Последствия активации mGluR группы III для общей возбудимости нейрональной сети поля СА1

Предположение о том, что метаботропные рецепторы глутамата модулируют тормозную нейропередачу в зависимости от внеклеточной концентрации глутамата, не является новым. Ранее было показано наличие метаботропных рецепторов групп II и III в тормозных терминалях по эффекту агонистов этих рецепторов на ГАМКергическую передачу (Bradley et al. 1996; Gereau and Conn 1995; Hayashi et al. 1993; Ohishi et al. 1994; Salt and Eaton 1995; Shigemoto et al. 1997; Tanabe et al. 1993; Vetter et al. 1999; Wan and Cahusac 1995). Было показано, что MSOP увеличивает частоту спонтанных ТПСТ в культуре гипоталамических нейронов, что указывает на тоническую активацию mGluR группы III, которая снижает ГАМКергическую нейропередачу (van den Pol et al. 1998). Несомненно, эти данные схожи с теми, что получены в данном исследовании. Однако, клеточная специфичность гетеросинаптической депрессии для тормозных терминалей интернейронов, но не пирамидных клеток, продемонстрирована нами впервые. Кроме того, данная работа является первым свидетельством того, что синаптически высвобождаемый глутамат способен за счет дифузии активировать метаботропные рецепторы на ГАМКергических терминалях.

Обнаружение того, что гетеросинаптическая депрессия моносинаптических ТПСТ усиливается при блокаде захвата глутамата, указывает на то, что спилловер глутамата от возбуждающих терминалей может подавлять нейропередачу между интернейронами (Рис. 3.3.8). Таким образом, метаботропные рецепторы группы III "детектируют" изменения во внеклеточной концентрации глутамата. Когда концентрация этого эндогенного агониста увеличивается, торможение интернейронов снижается. Из-за того, что ГАМКергические ТПСТ в пирамидных клетках менее чувствительны к L-AP4, конечным эффектом активации mGluR группы III может быть увеличение торможения глутаматергических нейронов. Это может представлять собой гомеостатический механизм снижения возбудимости областей мозга, где наблюдается повышение внеклеточной концентрации глутамата за счет интенсивных разрядов возбуждающих клеток, например, при иктальных разрядах. Нарушение данного механизма может стать причиной инициации и/или распространении фокальной судорожной активности. В подтверждение этому предположению выступает то,

 

Рис. 3.3.8 Схема активации пресинаптических mGluR группы III за счет спилловера глутамата

Спилловер глутамата (голубое облако) исходит от возбуждающих афферентов (розовые) и активирует пресинаптические метаботропные рецепторы (красные) и на возбуждающих, и на тормозных синапсах интернейронов (зеленые). На данной схеме синапс источник глутамата и синапсы-детекторы показаны на одном нейроне, но они могут быть также и на различных. Кроме того, на рисунке показано расположение стимулирующих и регистрирующего электродов, использованное в наших экспериментах для демонстрации гетеросинаптической депрессии. Конечным результатом активации глутаматных метаботропных рецепторов может быть повышение торможения пирамидных клеток (желтые), как результат снижения торможения интернейронов.

 

 

что было показано увеличение внеклеточной концентрации глутамата у пациентов с эпилепсией височной доли непосредственно перед электрографическими судорожными разрядами (During and Spencer 1993). Кроме того, нейроны у пациентов с эпилепсией височной доли и животных после киндлинга менее чувствительны к агонистам mGluR группы III (Dietrich et al. 1999; Klapstein et al. 1999). Наконец, сами агонисты глутаматных метаботропных рецепторов группы III обладают антиэпилептической активностью (Abdul-Ghani et al. 1997; Chapman et al. 1999; Ghauri et al. 1996; Tizzano et al. 1995a; Tizzano et al. 1995b).

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют в пользу того, что глутаматергические метаботропные рецепторы группы III, расположенные на ГАМКергических терминалях, играют важную роль в предотвращении судорожной активности. Однако, из-за того, что работы была проведена на срезах in vitro, изменения возбудимости нейрональной сети могут быть предсказаны только приблизительно. Пирамидные нейроны в срезе гиппокампа генерируют спонтанные потенциалы действия значительно реже, чем разряжаются интернейроны. Таким образом, тормозная передача доминирует над возбуждающей. In vivo ситуация может быть совершенно другая и возбуждающие афференты будут разряжаться более часто. Мы не можем исключить возможности, что в такой ситуации метаботропные рецепторы будут оказывать существенный эффект на спонтанные ВПСТ в интернейронах. Кроме того, технически достаточно сложно проверить, будет ли возбуждающая глутаматергическая нейропередача сходным образом с ГАМКергической модулироваться за счет спилловера синаптически высвобождаемого глутамата. Это связано с тем, что высокочастотная стимуляция коллатералей Шаффера серией стимулов в отсутствии NBQX приводит к генерации высокоамплитудных моносинаптических ВПСТ, которые затрудняют измерение амплитуды тестового ВПСТ после короткого интервала. Мы можем только соотнести чувствительность возбуждающей и тормозной нейропередач к активации mGluR группы III при аппликации L-AP4. Хотя вызванные ВПСТ и ТПСТ в интернейронах были одинаково чувствительны к L-AP4 (Рис. 3.3.7а), спонтанные ВПСТ были менее чувствительны, чем спонтанные ТПСТ (Рис. 3.3.7б). Это различие может объясняться двойственным эффектом активации mGluR группы III. В одном случае они могут увеличивать, а в другом снижать вход Ca²⁺ в клетку (Wu and Saggau 1997). Это может происходить если большая фракция спонтанных ТПСТ, чем спонтанных ВПСТ, является потенциал действия зависимой.

Гетеросинаптическая депрессия ТПСТ, полученная при стимуляции глутаматергических терминалей, была сравнительно небольшой по сравнению с эффектом аппликации L-AP4. Это свидетельствует в пользу того, что эффект достигаемый за счет диффузии глутамата относительно невелик. Однако, небольшая величина депрессии может быть также объяснена экспериментальными условиями, при которых дистальный электрод располагался на достаточно большом расстоянии от регистрируемого интернейрона. Это делалось, чтобы минимизировать активацию ГАМКергических терминалей на этой клетке и уменьшить эффект ГАМКергической модуляции ТПСТ. Такой подход приводил к тому, что при дистальной стимуляции активировалось лишь небольшое число глутаматергических терминалей из числа тех, которые приводили к выбросу глутамата рядом с ГАМКергическими синапсами записываемого интернейрона.

Повышение температуры снижало гетеросинаптическую депрессию ТПСТ благодаря увеличению захвата глутамата (Asztely et al. 1997). Однако, эта депрессия могла быть восстановлена увеличением частоты стимуляции коллатералей, причем в пределах частот разрядов наблюдаемых in vivo. По всей вероятности, во время эпилептиформных разрядов достигается даже более высокая концентрация внеклеточного глутамата. Эти данные указывают на физиологическую значимость модуляции тормозной передачи метаботропными рецепторами группы III и, возможно, вовлечение этого феномена в гомеостатические механизмы.

Еще одним эффектом модуляции нейропередачи между интернейронами может быть парадоксальное изменение проведения сигнала в сети пирамидных клеток поскольку ГАМКергическое торможение играет центральную роль в синхронизации спонтанных разрядов (Cobb et al. 1995; Whittington et al. 1995). По причине того, что пространственно-временной паттерн разрядов может быть важен для генерации эпилептиформной активности, снижение торможения между интернейронами способно ослабить механизм, вовлекаемый в гиперсинхронизацию. В подтверждение этому было показано, что метаботропные глутаматергические рецепторы вовлекаются в генерацию осцилляций интернейронов (Whittington et al. 1995).

Из проведенных экспериментов осталось не ясным, какие терминали высвобождают глутамат, активирующий mGluR группы III в ГАМКергических синапсах. Это могут быть как возбуждающие терминали, оканчивающиеся на тех же самых интернейронах (Рис. 3.3.8), так и терминали, образующие синаптические контакты с соседними клетками. В случае шипиковых синапсов пирамидных нейронов расстояние между соседними терминалями оценивается, приблизительно, в 0,5 mм (Rusakov and Kullmann 1998), причем эти синапсы принадлежат, как правило, различным дендритам и даже различным нейронам (Sorra and Harris 1993). Такое короткое расстояние делает возможным спилловер глутамата между соседними синапсами (Rusakov and Kullmann 1998), даже принимая во внимание наличие астроцитарных транспортеров на пути диффузии этого нейротрансмиттера от синапса к синапсу (Lehre and Danbolt 1998; Ventura and Harris 1999). К сожалению, среднее расстояние между ГАМКергическим синапсом на интернейроне и ближайшим к нему глутаматергическим синапсом систематически не было исследовано. Этот параметр является крайне важным для рассчета вероятности того, что спилловер глутамата будет активировать mGluR группы III на ГАМКергических терминалях.

3.3.9 Гетеросинаптическая депрессия, опосредованная метаботропными ГАМК_B рецепторами

В данной работе нами также было впервые показано вовлечение в гетеросинаптическую депрессию ТПСТ метаботропных ГАМК_B рецепторов, активируемых за счет диффузии ГАМК. Ранее было продемонстрировано участие этих рецепторов в гетеросинаптической модуляции возбуждающей глутаматергической передачи в пирамидных нейронах (Isaacson 2000; Isaacson et al. 1993). Таким образом, ГАМК может диффундировать от тормозных ГАМКергических синапсов к другим тормозным или возбуждающим терминалям. Интересно, что наших экспериментах относительный вклад ГАМК_B и mGluR группы III рецепторов в гетеросинаптическую депрессию ТПСТ в интернейронах был приблизительно одинаков. Однако, мы не ставили отдельной задачей оценку вклада ГАМК_B рецепторов в гетеросинаптическую депрессию и не можем сделать сравнительного анализа важности глутаматергической и ГАМКергической модуляции тормозной передачи.

Более высокая аффинность к ГАМК метаботропных ГАМК_B рецепторов по сравнению с ионотропными ГАМК_А рецепторами (Jones et al. 1998; Sodickson and Bean 1996) является зеркальным отражением более высокой аффинности к глутамату глутаматергических метаботропных рецепторов (включая mGluR4) по сравнению с ионотропными AMPA рецепторами (Pin and Duvoisin 1995). Такая симметрия позволяет предположить, что высокоаффинные рецепторы обоих аминокислотных нейропередатчиков в дополнение к классической синаптической передаче вовлекаются в диффузный тип взаимодействий между соседними синапсами. При этом, низкоаффинные рецепторы глутамата и ГАМК, по всей видимости, играют более важную роль в генерации ВПСТ и ТПСТ, соответственно.

На основании опубликованных нами данных и данных ряда других лабораторий по модуляции ГАМКергической передачи метаботропными рецепторами группы III и модуляции глутаматергической передачи ГАМК_B рецепторами J. Isaacson предложил симметричную схему взаимного влияния тормозной и возбуждающей систем мозга друг на друга посредством диффузионных процессов (Isaacson 2000). Адаптированный вариант этой схемы представлен на рисунке 3.3.9.

 

 

 

Рис. 3.3.9 Схема взаимодействия метаботропных рецепторов-детекторов внеклеточной концентрации ГАМК (ГАМК_B) и глутамата (mGluR)

Оба типа рецепторов снижают выброс нейропередатчика и могут приводить к гетеросинаптической депрессии. Пресинаптические ГАМК_B рецепторы могут снижать выброс глутамата при высокой активности тормозных ГАМКергических синапсов, а пресинаптические mGluR наоборот снижать выброс ГАМК при повышении внеклеточного глутамата (схема адаптирована по (Isaacson 2000)

 

Заключение

Таким образом, в данном разделе работы было показано:

1. Активация пресинаптических метаботропных рецепторов группы III приводит к снижению вероятности выброса медиатора в ГАМКергических и глутаматергических синапсах, расположенных на гиппокампальных интернейронах, но не пирамидных клетках.
2. Метаботропные рецепторы группы III, расположенные на тормозных терминалях, активируются за счет спилловера глутамата с соседних возбуждающих синапсов. Этот процесс лимитируется обратным захватом глутамата и усиливается при увеличении возбудимости нейрональной сети.
3. Активация mGluR группы III снижает как амплитуду вызванных ТПСТ, так и частоту спонтанных ТПСТ в интернейронах.
4. Аналогично спилловеру глутамата, активирующему mGluR группы III, происходит спилловер ГАМК, активирующий ГАМК_B рецепторы на тормозных ГАМКергических терминалях. Этот процесс также ведет к гетеросинаптической депрессии.

Результаты, полученные в данном разделе работы, являются важным свидетельством в пользу внесинаптического взаимодействия между возбуждающей (глутаматергической) и тормозной (ГАМКергической) системами в ЦНС. Эти данные проливают свет на диффузионный механизм гомеостатического регулирования возбудимости нейрональной сети гиппокампа и подводит теоретическую базу под антиэпилептический эффект веществ, влияющих на метаботропные рецепторы.