Hippocampal neuron in culture transfected with postsynaptic protein Shank, showing enlarged dendritic spines induced by Shank.

Группа, руководимая Karel Svoboda, ранее определила число NMDA рецепторов (N-methyl-D-aspartate receptors – NMDARs), которые открываются (open) во время низкочастотной синаптической трансмиссии (low frequency synaptic transmission) в гиппокампе крыс. И их количество оказалось на удивление низким.

В данном исследовании для установления числа NMDARs, активированных на единственном синапсе, был применен новый метод оценки транзиторных процессов кальция в индивидуальных дендритных шипиках. В этих экспериментах пирамидные нейроны поля CA1 гиппокампа были помечены индикатором кальция. Изменения флуоресценции, вызванные синаптическим стимулированием, измеряли с помощью двухфотонного лазерного сканирующего микроскопа. В условиях эксперимента транзиторные изменения концентрации кальция в индивидуальных шипиках были обусловлены открыванием NMDARs в единственном синапсе.

Синаптическое стимулирование случайным образом вызывало как большой размах изменений флуоресценции («успешный»), так и отсутствие таких изменений («безуспешный»). В целом, отсутствие флуоресценции могло быть результатом двух экспериментально неразличимых событий – отсутствием высвобождения глутамата и отсутствием каналов, которые должны раскрыться для последующего высвобождения глутамата. В соответствии с этим, частичное блокирование NMDARs, при действии высокоаффинного антагониста D-CPP, увеличивало число «безуспешных» изменений.

На основании этих наблюдений авторы вывели уравнение для подсчета числа NMDA рецепторов, открывающихся после высвобождения трансмиттера, рассчитанное на вероятности «неудач» в присутствии или отсутствии D-CPP. Вероятность «неудач» была прослежена с помощью флуоресцентного изображения транзита кальция, как описано выше. Сопутствующие измерения тока целой клетки (whole-cell current) позволили установить фракцию NMDARs, блокирующуюся D-CPP. Подстановка этих данных в уравнение привела авторов к заключению, что для большинства синапсов меньше пяти NMDARs открыто в одной и той же точке после высвобождения нейротрансмиттера. На пике синаптического ответа среднее число открытых NMDARs менее одного.

Использование этих оценок в сочетании с измерениями постсинаптических потенциалов возбуждения в присутствии или отсутствии D-CPP, позволило вычислить количество AMPARs (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptors), которые, вероятно, открываются в ответ на низкочастотное стимулирование. Как и для NMDARs, среднее число AMPARs оказалось небольшим – около десяти для большинства синапсов.

Предыдущие исследования указывают, что потенциальные возможности синапсов коррелируют с их расстоянием от тела клетки. Чтобы проверить, обусловлены ли эти различия в потенции вариабельностью в числе рецепторов на синапс, авторы вычислили число открытых NMDARs, рассматривая положение синапсов на дендритном древе. Никаких корреляций обнаружено не было. Также число открытых NMDARs не коррелировало с объемом шипиков, указывая на то, что изменения в NMDAR-опосредованных концентрациях кальция больше в небольших шипиках. По существу, размер шипика может влиять на восприимчивость к разным формам синаптической пластичности.

См также: Madden, D. R. The structure and function of glutamate receptor ion channels. Nature Rev. Neurosci. 3, 91–101 (2002)

The number of glutamate receptors opened by synaptic stimulation in single hippocampal spines. Nimchinsky, E. A. et al. J. Neurosci. 24, 2054–2064 (2004)

The number of glutamate receptors opened by synaptic stimulation in single hippocampal spines.
Nimchinsky, E. A. et al.
J. Neurosci. 24, 2054–2064 (2004)