CC BY
36
на листьях. Следовательно, в связи с тем, что ильмовый листоед поедает листья различных видов вязов, он является филлофагом т. к. данный вид жука потребляет листву.
Вяз гладкий (Штш \aevis) поврежден личинкой данного вредителя в большей степени, чем вяз мелколистный (Ытшparvifolia). Процент повреждения вяза гладкого (Ытш laevis) составляет 50%, а вяза мелколистного (Ытш parvifolia) — 20%. Как выше было сказано, при обследовании территории выявили, что в верхней части города ильмовый листоед
(Xanthogaleruca (Galerucella) 1Шео1а) не встречается, а отмечен он в нижней части г. Алматы. Это объясняется тем, что количество выбросов вредных веществ в нижней части города выше, чем других частях южной столицы. Таким образом, характер вредоносности ильмового листоеда вязам г. Алматы оценивается как незначительный из-за малой его численности. Следовательно, жук вредитель ильмовый листоед (Xanthogaleruca (Galerucella) luteolа) не представляет угрожающую опасность (Xanthogaleruca (Galerucella) luteolа) вязовым деревьям южной столицы.
Список литературы:
1. Васильев Н. Г. Ильм. - М.: Агропромиздат, - 1986. - С. 12.
2. Лопатин И. К., Кузнецова К. З. Жуки - листоеды Казахстана: определитель. - Алма-Ата. Наука. - 1986. -С.130.
3. Маслов А. Д. Вредители ильмовых пород и меры борьбы с ними. - С. 12.
DOI: http://dx.doi.org/10.20534/ELBLS-16-4-6-11
Sotnikov Oleg Semionovich, Pavlov Institute of physiology RAS, professor, the head of the laboratory of functional morphology
and physiology of neuron E-mail: [email protected] Chizhov Anton Vadimovich, Ioffe Institute, senior researcher, Computational Physics Laboratory E-mail: [email protected] Laktionova Aleksandra Aleksandrovna, Pavlov Institute of physiology RAS, researcher, laboratory of functional morfology and physiology of neuron
E-mail: [email protected] Pokrovsky Andrey Nikolaevich, St. Petersburg State University, senior researcher, department of control theory medical and biological systems, E-mail: [email protected] Smirnova Elena Yuryevna, Ioffe Institute, researcher, Computational Physics Laboratory
Syncytial cytoplasmatic communication of neurons and model of electric activity of their population
Abstract: Cytoplasmatic syncytial communications are described as structures of interneural communications. The technique of mass reception of syncytial communications in population of neurons is worked out. It is shown by means of mathematical model that syncytial perforation with extremely low resistance can synchronize and increase
frequency of electric activity ofpopulation of neurons. Because detected property like spikes when a synchronization of electrical synapses, we can assume that it proves the possibility of gap junction transformation in syncytial perforation.
Keywords: syncytial communication of neurons, neuron fusion, neuron symplast, mathematical model, electrical activity synchronization.
Сотников Олег Семенович, Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН, профессор, зав. Лабораторией функциональной морфологии и физиологии нейрона.
E-mail: [email protected] Чижов Антон Владимирович, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, старший научный сотрудник сектора численного моделирования
E-mail: [email protected] Лактионова Александра Александровна, Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН, научный сотрудник лаборатории функциональной морфологии и физиологии нейрона.
E-mail: [email protected] Покровский Андрей Николаевич, Санкт-Петербургский государственный университет, старший научный сотрудник кафедры теории управления
медико-биологическими системами E-mail: [email protected]
Смирнова Елена Юрьевна, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, научный сотрудник сектора численного моделирования
Синцитиальная цитоплазматическая связь нейронов и модель электрической активности их популяции
Аннотация: В качестве структур межнейронных коммуникаций описаны цитоплазматические синцитиальные связи. Разработана методика массового получения синцитиальных связей в популяции нейронов. С помощью математической модели показано, что синцитиальные перфорации с предельно низким сопротивлением могут синхронизировать электрическую активность популяции нейронов. Так как обнаруженное свойство подобно синхронизации спайков при появлении электрических синапсов, можно предполагать, что это доказывает возможность превращения щелевых контактов в синцитиальные перфорации.
Ключевые слова: синцитиальная цитоплазматическая связь нейронов, слияние нейронов, сим-пласт нейронов, математическая модель, синапс.
Морфологическую основу межнейронных коммуникаций, как известно, составляют химические синапсы и электрические мембранные контакты типа gap junction. Однако последнее время описаны такие преобразования щелевых контактов, которые были признаны цитоплазматическими синцитиальными связями [4; 12]. Они представляют собой наноско-
пические поры размером около 8 нм или обширные перфорации в области двух контактирующих нейромембран [8; 14]. Такие цитоплазматические межнейронные анастомозы были обнаружены у контактирующих тел нейронов или их отростков и даже в области синаптического контакта по бокам от си-наптической специализации [4; 13]. Они были иссле-
дованы у моллюсков [6], в автономных ганглиях кошек [1; 5], интрамуральной нервной системе поросят [7], в гиппокампе и коре полушарий большого мозга кроликов [3; 14], в коре большого мозга эмбрионов крыс и человека [8; 9; 15]. У всех животных и во всех исследованных отделах мозга синцитиальные перфорации имеют одинаковые морфологические закономерности [4]. Они располагаются только в зонах, где слабо развита глия, где у нейронов отсутствует полное глиальное покрытие, как например, в гиппокампе [3; 14].
Нами высказано предположение о том, что обнаруженные статичные картины: щелевые контакты, перфорации и дикарионы, представляют собой стадии процесса. Спаренные мембраны смежных нейронов обладают нестабильной структурной организацией, которая при нарушении гомеостаза формирует мембранный контакт, имеющий тенденцию прободения и образования расширяющихся перфораций, что, в конце концов, завершается слиянием спаренных нейронов и образованием двуядерной клетки. Так как в настоящее время отсутствуют экспериментальные данные о физиологическом значении синцитиальной связи между несколькими нейронами, мы считали необходимым попытаться выявить это с помощью математического моделирования.
Методика прижизненных и электронно-микроскопических исследований. Исследования проводились в культуре ткани изолированных нейронов с использованием фазовоконтрастного и электронного микроскопов. Ганглии 57 моллюсков Ышпаеа з1а;паН8 диссоциировали энзиматическим способом, промывали и культивировали на стекле (подробнее методику см. Костенко и др. [2]). Для электронной микроскопии использовали нейроны, которые после выделения из ганглиев агрегировали путем центрифугирования и содержали в таком виде в среде КРМ1-1640 в течение двух суток. Затем их фиксировали в 2.5%-м растворе глутарового альдегида, приготовленного на 0.1 М ка-кодилатном буфере (рН 7.4) при температуре 4 °С 1.5 ч. Постфиксацию проводили в 1%-м растворе охлажденной четырехокиси осмия в течение 1 часа. После дегидратации в растворах этилового спирта восходящей концентрации материал заливали в смесь аралди-тов. Подобным способом обрабатывали и фрагменты полушарий большого мозга 7 кроликов, перенесших черепно-мозговую травму (подробнее смотри [14]).
Математическое моделирование. В качестве простейшей модели сети нейронов, связанных син-цитиальными перфорациями рассмотрена популяция нейронов с регулярным, адаптивным характе-
ром спайковой активности, моделируемых в рамках аппроксимаций типа Ходжкина-Хаксли и связанных пассивными электрическими связями типа «все-со-всеми». Под популяцией в данном контексте понимается бесконечное множество одинаковых нейронов, получающих как общий вход, состоящий из одинаковых для каждого нейрона тока и проводимости, так и индивидуальный для каждого нейрона ток (белый гауссов шум). В работе [11] показано, что весьма точным описанием активности такой популяции является модель на основе уравнения эволюции для рефрактерной плотности. В явном виде такая модель записана в [10, 11]. Базовая модель нейрона учитывает быстрые натриевые и калиевые ионные токи, медленный калиевый М-ток быстрой спайковой адаптации и АНР-ток, отражающий действие кальций-зависимых калиевых токов медленной спайковой адаптации. В модель добавлен ток электрических контактов I который для каждого нейрона определяется формулой:
№=се1ш - уттпт
где и(ь) — мембранный потенциал рассматриваемого нейрона; — средний по популяции потенциал
нейронов.
Параметры модели таковы: амплитуда шума задавалась такой, что в стационарном состоянии дисперсия потенциала была равна 3 шУ; в момент времени 1=0 на нейроны популяции подавался фоновый ток такой амплитуды, что в стационарном состоянии несвязанные нейроны давали спайки с частотой около 20 №. Электрические связи характеризуются отношением проводимости Оё, к входной проводимости мембраны Это отношение варьировалось, как указано в подписи к рис. 3, и доходило до значений существенно больших, чем проводимость щелевого контакта между двумя пирамидными нейронами [15].
Результаты и их обсуждение. Синцитиальные перфорации формируются только на основе межнейронных мембранных контактов, напоминающих щелевые или плотные контакты (рис. 1). Края перфораций имеют строго определенную форму. Это либо тонкий остаток слившихся мембран контакта (рис. 1 б, в), либо закругленная овальная структура слившихся смежных мембран (рис. 1 д). Внутри перфорации присутствует один или несколько остаточных мембранных структур в форме везикул (рис. 1 б, в, д).
При патологии количество цитоплазматических синцитиальных связей значительно увеличивается. Анастомозы образуются между двумя и более нейронами, так что формируется целая популяция электри-
чески и метаболически связанных клеток (рис. 1 а).
На вторые сутки культивирования появляются нервные отростки, которые, сокращаясь, стягивали тела одиночных нейронов в двуклеточные пары или многоклеточные агрегаты (рис. 2). Нередко два контактирующих тела клетки формируют 8-образную структуру, которая постепенно изменяется, увеличивая угол контакта до 120° - 130° и стремясь приобрести овальную форму эллипсоида. В это время на границе двух нейронов формируется пограничная цепочка светлых в фазовом контрасте вакуолеподоб-
ных структур (рис 2 а). На ультратонких срезах обнаруживается, что между ними располагаются узкие и широкие мостики слияния (рис. 2 а). Под электронным микроскопом оказывается, что вакуолеподобные структуры представляют собой резкие локальные расширения межклеточной щели. В области мостиков слияния цитоплазма одного нейрона непосредственно переходит в цитоплазму другого нейрона, а на месте бывших пограничных мембран выявляются остаточных фрагменты этих мембран с закругленными краями (рис. 2 б).
Рис. 1. Синцитиальные цитоплазматические межнейронные перфорации
а - множественные цитоплазматические связи между телами в кластере из четырех нейронов при механической травме мозга; б, в - синцитиальные перфорации спаренных мембран двух смежных нейронов; г - общий вид синцитиальной перфорации мембран между двумя нейронами в гиппокампе кролика; д - деталь рис. г при большем увеличении: 1 - остатки слившихся мембран межнейронных контактов; стрелки - остаточные тельца внутри синцитиальных перфораций; наконечники стрелок - межнейронные синцитиальные перфорации. Н1-Н4 -нейроны; Я1, Я2 - ядра; Ув.: а - 5000; б, в - 33000; г - 10000; д - 15000.
Рис. 2. Синцитиальное слияние нейронов
а - популяция сливающихся нейронов моллюска в эксперименте; б - остатки разрушающихся мембран; 1 - вакуолеподобные расширения межклеточных щелей на границе тел клеток; 2 - мостики слияния цитоплазм нейронов; 3 - фрагменты слившихся перфорированных мембран; стрелка - остаточное тельце слившихся мембран; Я1 - Я2 - ядра. Ув.: а - об. 40, ок. 10; б - 23000.
В культуре ткани впервые удалось воспроизвести в эксперименте цитоплазматическую связь многих нейронов и добиться их синцитиального слияния (рис. 2 а). Удается создать двуядерные нейроны и многоядерные симпласты, что нередко наблюдается также in situ при многих видах повреждений нервной системы.
Результаты моделирования демонстрируют возможность формирования ритмической активности посредством синцитиальной электрической связи (рис. 3). Активность популяции характеризуется частотой спайков нейронов популяции. Всплески частоты отражают периоды синхронной генерации спайков. На рис. 3a представлено моделирование популяции несвязанных нейронов. Начиная с момента начала подачи тока, спайки нейронов разсинхрони-зуются (рис. 3 а, снизу), что отражается в затухании
всплесков популяционной частоты (рис. 3 а, сверху). При добавлении электрических связей с проводимостью 0= 1.5 0Ь (рис. 3 б) появляется ритмическая активность (рис. 3 б, сверху), вызванная частичной синхронизацией нейронов (рис. 3 б, снизу). Дальнейшее увеличение проводимости до 0=30Ь (рис. 3 в) ведёт к более синхронной активности в виде ритма с меняющейся амплитудой всплесков частоты (рис. 3 в, сверху). Отдельные нейроны в этом случае могут отвечать спайками не на каждый популяцион-ный всплеск (рис. 3 в, снизу). Проводимость электрических цитоплазматических синцитиальных связей контактов на порядок большая входной проводимости, 0^=200^ приводит к совершенно синхронной активности с высокоамплитудными кратковременными всплесками частоты (рис. 3 г).
Рис. 3. Формирование ритмической активности посредством уменьшением проводмости электрических цитоплазматических синцитиальных связей
Эволюция популяционной частоты спайков (сверху) и мембранных потенциалов двух представительных нейронов (снизу, V и V ) в случаях различной проводимости электрических связей: а - 0=0 (без электрических связей), б - 0е=1.50ь, в - 0е=30ь, г - 0е=200ь. Во всех случаях начиная с момента времени Ь=0 на нейроны популяции подавался фоновый ток 20тУЧ 0Ь, где 0Ь - входная проводимость мембраны.
Наши модельные исследования свидетельствуют о том, что электрические межнейронные связи с помощью синцитиальных цитоплазматических перфораций с предельно низким сопротивлением способны синхронизировать электрическую активность нейронов. Недавно в работе McCarthy с соавторами [12] с помощью микроэлектродной электрофизиологической техники и due-cupling - метода была доказана цитоплазматическая межнейронная связь у двухкон-тактирующих клеток. При этом отмечалась четкая синхронизация электрической активности спаренных нейронов. Так как в наших экспериментах такая
связь наблюдалась между несколькими нейронами в популяции, то можно считать, что полученные нами данные относительно синхронной электрической активности популяции нейронов, связанных синци-тиально, являются корректными. Известно, что синхронизация импульсной активности нейронов является характерной чертой и электрических синапсов [12]. Поэтому можно считать, что выявленная нами подобная синхронизация спайков при синцитиаль-ной связи нейронов, подтверждает нашу гипотезу о превращении щелевых контактов в синцитиальные перфорации [4].
Список литературы:
1. Archakova L.I., Sotnikov O.S., Novakovskaya S.A., Solov'eva I.A., Krasnova T.V. Syncytial cytoplasmic anastomoses between neurites in caudal mesenteric ganglion cells in adult cats//Neurosci. Behav. Physiol. - 2010. - V. 40. - № 4. - P. 447 - 450.
2. Kostenko M.A., Sotnikov O.S., Chistyakova I.A., Sergeeva S.S. Methods and methodological approaches to studies of isolated neurons of brain from adult animals (Lymnaea stagnalis) in tissue culture//Neurosci Behav Physiol. - 1999. - V. 29. - № 4. - P. 455 - 459.
3. 3, Paramonova N.M., Sotnikov O.S. Cytoplasmic syncytial connections between neuron bodies in the CNS of adult animals//Neurosci Behav Physiol. - 2010. - V. 40. - № 1. - P. 73 - 77.
4. Sotnikov O.S., Laktionova A.A. Membrane fusion and syncytial neuronal cytoplasmic connection. - Switzerland: Trans Tech Publications Ltd, 2016. - 159 p.
5. Sotnikov O.S., Archakova L.I., Novakovskaya S.A., Solovyova I.A. The problem of neuronal syncytical connection in disease//Bull. Exp. Biol. Med. - 2009. - V. 147. - № 2. - P. 245 - 248.
6. Sotnikov O.S., Kamardin N.N., Rybakova G.I., Solovyova I.A. Cytoplasmic syncytial interneuronal mollusk connection//J. Evol. Biochem. Physiol. - 2009. - V. 45. - № 2. - P. 223 - 231. (RUS).
7. Sotnikov O.S., Malashko VV., Rybakova G.I. Fusion of nerve fibers//Dokl. Biol. Sci. - 2006. - V. 410. - P. 361
- 363.
8. Sotnikov O.S., Frumkina L.E., Novakovskaya S.A., Bogolepov N.N. The merger of brain neurons of the rat em-bryons//Morphology. - 2011. - V. 139. - № 2. - P. 18 - 21. (RUS)
9. Sotnikov O.S., Novakovskaya S.A., Solov'eva I.A. Syncytial perforation neuronal membranes of human embry-ons//Ontogenesis. - 2011. - V. 42. - № 1. - P. 31 - 36. (RUS)
10. Chizhov A.V., Graham L.J. Population model of hippocampal pyramidal neurons, linking a refractory density approach to conductance - based neurons//Phys. Rev. E. - 2007. - V. 75: 011924.
11. Chizhov A.V., Graham L.J. Efficient evaluation of neuron populations receiving colored - noise current based on a refractory density method//Phys. Rev. E. - 2008. - V. 77.
12. McCarthy K.M., Tank D.W., Ehquist L.W. Pseudorabies virus infection alters neuronal activity and connectivity in vitro//PLoS Pathog. - 2009. - V. 5. - № 10. - P. 1 - 20.
13. Santander R.S., Cuadrado G.M., Saez M.R. Exceptions to Cajal's neuron theory: communicating synapses// Acta Anat. - 1998. - V. 132. - P. 74 - 76.
14. Sotnikov O.S., Paramonova N.M., Archakova L.I. Ultrastructural analysis of interneuronal syncytial perfora-tions//Int. Cell Biol. - 2009. - V. 34. - № 4. - P. 361 - 364.
15. Wang Y., Barakat A., Zhou H. Electrotonic coupling between pyramidal neurons in the neocortex//PLoS One.
- 2010. - V. 5. - № 4. - P. 1 - 9.
