Роль разных дендритов индивидуальных маутнеровских

Роль разных дендритов индивидуальных маутнеровских нейронов…
Д.А. МОШКОВ1,2, Г.З. МИХАЙЛОВА2, Е.Е. ГРИГОРЬЕВА2, Р.Ш. ШТАНЧАЕВ2, Н.А. КОКАНОВА2
1
Пущинский государственный университет, Московская обл.
2
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино, Московская обл.
РОЛЬ РАЗНЫХ ДЕНДРИТОВ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ МАУТНЕРОВСКИХ НЕЙРОНОВ
В УПРАВЛЕНИИ МОТОРНОЙ АСИММЕТРИЕЙ ЗОЛОТОЙ РЫБКИ
Показано, что функциональное доминирование одного из пары симметрично расположенных маутнеровских
нейронов золотой рыбки над другим, проявляющееся в поведении в виде моторной асимметрии, реципрокно связано с
объемом вентрального дендрита этого нейрона. В то же время наблюдается прямая связь между функциональной активностью маутнеровского нейрона и его интегральным размером, а также размером его латерального дендрита.
Вследствие колоссальной сложности устройства мозга даже у низших позвоночных понять и
определить вклад конкретного нейрона в общую функциональную деятельность необычайно
трудно. Между тем есть основания полагать, что работа даже одного нейрона в общей интегративной деятельности нейронной сети, в частности в поведении животного [1, 2], имеет важное, а
порой исключительное значение для нормального функционирования всей нейронной системы.
Еще труднее понять, какой вклад вносят отдельные структурные элементы индивидуального
нейрона в функционирование мозга, хотя давно известно об исключительной роли аксонов и
дендритов нейронов в проведении информационно значимых сигналов. Вычленить и проанализировать роль каждого из дендритов у одного из множества нейронов той или иной структуры головного мозга представляется практически невозможным как в методическом, так и в теоретическом аспекте.
В связи с этим в исследованиях функционального вклада индивидуальных дендритов целесообразно применять простые нервные системы эволюционно более низко организованных животных, обладающие небольшим числом элементов с известными структурой и функцией. В качестве объектов для таких исследований могут быть использованы маутнеровские нейроны костистых рыб, обладающие двумя главными дендритами – латеральным и вентральным. Эти парные,
симметрично расположенные в правой и левой части продолговатого мозга клетки, управляются
сенсорными стимулами разной модальности, приходящими на них через многочисленные афферентные входы. Главными из этих входов являются два: ипсилатеральный к иннервируемому
нейрону прямой статоакустический вход [3] и опосредованный через ипсилатеральный тектум (но
от контралатерального глаза) зрительный вход [4]. Существенной особенностью системы маутнеровских нейронов является морфологически строго сегрегированное расположение этих путей на
клетке. Слуховой вход покрывает в виде смешанных синапсов дистальную часть латерального
дендрита, вестибулярный – в виде химических синапсов всю поверхность латерального дендрита,
а также сомы. Зрительный же вход имеет представительство на дистальной части вентрального
дендрита. Аксоны нейронов, перекрещиваясь недалеко от своего выхода из сомы, направляются к
мотонейронам контралатеральной стороны тела, которые иннервируют мускулатуру хвостового
плавника.
Стимуляция каждого из сенсорных входов вызывает потенциал действия одного из двух
маутнеровских нейронов, который, в свою очередь, приводит к резкому С-образному изгибу хвостового плавника рыбки и вызывает поворот рыбки на 90 с одновременным рывком тела вбок в
ту же сторону. Кинематическая характеристика С-изгиба и сопровождающего его полевого электрического потенциала, регистрируемого с поверхности продолговатого мозга как внеклеточный
ответ маутнеровской клетки, коррелирует с направлением реакции, вне зависимости, вызвана ли
она звуковым или зрительным стимулом [5]. На основании этого можно предположить, что рыбка
для адекватного поведения в естественных условиях может использовать как зрительные, так и
вестибулярные стимулы, и при этом в поведенческую реакцию будут вовлекаться маутнеровские
нейроны как центры управления поворотами рыбки.
Таким образом, активация правого или левого маутнеровского нейрона, зависящая от конкурентного влияния на них звуковых и зрительных сигналов, получаемых с противоположных
сторон тела, вызывает поворот рыбки в левую или правую сторону соответственно. Несмотря на
кажущуюся простоту, понять механизмы управления функциональной активностью индивидуального нейрона до сих пор не удавалось. В значительной мере это связано с бытующим представлением о маутнеровских нейронах как о морфофункционально симметричных клетках, вовлечение
которых в инициацию удара хвостового плавника, вызывающего поворот тела рыбки, равновероятно и имеет стохастический характер [6].
Роль разных дендритов индивидуальных маутнеровских нейронов…
Рис. 1. Свидетельство морфофункциональной асимметрии маутнеровских нейронов у золотых рыбок. По
предпочтению спонтанных поворотов рыбок можно разделить на рыбок-правшей, рыбок-левшей и рыбок,
не проявляющих предпочтения определенной стороны поворотов (амбидекстры). На гистограмме слева:
белые столбики – коэффициент моторной асимметрии (КМА) рыбок (отношение числа поворотов в предпочитаемую сторону к сумме всех совершенных за время тестирований поворотов; n = 15 в каждой группе рыбок); серые столбики – коэффициент структурной асимметрии (КСА) маутнеровских нейронов (отношение
объема функционально доминантного (контралатерального) нейрона к сумме объемов обоих нейронов); n =
8 в каждом случае. * – значения, которые достоверно отличаются от соответствующих коэффициентов у
амбидекстров (p < 0,05). На рисунке справа в качестве примера представлена трехмерная реконструкция
маутнеровских нейронов интактной рыбки-правши, полученная по серийным 3-мкм срезам продолговатого
мозга. По объемам латерального дендрита, сомы (объединены вместе) и вентрального дендрита видно преобладание размеров контралатерального нейрона над ипсилатеральным, коррелирующее с соотношением
функциональной активности нейронов (указан коэффициент моторной асимметрии данной рыбки)
На основании полученных в нашей лаборатории данных по изучению моторной активности
рыбок и визуализации структуры их маутнеровских нейронов с помощью объемной реконструкции по серийным гистологическим срезам был установлен факт морфофункциональной асимметричности этих клеток [7]. Она проявляется в виде: 1) латерализации поведения, или моторной
асимметрии рыбок (рис. 1, белые столбики на гистограмме), т.е. предпочтении поворачиваться в
правую или левую стороны при свободном (не опосредованном какими-либо внешними факторами) поведении; моторная асимметрия характеризует доминирование функциональной активности
одного маутнеровского нейрона по отношению к другому; 2) строго коррелирующего с моторной
асимметрией различия размеров правого и левого нейронов (см. рис. 1, серые столбики): контралатеральный к предпочитаемой стороне поворотов нейрон всегда заметно крупнее ипсилатерального, что характеризуется нами как структурная асимметрия маутнеровских нейронов (см. рис. 1,
справа).
Таким образом, опираясь на известные данные об асимметричности строения и функции
маутнеровских нейронов, появляется возможность сформулировать и решить задачу расшифровки
структурных механизмов управления активностью отдельного нейрона. Для этого, чтобы определить степень изменчивости наблюдаемой морфофункциональной асимметрии маутнеровских кле-
Роль разных дендритов индивидуальных маутнеровских нейронов…
ток при различных экспериментальных воздействиях, мы использовали физиологические модели
утомления (под влиянием унилатеральных длительных сенсорных стимуляций) и денервации (перерезки афферентных входов, приходящих на соответствующие локусы индивидуального нейрона). Так, исходя из того, что латеральный дендрит и соматическая часть маутнеровского нейрона
иннервируются ипсилатеральным статоакустическим аппаратом, мы предприняли попытку воздействием на данный сенсорный вход экспериментально изменить структуру этих частей клетки и
проследить, какие изменения ориентационной асимметрии моторного поведения рыбки будут при
этом наблюдаться. Для избирательного воздействия на вентральный дендрит маутнеровского
нейрона и для оценки его влияния на моторное поведение рыбок, соответственно, использовали
стандартную хирургическую методику унилатеральной зрительной деафферентации, а также уникальную методику зрительной стимуляции, основанную на оптомоторной реакции рыбки.
Тестирование рыбок с поврежденной рецепторной выстилкой внутреннего уха, расположенного ипсилатерально по отношению к доминантному (контралатеральному) нейрону, показало,
что не ранее чем через две недели после операции их моторная асимметрия меняется в противоположную сторону, т.е. инвертируется (рис. 2,А, n = 5). При этом рыбки-правши становились левшами и наоборот. Наблюдаемая инверсия носила хронический характер, т.е. сохранялась на протяжении всего периода наблюдения. В структурном отношении это выражалось в прямо коррелирующей инверсии объемов маутнеровских нейронов: более крупный контралатеральный к исходно предпочитаемой стороне поворотов нейрон был меньше ипсилатерального, который после операции становился функционально доминантным, если судить по инвертированной моторной
асимметрии рыбок (см. рис. 2,Б,В). Степень изменчивости поведения рыбок и структуры их
маутнеровских нейронов была неодинаковой и находилась в зависимости от того, насколько сильно разрушен статоакустический вход: при максимально возможном разрушении вестибулярного
аппарата наблюдалась наиболее яркая морфофункциональная инверсия. Изменения объемных соотношений маутнеровских нейронов, таким образом, носят ожидаемый характер, т.е. указывают
на прямую связь размера контралатерального маутнеровского нейрона с его функциональной активностью.
Схожий эффект оказывала на поведение рыбки и структуру ее маутнеровских нейронов односторонняя вестибулярная стимуляция, которую проводили в пластиковом барабане, вращающемся в вертикальной плоскости в течение двух часов контралатерально по отношению к доминантному нейрону (по часовой стрелке со стороны хвоста в случае рыбки-правши). Контралатеральная вестибулярная стимуляция приводила к сглаживанию или инверсии моторной асимметрии
рыбок (см. рис. 2,А, n = 15) и структурной асимметрии их маутнеровских нейронов (см. рис. 2,Б,В,
n = 6). В этом случае уменьшение степени моторной асимметрии рыбки также прямо коррелирует
с уменьшением степени структурной асимметрии нейронов, т.е. уменьшение размера контралатерального маутнеровского нейрона приводит к снижению его функциональной активности. Примечательно, что уменьшение объема контралатерального нейрона в основном затрагивало латеральный дендрит и сому и в меньшей степени касалось вентрального дендрита.
В целом, можно заключить, что избирательное статоакустическое воздействие приводит к
значительной перестройке всей системы маутнеровских клеток, в особенности латерального дендрита и сомы контралатерального нейрона и изменению моторного поведения рыбки. При этом инверсия моторной асимметрии рыбки прямо коррелирует с инверсией структурной асимметрии
маутнеровских нейронов. Таким образом, наблюдается прямая зависимость функциональной активности индивидуального маутнеровского нейрона от размера его сомы и латерального
дендрита.
Роль разных дендритов индивидуальных маутнеровских нейронов…
Рис. 2. Морфофункциональная асимметрия маутнеровских нейронов при различных экспериментальных
воздействиях: А – коэффициенты моторной асимметрии рыбок; Б – коэффициенты структурной асимметрии латеральных
дендритов и тел нейронов (отношение объемов латерального
дендрита и сомы у контралатерального нейрона к сумме объемов тех же частей у обеих клеток); В – коэффициенты структурной асимметрии вентральных дендритов, где 1 – контроль
(интактные рыбки-правши и левши); 2 – после ипсилатеральной вестибулярной деафферентации; 3 – после контралатеральной вестибулярной стимуляции; 4 – после ипсилатеральной зрительной деафферентации; 5 – после контралатеральной зрительной деафферентации; 6 – после контралатеральной оптокинетической стимуляции. * – отличия от контроля
достоверны (p < 0,05)
Односторонняя энуклеация глаза не ранее чем через две недели после операции приводила к необратимому сдвигу моторной асимметрии (в среднем на 25 %)
в «слепую» сторону, т.е. в сторону энуклеации. При
этом ипсилатеральная к предпочитаемой стороне поворотов зрительная деафферентация вызывала усиление
исходной моторной асимметрии (см. рис. 2,А, n = 6),
тогда как контралатеральная деафферентация сглаживала и даже инвертировала исходную моторную асимметрию рыбок (см. рис. 2,А, n = 6). На морфологическом
уровне последствия ипсилатеральной энуклеации глаза
выражаются в инверсии структурной асимметрии вентральных дендритов маутнеровских нейронов (см. рис.
2,В), при сохранении исходной структурной асимметрии латеральных дендритов и соматических частей обеих клеток (см. рис. 2,Б). Другими словами, объем вентрального дендрита контралатерального
нейрона уменьшается в 1,5–2 раза по сравнению с контролем, но при этом функциональная активность данного нейрона увеличивается, если судить по увеличению исходной моторной асимметрии рыбок. Вероятно, в данном случае речь может идти о реципрокной взаимосвязи размера вентрального дендрита с функциональной активностью нейрона. В то же время контралатеральная
зрительная деафферентация также приводила к специфическим изменениям в соотношении объемов вентральных дендритов, хотя и не достоверно (см. рис. 2,В). Зато ее влияние на структурную
асимметрию маутнеровских нейронов в целом было более значительным. Прежде доминантный
нейрон уменьшался в размерах по сравнению с зеркально расположенным своим двойником и
становился субдоминантным. В основном это происходило за счет перераспределения объемов
латеральных дендритов и сомы, но не вентрального дендрита (см. рис. 2,Б), что согласуется со
строгой морфофункциональной корреляцией маутнеровских нейронов и прямой связью размеров
латерального дендрита и сомы с функциональной активностью нейрона.
Установлено, что контралатеральная 6–10-часовая оптокинетическая стимуляция, т.е. инстинктивное передвижение рыбок вслед за крутящимися вертикальными черно-белыми полосками
в направлении, противоположном предпочитаемой стороне поворотов, приводит к ярко выраженной, но обратимой инверсии моторной асимметрии (см. рис. 2,А; n = 20). Исходная асимметрия
предпочтения поворотов в определенную сторону у рыбок восстанавливалась через 1–5 сут после
стимуляции. Морфометрический анализ данных по объемной реконструкции маутнеровских клеток подопытных рыбок после зрительной стимуляции показал, что в целом сохраняется характерный для контроля уровень морфофункциональной асимметрии этих клеток. Соотношение объемов
латеральных дендритов и соматических частей клеток немного сглаживалось (см. рис. 2,Б; n = 6).
В основном это происходило за счет небольшого, статистически недостоверного увеличения объемов латерального дендрита и сомы ипсилатерального нейрона. Однако наиболее драматическим
последствием инверсии моторной асимметрии рыбок, а значит, функционального доминирования
ипсилатерального, прежде субдоминантного маутнеровского нейрона, является значительное, 2–4кратное уменьшение объема его вентрального дендрита и, соответственно, увеличение степени
Роль разных дендритов индивидуальных маутнеровских нейронов…
исходной структурной асимметрии вентральных дендритов (см. рис. 2,В). Существенно то, что
такая структурная перестройка делает меньший по размеру нейрон функционально доминантным,
судя по инвертированной моторной асимметрии. Эти данные согласуются с результатами опытов
по ипсилатеральной зрительной деафферентации, когда наблюдаемое уменьшение вентрального
дендрита контралатерального нейрона соотносится с возрастанием его интегральной функциональной активности.
Таким образом, представленные данные демонстрируют, как изменяются структура и функциональная активность маутнеровских нейронов при избирательном воздействии на их отдельные
участки, учитывая топографически сегрегированную афферентацию от разных сенсорных входов.
Кроме того, нами показана возможность изменять функциональную активность нейрона непосредственным механическим воздействием – сжатием (окклюзией) тех или иных участков клетки,
происходящим под влиянием агрегированного в течение трех суток при температуре 37 C βамилоида (фрагмента 25–35). Аппликация в область расположения маутнеровских нейронов протяженных, спирально скрученных плоских лент β-амилоида, соизмеримых по размерам с нейронами и дендритами, приводит к инверсии моторной асимметрии рыбок и изменениям их структуры, аналогичным тем, которые вызывали сенсорные стимуляции или денервации. Отдельные примеры подтверждают наше заключение о реципрокной связи вентрального дендрита с функциональной активностью (рис. 3) [8] и о возможности того, что структурные изменения могут быть
первичными при функциональном сдвиге.
В целом можно заключить, что на гистологическом уровне обнаружен структурный механизм регуляции функциональной активности нейрона, управляющий моторной асимметрией. Он
находится под контролем разных сенсорных входов, способных изменять размеры целого нейрона
или же избирательно отдельных дендритов и влиять по принципу прямой и обратной связи на его
интегральное состояние, обеспечивая своего рода гомеостатический баланс функциональной активности нервных клеток. Есть основания полагать, что на молекулярном уровне участие дендритов в такой компенсаторной регуляции морфофункционального состояния системы маутнеровских
нейронов может быть связано со способностью нейротрансмиттеров дофамина и глутамата взаимодействовать с цитоскелетом нейрона и участвовать в контроле над изменением состояния
нейронального актина [9–11].
Рис. 3. Изображение маутнеровских нейронов рыбки-правши после введения β-амилоида. Л и П – левый
и правый нейроны соответственно. Остальные обозначения как на рис. 1 справа. Вследствие перетяжки
амилоидными лентами, выявляемой ультраструктурно, доминантный нейрон (левый) существенно
уменьшается. Однако его функциональная активность сохраняется на высоком уровне, вероятно, вследствие механического многократного уменьшения вентрального дендрита
Работа поддержана грантами НШ – 217.2008.4, РФФИ (09-04-00451-а), а также Федеральной
целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» Федерального агентства по науке и инновациям (Госконтракт № 02.740.11.0301) и Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (3840).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Роль разных дендритов индивидуальных маутнеровских нейронов…
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
DiDomenico R., Nissanov J., Eaton R.C. // Brain Res. 1988. V. 473. P. 15.
Houweling A.R., Brecht M. // Nature. 2008. V. 451. P. 65.
Szabo T.M., McCormick C.A., Faber D.S. // J. Comp. Neurol. 2007. V.505. P. 511.
Zottoli S.J., Hordes A.R., Faber D.S. // Brain Res. 1987. V. 401. N. 1. P. 113.
Weiss S.A., Zottoli S.J., Do S.C. et al. // J. Exp. Biol. 2006. V. 209. P. 4788.
Korn H., Faber D.S. // Neuron. 2005. V. 47. № 1. P.13.
Михайлова Г.З., Тирас Н.Р., Павлик В.Д. и др. // Нейрофизиология. 2006. Т. 38. № 1.
С. 18.
8.
№ 6. С. 43.
9.
6. С. 411.
10.
66.
11.
№ 4. P. 441.
Коканова Н.А., Михайлова Г.З., Штанчаев Р.Ш. и др. // Морфология. 2009. Т. 136.
Безгина Е.Н., Павлик Л.Л., Михайлова Г.З. и др. // Нейрофизиология. 2006. Т. 38. №
Павлик Л.Л., Григорьев П.А., Шубина В.С. и др. // Биофизика. 2008. Т. 53. № 1. С.
Moshkov D.A., Mikhailova G.Z., Grigorieva E.E. et al. // J. Integr. Neurosci. 2009. V. 8.