Диффузная передача сигнала Лекция 4

2 Диффузная передача сигнала 1986 год Луиджи Агнати и Кжел Фуксе дают определение объемной передачи (диффузия нейропередатчиков через объем нервной ткани) 1994 год Дмитрий Кульман описывает «спилловер» глутамата. Часть нейропередатчика, не смотря на обратный захват, покидает синаптическую щель и может активировать рецепторы на соседних синапсах 1994 год Владимир Парпура с соавторами экспериментально продемонстрировали, что глутамат высвобождаемый астроцитами активирует нейроны 1996 год Мария Усович, Стивен Брикли, Марк Фаррант, демонстрируют тоническую (постоянную) активацию вне синаптическийх ГАМК А рецепторов за счет внеклеточной ГАМК

3 Локальная диффузная передача Определения Агнати и Фуксе объемная передача - тип передачи не основанный на специализированной структурной организации передача от «точки-к-точке» - тип передачи сигнала основанный на специализированной структурной организации (синапс, плотный контакт) Агнати и Фуксе не учли локальных диффузных взаимодействий между клетками мозга, анизотропию диффузии и захвата нейропередатчика локальная диффузная передача – тип передачи сигнала вне синаптическийх контактов, но ограниченный и регулируемый локальной вне синаптической организацией

Модуляция синаптической передачи Лекция 4.1

5 Типы модуляции Пресинаптическая модуляция –Снижение вероятности высвобождения нейропередатчика (пресинаптическиййе mGluR, ГАМК Б ГАМК А рецепторы) –Повышение вероятности высвобождения нейропередатчика (пресинаптическиййе каинатные, NMDA, никотиновые рецепторы) Постсинаптическая модуляция –Активация модуляторных сайтов на постсинаптическиййх рецепторах эндогенными модуляторами (Эндозипины – усиливают функцию ГАМК А, глицин – функцию NMDA рецепторов) –Активация рецепторов на постсинаптическом нейроне за пределами данного синапса

6 Рецепторы глутамата Схема распределения рецепторов глутамата (может отличаться в зависимости от типа синапса) NMDA и AMPA рецепторы сконцентрированы постсинаптическийй в активной зоне, а метаботропные рецепторы пресинаптическийй или экстрасинаптический Каинатные и инотропные экстра синаптическийе рецепторы не показаны

7 Пути активации модулирующих рецепторов

8Спиловер Спиловер (spill – разливаться, over – через: перелив) – нейропередатчик покидает синаптическую щель и растекается во внеклеточном пространстве на некоторое расстояние

9 Спиловер активирует высокоаффинные рецепторы Зависимость максимальной вероятности открытия канала от расстояния до места высвобождения синаптического нейропередатчика Данные нормированы к P o,max cleft - вероятности высвобождения нейропередатчика в синаптической щели D – коэффициент диффузии NMDA рецепторы обладают более высокой аффинностью и активируются спилловером на большем расстоянии от синапса, чем AMPA рецепторы

10 Различные модели спилловера (а) возможна активация высокоаффинных рецепторов на соседнем синапсе (b) рецепторы на далеких синапсах не активируются (с) свойство кооперативности

11 Спиловер и внесинаптическийе NMDA рецепторы Спонтанное (несинхронизированное) высвобождение глутамата: транспортеры быстро захватывают нейропередатчик Если высвобождение происходит синхронизовано в соседних синапсах, то достигается достаточная концентрация глутамата для активации вне синаптическийх NMDA рецепторов

12 Направленность спилловера на пресинапс Ножки астроцитов преимущественно находятся на стороне пост синапса. Они обладают высокой плотностью транспортеров глутамата, что ведет к низкой концентрации глутамата со стороны пост синапса. 600 nm

13 Модель LTP в молчащих синапсах (A) Молчащие синапсы – экспрессируют только NMDA, но не AMPA рецепторы. После LTP происходит экспрессия AMPA рецепторов. (B) Глутамат может растекаться (спилловер) от одного синапса к другому, приводя к активации NMDA (но не низкоаффинных AMPA) рецепторов. Если такой синапс был молчащим из-за невозможности пресинаптического высвобождения, LTP приводит к высвобождению вторичных посредников на пресинаптическую терминаль и позволяет нейропередатчику высвобождаться.

14 Гетеро- и гомо рецепторная модуляция Гоморецепторы – модулирующие рецепторы к тому же типу нейропередатчика, который высвобождается в этом синапсе Ауторецепторы – гомо рецепторы, которые активируются нейропередатчиком высвобождающимся данным синапсом Гетерорецепторы - модулирующие рецепторы к другому типу нейропередатчика, чем тот что высвобождается в этом синапсе

15 Пример гетеро рецепторной модуляции Переговоры между ГАМКергическим и глутаматергическим синапсами Переговоры между ГАМКергическим и глутаматергическим синапсами

Локальная диффузная нейропередача Лекция 4.2

17 Внесинаптическая передача сигналов в мозге Внесинаптическая диффузная передача 1. Связь синаптический несвязанных сетей (в том числе нейрональной сети с глиальной) 2. Пластичность (адаптация и хранение информации)

18 Механизмы локальной диффузной передачи Различные источники 1. Синаптический спилловер и не везикулярное высвобождение 2. Высвобождение передатчика нейронами и глией Высоко-аффинные рецепторы 1. Клеточная специфичность 2. Субклеточное распределение 3. Биофизические свойства (медленная кинетика десенситизации) Диффузия и захват 1. Расстояние 2. Анизотропия диффузии 3. Плотность транспортеров Аксоная терминаль (расширение) Синаптическая щель Постсинаптическийе рецепторы астроцит

19 Источники внеклеточного передатчика

20 Ширина синаптической щели и внесинаптического пространства Щель и пространство – маленькое и большое? Внесинаптическая щель! 300 нм

21Диффузия Геометрия, извилистость Поправка коэффициента диффузии на наличие крупных белковых молекул Электродиффузия заряженных нейропередатчиков

22 Анизотропия диффузии Параметры определяющие диффузию: Фракция объема = внеклеточное пространство / общий объем Извилистость Поскольку они различаются в разных направлениях нервной ткани – диффузия анизотропная Анизотропия – неравномерность в различных направлениях

23 Обратный захват Функции Прекращение синаптической передачи (дискретизация событий) Сбор нейропередатчика для последующего высвобождения Типы Захват нейропередатчика связанный со входом Na + и выходом K + (глутамат) Захват нейропередатчика связанный со входом Na + и Cl - (ГАМК, глицин, адреналин, серотонин, дофамин) Захват нейропередатчиков как правило электрогенный Может быть перенаправлен при деполяризации Может быть механизмом высвобождения нейропередатчика Может вовлекаться в цитотоксические (нейродегенеративные) эффекты высвобождения нейропередатчика (глутамат) Транспортеры являются мишенью для лекарственных препаратов и наркотиков

24 Синаптические и внесинаптическийе рецепторы Синаптические рецепторы Внесинаптическийе рецепторы Плотность ВысокаяНизкая Афинность НизкаяВысокая Кинетика десенситизации Быстрая Медленная Взаимодействие с внутриклеточными белками Связаны с внутриклеточными белками удерживающими рецептор в синапсе (ска форд белками) Взаимодействия не известны Фармакологические свойства Как правило состоят из различных субъединиц

25 Гипотеза латеральной диффузии рецепторов Происходит обмен рецепторов между синаптическийм, внесинаптическийм и внутриклеточным компартиментами. Внесинаптическийе рецепторы могут закрепляться в синапсах за счет ска форд белков Внесинаптическийе рецепторы могут обмениваться с внутриклеточным пулом путем встраивания в мембрану и интернализации. Внутриклеточный пул вовлекается в синтез рецепторов, транспорт, рециркуляцию и деградацию Даниел Шоке, 2005 Пулы рецепторов Синаптический Внесинаптическийй Внутриклеточный

26 Модель диффузии рецепторов в мембране Модель обмена рецепторов между дисперсным (свободная диффузия) и клейстеризованным (ограниченное движение) состояниями. Коэффициенты входа и выхода из кластеров k on и k off : рецепторы ходят в кластер, притягиваются ска форд белками и отталкиваются от цито скелетных и трансмембранных белков. Даниел Шоке, 2005

27 Латеральные перемещения рецепторов Изменение синаптической силы Изменение внесинаптического рецепторного пула Субклеточное перераспределение вне синаптическийх рецепторов (передислокация)

Высвобождение глутамата астроцитами Лекция 4.3

29 Фотоактивация молекул Фотоактивация молекул – перевод молекулы из неактивного состояния в активное с помощью энергии света Связанный Ca 2+ Свободный Ca 2+ УФ лазер Связанный глутамат Свободный глутамат УФ лазер Преимущества метода – локализованный в пространстве и времени химический сигнал для клеток Особенно полезен для работы с глиальными клетками, которые не являются электровозбудимыми

30 Фотоактивация кальция в глиальных клетках Астроциты заполнялись связанным Ca 2+, который потом активировался с помощью УФ лазера Повышение кальция детектировалось с помощью флуоресцентного Ca 2+ чувствительного индикатора Ряд последовательных вспышек УФ лазера – кумулятивное увеличение Са 2+

31 Увеличиение кальция в астроците приводит к увеличению синаптическогов высвобождения ГАМК Наложенные записи кальциевого сигнала в астроците и запись спонтанных синаптическийх ответов в расположенном рядом нейроне Частота синаптическийх ответов в нейроне значительно повышается

32 Астроцит высвобождает глутамат который действует на аксональные каинатные рецепторы В астроците поднимается концентрация кальция Астроцит высвобождает глутамат Глутамат диффундирует и активирует каинатные рецепторы на аксоне ГАМКергического нейрона Увеличивается частота потенциалов действия в аксоне и синаптическое торможение возбуждающего нейрона УФ лазер Запись электрической активности

Тонический ГАМКергический ток Лекция 4.4

34 Режимы активации ГАМК А рецепторов (a) Высвобождение одиночной везикулы в пресинаптической терминали активирует только рецепторы кластеризованные непосредственно напротив. Форма тока соответствует миниатюрному ТПСТ (b) Потенциал действия приводит к высвобождению множества везикул из соседних терминалей, усиливая спилловер ГАМК и активацию перисинаптическийх и экстрасинаптическийх рецепторов. Форма тока соответствует вызванному ТПСТ. (c) Небольшая концентрация ГАМК находится во внеклеточном пространстве. Она ведет к тонической активации высокоаффинных вне синаптическийх рецепторов.

35 Срезы гиппокампа CA 1 CA 3 DG + Отсутствуют артефакты связанные с дыханием и сердцебиением как in vivo + контролируемые условия (температура, фармакология, ионный состав) + возможность записи с множественными электродами + сохраняется геометрия внеклеточного пространства (в отличие от культур клеток)

36 Записи с целой клетки с режиме фиксации потенциала Amplifier CA1 CA3 DG 1. Идентификация клетки 2. Фиксация потенциала и ионов 150 mM [Cl - ] o IR-DIC image

37 Регистрация спонтанных ТПСТ 0.5 с 100 пA Фармакологическая изоляция ГАМКергических ТПСТ Антагонисты D-APV (50 μM) – NMDA рецепторы NBQX (25 μM) –AMPA/каинатные рецепторы CGP52432 (5 μM) – ГАМК B рецепторы + пикротоксин (PTX, 100 M)

38 Измерение ГАМКергического тонического тока 100 M PTX контроль 0.5 s 100 pA Тонический ток Semyanov et al. Nature Neurosci Тонический ток регистрируется как изменение тока фиксации нейронов при добавлении антагонистов ГАМК А рецепторов

39 Тонический ток изменяет передаточную характеристику нейронов Semyanov et al. Nature Neurosci. 2003

40 Как регулируется тонический ток Все нейроны мозга имеют разную величину тонического тока, которая регулируется: Высвобождением ГАМК Обратным захватом ГАМК Наличием или отсутствием вне синаптическийх ГАМК рецепторов Плотностью рецепторов и их биофизическими свойствами

41 Тонический ток влияет на прохождение сигнала в нейрональной сети Semyanov et al. Nature Neurosci Снижение во внеклеточной концентрации ГАМК Снижение тонического торможения интернейронов Увеличение синаптического торможения принципиальных нейронов ++ В гиппокампе тонический ток отсутствует в принципиальных нейронах, но есть в тормозных интернейронах

42 Модуляция экстрасинаптическийх ГАМКА рецепторов нейроактивными стероидами Нейроактивные стероиды синтезируются нейронами и глией или генерируются в результате метаболизма прекурсоров на переферии.

43Нейростероидогенез Глиальный нейростероидогенез: Холестерол захватывается митохондриями Прегненолон Прогестерон 5α-дигидропрогестерон (5α-DHP) 3α,5α- тертагидропрогестерон (3α,5α-THP; аллопрегнанолон) 3α,5α-THP высвобождается глиальными клетками и модулирует внесинаптическийе ГАМК А рецепторы. Другой стероид аллотетрагидродеоксикортикостерон (THDOC) синтезируется как переферически, так же и в мозге из предшественников.

44 Модуляция экстрасинаптическийх ГАМКА рецепторов нейроактивными стероидами Низкие концентрации THDOC увеличивают величину тонического тока в гранулярных нейронах мозжечка, но оказывают небольшой эффект на ТПСТ

45 Свойства ГАМКергического тонического тока Суммарный заряд переносимый тоническим током может значительно превышать суммарный заряд переносимый ТПСТ Тонический ток обеспечивает шунтирующее торможение Обладает клеточной специфичностью, что играет важную роль в регуляции прохождения сигналов в нейронной сети Эндогенные модуляторы могут изменять величину тонического тока