптической щели.
Методами иммуноцитохимии и электронной микроскопии была
выявлена селективная экспрессия mGluR, причем mGluR7, mGluR8
были связаны с пресинаптической ммбраной, а mGluR2, mGluR3
располагались на пресинаптическом аксоне, на удалении от
синаптической щели.
NAAG является
селективным агонистом
для mGluR3,
L-серин-O-фосфат селективный агононист
группы III метаботропных
рецепторов (mGluR4,
mGluR6, mGluR7,
mGluR8),
L-цистеин сульфиновая кта (L-cysteine sulfinic acid)
является агонистом для
метаботропных
рецепторов глутамата,
связанных с
фосфолипазой D.
Переносчики глутамата
•
•
В ЦНС млекопитающих обнаружено 5 переносчиков глутамата.
Два из них экспрессируются преимущественно глиальными клетками (глиальный переносчик глутаматат и аспартата -
GLAST и глиальный переносчик глутамата - GLT), а три других - в нейронах (переносчики возбуждающих
аминокислот - EAAС1, EAAT4, EAAT5). Применительно к ЦНС человека их называют EAAT1-5, соответственно. Э
•
•
•
•
Переносчики - натрий-зависимы, градиент концентраций натрия и калия является движущей силой этого транспотра.
Предполагается, что одна молекула переностичика (GLT, например) перемещается совместно с тремя молекулами
натрия и одним протоном, в противоположном направлении перемещается одна молекула калия.
Интересен тот факт, что нейрональные переносчики, по-видимому, связаны с хлор-ионными каналами, которые
открываются при присоединении глутамата и создают тенденцию к гиперполяризации постсинаптической мембраны
и угнететнию синаптической активности. Этот феномен имеет функциональное значение в клетках Пуркинье,
которые экспрессируют EAAT4 на своей поверхности.
Глиальные транспортеры имеют неодинаковое региональное распределение в ЦНС. GLT обнаруживается , в
основном, в гиппокампе, а GLAST в мозжечке крыс. Также существуют различия в степени приближенность
астроцитарных процессов к глутаматергическому синапсу, этим объясняется возможность перекрестного
взаимодействия синапсов в определенных областях гиппокампа. Крысиный нейрональный транспортер EAAC (
аналог EAAT3 у человека) в больших количествах экспрессируется на постсинаптической мембране (с плотностью в
15 раз большей, чем AMPA-рецепторы). Связывание глутамата с этим переносчиком приводит к затуханию
возбуждающего постсинаптического потенциала. Переносчики глутамата на плазматической мембране связывают
также и D-аспартат L-аспартат. Пузырьковый переносчик глутамата обладает другими свойствами: источником
энергии для его работы является протонный градиент; он селективен к L-глутамату.
Схема глутаматергической передачи
Постсинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
1. Повышение (потенциация) чувствительности постсинаптических
рецепторов к медиатору
Постсинаптические механизмы кратковременной
синаптической пластичности
2. Снижение (десенситизация) чувствительности постсинаптических
рецепторов к медиатору
Во время непрерывного длительного воздействия высоких концентраций
медиатора чувствительность постсинаптических рецепторов снижается;
Десенситизация соответствует инактивации Na-каналов;
Для описания десенситизации в уравнение, описывающее изменение
проводимости при взаимодействии медиатора с рецептором:
R + nA ↔ RAn ↔ *( RAn), где
n – число молекул медиатора, связывающихся с одним рецептором, при n >1, связывание медиатора с
рецептором происходит кооперативно, т.е. кривая синаптического тока идет круто вверх
(предупреждает возможность взаимодействия низких концентраций в отсутствии квантового
выброса);
RAn ↔ *( RAn) – отражает сдвиг проводимости , т.е. открывание постсинаптического ионного канала.
следует включить неактивное состояние рецептора, аналогичное
инактивационному состоянию потенциалзависимого канала:
R + nA ↔ RAn ↔ *( RAn)1 ↔ *( Rаn)2
Открытое
состояние
Инактивированное
состояние
Закрытое
состояние
Фасилитация
•
•
Длительность: несколько сот милисекунд;
Увеличение амплитуды постсинаптического ответа во время
ритмического раздражения;
Длится дольше, чем само ритмическое раздражение (до 230 мс);
Причина: увеличение квантов медиатора в синаптической щели
вследствие накопления [Са] в пресинаптическом
окончании(остаточный кальций). Так как высвобождение
медиатора пропорционально четвертой степени [Са] , то даже
относительно небольшой прирост концентрации обеспечивает
существенное облегчение.
•
•
•
•
•
•
Усиление
Длительность: несколько секунд;
Дополнительный эффект ритмической стимуляции;
Развивается значительно медленнее, чем фасилитация и спадает
за более длительный период с постоянной времени от 5 до 10 с;
Причина: увеличение квантов медиатора в синаптической щели
вследствие накопления [Са] в пресинаптическом
окончании(остаточный кальций).
!
Усиление и
фасилитация могут
увеличить
амплитуду
синаптического
потенциала в 5 раз
Посттетаническая потенциация
•
•
•
•
Длительность: десятки минут;
Увеличение амплитуды постсинаптического
потенциала после окончания ритмического
раздражения;
Начинается существенно позже, чем
фасилитация, достигает максимума через
несколько секунд после конца стимуляции.
Причина: увеличение квантов медиатора в
синаптической щели вследствие накопления
[Са] в пресинаптическом окончании(остаточный
кальций). Зависит от входа кальция в
пресинаптическое окончание. Накопленный
кальций из хранилищ (СПР, митохондрии)
высвобождается в цитоплазму, поддерживая
повышенную концентрацию свободного [Са] в
цитоплазме.
!
При [Са] более 80 ммоль
потенциация после 500
стимулов длится более
2 часов.
Депрессия
•
Кратковременная синаптическая
депрессия наблюдается, когда количество
квантов медиатора, высвобождаемых
ритмическим стимулом, велико.
•
Депрессия может длиться дольше залпа
стимулов.
•
Происхождение – пресинаптическое.
•
-
Причины:
Истощение пула синаптических пузырьков;
Модуляция выброса медиаторов из
пресинаптического окончания (например,
модуляция выброса АХ совместным
выбросом АТФ через Р2 рецепторы).