Анотація до роботи:

Савченко Л.П. Вплив просторових характеристик синапсів та постсинаптичних структур на процеси збудження нейронів. Модельні дослідження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора біологічних наук із спеціальності 03.00.02 – біофізика – Інститут фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України, Київ, 2005 р.

За допомогою теоретичних методів в комбінації з експериментальними підходами вивчався вплив геометричної організації синапсів і постсинаптичних структур на (1) процеси збудження нейронів, (2) динаміку внутрішньоклітинного кальцію й (3) синаптичну ефективність. Показано, що генерація стохастичних потенціалів дії визначається структурними стохастичними конформаційними переходами потенціал - залежних каналів. Варіабельність латентності потенціалів дії залежить від просторової щільності натрієвих каналів і швидкості допорогової деполяризації. Кластеризація каналів або зменшення їхнього числа збільшує цю варіабельність. Латеральна електродифузія каналів може бути одним з механізмів, що веде до кластеризації іонних каналів. Це латеральне електродифузійне переміщення залежить від напруженості електричного поля, що формується неоднорідним розподілом внутрішньоклітинного кальцію, звільненого зі зв'язаного стану із внутрішньоклітинних депо (кожне містить > 10⁴ іонів). Кластери каналів разом з геометрією синаптичної щілини впливають так само й на синаптичну ефективність. Хоча більші синапси мають високу ймовірність вивільнення нейромедіатора, вони зазнають більших втрат синаптичного струму всередині щілини. Збільшення ймовірності вивільнення нейромедіатора може відбутися або у результаті збільшення везикул у пресинаптичному депо, або в результаті посилення позитивного електричного зворотного зв'язку між пресинаптичною й постсинаптичною клітинами.

1. В основі біофізичних механізмів стохастичного електричного збудження нейронів лежать конформаційні переходи потенціал-керованих каналів. Випадкові залежні від мембранного потенціалу структурні зміни каналів створюють флуктуації мембранної провідності а, отже, флуктуації мембранного потенціалу.

2. Латентність і просторовий розподіл середнього значення ПД варіюють від електричного стимулу до стимулу навіть у відсутності адаптації й синаптичної передачі.

3. За допомогою стохастичної моделі нейрона встановлено, що зміна щільності натрієвих каналів на поверхні мембрани змінює стохастичні просторово-часові характеристики ПД. Просторовий перерозподіл натрієвих каналів призводить до варіабельності просторового розподілу ПД, але не змінює амплітуду та латентність ПД. Це пов'язано з тим, що для генерації одного ПД відкривається тільки невелика частина натрієвих каналів, які рекрутуються з різних ділянок клітинної мембрани.

4. Зміна загального числа натрієвих каналів як у моделі, так і в експерименті в результаті аплікації малої концентрації ТТХ приводить до істотних варіацій латентності ПД, "від іспиту до іспиту". Коефіцієнт варіації латентності залежить від швидкості допорогової деполяризації мембрани і величини варіабельності потенціалу.

5. Кальцій - активоване вивільнення кальцію з внутрішньоклітинного депо веде до формування просторово неоднорідного розподілу концентрації, умовою якого є перевищення потоку кальцію з депо над відтоком кальцію із цитоплазми через насоси плазматичної мембрани.

6. Ємність кальцієвого депо відіграє ключову роль у латеральній реорганізації каналів, і цю ємність оцінено в межах 25 000 іонів кальцію.

7. Неоднорідна концентрація кальцію створює умови для формування неоднорідного розподілу мембранного потенціалу з локальними областями деполяризації і гіперполяризації.

8. Гетерогенність мембранного потенціалу створює електричне поле з латеральним градієнтом уздовж плазматичної мембрани. Під впливом цього електричного поля канали, що несуть електрофоретичний заряд, перерозподіляються, утворюючи кластери, які можуть змінювати величину постсинаптичного струму.

9. Синаптичний струм створює усередині синаптичної щілини електричне поле. Напруга цього поля залежить від розміру синаптичної щілини, просторового розподілу постсинаптичних рецепторів, а також опору щілини.

10. Електричне поле впливає на просторово-часову динаміку зарядженого нейромедіатора. Латеральний напрямок електричного дрейфу залежить від заряду нейромедіатора, напрямку синаптичного струму і геометрії синаптичної щілини. Час дії електродифузії дорівнює тривалості постсинаптичного струму.

11. Електричне поле усередині щілини може привести до кластеризації рецепторів, тим самим збільшити ефективність синапсу або до декластеризації рецепторів і тим самим зменшити синаптичну ефективність. Напрямок і швидкість латерального руху рецепторів залежить від напрямку синаптичного струму, електрофоретичного заряду рецепторів, поверхневого заряду постсинаптичної мембрани і геометрії синапсу.

12. Динаміка ПД пресинаптичної мембрани, що звернена в щілину, відрізняється від динаміки ПД позащілинної пресинаптичної мембрани. Величина різниці залежить від геометрії синаптичної щілини та щільності постсинаптичних рецепторів. Різниця між потенціалами визначає величину ємнісного струму в постсинаптичнім нейроні. Величина цього струму залежить від розміру щілини і є гарним вимірюваним параметром для оцінки величини електричного зв'язку в хімічному синапсі.

13. ПД усередині щілини впливає на амплітуду постсинаптичного струму, який у свою чергу впливає на цей ПД, збільшуючи його тривалість і, отже, імовірність вивільнення везикул. Цей механізм побудований за принципом зворотного зв'язку між постсинаптичним і пресинаптичним нейронами.

14. Геометричні розміри пресинаптичного бутона відіграють важливу роль в ефективності синаптичної передачі. Розмір пресинаптичного бутона визначає ємність везикулярного депо. Чим більше геометричний розмір пресинаптичної частини, тим більше везикул зберігається і тим ефективніше синаптична передача при великій частоті стимуляції.

Публікації автора:

Статті

1. Savtchenko L.P., Korogod S.M. Spatial electrical patterns in simulated neuronal dendrites // Eur. Biophys. J.- 1997.- Vol.26, №4. - P. 337-348.

   Korogod S.M., Savchenko L.P. Glutamatergically induced pattern of Ca2+ driving potential as a mechanism of postsynaptic plasticity // Biophys J.- 1997.- Vol.73, №3. - P. 1655-1664.

   Gogan P, Tyc-Dumont S, Korogod SM, Savtchenko LP Functional connections between the architecture of the dendritic arborization and the microarchitecture of the dendritic membrane. In: Neurobiology: Ionic Channels, Neurons and the Brain. NATO SCIENCE SERIES: A Life Sciences, Volume 289, January 1997, (Conti F., Torre V, eds.), Kluwer Academic/Plenum Publishers: Hardbound, (404 pp). P.293-300

   Limozin L., Pelce P., Savtchenko L., Chamoin M.C. Ternaux J.P. Predicted acetylcholine layer around embryonic motoneurones // Neuroreport.- 1997.- Vol.8, №13. - P. 2957-2960.

   Rusakov D.A., Min M.Y., Skibo G.G., Savtchenko L.P., Stewart M.G., Kulmann D.M. The role of synaptic extracellular space in modification of synaptic efficacy. // Neurophysiology.- 1999.- Vol.31, №2. - P. 79-81.

   Savtchenko L.P., Gogan P., Tyc-Dumont S. Dendritic spatial flicker of local membrane potential due to channel noise and probabilistic firing of hippocampal neurons in culture // Neurosci Res.- 2001.- Vol.41, №2. - P. 161-183.

   Savtchenko L.P, Gogan P, Korogod S.M., Tyc-Dumont S. Imaging stochastic spatial variability of active channel clusters during excitation of single neurons // Neurosci Res.- 2001.- Vol.39, №4. - P. 431-446.

   Saviane C., Savtchenko L.P., Raffaelli G., Voronin L., Cherubini E. Frequency-dependent shift from paired-pulse facilitation to paired-pulse depression at unitary CA3-CA3 synapses in the rat hippocampus // J. Physiol.- 2002.- Vol.544, №2. - P. 469-476.

   Kiryushko D.V., Savtchenko L.P., Verkhratsky A.N., Korogod SM Theoretical estimation of the capacity of intracellular calcium stores in the Bergmann glial cell // Pflugers Arch.- 2002.- Vol.443, №4. - P. 643-651.

   Savtchenko L.P. Spatial distribution of the potential on a cylindrical surface simulating the somatic membrane: Model studies Neurofiziologya/Neurophysiology .- 2000.-Vol.32, №5. -P. 291-299.

   Savtchenko L.P., Antropov S.N., Korogod S.M. Effect of voltage drop within the synaptic cleft on the current and voltage generated at a single synapse // Biophys J.-2000.-Vol.78, №3. -P.1119-1125.

   Savtchenko L.P., Korogod S.M., Rusakov D.A. Electrodiffusion of synaptic receptors: a mechanism to modify synaptic efficacy? // Synapse.- 2000.- Vol.35, №1 - P. 26-38.

   13. Voronin L.L., Altinbaev R.S., Bayazitov I.T., Gasparini S., Kasyanov A.V., Saviane C., Savtchenko L., Cherubini E. Postsynaptic depolarisation enhances transmitter release and causes the appearance of responses at "silent" synapses in rat hippocampus // Neuroscience.- 2004.- Vol.126, № 1 - P. 45-59.

   14. Savtchenko L.P., Kulahin N., Korogod S., Rusakov D. Electric fields of synaptic currents could influence diffusion of charged neurotransmitter molecules // Synapse.-2004.- Vol.51, № 4 - P. 270-278.

   15. Savtchenko L.P., Rusakov D.A. Glutamate escape from a tortuous synaptic cleft of the hippocampal mossy fibre synapse // Neurochem Int.- 2004.- Vol.45, № 4. - P. 479-484.

   16. Savtchenko, L.P., Rusakov D.A. Extracellular diffusivity determines contribution of high-versus low-affinity receptors to neural signaling // Neuroimage.- 2005.- Vol.25, № 1. - P. 101-111.

   17. Савченко Л.П., Корогод С.М. Домены кальциевых каналов как диссипативные структуры в моделируемом нейроне. // Нейрофизиология -1994.-Т.26., № 2. - С.99-107.

   18. Савченко Л.П., Корогод С.М. Условие образования пространственно – периодического квазистационарного распределения плотности открытых каналов в мембране. // Математическое моделирование - 1994.- Т.6., № 8 - C.-33-44

   19. Кірюшко Д.В., Корогод С.М., Савченко Л.П. Динаміка концентрації кальцію у бергманівській клітині при метаботропній активації: модельні дослідження Нейрофизиология / Neurophysiology - 1998.- 30., № 4-5. - C. 320-324.

   20. Савченко Л.П. Полимеризация актинового компонента цитоскелета и формирование геометрии культивируемой нервной клетки: Модельные исследования // Нейрофизиология/Neurophysiology —2004.—T. 36., № 2 - C.3-11.

   21. Савченко Л.П. Геометрия синапса и его положение на дендрите определяют величину тока, регистрируемого на соме // Нейрофизиология/Neurophysiology -2005.-T. 37., № 2 – C. 101-107.

   Тези основних доповідей за останні 5 років

   1. Deglise P., Savtchenko L, Russier M, Ankri N, Sourdet V, Daoudal G, Fronzaroli L & Debanne D. Temporal precision of spike-timing depends on rate of depolarization and sodium channel noise. Proceeding of 3^rd INMED TINS conference. La Ciota, France., - 2004.- P.24

   2. Deglise P., Savtchenko L, Russier M, Ankri N, Sourdet V, Daoudal G, Fronzaroli L & Debanne D. Precision of spike timing in neocortical neurons. FENS 2004 Lisbon, July 10-14^th , Vol.2, A187.4.

   3. Korogod, S.M., Kulagina, I.B., Samarin A.V. and L.P.Savtchenko Model for studies of the intracellular calcium dynamics reported by a Fluorescent dye. Neurophysiology, v.35(3/4), Vol.326, 2003

   4. Saviane C., Savtchenko L.P., Voronin L.L. and E.Cherubini. A decrease in release probability underlies frequency-dependent short-term depression at CA3-CA3 connections in the rat hippocampus. Paris, 2002, July 13-17th Eur J.Neurosci. 2002, А.180.12, Р.199.

   5. Savtchenko, L.P., D.A. Rusakov, Free energy of synaptic vesicle exocytosis. FENS Brighton, June 24-28th 2000, Eur J.Neurosci. 2000.- Vol.12:- P. 14.

   6. Kiryushko, D.V., S.M. Korogod, L.P. Savtchenko, The capacity of intracellular CA²⁺-store in Bergmann glial cell. FENS, Brighton, June 24-28th 2000, Eur J.Neurosci. 2000- Vol.12:- P. 55.

   7. Bohin, J., P. Pelce, L. Savtchenko, J.P. Ternaux. Neurite initiation as an activated process: A key for neuronal shape expression. FENS, Brighton, June 24-28th 2000, Eur J.Neurosci. 2000- Vol.12 - P. 178.