ГЛАВА 6. СИНАПСЫ

Передачу возбуждения между нейронами, а также от нейронов к мышечным и секреторным клеткам осуществляют специализированные межклеточные контакты - синапсы (рис. 6-1, 6-2, 6-4, 6-5, см. также рис. 5-1).

Пресинаптическая клетка выделяет в межклеточное пространство между контактирующими клетками (синаптическая щель) химический посредник - нейромедиатор. Молекулы нейромедиаторов взаимодействуют с их рецепторами на постсинаптической клетке, что приводит к изменениям мембранного потенциала (МП): деполяризации (возбуждающие синапсы) или гиперполяризации (тормозные синапсы). Синаптическая передача обладает пластичностью, т.е. способностью к облегчению, потенциации и депрессии. В синапсах проведение возбуждения всегда происходит в одном направлении - от пресинаптической терминали к постсинаптической клетке.

Организация и функция синапса

В синапсе различают пресинаптическую часть, постсинаптическую часть и расположенную между клетками синаптическую щель (см. рис 6-1Б, 6-4 и 6-5).

Пресинаптическая часть

• Пресинаптическая часть содержит синаптические пузырьки с нейромедиатором, элементы цитоскелета и митохондрии. В пресинаптическую мембрану встроены потенциалозависимые Са²⁺-каналы. При поступлении ПД к терминальному расширению мембрана деполяризуется, Са²⁺-каналы открываются, ионы Са²⁺ входят в терминаль, запуская в активных зонах процесс слияния мембраны синаптического пузырька и пресинаптической мембраны, т.е. секрецию (экзоцитоз) нейромедиатора (рис. 6-5, позиции 2-4). Роль Са²+. Слияние синаптических пузырьков с пресинаптичес-

кой мембраной происходит при увеличении концентрации Са²⁺

Рис. 6-1. Межнейронный (аксосоматический) синапс. А. На поверхности перикариона заканчивается множество (например, на мотонейронах до 10 тыс.) концевых разветвлений (пресинаптических терминалей) аксонов от других нейронов; это аксосоматические синапсы. Один из них (1) представлен в правой части схемы; 2 - ветвления одного из дендритов; 3 - место отхождения аксона (аксонный холмик); 4 - миелинизированный аксон. Б. Между концевой терминалью аксона (5) пресинаптического нейрона и поверхностью перикариона постсинаптического нейрона (10) находится синаптическая щель (8) с диффундирующими в ней молекулами нейромедиатора (9). Для терминали аксона (пресинаптическая часть синапса, 5) характерны митохондрии (6) и содержащие молекулы нейромедиатора синаптические пузырьки (7). В постсинаптическую мембрану вмонтированы рецепторы для связывания нейромедиатора и многочисленные ионные каналы (11). Помимо аксосоматических, между нейронами образуются аксоаксональные, аксодендритические и дендродендритические синапсы. Большинство межнейронных синапсов относится к аксодендритическим (например, в коре больших полушарий - до 98%)

• в цитозоле нервной терминали. Белок синаптического пузырька синаптотагмин связывается с Са²+ и тем самым принимает участие в регуляции экзоцитоза (в том числе путём реорганизации примембранного цитоскелета). Синаптические пузырьки. Молекулы нейромедиатора накапливаются в нервной терминали, находясь внутри синаптических пузырьков вместе с АТФ и некоторыми катионами. В каждом пузырьке находится несколько тысяч молекул нейромедиатора, что составляет квант нейромедиатора.

Рис. 6-2. Нервно-мышечный синапс (А и Б - фрагмент выделенной прямоугольником области на А) образуется между концевыми расширениями (терминалями) соматических мотонейронов (пресинаптическая часть синапса) и поверхностью скелетного МВ (постсинаптическая часть). В - фрагмент обозначенный прямоугольником на Б. На пре- и постсинаптической стороне видны многочисленные митохондрии, необходимые для поддержания мембранного электрогенеза, в терминали расположено множество содержащих нейромедиатор (ацетилхолин) синаптических пузырьков, освобождающих ацетилхолин в синаптическую щель и взаимодействующих с никотиновыми холинорецепторами, вмонтированными в постсинаптическую мембрану. [11]

Рис. 6-3. Активные зоны нервно-мышечного синапса расположены напротив постсинаптических складок - участков скоплений холинорецепторов. Пресинаптическая мембрана слева расщеплена на два листка

• Активные зоны (рис. 6-3). Секреция нейромедиатора осуществляется в специализированных участках пресинаптического нервного окончания - активных зонах - участках утолщения пресинаптической мембраны. Активная зона состоит из «плотной полоски» на пресинаптической мембране и сгруппированных около неё синаптических пузырьков, потенциалозависимых кальциевых каналов, специальных белков экзоцитоза и элементов цитоскелета. Количество активных зон в нервно-мышечном синапсе достигает 30-40, в межнейронных синапсах - около десятка. Активные зоны расположены против скоплений рецепторов в постсинаптической мембране, что уменьшает задержку в передаче сигнала, связанную с диффузией нейромедиатора в синаптической щели. Синаптическая щель - промежуток между пре- и постсинаптической мембранами шириной 20-35 нм. В синаптическую щель из синаптических пузырьков выделяются молекулы нейромедиатора и путём диффузии достигают постсинаптической мембраны. В синаптической щели находятся ферменты, расщепляющие молекулы нейромедиатора (например, ацетилхолинэстераза, гидролизующая ацетилхолин), а в пресинаптическую мембрану вмонтированы переносчики, осуществляющие перенос нейромедиаторов-аминокислот и биогенных аминов (например, глутамата, аспартата, норадреналина) в пресинаптическую терминаль.

Постсинаптическая часть

В постсинаптической мембране находятся рецепторы, чувствительные к нейромедиатору. Взаимодействие нейромедиатора с рецептором приводит к изменению МП постсинаптической мембраны. В зависимости от характера возникающего постсинаптического потенциала (деполяризация или гиперполяризация) различают синапсы возбуждающие и тормозные.

•  Возбуждающие синапсы. При деполяризации возбуждение по плазмолемме электротонически распространяется до аксонного холмика, где генерируются ПД (рис. 6-4).

•  Тормозные синапсы. При гиперполяризации возбудимость мембраны уменьшается, и ПД не генерируются.

Характер электрического ответа постсинаптической стороны и дальнейший физиологический эффект определяются свойствами рецепторов. С точки зрения механизма открытия ионных каналов и последующей деили гиперполяризации (рис. 6-5) постсинаптические рецепторы подразделяют на ионотропные (от «ион») и метаботропные (от «метаболизм»).

Рис. 6-4. Межнейронный холинергический синапс [7]. Трансмембранный перенос ионов указан стрелками. При связывании ацетилхолина с никотиновым холинорецептором (н-холинорецептор) в составе последнего открывается ионный канал, через пору которого проходят ионы натрия и калия, приводя к деполяризации постсинаптической мембраны (постсинаптический потенциал). Таким образом, н-холинорецептор является лиганд-зави- симым ионным каналом, т.е. ионотропным рецептором (см. рис. 6-5)

• Ионотропные рецепторы сами по себе являются ионными каналами. Классический пример - н-холинорецепторы (рис. 6-5, слева).

Рис. 6-5. Ионотропные и метаботропные рецепторы в холинергических синапсах [2]

• Метаботропные рецепторы связаны с ферментами (аденилатциклаза или фосфолипаза C) через G-белок. Классический пример - м-холинорецепторы (рис. 6-5, справа).

Этапы синаптической передачи

Синаптическая передача возможна при реализации ряда последовательных процессов: синтез нейромедиатора, его накопление и хранение в синаптических пузырьках вблизи пресинаптической мембраны, высвобождение нейромедиатора из нервной терминали, кратковременное взаимодействие нейромедиатора с рецептором, встроенным в постсинаптическую мембрану; разрушение нейромедиатора или захват его нервной терминалью. На рис. 6-6 представлены стандартные этапы синаптической передачи.

1. Молекулы нейромедиатора поступают в мембранные синаптические пузырьки, располагающиеся в пресинаптической терминали и концентрирующиеся в активных зонах пресинаптической мембраны.

2. Приходящий по аксону ПД деполяризует пресинаптическую мембрану.

3. Вследствие деполяризации открываются потенциалозависимые Са²⁺-каналы, и Са²+ поступает в терминаль.

4. Увеличение внутриклеточного [Са²+] запускает слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной и выброс нейромедиатора в синаптическую щель (экзоцитоз).

5. Кванты нейромедиатора, поступившие в синаптическую щель, диффундируют в ней. Часть молекул нейромедиатора связывается со специфичными для них рецепторами постсинаптической мембраны.

6. Связавшие нейромедиатор рецепторы активированы, что приводит к изменению поляризации постсинаптической мембраны либо прямо (поступление ионов через ионотропные рецепторы) либо опосредованно - активация ионных каналов через систему G-белка (метаботропные рецепторы).

7. Инактивация нейромедиаторов происходит либо путём их ферментной деградации, либо молекулы нейромедиатора захватываются клетками.

Постсинаптические потенциалы

Вызванные и спонтанные постсинаптические потенциалы (ПСП). Нейромедиаторы при связывании с ионотропными рецепторами приводят к возникновению ПСП. Количество квантов медиатора, содержащееся в одном ПСП, определяет его квантовый состав. При

Рис. 6-6. Этапы синаптической передачи [2]

возбуждении пресинаптической терминали ПД и секреции множества синаптических пузырьков регистрируются вызванные, или многоквантовые ПСП. Существуют также спонтанные, или миниатюрные ПСП, обусловленные случайным (в отсутствии ПД) экзоцитозом медиатора в синаптическую щель. Эти сигналы обычно одноквантовые и незначительны по амплитуде.

Синаптическая задержка. Между моментом поступления ПД к пресинаптическому нервному окончанию и временем возникновения ПСП существует временной интервал в 0,5-1 мс, получивший название синаптической задержки. Она объясняется прежде всего временем, необходимым для выделения медиатора и его действия на

постсинаптическую мембрану. Наиболее длительным при этом является процесс запуска секреции медиатора.

Возбуждающие и тормозные ПСП. ПСП могут быть либо возбуждающими (деполяризующими), либо тормозными (гиперполяризующими).

•  Возбуждающие ПСП вызваны возрастанием проводимости мембраны для Na+. Они деполяризуют постсинаптическую мембрану, повышают возбудимость клетки, а при достижении критического уровня деполяризации приводят к возникновению ПД. Так, активация н-холинорецепторов и глутаматных (ионотропных) рецепторов приводит к возникновению возбуждающих ПСП. Пора (канал) этих рецепторов имеет относительно большой диаметр, несет отрицательный заряд и проницаема для катионов (Na⁺, К⁺, Са²⁺), но через пору внутрь клетки в основном проходят ионы Na⁺ в силу гораздо большего электрохимического градиента.

•  Тормозные ПСП вызваны повышением проводимости мембраны для K+ и Cl^-. Они гиперполяризуют постсинаптическую мембрану, понижают возбудимость клетки и препятствуют генерации ПД. Этот процесс получил название постсинаптического торможения. Так, активация глициновых рецепторов и рецепторов ГАМК типа А приводит к возникновению тормозных ПСП. Эти рецепторы пропускают внутрь клетки ионы Cl^-.

Нейромедиаторы

Нейромедиаторы - низкомолекулярные вещества - поступают из синаптических пузырьков в синаптическую щель и связываются со своими рецепторами в постсинаптической мембране. Взаимодействие нейромедиатора с рецептором активирует лиганд-зависимые каналы или систему G-белка.

•  Критерии. Нейромедиатор должен удовлетворять следующим критериям: О вещество выделяется из нейрона при его возбуждении; О в нейроне присутствуют ферменты для синтеза данного вещества; О постсинаптические клетки имеют рецепторы к этому веществу; О экзогенный аналог имитирует действие нейромедиатора.

•  Химия. Большинство нейромедиаторов - аминокислоты и их производные. Некоторые нейроны модифицируют аминокислоты с образованием аминов (норадреналин, серотонин, ацетилхолин). Другие нейромедиаторы (эндорфины, энкефалины) имеют пептидную природу. Каждый нейрон может синтезировать более одного нейромедиатора.

•  Классификация. Известно более 50 химических веществ, выполняющих функции нейромедиаторов, их можно разделить на следующие группы.

О Аминокислоты: нейтральные (глутамат и аспартат) и кислые (глицин, ГАМК).

О Амины: моноамины (ацетилхолин, серотонин, гистамин) и катехоловые амины (адреналин, норадреналин, дофамин).

О Нейропептиды: ТТГ-РГ, метионин- и лейцин-энкефалины, ангиотензин II, холецистокинин-подобньгй пептид, окситоцин, соматостатин, люлиберин, вещество P, нейротензин, гастринрилизинг пептид, аргинин-вазопрессин, β-эндорфин, АКТГ, VIP.

О Пурины: АТФ и аденозин.

О Газы не являются «классическими» медиаторами, поскольку не содержатся в синаптических пузырьках. Пример: оксид азота (NO).

•  Комедиаторы. Большинство, а возможно и все нейроны, содержат не один нейромедиатор, а несколько, их родовое наименование - комедиаторы. Обычно это один низкомолекулярный нейромедиатор и один нейропептид (например, ацетилхолин в качестве комедиаторов может иметь энкефалин, VIP, вещество P, соматостатин и нейротензин, некоторые спинальные интернейроны высвобождают глицин и ГАМК, а нейроны ядер шва секретируют в одних и тех же синапсах серотонин и глутамат).

•  Модуляторы. Нередко понятие «нейромедиатор» объединяют с понятием «нейромодулятор». Модуляторы не осуществляют синаптическую передачу, но могут значительно усиливать как синаптическую передачу, так и возбудимость нервных клеток. Так, пирамидные нейроны зрительной коры имеют следующие синаптические входы: возбуждающие (глутамат) из таламуса, тормозные (ГАМК) от интернейронов и модулирующие (норадреналин) из голубоватого места.

Синапсы в нейронных сетях

Выше была рассмотрена физиология единичного синапса - важного элемента взаимодействия между нейронами, но в условиях целостного организма основная задача нервной системы - передача и переработка информации - не может быть сведена к работе отдельных синапсов. Напротив, функции нервной системы выполняются только при условии взаимодействия посредством синапсов множества нервных клеток - нейронных цепочек и сетей. При этом в нейронных сетях проявляются такие важные свойства как тормо-

жение, утомление, суммация, окклюзия, облегчение, депрессия и потенциация.

Синаптическое торможение

Торможение является одним из фундаментальных свойств ЦНС и было открыто в 1863 г. И.М. Сеченовым, который обнаружил подавление активности спинного мозга при раздражении структур среднего мозга. Торможением называется влияние пресинаптического нейрона, предотвращающее или прекращающее возбуждение постсинаптического нейрона. Синаптическое торможение играет важную физиологическую роль в ЦНС, ограничивая избыточное возбуждение в нейронных сетях. Различают несколько видов синаптического торможения (постсинаптическое, пресинаптическое и возвратное).

•  Постсинаптическое торможение (рис. 6-7, 1В) наблюдается при выделении медиатора (например, ГАМК), повышающего проводимость постсинаптической мембраны для С1^-или/и K+. При этом возникают тормозные постсинаптические потенциалы, гиперполяризующие постсинаптическую мембрану, понижающие возбудимость клетки и препятствующие генерации ПД.

•  Пресинаптическое торможение осуществляют нейроны, аксоны которых оканчиваются (Б) на возбуждающих синаптических окончаниях другого нейрона (А), образуя аксоаксональные синапсы (рис. 6-7, 1Б). Пресинаптическое торможение выполняется посредством одного из двух механизмов.

О Пресинаптический тормозный нейрон Б выделяет нейромедиатор, который увеличивает С1^--проводимость и вызывает гиперполяризацию мембраны возбуждающего нервного окончания А. Это приводит к снижению возбудимости и увеличению порога генерации ПД возбуждающего окончания.

О Пресинаптический возбуждающий нейрон выделяет нейромедиатор, вызывающий длительную деполяризацию мембраны, что приводит к инактивации потенциалозависимых Na+-каналов нервного окончания и, соответственно, торможению его активности.

•  Пресинаптическое облегчение. Противоположный пресинаптическому торможению эффект оказывает пресинаптическое облегчение. Поскольку серотонин, выделяющийся в аксоаксональных синапсах, повышает содержание цАМФ в нервном окончании, то это приводит к закрытию К⁺-каналов, замедлению скорости реполяризации, увеличению продолжительности пачек ПД. В результате возрастает количество входящих ионов Са²⁺ и увеличивается секреция нейромедиатора.

Рис. 6-7. Синаптическое торможение. 1 (слева) - пресинаптическое и постсинаптическое торможение; А - возбуждающее окончание; Б - нейрон, вызывающий пресинаптическое торможение; В - нейрон, вызывающий постсинаптическое торможение. 2 (справа) - возвратное торможение

•  Возвратное торможение (рис. 6-7, 2). Нейроны ЦНС могут тормозить сами себя путём отрицательной обратной связи. Так, мотонейроны спинного мозга сразу после отхождения аксона от тела нервной клетки, посылают возвратные коллатерали, образующие синапсы с тормозными вставочными нейронами (клетки Реншоу). Клетки Реншоу иннервируют мотонейроны, направившие к ним возвратные коллатерали. Этот нейронный круг с обратной связью работает следующим образом. Мотонейрон, посылая сигналы к мышцам, одновременно активирует через возвратную коллатераль клетку Реншоу. Возбуждённая клетка Реншоу выделяет из пресинаптических терминалей глицин, и под его влиянием замедляются или тормозятся разряды мотонейрона. Возвратное торможение наблюдается также в коре больших полушарий и лимбической системе.

Суммация, окклюзия и утомление

•  Суммация. В мозге дендритная зона (см. рис. 5-1) одного нейрона формирует с другими нервными клетками множество синапсов (до сотен, тысяч и десятков тысяч). Когда на мембране дендритной зоны одного нейрона одновременно возникают постсинаптические потенциалы (ПСП) в нескольких синаптических контактах, то происходит пространственная суммация этих потенциалов; если же несколько ПСП возникают в одном синапсе через короткий временной промежуток, то наблюдается их

временная суммация. На рис. 6-8 представлена гипотетическая нейронная сеть, в которой происходит суммация влияний нейронов А и Б на нейрон Г. В случае возбуждающих ПСП одновременное воздействие нейронов А и Б на нейрон Г может привести к генерации ПД, тогда как раздельная активация синаптических входов вызовет лишь подпороговый ответ. Пространственная и временная суммация облегчает достижение кри-

тического уровня деполяризации и генерацию ПД. Напротив, при суммации тормозных ПСП будет наблюдаться более выраженная гиперполяризация и увеличение порога генерации ПД.

•  Окклюзия. В некоторых случаях раздельная активация нейронов более эффективна, чем одновременная. Этот феномен, называемый окклюзией, рассмотрен на рис. 6-8. Когда для генерации ПД в нейроне достаточно активации одного афферентного входа, раздельная активность нейронов А и Б приведёт к активации четырёх нервных клеток (В+Г, Г+Д), но при одновременном возбуждении нейронов А и Б будет активировано лишь три нейрона (В+Г+Д). Причиной окклюзии служит конвергенция афферентных входов нейронов А и Б на нейроне Г.

•  Утомление. Повторная стимуляция возбуждающих синапсов с высокой частотой вначале вызывает появление большого числа разрядов в постсинаптических нейронах, но частота разрядов в течение короткого времени уменьшается. Это состояние называется утомлением синаптической передачи. Утомление синаптической передачи - важное свойство ЦНС, предохраняющее от перевозбуждения (так, во время эпилептического припадка утомление предохраняет ЦНС от серьёзных повреждений). Развитие утомления связано с истощением запасов нейромедиатора: их достаточно для генерации 10 000 ПД, этот запас может быть израсходован в несколько минут, а иногда и секунд.

Пластичность синапсов

В ходе функционирования синапсы подвергаются функциональным и морфологическим перестройкам. Этот процесс назван синаптической пластичностью. Наиболее ярко такие изменения проявляются при высокочастотной, или тетанической активности,

Рис 6-8. Суммация и окклюзия в нейронных сетях

Рис. 6-9. Формы синаптической пластичности

являющейся естественным условием функционирования синапсов in vivo. Например, частота импульсации вставочных нейронов в ЦНС достигает 1000 Гц. Пластичность (рис. 6-9) может проявляться либо в увеличении (облегчении, потенциации), либо уменьшении (депрессии) эффективности синаптической передачи. Выделяют кратковременные (длятся секунды и минуты) и долговременные (длятся часы, месяцы, годы) формы синаптической пластичности. Последние интересны тем, что они имеют отношение к процессам научения и памяти.

Кратковременные формы синаптической пластичности. К ним относятся облегчение, потенциация, депрессия и привыкание.

•  Облегчение. В процессе активности в синапсах с исходно низким уровнем секреции нередко происходит увеличение амплитуды постсинаптического потенциала (ПСП). Этот процесс - облегчение - имеет пресинаптическую природу и объясняется теорией «остаточного кальция». Согласно этой теории, в процессе высокочастотной активности в пресинаптической терминали наблюдается повышение концентрации Са²⁺, вследствие чего происходит увеличение вероятности освобождения квантов нейромедиатора.

•  Потенциация, посттетаническая потенциация (сенситизация). Увеличение ПСП при высокочастотной активности может иметь и постсинаптическую природу. Такой вид пластичности связан с повышением чувствительности постсинаптических рецепторов к

нейромедиатору и называется потенциацией. Величина ПСП может некоторое время (секунды и минуты) оставаться повышенной и после окончания тетанической активности. Это посттетаническая потенциация (в ЦНС - сенситизация).

•  Депрессия и привыкание (габитуация). В синапсах с исходно высоким уровнем секреции высокочастотная активность может приводить к уменьшению величины ПСП. Этот процесс - депрессия - связан преимущественно с истощением запаса нейромедиатора в пресинаптическом нервном окончании. Депрессия является одним из механизмов привыкания (габитуации).

Долговременные формы синаптической пластичности

•  Долговременная потенциация - быстро развивающееся устойчивое усиление синаптической передачи в ответ на высокочастотное раздражение. Этот вид пластичности может продолжаться дни и месяцы. Долговременная потенциация наблюдается во всех отделах ЦНС, но наиболее полно изучена на глутаматергических синапсах в гиппокампе. Существует три основных подтипа ионотропных глутаматных рецепторов: NMDA (от N-methyl-D-aspartate, чувствительна! к N-метил-D-аспартату), AMPA (связываются с а-амино-3-гидрокси-5-изоксазолпропионовой кислотой) и каинатные рецепторы. NMDA- и AMPA-рецепторы играют ключевую роль в возникновении и проявлении долговременной потенциации.

•  Долговременная депрессия также возникает в ответ на высокочастотное раздражение и проявляется в виде длительного ослабления синаптической передачи. Этот вид пластичности имеет сходный механизм с долговременной потенциацией, но развивается при более низкой внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺.