Возбуждающие синапсы. Возбуждающий постсинаптический потенциал

Электрические синапсы возбуждающего действия. Существование таких синапсов предполагали давно. Возбуждающие электрические синапсы имеются в нервной системе и беспозвоночных, и позвоночных животных, но наиболее изучены они у беспозвоночных. Всем синапсам этого типа свойственны очень узкая синаптическая щель (около 5 нм) и очень низкое удельное сопротивление сближенных пре— и постсинаптических мембран для проходящего через них электрического тока.

Это низкое сопротивление, как правило, связано с наличием поперечных каналов, пересекающих обе мембраны, т. е. идущих из клетки в клетку (щелевой контакт) (см. рис, 1.31). В пре— и постсинаптической мембранах щелевого контакта регулярно распределены коннексоны, находящиеся точно друг против друга. Внутри них есть просвет, так что каждая пара расположенных по одной линии коннексонов образует канал, через который сообщаются две клетки. Диаметр каналов составляет около 1 нм. Каналы образуются белковыми молекулами (полуканалами) каждой из контактирующих мембран, которые соединяются комплементарно (см. рис. 1.32). Эта структура легкопроходима для электрического тока.

Схема передачи возбуждения в электрическом синапсе подобна схеме проведения ПД в гомогенном нервном проводнике. Здесь петля тока, порождаемого пресинаптическим ПД, раздражает постсинаптическую мембрану.

Важно заметить, что поперечные каналы объединяют клетки не только электрически, но и химически, так как они проходимы для многих низкомолекулярных метаболитов. Поэтому возбуждающие электрические синапсы с поперечными каналами формируются, как правило, между клетками (например нейронами) одного вида специализации.

Электрические синапсы, передающие возбуждение, — не вполне однородная группа. Они различаются по значению коэффициента передачи (Кп) электрического сигнала, т. е. по отношению получаемого изменения потенциала (ΔU) на постсинаптической мембране к задаваемому ΔU на пресинаптической мембране и по отсутствию или наличию выпрямляющих свойств, т. е. по тому, передается ли в них электрический сигнал двусторонне или односторонне.

Рис. 1.31 Ультраструктура щелевого контакта — нексуса.

Рис. 1.32 Строение и работа возбуждающего (электротонического) синапса септированного аксона А — раздражение постсинаптической клетки (2) петлей тока ПД пресинаптической клетки (1); Б — участок близкого прилежания пре— (1) и постсинаптической (2) мембран с поперечным каналом, обеспечивающим протекание ионного тока; В — соотношение во времени (t) пре— (1) и постсинаптического (2) ПД. Стрелкой показано направление тока.

Рассмотрим конкретные примеры.

У кольчатых червей и раков есть так называемые септированные гигантские аксоны, состоящие из последовательно соединенных отростков нервных клеток. Эти отростки связаны между собой щелевыми контактами — электрическими синапсами с двусторонней передачей. Удельное сопротивление септы (т. е. пары мембран, пронизанных поперечными каналами) здесь очень низко и составляет примерно 1 Ом • см²(при Rм = 1000 Ом • см²). Однако септы имеют малую площадь и у каждой из них общее R ≈ 0,2 МОм. Поэтому в синапсе Кп = 0,37, а передача ПД по той же причине происходит с некоторой задержкой (0,05 мс).

Аналогичные электрические синапсы, но с меньшим Кп(≈0,15... 0,19) существуют между некоторыми нейронами (аксонами, дендритами) в нервной системе моллюсков, а также в мозгу рыб и млекопитающих. Через эти синапсы пресинаптические ПД не передаются, а проходят лишь порождаемые ими электротонические подпороговые сигналы. Такие синапсы способствуют синхронизации разрядов связанных клеток при их общем раздражении из других источников.

Электрический синапс может иметь высокий Кп и обеспечивает распространение ПД лишь в тех случаях, когда постсинаптическая клетка меньше пресинаптической или хотя бы не слишком превосходит ее по размерам. Иначе происходит резкое падение плотности пресинаптического тока на постсинаптической мембране.

Пример электрического синапса с односторонней передачей возбуждения — синапс между латеральным гигантским волокном (Л—аксоном командного нейрона) и гигантским моторным волокном (М—аксоном мотонейрона) у рака. В этом синапсе Кп в ортодромном направлений (Л → М) равен 0,25, а Кп в антидромном направлении (М → Л) составляет 0,005. По—видимому, антидромный сигнал закрывает каналы. При амплитуде пресинаптического ПД, равной, например, 120 мВ, ΔU на постсинаптической мембране (в моторном волокне) составит 30 мВ, и этого достаточно для вызова ПД. При искусственном вызове

Рис. 1.33 Схема химической синаптической передачи

Рис. 1.34 Ультраструктура нервно—мышечного синапса Вверху слева: нервное окончание на мышечном волокне; на схеме рядом — пресинаптическое окончание вместе с лежащей под ним складчатой мышечной мембраной при большом увеличении. Внизу: еще большее увеличение: мембрана пресинаптического нейрона с частично разъединенным внутренним и внешним слоями, а под ней соответствующие слои субсинаптической мембраны мышцы. «Частицы» — это ацетилхолиновые рецепторы и молекулы холинестеразы в мембране.

постсинаптического ПД (в 120 мВ) на пресинаптической мембране возникает деполяризация, равная примерно 0,6 мВ и совершенно недостаточная для вызова пресинаптического ПД. Задержка при ортодромной передаче в этом синапсе равна 0,1 мс. Рассмотренный синапс, таким образом, обеспечивает управление мотонейроном со стороны латерального волокна.

Общими свойствами возбуждающих электрических синапсов являются:

быстродействие (оно превосходит таковое химических синапсов); слабость следовых эффектов при передаче (это свойство делает электрические синапсы непригодными для интегрирования, суммации последовательных сигналов);

высокая надежность передачи возбуждения (при высоком К_п).

Однако возбуждающие электрические синапсы не лишены некоторой пластичности, т. е. они могут возникать при благоприятных условиях и исчезать при неблагоприятных. Например, при повреждении одной из контактирующих клеток ее электрические синапсы с другими клетками ликвидируются.

Химические синапсы возбуждающего действия. В отличие от электрических химические синапсы (рис. 1.33) имеют относительно широкую синаптическую щель, составляющую 20—50 нм, и высокое сопротивление синаптических мембран. Поперечных каналов, связывающих клетки, здесь нет. Другим характерным признаком химического синапса является наличие в пресинаптической нервной терминали большого числа пузырьков — пресинаптических везикул диаметром около 50 нм. Эти везикулы заполнены медиатором — химическим передатчиком (раздражителем).

Классическим представителем группы химических синапсов является возбуждающий нервно—мышечный синапс скелетной мускулатуры позвоночных (рис. 1.34), действующий с помощью медиатора ацетилхолина (Ах).

В нем, как и в любом химическом синапсе, пресинаптический ПД не может петлей своего тока возбудить постсинаптическую клетку; Яд здесь не превышает 0,001. Ток, который выходит через пресинаптическую мембрану, здесь почти целиком уходит через широкую синаптическую щель мимо постсинаптической клетки, обладающей значительным входным сопротивлением. Небольшая же часть этого тока, которая все же входит в постсинаптическую клетку, вызывает лишь ничтожное изменение ее МП.

Рис. 1.35 Механизм химической передачи импульсов в межнейронном синапсеОт А до Д — последовательные этапы процесса.

Суть работы химического синапса состоит в следующем (рис. 1.35). Пресинаптический ПД работает как инициатор нейросекреторного акта. При развитии ПД терминали (а также и при искусственной деполяризации) в нее из среды входят ионы Са²⁺. Это стимулирует практически синхронный выброс медиатора в синаптическую щель из 100—200 пресинаптических везикул, каждая из которых содержит порцию — квант Ах. Большинство исследователей полагают, что этот выброс медиатора осуществляется путем экзоцитоза — опорожнения везикулы в синаптическую щель. Существует и другая точка зрения: квант медиатора аккумулирован в особых участках пресинаптической мембраны — операторах, которые и выбрасывают Ах в щель, а везикулы — это лишь депо Ах и других веществ.

Выход медиатора сильно зависит от величины деполяризации терминали. Эта крутая зависимость объясняет резкое снижение выхода медиатора при падении амплитуды ПД терминали. В нормальных условиях в ответ на нервный импульс высвобождается около миллиона молекул Ах. (в каждом кванте — везикуле — их примерно 10⁴). Медиатор диффундирует к постсинаптической мембране, где для него существуют рецепторы (холинорецепторы — Хр). При взаимодействии Ах и Хр в последних открываются проницаемые для Na⁺ и К⁺ ионные каналы с d ≈ 0,65 нм. Так как холинорецепторов и, соответственно, каналов много, сопротивление постсинаптической мембраны сильно падает, что приводит к ее частичной деполяризации, т. е. к развитию возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП).

Для нервно—мышечного синапса ВПСП называют потенциалом концевой пластинки (ПКП). Потенциал концевой пластинки, в свою очередь, создает ток, раздражающий соседнюю с постсинаптической электровозбудимую мембрану мышечного волокна, что и порождает в ней ПД.

Таким образом, химическое звено в синапсе выполняет функцию усилителя.

Синоптическая задержка, т. е. время от прихода нервного импульса до развития постсинаптического ответа, в химическом синапсе составляет около 0,2—0,5 мс, причем основная часть этого времени тратится на процесс секреции медиатора. Химический синапс — это «вентильный механизм», рабочий сигнал в нем передается односторонне (что не исключает обратных связей).

ВПСП (ПКП) — локальный потенциал, который электротонически распространяется по мембране. С помощью внутриклеточных микроэлектродов и методики фиксации потенциала можно изучить токи, проходящие через активируемую постсинаптическую мембрану. В подобных экспериментах, варьируя ионный состав среды, установили, что Ах открывает в постсинаптической мембране каналы, пропускающие катионы Na⁺, K⁺, но не пропускающие анионы Сl^—.

Ток концевой пластинки (ТКП) и в клампе, и в обычных условиях представляет собой результат движения ионов Na⁺ и К⁺ по их электрохимическим градиентам. При обычных значениях МП (—80, —60 мВ) токNa⁺ направлен внутрь, а ток К⁺ — наружу, причем первый больше второго и суммарный (здесь разностный) ток является входящим.

Мембранный потенциал, при котором I_K = I_Na и суммарный ток равен нулю, называют потенциалом реверсии ТКП (ЕрТКП). По тем же причинам ПКП на фоне нормальных МП (90, —70 мВ и т. д.) развивается как деполяризация. При МП, равном нулю, ПКП отсутствует, при положительных МП развивается как гиперполяризация.

Формы ТКП (в клампе) и ПКП (рис. 1.36) несколько различаются. ТКП короче, основная его часть по длительности соответствует восходящей фазе ПКП. Соответственно у ПКП лишь восходящая фаза создается трансмембранными ионными токами. Относительно более медленный спад ПКП определяется постепенной зарядкой мембранной емкости и пропорционален τ_м.

Рис. 1.36 Форма ПКП (А) и формы ТКП (Б) при фиксации потенциала на разных уровнях (указаны значения в милливольтах)

Помимо рабочих ПКП (ВПСП), инициируемых нервным импульсом, в нервно—мышечных синапсах существуют спонтанные, обычно редкие миниатюрные ПКП (ВПСП), составляющие доли милливольта и обозначаемые МПКП (МВПСП). Они отражают спонтанный выброс одиночных квантов медиатора (т. е. содержимого одиночных везикул, что составляет около 10⁴ молекул Ах) и реакцию на них постсинаптической мембраны. Как уже указывалось, рабочий ПКП складывается из 100—200 МПКП, это число называют квантовым составом ПКП.

Амплитуда у многоквантового ПКП (30—40 мВ) больше, чем у МПКП, по следующей причине. МПКП и ПКП порождаются током, возникающим в связи с открытием каналов в постсинаптической мембране. Этот ток проходит последовательно через открытые каналы и так называемое входное сопротивление волокна. Так как входное сопротивление гораздо меньше, чем сопротивление канала холинорецептора, то изменение потенциала мембраны тем больше, чем больше действует каналов. При многоквантовости ПКП активируется больше постсинаптических каналов, чем при МПКП.

С помощью микропипетки с оплавленными (гладкими) краями кончика, прижимаемой к поверхности мышцы в районе синапса, можно осуществить фиксацию потенциала и отведение токов от подлежащего малого участка постсинаптической мембраны, который содержит лишь один Хр (см. рис. 1.19). Это методика пэч—клампа. При введении в такую микропипетку раствора, содержащего Ax, Nа⁺ и др., холинорецептор то открывает для ионов Na⁺ свой ионный канал в связи со случайной рецепцией Ах, то закрывает его (при разобщении Хр и Ах).

Оказалось, что при этом ток одиночного Хр—канала развивается мгновенно, сохраняет некоторое время постоянное значение и мгновенно исчезает («прямоугольная» форма). Средняя проводимость Хр—канала составляет 20—30 пСм, а среднее время «жизни», т. е. открытого состояния канала, — примерно 1 мс. Форма МТКП, как следует из рис. 1.19, отличается от формы тока канала. Причина этого явления заключается в том, что при МТКП Хр—каналы открываются не совсем одновременно, и это замедляет подъем МТКП, а время жизни у массы каналов сильно варьирует, что создает экспоненциальный спад МТКП.

Рассмотрим некоторые подробности работы, возбуждающего химического синапса на спинальном мотонейроне кошки. Этот нейрон имеет шаровидную сому (d= 70 мкм), от которой отходит множество конических дендритов и один аксон. Сома и дендриты густо покрыты нервными окончаниями — синаптическими бутонами и отростками глиальных клеток. Синаптических бутонов на одном мотонейроне может быть около 10 000. Нервные волокна, направляющиеся к мотонейрону, на расстоянии в 100—20 мкм от него теряют миелиновую оболочку и истончаются (до 0,5—2 мкм в диаметре). Синаптические бутоны содержат везикулы. Синаптические щели имеют ширину 20 нм; МПП мотонейрона — 60—80 мВ.

Возбуждающий постсинаптический потенциал, возникающий в соме при приходе одиночного залпа импульсов соответствующих афферентных волокон, развивается как деполяризация с временем возрастания (tв), равным 1,5—2 мс, и постоянной времени спадает), равной 4,7 мс. Амплитуда такого ВПСП, возникающего под одиночным (унитарным) синаптическим входом (т. е. входом от одного афферентного волокна), невелика (0,12—0,24 мВ) и стандартна. Она не зависит от силы раздражения волокна. Но если раздражается многоволоконный дорсальный корешок или периферический нерв, то ответный ВПСП больше и его амплитуда увеличивается с усилением раздражения. Последнее объясняется увеличением количества синхронно активных синаптических входов на данном нейроне, т. е. количества синхронно возникающих элементарных ВПСП. Причины роста амплитуды здесь по существу те же, что и в случае роста ПД нервного ствола (см. разд. 1.1.4). Важно заметить, что ВПСП одиночных синаптических входов имеют очень низкий квантовый состав (один—два).

Возбуждающий постсинаптический потенциал мотонейрона определяется трансмембранным ионным током, по времени соответствующим восходящей фазе ВПСП. Этот ток возникает из—за того, что медиатор афферентов (глутамат или вещество Р) открывает ионные каналы в постсинаптической мембране. Характер трансмембранного ионного тока был определен в опытах с электрофоретическими инъекциями различных ионов в мотонейроне через микроэлектроды (у кошки и лягушки) и в экспериментах с вариациями межклеточной ионной среды (у лягушки). Оказалось, что ток, порождающий ВПСП, и соответствующий ток при фиксации потенциала (в «клампе») — это пассивный (т. е. текущий по электрохимическому градиенту) натриевый ток, слабо шунтируемый калиевым током. Потенциал реверсии ВПСП составляет от 3 до 5 мВ. Падение Rвх (рост проводимости) в момент развития ВПСП невелико — всего 5%.

 

Рис. 1.37 Регистрация (А) и временное течение ВПСП и ПД (Б) в мотонейроне спинного мозга позвоночного при одиночной стимуляции группы возбуждающих (Iа) волокон дорсального корешка 1 — начальный сегмент аксона, 2 — сома—дендритный комплекс, 3 — потенциал действия начального сегмента, 4 —потенциал действия сома—дендритного комплекса, 5 — ВПСП.

Возбуждающие постсинаптические потенциалы соседних синаптических входов на мембране начального сегмента аксона и сомы нейрона суммируются между собой. Так же суммируются и последовательно возникающие ВПСП. Когда общая деполяризация достигает определенной величины (КУД), возникает ПД нейрона. Однако существует особенность. Дело в том, что аксонный холмик (начальный сегмент аксона) имеет приблизительно в три раза более низкий относительно сомы порог электрического раздражения. Ток, порождаемый ВПСП, выходит через все внесинаптические участки мембраны нейрона, но в этих условиях именно в аксонном холмике он порождает ПД. Считают, что холмик играет роль триггера — «спускового крючка». Отсюда ПД распространяется в аксон, а также ретроградно в сому (рис. 1.37). Последнее, видимо, необходимо для согласования аксонального и соматического метаболизма.

На электрограмме, которую записывают с помощью внутриклеточного электрода, введенного в сому, ПД начального сегмента аксона и ПД сома—дендритного комплекса слиты в общий ПД, хотя эти компоненты можно различить. Ступенька на переднем фронте ПД — по существу ПД начального сегмента, сниженный расстоянием (λ в сома—дендритном комплексе составляет около 400 мкм). Интересна особенность ПД сомы мотонейрона: он содержит те же компоненты, что и аксональный ПД, только с более сильным следовым положительным потенциалом.

В интернейронах спинного мозга кошки картина синаптического возбуждения несколько иная. Например, в интернейронах — клетках Реншоу — в ответ на одиночный возбуждающий синаптический залп регистрируется длительный ВПСП, порождающий длинную серию ПД. По—видимому, в синапсах этих клеток имеются условия для существенного продления действия медиатора (Ax), a внесинаптическая мембрана этих нейронов обладает очень низкой аккомодационной способностью. В клетках Реншоу триггерной зоной является не аксонный холмик, а соматическая мембрана, прилежащая к синаптическим районам. Их очень краткий ПД (время пика — 0,5—1,0 мс) не имеет сильного следового положительного потенциала. Такими свойствами, вероятно, обладают многие вставочные нейроны (интернейроны) ЦНС.

Среди нейронов ЦНС у разных животных, особенно у насекомых (а также среди элементов сетчатки глаза позвоночных), существуют и такие клетки, которые никогда не генерируют ПД. У них либо очень короткие аксоны, либо их нет вовсе, и роль выходного элемента выполняет дендрит. Их ВПСП возникающие в соме, могут электротонически распространяться до окончания аксона (дендрита), побуждая его к секреции медиатора.

Таким образом, в отличие от электрических возбуждающие химические синапсы: 1) передают сигнал относительно медленно; 2) передают сигнал всегда односторонне; 3) имеют достаточно высокую надежность передачи, которая однако резко падает при некоторых изменениях в межклеточной среде, особенно при снижении (Са²⁺); 4) обнаруживают значительные следовые процессы, что делает их способными суммировать (интегрировать) последовательные сигналы.