Моделирование транссинаптической передачи сигналов в химических синапсах

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Экспериментальные исследования одиночного синапса в режиме периодической и стохастической стимуляции пресинаптического волокна (Katz, 1962, 1972, Экклс, 1966, Hubbard, 1973, Глебов, Крыжановский, 1978, Шепперд, 1987, Ашмарин, 1996) совместно с теоретическим анализом транссинаптической передачи сигналов математическими методами (Попов, 1969; 1998; 1999; 2001), показали, что медиаторный синапс представляет собой шумящий перестраиваемый канал связи с памятью, который осуществляет вероятностное преобразование входных сигналов в местные постсинаптические потенциалы (МПСП) на постсинаптической мембране (ПСМ). Еще Экклс (1966) показал, что в медиаторных синапсах концентрация медиатора в синаптической щели (СЩ) логарифмически зависит от интенсивности входного потока нервных импульсов. Учитывая так же тот факт, что свойства каждого синапса могут изменяться в зависимости от функционирования нервной системы, от изменений окружающей среды то есть тот факт, что синапсы являются эволюционирующими функционально дифференцированными образованиями в составе нервной системы, можно показать, что синапс играет ведущую роль в пространственно-временных преобразованиях информации на всех уровнях НС. Поэтому очень важно иметь представления о преобразованиях сигналов, осуществляемых синаптическими структурами с учетом особенностей их морфо-функциональной организации.

Трудность экспериментальных исследований синаптических структур непосредственно на самой клетке общеизвестна. А если говорить об исследованиях на уровне ультрастроения таких морфо-функциональных единиц синапса как синаптический бутон (СБ), СЩ и ПСМ, то прямое экспериментальное решение этой задачи, даже с развитием современных микроэлектродных технологий, представляется весьма проблематичным. Поэтому наиболее перспективным направлением исследований в этой области, на наш взгляд, является разработка компьютерной модели, имитирующей базовые процессы в медиаторном синапсе.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель настоящей работы состоит в создании комплексной компьютерной модели транссинаптиче-ской передачи сигналов в медиаторных синапсах, а так же в исследовании с ее помощью роли структурно-функциональных характеристик синоптического бутона, синаптической щели и постсинаптической мембраны в этом процессе.

В целом, проблема разработки имитационных моделей трансинаптической передачи сигналов медиаторного синапса приводит к необходимости решения следующих задач:

1. Создание, опираясь на известные экспериментальные материалы, программного блока модели, обеспечивающего формирование входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками.

2. Разработка алгоритмов и соответствующих программных блоков, определяющих морфо-функциональные особенности организации медиа-торного синапса и его функционально обособленных элементов (синап-тического бутона, синаптической щели и постсинаптической мембраны).

3. Разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для исследовательского блока модели, позволяющего производить варьирование всех параметров, определяющих различные физиологические характеристики элементов синапса (СБ, СЩ, ПСМ), и в целом, всего медиаторного синапса.

4. Формирование полной компьютерной модели синаптического образования с учетом известных экспериментальных данных и с использованием различных режимов ее работы, определение направленности и силы влияния всех включенных в состав модели параметров, описывающих морфо-функциональные особенности организации синапса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Впервые, создана принципиально новая компьютерная модель медиаторного синапса, обеспечивающая возможность исследования функциональных свойств транссинаптической передачи сигналов как регулярного, так и стохастического характера, с учетом всех этапов синаптических преобразований (си-наптический бутон, синаптическая щель и постсинаптическая мембрана). Особенность разработанной модели заключается в том, что сформированные и программно реализованные алгоритмы транссинаптической передачи сигналов описывают, на наш взгляд, все важнейшие морфо-функциональные особенности организации целого синаптического образования. Выбранный состав вариабельных параметров имитационной модели обеспечивает возможность формирования медиаторных синаптических образований разных типов.

Получены многочисленные новые результаты модельных исследований в виде зависимостей характеристик выходных потоков как на уровне целого синаптического образования, так и на промежуточных уровнях отдельных морфо-функциональных единиц синапса (СБ, СЩ и ПСМ). Установлена значимость (по мере вклада и направленности воздействия) всех параметров модели, определяющих структурные и физиологические особенности синапса в процессах преобразования информации. Следует отметить, что целый ряд полученных зависимостей является ранее неизвестным, поскольку на данном этапе развития натурных экспериментальных технологий их получение возможно только на основе имитационного моделирования с применением компьютерных технологий.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Пакет программ «Синапс» позволяет в соответствии с известными экспериментальными данными или гипотетическими предположениями сформировать модель конкретного синаптического образования с определенными морфо-функциональными характеристиками и в различных режимах стимуляции (в том числе с автоматическим варьированием интересующих параметров, с заданным шагом, при фиксированных остальных параметрах) провести комплекс многофакторных экспериментов. Пакет программ можно использовать для реализации целого ряда научно-исследовательских задач, а также в образовательных целях. Результаты компьютерного эксперимента помогают существенно расширить представления о механизмах активности синаптических образований, лежащих в основе деятельности нервной системы.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации были представлены на XVII Съезде Всероссийского физиологического общества (Ростов-на-Дону, 1998), на XII Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 1999), на XVIII съезде Физиологического общества и. И. П, Павлова. (Казань, 2001), на Юбилейной Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2002), на 7-й Пущинской школе-конференции молодых ученых «БИОЛОГИЯ — НАУКА XXI ВЕКА» (Пущино, 2003).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ: из них 5 статей и 6 тезисов. Одна статья опубликована в печатном издании, которое состоит в списке журналов, рекомендованных ВАК РФ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Действующая компьютерная модель медиаторного синапса с учетом тонкой структуры его строения, характеристик функциональных параметров синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптиче-ской мембраны в условиях периодической и стохастической стимуляции пресинаптического волокна.

2. Комплекс экспериментальных зависимостей, определяющих роль и место синаптического бутона в медиаторной транссинаптической передаче сигналов.

3. Полученные с помощью модели новые экспериментальные данные, описывающие синаптическую щель как арену активных преобразований передаваемой через синапс информации на молекулярном уровне.

4. Ряд выявленных зависимостей, характеризующих постсинаптические механизмы, являющиеся важнейшим звеном в завершающей стадии работы медиаторного синапса.

выводы.

1. На основе современных представлений синапсологии создана комплексная компьютерная модель транссинаптической передачи сигналов в ме-диаторном синапсе. Входящие в состав модели программные блоки базируются на алгоритмах, описывающих важнейшие, на наш взгляд, морфо-функциональные особенности отдельных элементов синаптического образования синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптиче-ской мембраны и всего синапса в целом. В составе модели обеспечивается возможность формирования входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками. Разработан диспетчерский программный блок, организующий максимально удобные условия для проведения компьютерных экспериментов.

2. На основе использования модели синаптического бутона, в результате проведения ряда экспериментов с различными режимами работы, получены зависимости (в том числе ранее неизвестные) характеристик выходящего молекулярного потока медиатора от параметров отдельных нервных импульсов, от статистических характеристик всего входящего потока импульсов, от параметров и функциональных особенностей запаса медиатора, от структурно-функциональных параметров кальциевых каналов, от структуры сети синаптопор в пресинаптической мембране, от параметров поляризации пресинаптической мембаны и спонтанного выброса медиатора. Определены направленность и сила влияния всех варьируемых параметров модели синаптического бутона.

3. В ходе проведенных экспериментов с использованием модели синаптической щели, выявлены зависимости характеристик (в том числе ранее не известные) пространственно-временного распределения выброшенных из синаптическлго бутона молекул медиатора по поверхности постсинапти-ческой мембраны от структурно-функциональных параметров синаптиче-ских нитей, заполняющих пространство синаптической щели. Получены функциональные зависимости, описывающие влияние электрокинетических явлений на диффузию молекул медиатора. Описана статистическая динамика количества молекул медиатора в области постсинаптической мембраны в зависимости от параметров квантового выброса медиатора из синаптического бутона. Установлены направленность и сила влияния вариабельных параметров модели синаптической щели на процессы диффузии молекул медиатора.

4. На основании экспериментальных исследований, проведенных на модели постсинаптической мембраны, получены зависимости параметров местных постсинаптических потенциалов от пространственно-временных характеристик «осевших» молекул медиатора на поверхность постсинаптической мембраны. Изучены закономерности формирования местных постсинаптических потенциалов в зависимости от структуры сети хемо-рецепторов на постсинаптической мембране, от физиологических особенностей хеморецепторов, от характеристик аннигиляционной системы и от функциональных параметров самой постсинаптической мембраны. Направленность и сила влияния параметров модели постсинаптической мембраны расписаны в соответствующей таблице.

5. В экспериментальных исследованиях сформированной модели целого синаптического образования получена функциональная зависимость характеристик местных постсинаптических потенциалов от параметров потока импульсов приходящих к пресинаптической терминали (рассматривались периодический и стохастический режимы стимуляции пресинаптической мембраны).

6. Анализ полученных в ходе экспериментальных исследований моделей синаптического бутона, синаптической щели, постсинаптической мембраны и целого синапса результатов свидетельствует о том, что преобразование входной информации (в виде раздражающих пресинаптическую мембрану импульсов) в выходной поток местных постсинаптических потенциалов осуществляется на всех уровнях морфо-функциональной организации синапса (синаптический бутон, синаптическая щель, постсинап-тическая мембрана). В целом, создана компьютерная модель, позволяющая детально исследовать характер процессов протекающих в медиатор-ных синапсах в задачах фундаментальной и прикладной нейро-биологии.

3.4.3.

Заключение

.

Таким образом, исходя из представленных выше материалов, можно сделать вывод о том, что формирование местных постсинаптических потенциалов на ПСМ весьма существенно зависит от частоты как регулярной, так и стохастической стимуляции синаптического образования. Очевидным также является преобразование входного потока межимпульсных интервалов в выходной (в виде развивающихся на ПСМ МПСП). Однако, этот факт не является открытием, важно другое: на основе модели целого синапса, при каких-то конкретных т. е. заданных значениях ряда вариабельных параметров его морфо-функциональных элементов (СБ, СЩ и ПСМ), определяющих тип и свойства медиаторного синаптического образования, можно оценить процессы транссинаптической передачи сигналов. Иными словами, имеется возможность, по заранее собранным данным, сконструировать модель представляющего интерес синаптического образования (где учитываются все его параметры и функционально-значимые характеристики, например такие как: ацетилхолинэргический, адреналинэргиче-ский, возбуждающий или тормозный и многое другое) и далее, в ходе его испытаний, с применением различных режимов работы, установить его физиологические особенности. Особо нужно отметить, что при варьировании некоторых характеристик, заложенных в основу такой модели, можно так же изучить влияние внешних воздействий или условий на функционирование медиаторного синапса.

4. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Ранее показано (Попов 1969; 1998; 1999; 2001), что медиаторные синапсы представляют собой вероятностный шумящий канал связи, осуществляющий нелинейное преобразование входных импульсных потоков. Прямое исследование медиаторного синапса на тонком уровне его строения представляет, порой, непреодолимые препятствия. Эффективной альтернативой, на наш взгляд, может служить компьютерное моделирование. В этом случае мы имеем возможность получить детальное представление процессов транссинаптической передачи сигналов с учетом ультрастроения и функциональных свойств каждой функционально значимой единицы синапса. (СБ, СЩ и ПСМ).

Основные трудности при создании компьютерной модели СБ, СЩ, ПСМ и целого синапса заключались в определении, на основании литературных данных, важнейших компонентов ультрастроения, их свойств и оценке роли их воздействия на механизмы синаптической передачи в связи с недостаточностью, неточностью или противоречивости данных литературы. Тем не менее, после анализа литературных данных создана комплексная компьютерная модель транссинаптической передачи сигналов в медиаторных синапсах, описывающая важнейшие, на наш взгляд, морфо-функциональные особенности си-наптического образования и его элементов. Кроме того, реализован программный блок, обеспечивающий формирование входящих потоков сигналов с заданными статистическими характеристиками и реализован программный пакет, организующий максимально удобные условия для проведения компьютерных экспериментов с возможностью варьирования параметров модели в автоматическом режиме.

С учетом выше сказанного, на основе моделей СБ, СЩ, ПСМ и целого синапса были поставлены эксперименты, результаты которых можно обобщить следующим образом.

Модель СБ. Влияние параметров отдельных нервных импульсов и характеристик всего входящего потока импульсов в целом на характеристики молекулярного потока медиатора.

Эксперименты проводились с применением различных режимов стимуляции Пре-СМ (регулярный и стохастический). В условиях регулярного входного потока оценивалось влияние характеристик приходящих импульсов (амплитуды ПД, длительности ПД (фазы абсолютной рефрактерности), длительности межимпульсных интервалов, коэффициента редукции мембранного потенциала Пре-СМ, определяющего скорость реполяризации потенциала мембраны, на квантовый состав и временные параметры выбросов медиатора из СБ. Анализ полученных результатов указывает на очевидную зависимость выходного потока медиатора от выше перечисленных характеристик входного.

В частности, в ходе испытаний модели установлено, что варьирование амплитуды ПД на Пре-СМ приводит к развитию порогового эффекта, выражающегося как в квантовом составе, так и во временных параметрах выбрасываемого медиатора. Этот эффект вполне согласуется с данными Экклса, 1966 и Katz 1962, 1972. На наш взгляд, описанное пороговое явление имеет исключительное значение в нейронных структурах, где амплитуда ПД может существенно изменяться в широком ряду различных нейронов. В данном случае полученные зависимости дают весьма полезные представления о квантовом выходе медиатора в межнейронных синаптических контактах. Установлено достаточно весомое влияние длительности ПД (фазы абсолютной рефрактерности) на количественный состав и временные параметры потока медиатора из СБ. Причем, влияние этого параметра выражено в большей степени на квантовом составе выбросов медиатора, чем на его временных характеристиках. Полученные зависимости ранее не описаны. Влияние длительности межимпульсных интервалов входного потока (частота нервных импульсов) раскрывает эффекты депрессии и облегчения, сказывающиеся только на количественном содержании выброшенного медиатора. Что не противоречит известным данным на этот счет (Hodgkin, Huxley, Katz, 1952; Экклс, 1966; Шмидт, Тевс, 1996). Можно отметить адекватное поведение модели СБ, соответствующее реальным синаптиче-ским образованиям. Однако, время высвобождения медиатора изменяется по линейному закону от величины межимпульсного интервала, хотя и здесь можно отметить линейные преобразования входного потока в выходной. Нужно отметить так же весьма существенное влияние коэффициента редукции мембранного потенциала Пре-СМ (он определяет скорость реполяризации мембранного потенциала) на формирование количественного содержания и временных характеристик выбрасываемого медиатора. Выявленный пороговый эффект, на наш взгляд, обеспечивает разрежение входного потока нервных импульсов. Влияние пороговых свойств клеточной мембраны на частоту входного потока нервных импульсов хорошо изучено еще в ранних работах Rapoport (1950, а, Ь, c, d). Полученные в наших модельных экспериментах данные подтверждают выводы этого автора.

В режиме стохастической стимуляции Пре-СМ исследовались среднее значение квантового состава выброшенного медиатора (mq) и среднее значение между смежными выбросами (mt), в зависимости от статистических характеристик (среднее значение шд, и дисперсия dA) входного потока межимпульсных интервалов. Полученные результаты описывают весьма существенную зависимость количественного содержания высвобождаемого медиатора mq и временных параметров его выделения mt от параметров входного потока тд и <1д. При сравнении дифференциальных и интегральных гистограмм распределения вероятностей входных межимпульсных интервалов и соответствующих временных интервалов между смежными выбросами медиатора, (в дифференциальной форме с помощью критерия Пирсона, а в интегральной — Колмогорова-Смирнова) нужно отметить, что на уровне СБ в условиях стохастической стимуляции Пре-СМ происходят достоверные преобразования входного потока нерных импульсов в выходной поток выбросов медиатора.

Роль характеристик запаса медиатора в СБ.

По мнению многих авторов (Ленков, 1972; Katz, 1972; Model, 1975; Шеп-перд, 1987) запас квантов медиатора в СБ играет ключевую роль в процессах его экзоцитоза. На основе модели СБ проведен ряд экспериментов с целью выявления зависимостей количественных и временных параметров высвобождения медиатора от различных характеристик его запаса (пополняемый, непопол-няемый и неограниченный), а так же от скорости его пополнения (в случае пополняемого запаса) и от начального количества квантов в СБ (при непополняе-мом запасе). Анализ полученных результатов показал следующее. Коэффициент пополнения медиатора (задает скорость его пополнения) как в регулярном, так и стохастическом режиме работы модели является значимым параметром только для количественного содержания выбрасываемого медиатора, а временные параметры выбросов остаются независимыми. Опираясь на полученные результаты можно судить о значимости и характере влияния процессов, обеспечивающих пополнение медиатора (скорость синтеза и депонирование свободного медиатора в СП, обратный захват медиатора из СЩ, поступлений готовых квантов от сомы нейрона (Germain, Poulx, 1965; Харченко, 1973; Глебов, Кры-жановский, 1978; Шепперд, 1987) на формирование квантового состава выделяемого медиатора. Испытание системы с качественно новыми характеристиками запаса медиатора (непополняемый и неограниченный) так же раскрывает интересные явления. В частности, если сравнивать полученные зависимости квантового состава выбрасываемого медиатора от параметров входного потока (как для регулярного, так и стохастического режимов стимуляции Пре-СМ) при различных характеристиках запаса (пополняемый, непополняемый и неограниченный), то бросается в глаза их несоответствие. В свою очередь, зависимости временных параметров выходного потока медиатора, полученные в этих же экспериментах, в большинстве случаев остаются сходными. Особо следует отметить независимость количественного выхода медиатора (стохастический режим) от статистических характеристик входного потока нервных импульсов в случае неограниченного запаса квантов. Здесь наблюдается максимальный выход медиатора при всех средних значениях длительности межимпульсных интервалов, а также существенное влияние начального количества квантов в СБ (непополняемый запас) как на количественное содержание, так и на временные параметры выбрасываемого медиатора, что подчеркивает значение готовности системы СБ (в квантовом отношении) к моменту ее включения в работу.

Эти обстоятельства, с одной стороны, указывают на значительную роль процессов, обеспечивающих поддержание постоянства квантового запаса медиатора, в формировании количественного состава выбрасываемого медиатора. С другой стороны, описывают поведение моделируемой системы СБ при различных функциональных состояниях. Полученные зависимости ранее не описаны и, на наш взгляд, могут оказаться полезными в случае искусственного изменения эффективности синаптической передачи в живых системах путем воздействия на квантовый запас медиатора в СБ.

Роль Са2+ в формировании выходного молекулярного потока из СБ.

Модель СБ представляет возможности для исследования Савлияния на процессы экзоцитоза медиатора. Известно, что воздействие ионов Са2+ является одним из ключевых звеньев цепочки сложных процессов секреции медиатора. На наш взгляд, весьма интересными данными представляются установленные зависимости, описывающие влияние количества кальциевых каналов в области л t активной зоны Пре-СМ (Кс), коэффициента влияния ионов Са (Kv) (определяющего необходимое количество ионов Са для инициации секреции одного кванта), коэффициента утилизации свободных ионов Са в СБ (Кц) (описывающего процессы активного выноса ионов из терминали, захвата их митохондриями, связывания элементами цитоскелета и др.) на формирование количественного состава и временных параметров выходного потока медиатора. Полученные результаты свидетельствуют о нелинейном характере этих зависимостей (кроме Т= ф (Кс) и mt=cp (Kv), где Т-суммарное время выбросов, a mr среднее значение интервалов между выбросами) при различных режимах стимуляции Пре-СМ. Эти данные раскрывают роль и характер воздействия структурно-функциональных характеристик кальциевого влияния на процессы секреции медиатора. Подобные результаты экспериментов не противоречат имеющимся представлениям о процессах экзоцитоза медиатора (Экклс 1966; Katz, Miledi 1968; Rubin 1970; Шмидт, Тевс 1996).

Роль структуры сети синаптопор.

Как уже отмечалось, согласно литературным данным, Puszkin, Kochwa 1974, Немечек, 1978, сеть синаптопор на внутренней поверхности Пре-СМ (гек-сональные структуры в виде плотных выростов) определяет место комплементарного взаимодействия синаптических пузырьков с Пре-СМ, с последующим опорожнением кванта медиатора. Akert 1973; Pfenninger, Rovainen 1974; Heuser, 1974 полагают, что структура таких выростов может изменяться в процессе функционирования синапса. Однако, авторы высказывают лишь предположения о возможном влиянии таких перестроек на передачу нервных импульсов через синапсы. Полученные на основе модели СБ данные описывают необычайно сильную зависимость квантового содержания выбрасываемого медиатора (временные параметры в данном случае являются независимыми) от коэффициента разрежения синаптопор, который определяет их плотность на Пре-СМ в активной зоне, с учетом различных режимов стимуляции пресинаптической терминали. Выявленные зависимости ранее не описаны. На основании анализа этих зависимостей, можно утверждать следующее: конформационные перестройки сети синаптопор в Пре-СМ, вызванные естественными или искусственными причинами, существенно влияют на эффективность синаптической передачи, выражающейся, в частности, в количественном изменении квантового состава выбрасываемого из СБ медиатора.

Поляризация Пре-СМ и спонтанный выброс медиатора.

Модель СБ предоставляет широкие возможности для изучения влияния уровня потенциала покоя мембраны и подпороговых колебаний мембранного потенциала Пре-СМ, обусловленных внешними воздействиями (например, пре-синаптическим аксо-аксональным переходом) на характеристики потока медиатора из СБ. Особенный интерес представляет режим спонтанной активности Пре-СМ, выполняющий шунтирующие функции и обеспечивающий процессы автогенерации сигналов.

Полученные результаты показывают, что смещение уровня покоя мембранного потенциала в сторону деполяризации приводит к экспоненциальному увеличению квантового состава высвобождаемого медиатора. Однако, временные параметры выбросов медиатора указывают на неустойчивое поведение системы. Подпороговые колебания мембранного потенциала являются дестабилизирующим фактором, обуславливающим колебательный характер количественного состава выбросов медиатора. Среднее значение интервалов между выбросами так же существенно изменяется (закономерность нелинейная). Анализируемые результаты не противоречат имеющимся представлениям о механизмах экзоцитоза медиатора (Экклс 1966; Katz 1962; 1972). Полученные зависимости в режиме моделирования спонтанной активности Пре-СМ показывают, что увеличение концентрации свободных ионов Са2+ в СБ и смещение мембранного потенциала в сторону деполяризации приводит к увеличению среднего количества выбрасываемых квантов. Однако, формы этих зависимостей нелинейны и соответствуют колебательным явлениям. Такое поведение системы является вполне ожидаемым, поскольку, согласно Pamas, Dudel, Pamas, 1982, свободные ионы способны стимулировать непроизвольный выброс квантов, а уровень поляризации Пре-СМ определяет готовность СБ к реализации секрети-руемого процесса.

Обобщая полученные результаты на основе модели СБ, хотелось бы отметить следующее. Различные условия стимуляции Пре-СМ существенным образом сказываются на количественных и временных характеристиках потока медиатора из СБ. Варьирование практически каждого параметра модели, описывающего структурные или функциональные особенности организации СБ, приводит к заметным изменениям в процессах секреции медиатора. Это указывает на сложность и многофакторную зависимость выходного потока медиатора из СБ от внешних и внутренних условий. Очевидным оказалось и то, что СБ является синаптическим элементом, осуществляющим преобразование входного потока НИ в выходной поток носителей информации (количественные и временные характеристики высвобождаемого медиатора). Это обстоятельство согласуется с данными Katz, Miledi (1966, 1972), Kusano (1968), Глебова, Крыжанов-ского (1978), Шепперда (1987), Воронина (1988, 1990, 1998, 2001). Приведенные выше в таблице скорости приращения соответствующих функций для всех вариабельных параметров модели описывают степень их влияния, позволяя, таким образом, произвести оценку структурно-функциональных предпосылок физиологии синаптической передачи.

Модель СЩ. Влияние синаптических нитей на диффузию медиатора.

Структура и роль СН в передаче сигналов через медиаторные синапсы достаточно подробно описаны в работах Косицина, 1976, 2001; Глебова, Крыжа-новского, 1978; Немечека, 1978; Глебова 1984. Однако, прямое экспериментальное подтверждение высказанных предположений о влиянии синаптических нитей еще не получено в силу сложности природы рассматриваемых явлений. Компьютерная модель СЩ позволяет осуществить оценку воздействия синаптических нитей на процессы диффузии молекул медиатора от Пре-СМ к Г1СМ через пространство СЩ, с учетом принятых во внимание, дополненных и внесенных в модель гипотетических представлений о механизмах функционирования синаптических нитей. В экспериментах рассматривалось влияние таких параметров модели, как плотность синаптических нитей (Усн) и коэффициент их влияния (Ксн) на диффузию медиатора в пространстве СЩ. Напомним, что Ксн отображает ориентацию синаптических нитей относительно поверхности мембран согласно величине трансмембранной разности потенциалов между Пре-СМ и ПСМ в момент выброса медиатора, в зависимости от свойств нитей (наличие отрицательных зарядов в их структуре).

Анализ полученных результатов в различных режимах работы модели (регулярный и стохастический поток медиатора из СБ с вариабельными параметрами квантового состава выбросов, длительности ПД на Пре-СМ, времени между выбросами) указывает на достаточно сильное воздействие Усн и Кс&bdquo-, а также параметров входного потока, на характер пространственно-временного распределения молекул медиатора по стандартным хеморецептивным областям на поверхности ПСМ. Таким образом, результаты исследований свидетельствуют о непременном участии синаптических нитей в регуляции процессов транспортировки молекул медиатора через СЩ. На наш взгляд, описанные явления непротиворечивы и подтверждают мнение вышеуказанных авторов на этот счет.

Влияние электрокинетических явлений на диффузионные процессы в синаптической щели.

В модели СЩ учитывается электрокинетический эффект. Его природа и физиологические механизмы, внесенные в модель СЩ, описаны в соответствующих главах. Нужно отметить, что, на наш взгляд, наибольший интерес представляет такой параметр модели как начальная ширина СЩ (М'сз) или ширина СЩ в покое. Напомним, что УСЗ вместе с рассчитываемым текущим значением трансмембранной разности потенциалов между Пре-СМ и ПСМ определяет пределы изменения ширины СЩ во время выброса медиатора и последующей его диффузии.

Анализируя полученные результаты в ходе проведенных экспериментов с применением регулярного и стохастического режимов потока медиатора из СБ, можно сделать вывод о том, что УСЗ оказывает непосредственное влияние на пространственно-временное распределение молекул медиатора по стандартным ХРЦ зонам на поверхности ПСМ (во всех режимах работы модели). Это означает, что ширина СЩ играет немаловажную роль в процессах диффузии медиатора в пространстве СЩ. Полученные данные непротиворечивы и согласуются с результатами исследования электрокинетического эффекта Попова, Головеровой, 1998.

Модель ПСМ. Зависимость амплитуды местных постсинаптических потенциалов от параметров входного потока молекул медиатора.

Модель ПСМ предусматривает возможность управления осаждением молекул медиатора в стандартные ХРЦ зоны на поверхности мембраны. С целью исследования воздействий параметров входного потока молекул медиатора на формирование амплитуды МПСП, осуществлены эксперименты с различными режимами осаждения медиатора (в случае регулярного режима варьировались количество молекул и интервал времени осаждения для каждой ХРЦ зоны, в стохастическом режиме средние значения количества и времени осевших молекул).

Анализ полученных результатов показывает существенное влияние параметров входного потока на характеристики амплитуды МПСП (как в регулярном, так и стохастическом режимах). Причем, варьирование количественным составом осаживающихся молекул медиатора приводит к развитию пороговых эффектов на ПСМ. Полученные результаты не противоречат известным данным о постсинаптических явлениях в синапсах, Глебов, Крыжановский 1978; Пурвес 1983; Шепперд 1987.

Зависимость амплитуды МПСП от пространственного распределения и состояния ХРЦ на ПСМ.

Напомним, что в модели ПСМ структурно-функциональные особенности сети ХРЦ определяют следующие параметры: площадь поверхности испытуемой ПСМ (8), плотность ХРЦ в заданной области (Я), коэффициенты разрежения ионотропных (1хрц), метаботропных (Мхрц), возбуждающих (Ехрц) и тормозных рецепторов (Шхрц). Важно отметить, что согласно данным СаМег! 1994, Ашмарина 1996, Силькис 1998 в модели существует возможность формирования сети ХРЦ со смешанной структурой, т. е. с помощью коэффициентов разрежения организуется совместное существование ионотропных и метаботропных ХРЦ в ПСМ, где те и другие могут быть как возбуждающими, так и тормозными. На основании выше изложенного, проведены эксперименты, позволяющие детально рассмотреть влияние различных вариантов организации сети ХРЦ на формирование МПСП. Анализ полученных результатов свидетельствует о существенном влиянии 8, Я, 1хрц, Мхрц, Ехрц и Шхрц на характеристики развивающихся МПСП при различных условиях осаждения молекул медиатора на ПСМ. Полученные данные ранее не описаны и, на наш взгляд, являются вполне логичными. Опираясь на них, можно сделать следующее заключение. Каждая конкретная конфигурация сети ХРЦ с присущими размерами, плотностью и мозаикой распределения различных рецепторов обуславливает уникальные свойства ПСМ как элемента синаптической передачи, обеспечивающего исключительно индивидуальное (для такой сети ХРЦ) формирование МПСП в ответ на входной поток молекул медиатора. Такое обстоятельство дает все основания рассматривать ПСМ как структурно-функциональное устройство распознавания сигналов (Попов, Матухно 1998; 1999; 2001). Данные Ашмарина 1996 о синтезе и деструкции ХРЦ в ПСМ приписывают таким системам свойства самоорганизации .

Зависимость параметров МПСП от функциональных характеристик ПСМ.

В модели ПСМ физиологические свойства мембраны описываются такими параметрами как количество молекул аннигилятора (Кап), приходящегося на одну ХРЦ зону, количество молекул медиатора (Кт), необходимых для активации одного ХРЦ, время существования комплекса медиатор+рецептор и активации ионного канала (11с и М^ для ионотропных и метаботропных рецепторов соответственно), величина миниатюрных МПСП (ДМПСП), обусловленного изменением мембранного потенциала при активации одного ХРЦ, декремент затухания (сЬ), определяющий комплексное сопротивление мембраны. Результаты поставленных экспериментов, направленных на исследование влияния перечисленных выше параметров на формирование амплитуды МПСП, указывают на их существенное воздействие при различных режимах осаждения медиатора на ПСМ. Характер полученных зависимостей характеристик амплитуды МПСП от К. ап, Кт,^с, М1с, дМПСП и dz свидетельствуют об уникальности воздействия каждого параметра модели, описывающих физиологические свойства мембраны. Полученных зависимости являются вполне логичными и соответствуют современной теории возбуждения постсинаптических мембран.

Обобщая полученные результаты с использованием модели ПСМ, хотелось бы отметить следующее. Во-первых, различные режимы осаждения медиатора на поверхность мембраны оказывают весьма существенное воздействие на амплитудные характеристики развивающихся МПСП. Причем наибольшее влияние заметно при варьировании частотных характеристик входного потока медиатора. Во-вторых, варьирование любого структурного или функционального параметра ПСМ приводит к изменению амплитуды формирующихся МПСП. Это говорит о сложности и многофакторной зависимости процессов развития МПСП на ПСМ от внутренних и внешних условий. Очевидно, что ПСМ является важнейшим элементом синаптичесой передачи, обеспечивающим преобразования нервной информации. Представленные в соответствующей таблице скорости приращения функций для вариабельных параметров модели описывают значимость их по степени влияния.

Модель целого синапса. Связь характеристик ПМСП с параметрами потока импульсов, приходящих к синоптическому бутону.

Основываясь на моделях СБ, СЩ и ПСМ, описывающих функциональные особенности передачи нервных сигналов на уровне отдельных элементов синапса, исследована комплексная модель целого синаптического образования. В ходе поставленных экспериментов получены зависимости характеристик амплитуды МПСП на ПСМ (средние значения амплитуды Мдмпсп и интервалов времени между смежными приращениями МПСП mt) от параметров межимпульсных интервалов приходящих к Пре-СМ сигналов. Анализ полученных результатов показал, что частотные характеристики входного потока импульсов оказывают непосредственное воздействие на МАмпсп и mt, что согласуется с данными Экклса 1966, Katz 1972, Когана, Чораяна 1980, Шепперда 1987, Шмидта, Тевса 1996. Рассчитанные критерии согласия Пирсона и Колмогорова-Смирнова для дифференциальных и интегральных гистограмм распределения вероятностей входных межимпульсных интервалов времени и выходных интервалов между смежными приращениями МПСП указывают на достоверные преобразования входных потоков (при условии, что среднее значение межимпульсных интервалов < 10 мс). Важно отметить, что, на наш взгляд, создана эффективная возможность построения модели синапса любого интересующего типа с заданными морфо-функциональными параметрами для исследования физиологических особенностей транссинаптической передачи сигналов. Такая модель позволяет оценить влияние как внутренних, так и внешних воздействий на функционирование медиаторного синапса.