Механизмы и функциональное значение тонического торможения

Механизмы

Фазическое торможение нейронов определяется дискретным выбросом высоких концентраций ГАМК в синапсах. В этом случае ГАМК действует на постсинаптические ГАМКергические рецепторы (Рис. 1.2). Тоническое торможение связанно с постоянной активацией ГАМКергических рецепторов. Механизмы тонического ГАМКергического торможения еще недостаточно хорошо изучены (Bai et al. 2001).

Существует три гипотезы о механизме тонического торможения в гиппокампе. По одной из них постоянная составляющая ГАМКергического тока представляет собой суммацию спонтанных ТПСТ (ТПСТ, возникающих в ответ на спонтанный выброс ГАМК) (Salin and Prince 1996; Soltesz et al. 1995). Однако, Bai с соавторами показали, различие фармакологических свойств спонтанных ТПСТ и тонического ГАМКергического тока в культуре гиппокампальных нейронов (Bai et al. 2001). В их экспериментах бикукуллин и пикротоксин одинаково эффективно блокировали как спонтанные постсинаптические ГАМКергические токи, так и тоническое ГАМКергическое торможение. Это указывает на ГАМКергическую природу тонической проводимости. При этом аппликация SR95531, специфического антагониста ГАМК_А рецепторов, блокировала только спонтанные синаптические токи и не оказывала влияния на тонический ток.

 

 

Рис. 1.2 Рецепторы и транспортеры ГАМК в фазическом и тоническом торможении

Синаптически высвобождаемая ГАМК активирует ионотропные рецепторы находящиеся постсинаптически в районе активной зоны. Кроме того, ГАМК может покидать синаптическую щель и активировать внесинаптические ионотропные рецепторы, а также пре- и постсинаптические ГАМК_В рецепторы. Процесс диффузии ГАМК во внесинаптическом пространстве ограничен наличием транспортеров ГАМК (GAT1, GAT2, GAT3), расположенных на мембране пре- и постсинаптических нейронов и глиальных клеток. Считается, что быстрые ТПСТ опосредованы ионотропными ГАМКергическими рецепторами, расположенными в синапсе напротив активной зоны. По одной из гипотез медленное тоническое торможение опосредуется внесинаптическими ионотропными ГАМКергическими рецепторами.

 

Основываясь на вышеуказанном фармакологическом различии фазических и тонических токов, вторая гипотеза предполагает, что тонический ГАМКергический ток может возникать за счет диффузии ГАМК во внесинаптическое пространство (spillover; Рис.1.2) при последующей активации внесинаптических рецепторов, которые отличны от синаптических (Brickley et al. 1996; Rossi and Hamann 1998). Помимо молекул ГАМК покидающих синаптическую щель, определенную роль в повышении внеклеточной концентрации ГАМК и, таким образом, в тоническом торможении может играть обратная работа ГАМК-транспортеров (Gaspary et al. 1998), высвобождение ГАМК астроцитами (Liu et al. 2000) и снижение активности ГАМК-трансаминазы (Overstreet and Westbrook 2001). Измеренная с помощью микродиализа внеклеточная концентрация ГАМК (0,8-2,9 μМ) в нормальном мозге достаточно высока, чтобы активировать внесинаптические ГАМК_А рецепторовы (Lerma et al. 1986).

Наконец, третья гипотеза о происхождении ГАМКергического тонического тока заключается в том, что он возникает при спонтанном (без участия нейротрансмиттера) открывании каналов ГАМКергических рецепторов (Birnir et al. 2000a; Birnir et al. 2000b; Neelands et al. 1999). Если открывание канала ГАМКергического рецептора действительно может происходить без участия агониста, то конкурентные антагонисты ГАМК (например, SR95531) не будут оказывать влияния на тонический ток. При этом важным условием будет то, что связывание таких антагонистов должно предотвращать только связывание ГАМК, но не влиять на работу канала. Использование блокаторов канала ГАМКергических рецепторов, таких как пикротоксин, будет приводить к подавлению тонического тока. Кроме того, повышение внеклеточной концентрации ГАМК не должно повышать тоническое торможение в этом случае. Однако, было показано увеличению тонического торможения, опосредованного ГАМК_А рецепторами, при увеличении внеклеточной концентрации ГАМК (Overstreet and Westbrook 2001). Тем не менее, эти данные не исключают возможности наличия двух компонент тонического тока: зависящей от внеклеточной концентрации ГАМК и независящей, опосредованной спонтанным открыванием ГАМКергических каналов.

Функциональное значение

Как указывалось выше, функция внесинаптических ГАМКергических рецепторов, по всей видимости, заключается в детектировании внеклеточной концентрации ГАМК и поддержании соответствующего уровня тонического торможения. Роль тонического тока заключается в создании определенного потенциала на мембране и регуляции возбудимости клетки. Например, в гранулярных клетках мозжечка аппликация бикукуллина, селективного антагониста ГАМК_А рецепторов, приводит к повышению возбудимости клеток (Brickley et al. 1996). Это выражается в снижении порога генерации потенциалов действия в ответ на деполяризующий сдвиг потенциала в режиме фиксации тока. Было также показано, что тоническое торможение модулирует паттерн разрядов и синаптическую интеграцию в тормозных нейронах мозжечка (Hausser and Clark 1997). В нормальных условиях в клетках Пуркинье и интернейронах мозжечка наблюдается нерегулярный паттерн потенциалов действия. При блокировании тонического тока антагонистами ГАМК_А рецепторов он превращается в регулярный. Таким образом, одна из электрофизиологических классификаций клеток по регулярности паттерна потенциалов действия (Cauli et al. 2000), может быть частично объяснена наличием или отсутствием в них тонического торможения (Granata 2001).

Другой функцией тонического торможения, вероятно, является шунтирование фазических пре- и постсинаптических токов (ТПСТ, ВПСТ, потенциалов действия) (Cattaert and El Manira 1999; Jackson et al. 1999b). Шунтирование быстых токов происходит из-за того, что тоническая проводимость меняет сопротивление мембраны за счет открывания каналов ГАМКергических рецепторов. Повышение электрической проводимости мембраны снижает амплитуду потенциала действия, достигающего пресинаптического участка аксона, уменьшая тем самым вход Ca²⁺ и вероятность выброса медиатора (Pan 2001; Shields et al. 2000).

Тоническое открывание каналов внеклеточных ГАМКергических рецепторов не только определяет электрический потенциал на мембране, но и приводит к постоянному хлорному току. Во взрослом мозге, как указывалось выше, входящий в клетку хлорный ток, сбалансирован работой калий/хлор котранспортеров (Ganguly et al. 2001; Hubner et al. 2001). Однако, увеличения или уменьшения тонической проводимости будут менять величину хлорного тока и, как результат, калиевого тока хлорных транспортеров. В этой ситуации можно ожидать изменения ионных градиентов как калия, так и хлора на мембране и, следовательно, потенциалов реверсии калиевых ВПСТ и хлорных ТПСТ. Доказательством этому может служить то, что при длительной стимуляции ГАМКергических терминалей, ГАМКергические ТПСТ в нейронах взрослого мозга превращаются из гиперполяризующих в деполяризующие (Ben-Ari et al. 1994; Ganguly et al. 2001; Rivera et al. 1999).

Субъединичная композиция ГАМКергических рецепторов, опосредующих тоническое торможение

Для того чтобы рецептор мог активироваться за счет внесинаптической ГАМК, он должен обладать сравнительно высокой аффинностью к агонисту и располагаться вне синапса (Rossi and Hamann 1998). Рецепторы, содержащие g₂ субъединицу, сконцентрированы внутри синапсов в силу их взаимодействия с гиферином (Nusser et al. 1998b).Эти рецепторы обладают достаточной аффинностью, чтобы принимать участие в генерации ТПСТ, но, возможно, не для того чтобы активироваться при базовой внеклеточной концентрации ГАМК. ГАМКергические рецепторы, содержащие d субъединицу, не связаны с геферином и находятся вне синапса. Кроме того, наличие этой субъединицы делает рецепторы высокоаффинными к ГАМК и недесенситизирующимися при длительном воздействии агониста. Такие рецепторы являются идеальным кандидатом, на роль рецепторов, опосредующих тоническое торможение.

Было обнаружено, что рецепторы, содержащие d субъединицу в мозжечке, всегда содержат и a₆ (Nusser et al. 1998b). Для того чтобы оценить роль тонического торможения в этой структуре были созданы мыши, у которых отсутствовала a₆ субъединица (Brickley et al. 2001). Таким образом, мыши были лишены внесинаптических рецепторов. Тем не менее, значительных отклонений в поведении и выживаемости данных животных замечено не было. Скорее всего, потеря a₆ субъединицы не оказвает влияния на тоническое торможение в других структурах мозга и его общая возбудимость меняется незначительно. Кроме того, у мышей-мутантов был обнаружен компенсаторный механизм, выражавшийся в повышенной экспрессии постоянно активного калиевого канала TASK-1 (Duprat et al. 1997). Этот канал тонически подавлял клеточную возбудимость так же, как и ГАМКергическое тоническое торможение.

По всей видимости, определенный прогресс в исследовании роли тонического торможения в мозге может быть сделан при изучении генетически модифицированных животных, у которых отсутствует d субъединица. Кроме того, важным шагом в этом направлении было бы создание специфических блокаторов ГАМКергических рецепторов, содержащих эту субъединицу.

Таким образом, механизм тонического торможения, равно как и его функциональное значение требуют дополнительных исследований. Поэтому, следующей задачей данной диссертационной работы было выяснение механизма и функции ГАМКергического тонического торможения в гиппокампе и оценка его взаимодействия фазическими токами.