ГЛАВА 6. ФИЗИОЛОГИЯ СИНАПСОВ

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

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 и постсинаптическую часть, а также расположенную между клетками синаптическую щель (см. рис. 6-1, Б, 6-4 и 6-5). В зоне синапса располагается также глиальная клетка (астроцит), участвующая в обмене медиаторов.

Пресинаптическая часть

Пресинаптическая часть содержит синаптические пузырьки с нейромедиатором, элементы цитоскелета и митохондрии. В преси- наптическую мембрану встроены потенциалзависимые Са²+-каналы. При поступлении ПД к терминальному расширению мембрана деполяризуется, Са²⁺-каналы открываются, ионы Са²+ входят в терми-

Рис. 6-1. Межнейронный (аксосоматический) синапс. А. На поверхности перикариона заканчивается множество (например, на мотонейронах до 10 000) 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 синаптические пузырьки, содержащие молекулы нейромедиатора (7). В постсинаптическую мембрану вмонтированы рецепторы для связывания нейромедиатора и многочисленные ионные каналы (11). Помимо аксосоматических, между нейронами образуются аксо-аксональные, аксодендритические и дендро-дендритические синапсы. Большинство межнейронных синапсов относится к аксодендритическим (например, в коре больших полушарий - до 98%).

наль, запуская в активных зонах процесс слияния мембраны синаптического пузырька и пресинаптической мембраны, т.е. секрецию (экзоцитоз) нейромедиатора (см. рис. 6-5, позиции 2-4).

• Роль Са²+. Слияние синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной происходит, когда увеличивается концентрации Са²+ в цитозоле нервной терминали. Белок синаптического пузырька синаптотагмин связывается с Са²+ и тем самым принимает участие в регуляции экзоцитоза (в том числе реорганизуя примембранный цитоскелет).

Рис. 6-2. Нервно-мышечный синапс (А и Б - фрагмент выделенной прямоугольником области на рис. А) образуется между концевыми расширениями (терминалями) соматических мотонейронов (пресинаптическая часть синапса) и поверхностью скелетного МВ (постсинаптическая часть). В - фрагмент области, обозначенной прямоугольником на рис. 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, которые вмонтированы в постсинаптическую мембрану [11].

•  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.

•  Активные зоны (рис. 6-3). Секреция нейромедиатора осуществляется в специализированных участках пресинаптического нервного окончания - в активных зонах - участках утолщения пресинаптической мембраны. Активная зона состоит из «плотной полоски» на пресинаптической мембране и сгруппированных около неё синаптических пузырьков, потенциалзависимых 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 постсинаптическими мембранами шириной 20-35 нм. В синаптическую щель из синаптических пузырьков выделяются молекулы нейромедиатора,

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

которые путём диффузии достигают постсинаптической мембраны. В синаптической щели находятся ферменты, расщепляющие молекулы нейромедиатора (например, ацетилхолинэстераза, гидролизующая ацетилхолин), а в пресинаптическую мембрану вмонтированы пере- носчики, 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).

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, вызывая деполяризацию постсинаптической мембраны (постсинаптический потенциал). Таким образом, н-холинорецептор является лигандзависимым ионным каналом, т.е. ионотропным рецептором (см. рис. 6-5).

•  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 деполяризации или гиперполяризации (см. рис. 6-5) постсинаптические рецепторы подразделяются на ионотропные (от «ион») и метаботропные (от «метаболизм»).

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

•  Метаботропные рецепторы связаны с ферментами (аденилатциклаза, фосфолипазы C или A2 либо киназы) через G-белок, образуя мультимолекулярную систему. 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 с пресинаптического на постсинаптический нейрон.

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 потенциалзависимые Са²⁺-каналы, и Са²+ поступает в терминаль.

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

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

Рис. 6-6. Этапы синаптической передачи [2]. Пояснения в тексте.

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 активируются, вследствие чего изменяется поляризация постсинаптической мем- браны либо прямо (поступление ионов через ионотропные рецепторы) либо опосредованно - активация ионных каналов через систему G-белка (метаботропные рецепторы).

7. Нейромедиаторы инактивируются двумя путями: либо происходит их ферментная деградация, либо молекулы нейроме- диатора захватываются нервной терминалью и глиальными клетками.

Постсинаптические потенциалы

Вызванные и спонтанные постсинаптические потенциалы (ПСП).

Нейромедиаторы при связывании с ионотропными рецепторами вызывают ПСП. Количество квантов медиатора, содержащееся в одном ПСП, определяет его квантовый состав. При возбуждении пресинаптической терминали ПД и секреции множества синаптических пузырьков регистрируются вызванные, или многоквантовые ПСП. Существуют также спонтанные, или миниатюрные ПСП, обусловленные случайным (в отсутствие ПД) экзоцитозом медиатора в синаптическую щель. Эти сигналы обычно одноквантовые, и они 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 вызывают 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 ге- нерации 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 лигандзависимые каналы или систему G-белка.

•  Критерии. Нейромедиатор должен удовлетворять следующим критериям:

Φ вещество выделяется из нейрона при его возбуждении; Φ в нейроне содержатся ферменты для синтеза данного ве- щества;

Φ постсинаптические клетки имеют рецепторы к этому веществу;

Φ 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.

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

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

Φ Нейропептиды: ТТГ-РГ, метионин- и лейцин-энкефалины, ангиотензин II, холецистокининподобный пептид, ок- ситоцин, соматостатин, люлиберин, вещество P, нейротензин, гастрин-рилизинг-пептид, аргинин-вазопрессин, β-эндорфин, АКТГ, VIP.

Φ Пурины: АТФ и аденозин.

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

•  Комедиаторы. Большинство нейронов (а возможно, и все) содержит 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 рассматривалась физиология единичного синапса - важного элемента взаимодействия между нейронами, но в условиях целостного организма основную задачу нервной системы, передачу и переработку информации, невозможно свести к работе отдельных синапсов. Напротив, функции нервной системы выполняются только при условии взаимодействия множества нервных клеток: нейронных цепочек и сетей посредством синапсов. При этом в нейронных сетях проявляются такие важные нейрофизиологические свойства, как торможение, 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, что активность спинного мозга подавляется при раздражении структур среднего мозга. Торможением называется влияние пре-

синаптического 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 Cl^- 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 аксо-аксональные синапсы (рис. 6-7, 1Б). Пресинаптическое торможение выполняется посредством следующего механизма.

Пресинаптический тормозной нейрон Б выделяет нейромедиатор, который увеличивает Cl-проводимость и вызывает гиперполяризацию мембраны возбуждающего нервного окончания А. Вследствие этого снижается возбудимость и

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. Пояснения в тексте.

увеличивается порог генерации ПД возбуждающего окончания. В свою очередь это уменьшает количество входящего Ca²+ и, соответственно, количество выделяющегося возбуждающего медиатора. Потенциалзависимые К⁺-каналы также открыты, и выход К+ уменьшает вход Ca²+ в окончание возбуждающего нейрона. Смысл пресинаптического торможения заключается в уменьшении некоторых влияний на мотонейрон без снижения общей возбудимости клетки.

•  Пресинаптическое облегчение. Противоположный пресинаптическому торможению эффект оказывает пресинаптическое облегчение, обеспечивающее более продолжительное открытие Ca²⁺-каналов. Поскольку серотонин, выделяющийся в аксо-аксональных синапсах, повышает содержание цАМФ в нервном окончании, это приводит к закрытию К+-каналов, замедлению скорости реполяризации, увеличению продолжительности пачек ПД. В результате возрастает количество входящих ионов Са²+ и увеличивается секреция нейромедиатора.

•  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. Возбуждён- ная 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 суммируется влияние 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 до- стижение критического 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 будут активированы 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 количества 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 эпилепти-

Рис. 6-8. Суммация и окклюзия в ней- ронных сетях.

ческого припадка утомление предохраняет ЦНС от серьёзных повреждений). Развитие утомления связано с истощением запасов нейромедиатора: их достаточно для генерации 10 000 ПД, этот запас может израсходоваться 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, 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 в 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.

Рис. 6-9. Формы синаптической пластичности.

•  Облегчение. В процессе активности в синапсах с исходно низким уровнем секреции нередко увеличивается амплитуда 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 возрастает вероятность 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 обусловливать уменьшение 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 она изучена на глутаматергических синапсах в гиппокампе.

Существуют три основных подтипа ионотропных глутаматных рецепторов: NMDA (от Ν-methyl-D-aspartat, чувствительны к N-метил-D-аспартату), AMPA (связываются с α-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 с долговременной потенциацией механизм, но развивается при более низкой внутриклеточной концентрации ионов Са²+.

Обобщение главы

Проникновение потенциала действия в нервную терминаль открывает потенциалзависимые кальциевые каналы. Выделившийся кальций входит в терминаль и запускает каскад процессов, приводящих к высвобождению медиатора.

Синаптическая передача вовлекает некоторое количество нейромедиатора, который активирует специфические рецепторы на постсинаптических клетках.

Большинство нейромедиаторов запасено в синаптических везикулах, и они высвобождаются под влиянием стимуляции нервов в процессе опосредованного кальцием экзоцитоза.

Выделившийся медиатор связывается с рецепторами на постсинаптической клетке, активирует их и затем быстро удаляется.

Удаление медиатора из синапса осуществляется посредством активного транспорта в пресинаптическую клетку (или пресинапти- ческие астроциты в ЦНС), диффузии из синаптической щели или ферментативного расщепления в области синаптической щели.