Сотрудники Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН совместно с коллегами из Института биоорганической химии РАН и Университета Сассекса выявили новый способ регуляции электрической активности нейронов с помощью располагающихся в синапсах нейрона калиевых ионных каналов BK-типа, чувствительных к кальцию. Опубликованные в журнале Science Advances результаты раскрывают механизмы, с помощью которых нейронная сеть без искажений передает высокочастотные сигналы, необходимые для точной детекции совпадений во времени.
Ученых давно интересовало, какие особенные свойства нейронов позволяют им генерировать и поддерживать сверхбыстрые электрические разряды до 200 раз в секунду и выше. За создание концепции, описывающей возникновение нервного импульса путем активации ионных каналов в 1963 году Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли получили Нобелевскую премию по медицине.
Потенциал-активируемые ионные каналы являются белками, пропускающими заряженные частицы (ионы) через мембрану, в результате чего генерируются электрические разряды, с помощью которых нейроны «разговаривают» между собой и передают команды на сокращение мышц. При этом, электрическая активность мембраны нейрона не затихает сама собой, и чтобы всплеск потенциала прекратился, в конце каждого нервного импульса необходима активация особого типа каналов, пропускающих ионы калия и возвращающих заряд мембраны нейрона к его исходному значению покоя. От работы калиевых каналов зависит, насколько быстро мембрана нейрона восстановится и будет готова снова генерировать нервный импульс, а значит, и с какой частотой нейрон сможет передавать сигналы по своему аксону к другим нейронам сети.
В нынешнем исследовании ученых из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и Университета Сассекса особенно заинтересовали нейрональные калиевые каналы BK-типа, чувствительные к внутриклеточному кальцию, и поэтому активирующиеся не сразу, а только после одного или нескольких предшествующих электрических импульсов, когда в клетку уже начинает поступать кальций. Это помогает нейронам поддерживать высокую калиевую проводимость даже при серийных разрядах, когда основной тип калиевых каналов, Kv1, уже значительно инактивирован. Особенное положение BK-каналов в аксоне и синаптических бутонах позволяет им «чувствовать» кальциевый сигнал в синапсах - запускаемых внутриклеточным кальцием «межнейронных передатчиках», с помощью которых нейроны посылают химические сигналы по цепочке друг-другу.
«Мы установили, что активация синаптической передачи нейроном сама по себе видоизменяет будущие электрические разряды в этом нейроне посредством очень быстрой обратной связи, – объясняет Евгений Никитин, руководитель группы биофотоники ИВНД и НФ РАН. – Повышение внутриклеточного кальция в пресинаптическом бутоне и первом перехвате Ранвье вызывает значительное снижение длительности отдельных потенциалов действия в этом нейроне посредством открытия калиевых BK-каналов, чувствительных к кальцию».
Чтобы установить, как внутриклеточный кальций меняет параметры разрядов нейрона, ученые использовали метод фотолитического высвобождения кальция из связанного фоточувствительного соединения, которым предварительно заполняли пирамидный нейрон пятого слоя зрительной коры крысы. Используя сканирующий микроскоп, ученые проецировали лазерный импульс длительностью десятки миллисекунд точно на пресинаптический бутон аксона, вызывая там локальное фотовысвобождение кальция и регистрируя его распространение по аксону с использованием флуоресцентного кальциевого индикатора. Одновременно, ученые регистрировали уменьшение длительности электрических импульсов в нейроне с помощью стеклянного микроэлектрода, внедренного в его мембрану. Эксперименты показали, что искусственно вызванная «кальциевая волна», сравнимая с эффектом от предшествующего электрического импульса, вызывает значительное сужение последующих импульсов в серии.
Однако, как исключить другие объяснения наблюдаемого явления и доказать, что за это ответственны именно калиевые каналы BK-типа? Здесь на помощь ученым пришел высокоселективный пептидный блокатор каналов BK-типа – ибериотоксин, выделенный из яда индийского скорпиона Buthus tamulus. В присутствии ибериотоксина в физиологическом растворе, омывающем нейрон, длительность нервного импульса под воздействием кальция не уменьшалась, тогда как другие блокаторы, в том числе блокаторы Kv1 каналов и синаптической передачи, на наблюдаемое явление не влияли. Ибериотоксин также нарушал структуру постсинаптических потенциалов, вызываемых активацией синапса в следующем нейроне в цепочке, что говорит о важности BK-каналов для поддержания пропорциональности синаптической передачи при серийных высокочастотных разрядах нейросети.
Исследование включало не только нейрофизиологическую, но и молекулярно-биологическую составляющую. В сотрудничестве с коллективом из ИБХ РАН под руководством Всеволода Белоусова было определено точное расположение наиболее близких синаптических бутонов аксона, способных повлиять на генерацию нервного импульса. Ученые трансфецировали нейроны пятого слоя зрительной коры с помощью «генной пушки», используя аминокислотную последовательность, определяющую внутриклеточный транспорт синаптического белка синаптофизина, соединенную с зеленой флуоресцентной («светящейся») меткой SypHer2. Далее, метку SypHer2 наложили с помощью лазерного конфокального сканирующего микроскопа на светящиеся контуры нейрона, подсвеченные с помощью другого флуоресцентного белка, tagRFP, что позволило увидеть расположение бутонов данного нейрона, из которых для дальнейших экспериментов выбрали наиболее близко лежащие к первому перехвату Ранвье.
По словам руководителя подразделения, члена-корреспондента РАН П. М. Балабана, данная работа показывает важность потенциал-чувствительных каналов не только для процесса генерации нервного импульса, но и для динамической настройки его параметров при серийных разрядах. Если бы этого дополнительного механизма регуляции длительности импульса не существовало, синаптическая передача сигналов между нейронами могла бы перейти к неконтролируемой экскалации из-за увеличения длительности импульсов, вызываемого частичной инактивацией основных потенциал-зависимых каналов при высокочастотных разрядах.
