Гетеросинаптические взаимодействия

Важность гетеросинаптических взаимодействий, опосредованных аминокислотами, впервые была прямо продемонстрирована на примере того, что ГАМК, высвобождаемая терминалями интернейронов, может подавлять глутаматергическую нейропередачу между коллатералями Шаффера и пирамидными нейронами в поле СА1 гиппокампа (Isaacson et al. 1993). В этом случае ГАМК активирует пресинаптические ГАМК_B рецепторы, находящиеся в глутаматергических терминалях. Не смотря на то, что физиологическая роль этого феномена пока еще не достаточно изучена, можно предположить, что он выступает в роли гомеостатического регулятора возбудимости. Значительное повышение глутаматергического возбуждения в гиппокампе приводит к высокой активности интернейронов, посредством расположенных на них возбуждающих синапсов. Такая активация интернейронов способна привести к высвобождению ГАМК не только на постсинаптические рецепторы внутри тормозных синапсов, но и к ее диффузии во внесинаптическое пространство. Этот феномен называется спилловером нейропередатчика (spillover – вытекание). ГАМК, покидая синаптическую щель, достигает ГАМК_B рецепторов на глутаматергических терминалях и снижает возбуждающую передачу между принципиальными клетками. Это может представлять собой важный антиэпилептогенный механизм, нарушение которого ведет к потере контроля над возбудимостью в нейрональной сети.

Возникает вопрос, а существует ли регуляция тормозной передачи внеклеточным глутаматом? Возможна ли ситуация симметричная феномену описанному для ГАМК_B рецепторов, когда спилловер глутамата во внеклеточное пространство воздействует на ГАМКергическую нейропередачу?

Прежде чем обсуждать возможность воздействия спилловера глутамата на ГАМКергическую нейропередачу, необходимо представить доказательства того, что глутамат на самом деле может покидать синаптическую щель и активировать удаленные рецепторы. На самом деле, этот вопрос хорошо изложен в ряде ранее опубликованных обзоров (Kullmann 2000; Kullmann and Asztely 1998; Rusakov and Kullmann 1998).

Существует несколько доказательств спилловера глутамата. Во-первых, многие рецепторы глутамата расположены сравнительно далеко от места высвобождения нейромедиатора. Например, метаботропные рецепторы группы II находятся на претерминальной мембране мшистых волокон (Lujan et al. 1996; Yokoi et al. 1996).

Во-вторых, от астроцитов можно отвести ток, опосредованный электрогенным захватом (uptake) глутамата (Bergles et al. 1999). В этих клетках экспрессируется большинство глутаматных транспортеров. Таким образом, стимуляция глутаматергических аксонов и вывсобождение глутамата вызывает в них ток, опосредованный транспортерами глутамата. Кинетика этого тока, по сравнению с эффектом кратковременной аппликации глутамата на фрагмент астроцитарной мембраны (membrane patch), указывает на то, что глутамат может находиться во внеклеточном пространстве в течение значительного времени (Bergles et al. 1997; Bergles and Jahr 1997).

В-третьих, в синапсах мшистых волокон были показаны гетеросинаптические взаимодействия, опосредованные глутаматными рецепторами (метаботропными группы III и каинатными) (Min et al. 1998; Vogt and Nicoll 1999).

Наконец, компьютерное моделирование высвобождения, диффузии и связывания глутамата на рецепторах и транспортерах, основанное на реальных анатомических и физиологических данных, показало, что глутамат может диффундировать за пределы синаптической щели и активировать NMDA рецепторы в радиусе 0,5 mm от места его высвобождения (Rusakov and Kullmann 1998).

Не смотря на то, что вышеизложенные доказательства свидетельствуют в пользу диффузного действия глутамата, они не лишены недостатков. Эти данные преимущественно были получены в in vitro экспериментах, в частности, на срезах гиппокампа (в ограниченном препарате с поверхностно поврежденной структурой) и при субфизиологических температурах (которые могут снижать скорость захвата глутамата глией и нейронами из внеклеточного пространства). В физиологических условиях захват (uptake) глутамата крайне эффективен. Предполагая, что каждый синапс высвободает по одной везикуле, ориентировочное количество молекул транспортеров в пространстве гиппокампального нейропиля будет в 3-5 раз выше числа молекул глутамата, способных оказаться в том же объеме (Lehre and Danbolt 1998). Даже поверхностоно поврежденные срезы гиппокампа на макроскопическом уровне представляют собой эффективную “губку” для глутамата. Добавление в суперфузионный раствор 100 mM этой аминокислоты, как правило, не приводит к изменению мембранного потенциала нейронов в глубине среза. Это связано с тем, что глутамат поглощается астроцитами до того, как он достигнет нейрональных рецепторов. Однако, на микроскопическом уровне астроциты содержат транспортеры, которые распределены по их мембране случайным образом, а не напротив глутаматергических синапсов. При этом почти половина возбуждающих синапсов в нейропиле СА1 не имеют контакта с астроцитами. Таким образом, молекулы глутамата высвобождаемые этими терминалями могут диффундировать на большие расстояния до того, как будут захвачены (Ventura and Harris 1999).