Клітинні та молекулярні механізми депріваціонних змін

Клітинні та молекулярні механізми депріваціонних змін

Вплив імпульсної активності на будову кори

Експерименти з зорової депривації в ранні періоди життя підняли дві різні, але взаємопов'язані проблеми. По-перше, яким чином проявляються ефекти імпульсної активності на патерни зростання і ретракції відростків нейронів? По-друге, яким чином узгоджена або неузгоджена активність двох різних нервових шляхів визначає те, як вони конкурують за територію і визначають її межі?

В експериментах, виконаних на кошенят, було показано роль потенціалів дії в зміні архітектури зорової кори. Коли проводиться закриття очі або тварина утримується в повній темряві, це не призводить до повного припинення активності в зорових шляхах. Нейрони продовжують спонтанно генерувати сигнали, і колонки очного домінування розвиваються як відокремлені один від одного зони.

Експерименти, виконані Страйкером, Шатц та їх колегами, показали, що цей, однаково низький рівень активності, що йде від обох очей, дуже важливий для нормального розвитку. ), который блокировал проведение потенциалов действия, в оба глаза новорожденного котенка. Для доказу цього вони вводили тетродотоксин (TDC), який блокував проведення потенціалів дії, в обидва ока новонародженого кошеняти. Через кілька днів після видалення токсину проведення в зорових шляхах від сітківки до кори через ЛКТ відновлювалося. Цікавим результатом виявилося те, що після відновлення в латеральному колінчастому тілі не відбувалося розділення

Рис. 1. Збільшення гіллястість волокон ЛКТ закінчуються в шарі 4 зорової кори, після аплікації тетродотоксина в обидва ока. (А) Нормальна гіллястість помічених аксонів з ЛКТ в шарі 4 (у віці 30 днів). (В)

імпульсів, що йдуть від різних очей, в різні шари. Більше того, клітини в шарі 4 зорової кори, як і раніше управлялися обома очима, як у новонародженої тварини, і колонки очного домінування, виявлені методом авторадіографії, мали неонатальний патерн: вони сильно перекривалися і не мали чітких меж. Таким чином, при повній відсутності активності волокна з ЛКТ не можуть піддаватися нормальної ретракції в шарі 4 кори (рис. 1 і 2).

Вплив закриття століття на формування глазодоминантности колонок може сильно мінятися, якщо заблокувати активність клітин кори за допомогою ТТХ.

Наприклад, проводили введення ТТХ протягом декількох днів в зорову кору кошеня під час критичного періоду розвитку при депривації одного ока.

Після видалення ТТХ кортикальні клітини продовжували відповідати на стимуляцію обох очей, хоча одне око було депривовані. Також під час відсутності активності не відбувалася ректракція відростків. Замість використання ТТХ Страйкер з колегами застосовували фармакологічні агенти, вибірково інгібуючі коркові нейрони, але не блокують активність в аферентних волокнах, що йдуть із ЛКТ.

Отримані ними результати в дослідах з одночасною монокулярною депривацией дають підстави вважати, що активність постсинаптичних клітин визначає, чи виникне ретракція після проведення монокулярною депривації.

Таким чином, важливим є не просто наявність вихідної з очей активності.

Синхронизованной спонтанна активність при відсутності стимуляції під час розвитку

Експерименти з тетродотоксином показують, що для ретракції аксонів необхідно, щоб по зорових шляхах передавалася активність у вигляді потенціалів дії. Без цієї фонової активності аксони залишаються розгалуженими в декількох шарах ЛКТ і перетинають кордони глазодоминантности колонок в корі. Отже, як ми вже бачили, велика частина розвитку нервової системи проходить ще до моменту народження. У темряві утроби матері, ще до того, як кошеня або дитинча мавпи щось побачать, і навіть ще до того, як фоторецептори почнуть функціонувати, вже можна розрізнити окремі шари в ЛКТ і колонки у корі. Чи означає це, що ранній розвиток відбувається без активності потенціалів дії, або яка - то власна імпульсна активність усередині системи управляє цим розвитком?

Мафей з колегами продемонстрували, що синхронні розряди потенціалів дії розповсюджуються вздовж очного нерва вже в матці. Були численні дискусії з приводу того, яким чином ця активність може виникати і яку роль вона може грати у формуванні узгоджених полів іннервації.

Те, що є періодичні, синхронизованной хвилі активності в сусідніх гангліозних клітинах, було показано Майстром, Байлором та їх колегами в сітківці, виділених у незрілих тхорів і плодів кошенят. Сітківка містилася в камеру, в якій знаходився 61 електрод. У записах з кожного електрода можна було ідентифікувати розряди до чотирьох різних гангліозних клітин. У цих дослідах було виявлено, що певний патерн активності поширюється по сітківці від однієї

Рис. 2. Хвилі імпульсної активності, що поширюються вздовж ізольованого препарату сітківки новонародженого тхора.

ганглиозной клітці до іншої. Приклад показаний на рис. 2. Ізольована сітківка була поміщена на матрицю реєструючих електродів. Розташування кожного з 82 нейронів показано у вигляді маленької чорної точки. Електрично активні нейрони показані у вигляді великих чорних плям, розмір яких пропорційний частоті імпульсації. Кожен кадр являє собою усереднену нейронну активність за 0,5 секунди. Протягом восьми кадрів (3,5 з) потенціали дії починаються в області однієї маленької групи клітин і поширюються на всю сітківку. Незабаром після проходження першої хвилі починається друга, потім ще одна, щоразу поширюючись у різних напрямках. На цьому етапі розвитку фоторецептори тхора ще не здатні відповідати на світло.

Маленькими точками показане розташування електродів, великими чорними крапками відзначені місця розрядів потенціалів дії, розмір точки показує частоту розрядів. Відстань між кадрами становить 0,5 с. Хвиля активності поширюється вздовж сітківки протягом приблизно 3 секунд. Зазвичай такі хвилі повторюються через певні періоди, розділені інтервалами приблизно в 2 секунди. Вонг повідомив про схожий волноподобном поширення короткочасних змін до концентрації внутрішньоклітинного кальцію і припустив, що це може грати роль в синхронізації електричної активності. Є свідчення, що холінергічні нейрони, зірчасті амакріновие клітини і наявні між клітинами електричні контакти відіграють роль в генерації координованої активності гангліозних клітин незрілої сітківки.

Проте до цих пір залишається невідомим, яким чином синхронизованной активність в одному оці призводить до поділу йдуть нього волокон зорового нерва в шарах ЛКТ і перешкоджає перекриттю цих шарів.

Клітинні механізми пластичності сполук

Для того, щоб перевірити, яким чином активність впливає на ріст і ретракція нервових відростків, було проведено багато експериментів на культурах нейронів хребетних і безхребетних. Наприклад, серії потенціалів дії, викликані електричною стимуляцією з різною частотою, як було показано, призводять до значної ретракції відростків, які потім знову відростають. Більше того, цей ефект залежав не тільки від частоти і тривалості серій, а й від молекулярного оточення, в якому відбувалося зростання нейронів, а також від стадії їх росту.

Експерименти зі штучним косоокістю показують, що для того, щоб з'єднання між нейронами підтримувалися на функціональному рівні, нейрони повинні якимось чином визначати, який із двох вхідних сигналів перебуває у фазі, а який - ні. Реєстрації сигналів від кортикальних нейронів показують, що нейрони здатні відповідати зі значно більшою амплітудою на два вихідних синоптичних сигналу, які надходять з певною синхронністю. Яким чином це може призвести до того, що в результаті одні нервові закінчення залишаються, а інші піддаються ретракції, залишається невідомим.

Роль трофічних речовин у підтримці нейронних зв'язків

Окремим напрямком досліджень є оцінка того, яким чином трофічні речовини, секретуються постсинаптичні ми клітинами-мішенями, беруть участь у підтримці нейронних зв'язків. , nerve growth factor ) и МНФ (мозговой нейротрофический фактор, BDNF , brain - derived neurotrophic factor ), могут предотвращать эффекты монокулярной депривации в развивающейся зрительной системе крыс. Мафей з колегами першими показали у своїх експериментах, що нейротрофінів, такі як ФРН (фактор росту нерва, NGF, nerve growth factor) і МНФ (мозковий нейротрофічний фактор, BDNF, brain - derived neurotrophic factor), можуть запобігати ефекти монокулярною депривації в розвивається зорової системі щурів. Їх результати дають підстави припускати, що волокна ЛКТ конкурують за чинники зростання.

Припущення авторів полягала в тому, що аксони, не отримуючи достатньої кількості чинників зростання від клітин мішеней, втрачають з ними зв'язки і піддаються ретракції, як це відбувається в інших системах. У зв'язку з цим було проведено ряд дослідів, в яких в корі щури створювали високу або надмірну концентрацію ФРН або за допомогою безпосереднього вступу, або за допомогою секреції з імплантованих спеціально культивованих шванівських клітин. У цих умовах монокулярний депривація більше не приводила до зменшення розміру колонок, проте кортикальні клітини як і раніше отримували управління від обох очей. Введення антитіл до ФРН запобігало ці ефекти.

Більше того, у нормально розвивається зорової системі антитіла до ФРН викликали зменшення клітин в розмірах і продовжували критичний період, як має відбуватися у разі блокади нормальної дії трофічних факторів і ФРН.

Хоча поступово з'являється все більше інформації про локальні відмінності в молекулярному оточенні і про деякі властивості самих нейронів, до теперішнього часу не існує повного і грунтовного пояснення механізмів критичного періоду і пластичності на молекулярному рівні.

Таким чином, ми поки не можемо пояснити, чому з'єднання в зоровій корі є більш уразливими, ніж в сітківці або в спинному мозку.

Поділ сигналів без їх конкуренції

В експериментах, описаних нами до цих пір, основним принципом було те, що два очі конкурують один з одним за зв'язки і територію в ЛКТ і в шарі 4 первинної зорової кори, початково маючи приблизно рівні можливості. Ракича з колегами використовували інший підхід для вивчення того, як сусідні групи клітин з добре визначеними властивостями розподіляють свої закінчення і визначають свої мішені в процесі розвитку без конкуренції один з одним.

и мелкоклеточная (Р, parvocellular ) системы располагаются в различных слоях ЛКТ и зрительной коры. Як ми вже писали вище, великоклітинна (M, magnocellular) і дрібноклітинна (Р, parvocellular) системи розташовуються в різних шарах ЛКТ і зорової кори. и Ρ клеток по мере того, как происходит их рост в ЛКТ во время развития, было показано, что аксоны извне приходят строго в M и Ρ слои, где они образуют характерные неперекрывающиеся паттерны ветвления. M волокна заканчиваются только в слоях 1 и 2 ЛКТ, а Р волокна — в слоях 3, 4, 5 и 6 (рис. 3), без перекрытия. При фарбуванні окремих аксонів M і Ρ клітин у міру того, як відбувається їх зростання в ЛКТ під час розвитку, було показано, що аксони ззовні приходять строго в M і Ρ шари, де вони утворюють характерні неперекривающіхся патерни розгалуження. M волокна закінчуються тільки в шарах 1 і 2 ЛКТ, а Р волокна - в шарах 3, 4, 5 і 6 (рис. 3), без перекриття.

Таким чином, коли два ока утворюють свої зв'язки, можна припустити, що конкуренція відіграє основну роль у поділі надходить від них подібної інформації про навколишній світ. и Р системы переносят абсолютно различные виды информации. Насправді M і Р системи переносять абсолютно різні види інформації. Їх з'єднання (подібно до тих, що відбуваються при утворенні плям і смужок у зорової зоні 2) утворюються за іншими принципами, в яких конкуренція відіграє далеко не головну роль.

Іншим прикладом зв'язків, які утворюються без участі конкуренції, є розвиток карт орієнтації в зоровій корі кошеня. Варто зазначити, що результати подібного роду зміцнюють впевненість у тому, що не все, що відбувається в нервовій системі, або навіть на ринку може бути списано на просту конкуренцію.)

Критичні періоди розвитку слухової системи

Результати, отримані при зміні сприйняття зорової інформації у кошенят і незрілих дитинчат мавпи, мають велику кількість програм для розуміння функціонування нервової системи. ). Цікавим прикладом є те, як відбувається адаптація слуховий системи під час її критичних періодів, що показано в експериментах Кнудсена і його колег на комірний сові (barn owl). Ранній слуховий досвід формує особливості налаштування нейронів четверохолмия амбарний сови в залежності від частоти. Наступний приклад показує, як зміни в сприйнятті зорової інформації в ранні періоди життя можуть вплинути на подання слуховий системи в головному мозку амбарний сови.

Рис. 3. Відсутність конкуренції за територію між крупно-і дрібноклітинний аксонами клітин сітківки і ЛКТ. и Ρ ЛКТ обезьяны продолжают расти на протяжении с 95 до 135 дня эмбриональной жизни (с Е95 до Е135). Помічені нервові закінчення волокон зорового нерва в шарі M і Ρ ЛКТ мавпи продовжують рости протягом з 95 до 135 дня ембріональної життя (з Е95 до Е135). З самого початку розвитку аксони обмежені тільки своїми власними шарами і не поширюються в сусідні шари ретракції. Таким чином, МиР волокна не конкурують за простір.

Слуховий і зоровий досвід у новонароджених комірних сов

Сова здатна повертати голову точно в напрямку того місця, звідки лунає звук (так як вона має ловити слабо їжа миша). ) — то есть по задержке между звуковыми волнами, поступающими сначала в одно ухо, а потом — в другое. Горизонтальна локація звуку здійснюється за допомогою вимірювання різниці в часі між правим і лівим вухом (interaural time difference) - тобто по затримці між звуковими хвилями, які надходять спочатку в одне вухо, а потім - в інше. (Сова також може брати до уваги інтенсивність звуку в обох вухах для оцінки вертикальної позиції: асиметрично розташовані групи пір'я на її морді відображають звук, що йде згори, в одне вухо, а знизу - в інше.)

Іншою можливістю для сови визначити положення і траєкторію руху миші є зір. На рис. ) согласованы в одном слое зрительной области четверохолмия ( tectum ), которая соответствует зоне верхнего двухолмия у млекопитающих. 4А показано, що у нормальної дорослої сови нейронні карти простору для зору і слуху (neural maps for visual and auditory space) узгоджені в одному шарі зорової області четверохолмия (tectum), яка відповідає зоні верхнього двухолміе у ссавців. Подібне картування здійснюється за допомогою вимірювання відповідей окремих нейронів четверохолмия на звуки, що йдуть від різних ділянок, і світлові стимули, пропоновані в різних ділянках зорового поля.

У серії експериментів совенят вирощували зі зміщеними на 23 градуси вправо або вліво зоровими полями, для чого на очі їм збожеволіли спеціальні призми (рис. 5.А). Це рухати зображення зорового поля на сітківці і, отже, його проекцію в четверохолміе таким чином, що вже не було узгодження між зорової та слухової картами (рис. 5.В, С). Протягом наступних 6-8 тижнів відбувався зсув слуховий просторової карти, і вона знову відповідала зорової карті. Пластичність в критичний період, таким чином, дозволяла проводити «тонке налаштування» функцій кори в результаті придбаного совою досвіду і знань про навколишній світ. У результаті цього сова початку орієнтувати свої очі у напрямку до джерела звуку незважаючи на спотворюють призми.

На більш пізніх етапах експерименту призми видаляли з очей сови. Тепер знову виникав дисбаланс між зорової та слухової картами. У тому випадку, якщо сови були молодші 200 днів на той момент, коли видаляли призми, слухова карта вдруге зсувалася, повертаючись до свого вихідного положення, яке відповідає зорової карті (рис.5., Також див. рис. 6А).

Рис. 4. Накладення один на одного слухової і зорової карт простору в області четверохолмия амбарний сови. (А) Висхідний слуховий шлях, який прямує до зорових горбиках. Слухові нейрони внутрішнього (ICC) і зовнішнього (ICX) ядер нижнього горбика мають Тонотопическая організацію. Вони проектують відростки в області зорових горбків в певній послідовності. Слухова карта простору залежить від відмінностей у часі між надходженням звуків в обидва вуха. Слухові і зорові карти простору тісно пов'язані один з одним. мкс)», отвечают на зрительные и слуховые стимулы, расположенные прямо перед совой. Таким чином, нейрони, сигнали яких реєструються в області, зазначеної як «0  s (0 мкс)», відповідають на зорові і слухові стимули, розташовані прямо перед совою. ITD - інтерауральная різниця в часі. (В) Графік відповідей на інтерауральную різницю в часі, отриманий у молодої сови у віці 60 днів. Різниця в часі між двома звуками показано по осі x (зліва направо). Нейрони, які відповідають на інтерауральную різницю в 0 мкс, найкраще реагують на стимули, що знаходяться безпосередньо перед твариною, і пов'язані з рецептивних полем, розташованим в центрі зорового поля. Звуки, що йдуть ліворуч або праворуч, досягають вух сови з затримкою, активуючи нейрони, що мають різні криві відповідей, піки яких відрізняються від 0 мкс і які також узгоджені із зоровими стимулами.

Рис. 5. Зрушення слухового рецептивного поля після приміщення на очі сов призм під час критичного періоду. (А) совенят з окулярами, що складаються з призм, що викликають зсув зорового поля на 23 градуси управо (або вліво, в залежності від очок). (В) Стадії розвитку, коли призми поміщалися на очі совенят. (С) Аудіометричні криві, що показують відповіді на звуки, що мають різний інтерауральний часовий інтервал. У нормальної молодий сови у віці 60 днів відповіді нейронів аналогічні представленим на рис. 25.19: інтерауральная різниця в часі (ITD), що дорівнює 0 мкс, представляє центр зорового поля. При вирощуванні тварини з даними призмами відбувалося зміщення кривих. Зорові рецептивні поля зміщувалися вправо або вліво на 23 градуси. Тепер найбільші відповіді слухових нейронів реєструвалися з тієї ITD, яка відповідала зміщеним зоровим полях. При цьому знову відновлювалося відповідність між зорової та слухової картами. (D) Тимчасової хід зсуву слухових кривих у 3 незрілих совенят. У дорослої сови (сова 222) не відбувалося будь-якої корекції.

Рис. 6. Ефект збагаченого досвіду в ранні періоди розвитку на формування слухової системи. (А) Результати експериментів з совенят, що містяться в клітинах, як показано на рис. 5. У двох совенят зорова і слухова карта знову прийшли у відповідність (пунктирна лінія), коли призми прибрали у віці 200 днів. Тварина, у якого призми були видалені у віці 219 днів (чорна лінія), не змогло адаптуватися до нових умов. Карта зорового поля повернулася до свого початкового розташуванню, в той час як слухове простір так і залишилося зміщеним на 23 градуси. Таким чином було визначено критичний період для корекції слухового поля у сов після видалення призм. (В) Результати експериментів на совенят, що мають збагачений сенсорний досвід в ранньому періоді життя. У цих тварин відбувався звичайний зрушення слухових карт і параметрів відповідей при приміщенні на їх очі призм в ранньому віці. Відновлення після зняття призм не мало критичного періоду. Після зняття призм відбувалося повернення слухових і зорових карт в узгоджене положення, навіть якщо призми знімали значно пізніше 200 днів життя.

Література

1. Wiesel, TN, and Hubel, DH 1965. / Neuro-physiol. 28: 1029-1040.

2. Сотр . Guiilery, RW, and Stelzner, DJ 1970. J. зітри. Neuroi. 139: 413-422.

3. et al. 1985. J. Сотр . Humphrey, AL et al. 1985. J. зітри. Neuroi. 233: 159-189.