СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ Цикл лекций

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 Системная пластичность Кратковременная Долговременная (секунды, минуты) (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 одного канала требуется 2 молекулы АХ); в синапсе Площадь постсинаптической гиппокампа – 100 каналов. мембраны в гиппокампе – 0, 04 мкм 2

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 Модуляция синаптической Кратковременное повышение [Ca] в передачи: аксоплазме от 10 -8 до 10 -4 М 1. Изменение концентрации [Ca] в наружном растворе; Активация экзоцитоза 2. Блокатор кальциевых каналов (например, кадмий); Освобождение кванта медиатора в 3. Пресинаптические рецепторы синаптическую щель (например, ауторецепторы); 4. Тормозной синапс, Постсинаптический потенциал 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 m. M Ca 2+ 2 m. M Ca 2+

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) С 2 В с фосфоинозитидами мембраны, необходимого при формировании синаптопоры при экзоцитозе (см. далее). экзоцитозе

Пресинаптические механизмы кратковременной синаптической пластичности Удлинение временного хода секреции нейромедиаторов Варианты механизма экзоцитоза Кальциевый буфер ВАРТА !

Механизм экзоцитоза Ca 2+ активирует кальций кальмодулинзависимую протеинкиназу II D= 30 -50 nm Время образования Ca 2+ новых везикул – от 30 с до 1 мин Ca. M-kinase II α-SNAP, NSF-ATPase и Путь - 100 -600 nm C 2 B домен синаптотагмина обеспечивают диссоциацию комплекса SNARE Время диффузии нейротрансмиттера через щель - 0, 05 мс

Механизм экзоцитоза 5. Структурно-функциональная организация активных зон нервных окончаний Столбнячный SNARE – soluble токсин N-ethylmaleimide- sensitive factor Attechment protein Receptor SNARE, 20 мс Ботулин Сенсор Ca 2+ Синаптопора - 0, 2 мс

Пути образования везикул 3 1 2

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+ , Cl- каналы Ca 2+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-3 - гидрокси-5 -метил-4 - изоксазольпропионовая кислота) ; KA (каиновая кислота). Подтипы рецепторов глутамата Ионотропные Метаботропные Функциональные NMDA AMPA KA Class III классы гены NR 1 Glu. R 1 Glu. R 5 m. Glu. R 1 m. Glu. R 2 m. Glu. R 4 NR 2 A Glu. R 2 Glu. R 6 m. Glu. R 5 m. Glu. R 3 m. Glu. R 6 NR 2 B Glu. R 3 Glu. R 7 m. Glu. R 7 NR 2 C Glu. R 4 m. Glu. R 8 NR 2 D KA 1 NR 3 KA 2 И 3 Ф, кальцийц. АМФ лиганд-зависимые ионые каналы 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 Glu. R 2 (Glu. RB) меняет его свойства: в открытом состоянии он становится непроницаем для ионов кальция. 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, Вольтамперная характеристика 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 к. Д каждая, (двух NR 1 и двух из четырех NR 2 A, NR 2 В, NR 2 С, N 2 D). 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 Mg 2+- 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 м. В (в этом проявляется потенциалзависимость NMDA-рецепторов). Ионы Mg 2+ селективно блокируют активность рецепторов при высокой гиперполяризации или деполяризации. • Глицин в концентрации 0, 1 мк. М усиливает ответы NMDA- рецептора, увеличивая частоту открывания канала. При полном отсутствии глицина рецептор не активируется L- глутаматом. В некоторых областях мозга для работы NMDA- рецептора требуется присутствие D-серина в качестве коагониста (например, в переднем мозге). Вольтамперная характеристика

Метаботропные рецепторы (m. Glu. R) • m. Glu. R 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 ГАМКб- рецептора: здесь имеется некоторая гомологичность. • Рецепторы группы I активируют фосфолипазу С, продуцирующую вторичные посредники диацилглицерол и инозитол трифосфат. NAAG является • Рецепторы группы II и III угнетают активность аденилатциклазы. селективным агонистом для m. Glu. R 3, • Различные m. Glu. R обладают существнено различающейся L-серин-O-фосфат - чувствительностью к глутамату, причем m. Glu. R 7 нечувствительна к селективный агононист глутамату. Считается, что чувствительность к глутамату зависит от группы III метаботропных расположения рецепторов по отношению к синаптической щели. рецепторов (m. Glu. R 4, Методами иммуноцитохимии и электронной микроскопии была m. Glu. R 6, m. Glu. R 7, выявлена селективная экспрессия m. Glu. R, причем m. Glu. R 7, m. Glu. R 8), L-цистеин сульфиновая к- были связаны с пресинаптической ммбраной, а m. Glu. R 2, m. Glu. R 3 та (L-cysteine sulfinic acid) располагались на пресинаптическом аксоне, на удалении от является агонистом для синаптической щели. 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 - EAAС 1, EAAT 4, EAAT 5). Применительно к ЦНС человека их называют EAAT 1 -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 присоединении глутамата и создают тенденцию к гиперполяризации постсинаптической мембраны и угнететнию синаптической активности. Этот феномен имеет функциональное значение в клетках Пуркинье, которые экспрессируют EAAT 4 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 EAAT 3 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 + n. A ↔ 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 + n. A ↔ RAn ↔ *( RAn)1 ↔ *( Rаn)2 Открытое Инактивированное 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 Усиление и за более длительный период с постоянной времени от 5 до 10 с; фасилитация могут увеличить • Причина: увеличение квантов медиатора в синаптической щели амплитуду вследствие накопления [Са] в пресинаптическом синаптического окончании(остаточный кальций). 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 При [Са] более 80 ммоль цитоплазме. ! 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 Р 2 рецепторы).