4. 2. 3. Электрофизиологические критерии идентификации

Даже с помощью одного внутриклеточного электрода можно получить довольно разнообразную информацию о клетке. Важно из всех этих возможностей выбрать такие, которые позволяют, взятые в совокупности, с уверенностью находить нужную клетку. Рассмотрим следующие показатели: спонтанная импульсная активность; мембранный потенциал; потенциалы действия; спонтанный синаптический приток; реакция клетки на поляризацию мембраны; биофизические характеристики клеточной мембраны; фармакологические характеристики клеточной мембраны.

Спонтанная активность. В своей первой работе, посвящённой идентификации нейронов улитки, мы исключили этот показатель как сильно изменчивый и потому ненадёжный [283]. Главной причиной такого решения послужили в то время наблюдения, проведённые на многих препаратах на клетке ППа1. Эта клетка, проявляющая уникальный тип залповой активности, у некоторых улиток оказывалась молчащей, у других имела нерегулярную незалповую активность, и нам приходилось прибегать к фармакологическим критериям, чтобы убедиться в том, что исследуемая клетка — действительно ППа1.

Ныне, обладая несколько большим опытом, мы вслед за многими авторами, работающими на нейронах гастропод, считаем, что характер спонтанной активности вправе рассматриваться среди свойств, постоянных для каждого нейрона. Наш опыт, как и опыт других исследователей, показывает, что определённые клетки относятся к типу «молчащих», т. е. не проявляют спонтанной активности (например, ЛПа2 и ППа3); другие имеют активность регулярного типа, т. е. с довольно постоянными интервалами между потенциалами действия (например, группа F); третьи проявляют нерегулярную активность — относительно редкую (например, ЛПл1, ППл1) или частую (ППа4); четвёртые склонны к залповым разрядам, которые в разных клетках неодинаковы. Как оказалось, упомянутая выше изменчивость спонтанной активности, особенно сильно выраженная у некоторых нейронов, зависит от некоторых факторов, знание которых помогает прояснить картину. Исследования, проведённые на изолированных идентифицированных нейронах гастропод, подтвердили, что клеткам в самом деле присущи определённые свойства — например, наличие или отсутствие пейсмекерных свойств, способность разряжаться характерными залпами и т. д. [118].Реализация этих свойств в целостном многоклеточном препарате сильно зависит, во-первых, от синаптического притока, который может меняться при незначительных изменениях условий препаровки, при повреждениях окружающих нейронов и проводящих путей и т. д. Имея это в виду, целесообразно, может быть, оценивать характер спонтанной активности дважды: в обычных условиях и в условиях блокирования синаптического притока. По нашим наблюдениям, все постсинаптические потенциалы в нейронах улитки полностью снимаются при добавлении к рингеровскому раствору ионов Со²⁺ в количестве 20 мМ. Так, упомянутый выше «залповик» ППа1, проявляющий довольно изменчивую спонтанную активность, после снятия синаптического притока ионами кобальта сразу же начинает в чистом виде проявлять присущие ему залпы. Блокирующее действие кобальта на химические синапсы легко отмывается.

Кроме синаптического притока, на спонтанную активность клеток могут влиять факторы, меняющие состояние электрогенного насоса — например, температура. Имеются и более сложные обстоятельства, знание которых приходит с опытом работы. Так, при осторожном введении электрода в клетку, относящуюся к группе D, обычно регистрируется редкая спонтанная активность. Пропусканием деполяризующего тока можно вызвать на короткое время частый залп импульсов, вслед за чем в течение нескольких минут клетка развивает глубокую гиперполяризацию, примерно до -70 мВ, и надолго умолкает [280]. Такой же молчащей будет клетка, если частый залп был вызван резким введением в неё электрода. По-видимому, в обоих случаях имеет место стимуляция электрогенного насоса (это предположение экспериментально не проверялось). Приводя этот пример, мы хотели показать, что в данном случае характер спонтанной активности — отсутствие её или нерегулярная импульсация — зависит от незначительных и порой непроизвольных изменений в поведении экспериментатора. Важнее всего, однако, что даже и в этом сказываются характеристические особенности клеток. В отличие от клеток группы D, другие нейроны (например, клетки группы F) никогда не развивают длительную и даже кратковременную гиперполяризацию в ответ на преходящую деполяризацию.

Потенциал покоя. Наш собственный опыт в этом отношении не простирается дальше наблюдений, что определенным нейронам постоянно присущи меньшие значения потенциала, чем другим. Сошлёмся на количественные данные авторов, специально занимавшихся этим вопросом при работе на идентифицированных нейронах виноградной улитки.

«Молчащие» ростральные нейроны правого и левого париетальных ганглиев изучены в этом отношении независимо в трёх разных лабораториях, при этом всеми авторами даются близкие значения потенциала покоя. По А. В. Карякину [20], потенциал равен -56,6±4,2 мВ (для клетки ЛПа3, которую Карякин обозначает как ЛПа1) и -56±5,1 мВ (для ППа3). Французские авторы [171] указывают общую среднюю цифру для этих двух клеток, а также для ЛПа1, -54±6 мВ. Наконец, Н. Г. Пархоменко [45, 46] выделяет эти нейроны как клетки типа «а», характеризующиеся совокупностью биофизических характеристик, и указывает, что потенциал покоя у них обычно равен (-55) — (-65) мВ.

В противоположность клеткам типа «а», клетки типа «б» имеют, по данным Н. Т. Пархоменко, потенциал покоя, равный (-35) — (-40) мВ. Судя по рисунку, приложенному к этой работе, к этому типу относятся клетки группы В. Подтверждая эти результаты Пархоменко собственным опытом, мы можем добавить, что к этому типу можно отнести и другие белые клетки, в частности нейроны групп А и D.

Несмотря на ограниченность имеющихся данных, относящихся к идентифицированным клеткам, они однозначно свидетельствуют о закономерном характере различий в величинах потенциала покоя. Оценивая этот показатель, нужно, конечно, иметь в виду возможный вклад электрогенного насоса, о чём говорилось выше. Этот вопрос рассматривается в ряде специальных работ [1, 28, 113, 120 и др.].

Потенциалы действия. Параметры потенциала действия также различны у разных нейронов; кроме того, при идентификации клетки иногда важно рассматривать последовательный ряд потенциалов, так как их параметры могут характерно меняться в течение залпа.

С самого начала работы по картированию идентифицированных нейронов мы придавали большое значение этому показателю и предложили разделить полные потенциалы действия, не являющиеся псевдоспайками, на две категории: имеющие задержку на нисходящей фазе потенциала и не имеющие её [283]. В то время нам пришлось выслушать немало возражений, сводящихся в основном к тому, что «задержка» появляется у любой клетки, когда она находится в плохом состоянии. Однако тот факт, что упомянутая задержка во всех без исключения случаях наблюдается у одних идентифицируемых нейронов и отсутствует у других, давал нам уверенность в своей правоте. В частности, среди клеток правого париетального ганглия такую задержку закономерно проявляют нейроны группы D и залповик ППа1. Мы отметили также, что характерной чертой потенциалов действия в этих клетках является прогрессирующее удлинение задержки на нисходящей фазе в ряду импульсов, следующих с достаточно высокой частотой. Потенциалы действия, имеющие такую форму, проявляют большой овершут иблагодаря этому отличаются значительной величиной.

Последующее изучение вопроса другими авторами подтвердило эти наблюдения и показало, что различия параметров потенциалов действия тесно связаны с другими различиями между нейронами [327]. Здесь снова уместно сослаться на результаты Н. Т. Пархоменко. По его данным, задержку на нисходящей фазе потенциала действия проявляют нейроны типа «б», т. е. те идентифицируемые клетки, у которых потенциал покоя равен (-35) — (-40) мВ. По подсчётам Н. Т. Пархоменко, потенциал действия в этих клетках имеет следующие параметры: амплитуда 90-105 мВ, овершут до 60 мВ, длительность 15 — 25 мсек. В отличие от этого, в нейронах типа «а» потенциал имеет следующие параметры: амплитуда 80-90 мВ, овершут 20-35 мВ, длительность 4-9 мсек, задержка на нисходящей фазе отсутствует. Клетки двух типов различаются по вольт-амперным характеристикам, по активности внутриклеточного калия и по ряду других показателей. Наконец, что особенно существенно, Н. Т. Пархоменко убедительно показал, что в этих двух типах различны ионные механизмы генерации соматических потенциалов действия. Если нейроны, относящиеся к типу «а», инактивируются и перестают генерировать в безнатриевых растворах, то в нейронах типа «б» способность к генерации в этих условиях сохраняется благодаря входящему току ионов кальция [45, 46].

Продолжая работу в этом направлении, мы нашли, что по типу «а» себя ведут клетки группы F, быстро теряющие возбудимость в безнатриевых растворах. Клетка ППа4, медленно теряющая возбудимость, но не способная генерировать кальциевые потенциалы, представляет особый тип и, возможно, сходна с теми неидентифицированными нейронами, изученными В. Д. Герасимовым [10], которые каким-то образом используют малые количества ионов натрия для создания эффективного градиента. Наконец, изучение клеток, проявляющих кальциевые потенциалы действия, привело нас к предположению, что, возможно, эти потенциалы являются секреторными. Белые клетки, для которых особенно характерна совокупность биофизических свойств, выделенных Н. Т. Пархоменко как тип «б», являются, судя по нашим электронно-микроскопическим данным, нейросекреторными клетками с гранулами пептидергического типа. Они имеют множество соматических отростков, из которых нейросекрет, по-видимому, секретируется в оболочку ганглия или под неё. Если это так, то соматическая мембрана должна обладать свойствами секреторной, пресинаптической мембраны [24].

Любопытно, что через два года точно такой же вывод был сделан французскими авторами, исследующими нейроны аплизии; на основании совсем другой системы экспериментов они также заключили, что соматическая мембрана, судя по поведению ионов кальция, может рассматриваться как модель пресинаптической мембраны [299]. В самом деле, известно, что мембрана пресинаптического окончания в условиях ингибирования натриевой проводимости развивает при деполяризации регенеративный спайкоподобный процесс, связанный с входом в окончание ионов кальция [207]. Обращают на себя внимание черты сходства этого процесса с потенциалом действия в клетках типа «б», в частности в нейронах группы D и ППа1: задержка на нисходящей фазе, её «утомление» в ходе залпа и т. д.

Отмеченными выше различиями не исчерпываются все возможные варианты потенциалов действия. Разными авторами неоднократно отмечалось, что для части клеток характерно наличие длительной, около 300 мсек, следовой гиперполяризации, имеющей тенденцию к суммации в ряду следующих друг за другом потенциалов. Этим признаком обладают, например, нейроны ППл1, ЛПл1, В4. В одних клетках (их много) соматическому потенциалу предшествует аксонная компонента, в других (например, ППа1) её нет. Имеются нейроны, в которых, напротив, сома, по-видимому, невозбудима и регистрируется только однокомпонентный потенциал действия аксонной природы. У части таких клеток амплитуда этого потенциала претерпевает резкие изменения под воздействием изменений в спонтанном синаптическом притоке (например, В6). То же, но в усложненном виде, имеет место в клетках с несколькими аксонами, где потенциалы действия генерируются в каждом из аксонов. Скопление таких клеток представлено на вентральной поверхности висцерального ганглия у выхода анального нерва.

Спонтанный синаптический приток. Картина постсинаптических потенциалов, регистрируемых внутриклеточным электродом, весьма характерна для каждого нейрона, и эти характеристики закономерно повторяются от препарата к препарату. Мы не знаем в ганглиях виноградной улитки нейронов, полностью лишённых постсинаптической активности, и указания некоторых авторов на наличие таких нейронов полагаем ошибкой. В простейших случаях синаптический приток представлен однородными ВПСП. Примером могут служить нейроны группы F, причём у соседних нейронов, относящихся к этой группе, интенсивность синаптического притока бывает очень разной; обычно у этих клеток ВПСП имеют такую высокую частоту, что они, сливаясь, создают определённый уровень деполяризации, который в свою очередь определяет частоту генерации потенциалов действия. В других нейронах, получающих также лишь ВПСП, они приходят относительно редко и не сливаются; такие клетки склонны молчать или изредка генерируют, в ответ на приходящие ВПСП,нерегулярные спайки. В качестве примеров можно назвать обе гигантских клетки плевральных ганглиев. Далее, картина может осложняться тормозным притоком, который в разных клетках выражен по-разному: нерегулярные отдельные ТПСП относительно небольшой амплитуды (такие, например, характерны для многих нейронов педальных ганглиев); приходящие залпами «гигантские» ТПСП (например, в клетках В6, ППа4); ТПСП обоих названных типов в одном и том же нейроне (например, ППа1). Многими авторами наблюдались и описывались двуфазные ПСП. Что касается клеток висцерального комплекса ганглиев, здесь, по нашему мнению, двуфазными в некоторых препаратах бывают те самые ПСП, которые в других препаратах проявляют себя как «гигантские» ТПСП. По какой причине у некоторых улиток эти потенциалы лишены первой, возбуждающей фазы, нам неясно.

Реакция клетки на поляризацию мембраны. Рассмотренный нами способ дифференцировать клетки на основании их ответов на инъекцию тока через внутриклеточный микроэлектрод [283] является развитием идеи, обсуждавшейся рядом авторов. Мы предложили классифицировать нейроны как осциллирующие и неосциллирующие, различая в каждой из этих категорий две подгруппы.

Классификация основана прежде всего на выявлении способности или неспособности клетки длительно генерировать потенциалы действия. Инъекция деполяризующего тока является в этом случае универсальным тестом, применимым как к активным, так и к молчащим клеткам. Осциллирующие нейроны после начального частого залпа длительно удерживают активность, частота которой зависит от уровня деполяризации. Неосциллирующие после начального залпа умолкают.

Активность осциллирующих нейронов бывает мономодальной и бимодальной. У мономодальных осцилляторов, в отличие от бимодальных, импульсный разряд не прерывается периодическими паузами. Пример мономодальных осцилляторов — нейроны группы F. Бимодальные осцилляторы в свою очередь можно разделить на две категории. У некоторых клеток паузами бывают разделены небольшие группы импульсов, причём в течение паузы клетка продолжает периодически генерировать пейсмекерные потенциалы, не достигающие порогового уровня для генерации потенциалов действия. Инъекция деполяризующего тока почти не влияет на частоту импульсов в группе и на их число, но делает паузы более короткими. Такие клетки генерируют пейсмекерный потенциал мономодально и лишь из-за колебаний возбудимости активность выглядит бимодальной. К этой категории относятся клетки ППа2, В5. Совершенно иной характер имеет активность в «настоящем» бимодальном осцилляторе — нейроне ППа1. Здесь разряд имеет форму периодических залпов, причём число импульсов в залпе, обычно равное при комнатной температуре 10 - 20, может быть и очень большим, до нескольких десятков. В течение залпа клетка всё более деполяризуется, затем наступает волна гиперполяризации, знаменующая собой начало паузы. В ходе паузы постепенно развивается деполяризация, вызывающая начало нового залпа и продолжающаяся до новой волны гиперполяризации. Инъекция деполяризующего тока увеличивает и продолжительность залпа, и частоту импульсов в нем. Такой тип бимодальной активности есть свойство, внутренне присущее клетке и ярко выраженное у нейрона ППа1 [283, 289]. В сглаженной форме, однако, мы изредка наблюдали такое поведение у клеток группы D.

Неосциллирующие нейроны также неодинаковы. Одни из них в ответ на инъекцию деполяризующего тока умолкают после начального залпа вследствие аккомодации, т. е. без заметного сдвига мембранного потенциала. Таковы клетки группы Е. В других клетках генерация потенциалов действия инактивируется прогрессирующей деполяризацией; после выключения тока клетки долго не могут вернуться к прежнему уровню мембранного потенциала, что говорит о слабости реполяризующего механизма. Так ведут себя, например, однородно крупные клетки мезоцеребральной области церебральных ганглиев.

Карпентер [112] недавно заново проанализировал сравнительные данные о различиях между осциллирующими (пейсмекерными) и неосциллирующими (непейсмекерными) нейронами, а также между разными формами эндогенной активности нейронов. Он, в частности, отмечает, что пейсмекерные нейроны гораздо слабее аккомодируются к приложенному току (о чём уже говорилось выше); мнение Карпентера о том, что у пейсмекерных нейронов потенциалы действия генерируются сомой, в отличие от непейсмекерных, генерирующих аксоном, представляется нам слишком категорическим: скорее, это верно лишь для некоторых специальных случаев. Карпентер приходит также к заключению, что ни одно из предложенных объяснений механизма медленных осцилляции, представленных в залповых нейронах, нельзя признать удовлетворительным. В связи с этим интересны данные о том, что у нейронов, имеющих генератор медленных волн (т. е. у залповиков), постоянная времени мембраны, измеряемая на толчках гиперполяризующего тока, примерно в пять раз больше, чем у незалповых нейронов того же препарата (эксперименты на нейронах гастропод); эти различия исчезают в условиях охлаждения (15° и ниже), когда перестаёт работать и генератор медленных волн [325].

Биофизические характеристики клеточной мембраны. Не рискуя рассуждать о предмете, требующем специальных знаний, ограничимся несколькими замечаниями. Н. Т. Пархоменко [45, 46] обнаружил достоверную связь между входным сопротивлением нейрона и его способностью к генерации потенциалов действия в безнатриевых растворах; эта способность, как отмечено выше, совершенно различна в разных идентифицируемых клетках. Тот же автор отметил, что клетки примерно одинакового размера могут сильно различаться по величине входной ёмкости, и отнёс эти различия за счёт разной площади поверхностной мембраны (вообще, нередко площадь мембраны, а вслед за тем удельное сопротивление вычисляют основываясь на измерении постоянной времени). Здесь, однако, нужна осторожность, учитывая хотя бы только что упомянутые данные о температурной зависимости постоянной времени мембраны у залповых нейронов. Если говорить о конкретных клетках, то, по нашим наблюдениям, постоянная времени велика у клеток пептидергического типа (ППа1, группы А, В, D).

Известно, далее, что в ганглиях моллюсков мембраны разных нейронов различаются вольт-амперной характеристикой. Кандель и Тауц [205], описавшие для гигантской метацеребральной клетки особую зависимость ВПСП от мембранного потенциала, связали это свойство с аномальными выпрямляющими свойствами клеточной мембраны. В отличие от «стандартного» поведения, когда амплитуда ВПСП растёт с увеличением мембранного потенциала (таковы, по нашим наблюдениям, клетки ЛПа3, ППа3, В6 и мн. др.), в метацеребральном нейроне величина ВПСП вблизи потенциала покоя увеличивается, когда поляризация клетки уменьшается. Для таких ВПСП характерно также, что их продолжительность уменьшается при гиперполяризации и увеличивается при деполяризации.

Поскольку аномальное выпрямление представлено в совершенно определенных клетках и, по-видимому, коррелирует с другими свойствами нейрона, в частности рецепторными [168], по поведению ВПСП при поляризации можно судить, к какой из двух категорий относится исследуемая клетка.