Петербургские ученые исследовали изменения, происходящие в коре височной доли мозга при продолжительных эпилептических припадках. Несмотря на сложное взаимодействие нейронных сигналов, биологи вместе с физиками смогли построить их математическую модель и выявить ключевой фактор, отвечающий за развитие этого состояния. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в Frontiers in Cellular Neuroscience.
Credit: Neurosciencenews
При эпилепсии у человека происходят судорожные приступы. Особо опасно состояние, когда припадки следуют один за другим – эпистатус. Состояние развивается из-за чрезмерного возбуждения нейронов головного мозга. Что поддерживает это возбуждение, пока непонятно.
В новой работе исследователи изучили сигнальные процессы, происходящие в коре височной доли до и после судороги. Эта область выбрана неслучайно: эпилепсия, связанная с ней, – наиболее распространенный тип недуга. Свои исследования ученые провели на срезе мозга крысы, помещенного в особый проэпилептический раствор, который имитирует судороги в тканях мозга больного. Чтобы изучить возбудимость нейронов, ученые проанализировали токи, возникающие в клетках при стимуляции электричеством, до и после 15-минутного эпистатуса.
«Нейроны посылают друг другу сигналы, которые в зависимости от типа целевого рецептора на принимающей оболочке клетки могут быть возбуждающими или тормозящими. Например, к первым относятся те, что реагируют на глутамат и его аналоги, ко вторым – чувствительные к гамма-аминомасляной кислоте – ГАМК. Хотя при эпилепсии ГАМК-рецепторы становятся тоже возбуждающими. При изучении любого процесса сложность представляет то, что на нейрон действует сразу несколько сигналов, и порой очень сложно оценить вклад каждого из них», — рассказывает Антон Чижов, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН, ведущий научный сотрудник Института эволюционной физиологии и биохимии имени И.М. Сеченова РАН.
В экспериментах ученые рассмотрели действие аминокислот (составляющих белков) на рецепторы всех основных типов (AMPA, NMDA и ГАМК). Оказалось, что каждый из этих компонентов сигнала после эпилептических электрических разрядов становится сильнее и дольше. Но что, если это произошло как результат воздействия на остальные пути лишь одного усиленного сигнала? В этом вопросе помогла разобраться созданная учеными математическая модель системы взаимодействующих нервных клеток. Она указала на то, что, кроме прямых последствий действия проэпилептического раствора, в сети нейронов существенно меняется только проводимость AMPA-рецепторов, а уже ее изменение приводит к более сильному возбуждению всех нейронов и более сильным синаптическим сигналам, регистрируемым на одной нервной клетке.
«Дальнейшие исследования показали, что это – механизм синаптической пластичности со встраиванием в мембраны клеток новых кальций-проницаемых AMPA-рецепторов. В нормальных условиях такой процесс в мозге связан с памятью и обучением, однако в патологических условиях он приводит к увеличению возбудимости на десятки минут. Из-за этого повышается риск возникновения нового судорожного разряда, что может привести к закреплению патологии. В некотором смысле получается горе от ума. Тем не менее знание о том, что встраивание кальций-проницаемых AMPA-рецепторов приводит к закреплению судорожной активности, может оказаться полезным для разработки новых противоэпилептических препаратов», — заключает ученый.
Текст: пресс-служба РНФ
Amakhin Dmitry V., Soboleva Elena B., Ergina Julia L., Malkin Sergey L., Chizhov Anton V., Zaitsev Aleksey V.Seizure-Induced Potentiation of AMPA Receptor-Mediated Synaptic Transmission in the Entorhinal Cortex Frontiers in Cellular Neuroscience DOI=10.3389/fncel.2018.00486