Глава 3

МЕЖКЛЕТОЧНАЯ ПЕРЕДАЧА ВОЗБУЖДЕНИЯ

Й. Дудель

По нервной клетке информация распространяется в виде потенциалов действия. Передача ее к соседней клетке происходит через морфологически специализированные контакты–синапсы. В нервной и большинстве других тканей (но не в синцитиях) плазматические мембраны прилежащих друг к другу клеток не сливаются и их внутренние пространства напрямую между собой не сообщаются: следовательно, потенциал действия не преодолевает синапс автоматически. Для синаптической передачи необходимы специальные механизмы. В химических синапсах требуется особое вещество–медиатор, а в электрических синапсах–специфическое распределение токов. Синапсы первого типа особенно интересны, поскольку они обеспечивают очень сложные взаимодействия клеток, а кроме того связаны с рядом патологических процессов и изменяют свои свойства под влиянием некоторых лекарственных средств. Поэтому именно химические синапсы мы рассмотрим особенно внимательно.

3.1. Химическая синаптическая передача

На рис. 3.1 схематически показаны важнейшие компоненты химического синапса. Потенциал действия деполяризует «пресинаптическое» окончание нервной клетки; это вызывает локальное высвобождение из него «медиатора» (вещества–посредника) в синаптическую щель между пре– и постсинаптической клетками. Медиатор диффундирует к плазматической мембране постсинаптической клетки. Там он связывается со специфическими рецепторами;

в результате в мембране открываются ионные каналы. Проходящие через них ионные токи изменяют мембранный потенциал постсинаптической клетки–например, деполяризуют ее до порогового уровня, при котором возникает потенциал действия.

Такое общее описание химической синаптической передачи необходимо дополнить деталями. Рассмотрим сначала наиболее изученный тип синапса – двигательную концевую пластинку.

Двигательная концевая пластинка мышцы

Места окончаний двигательных нервов на мышечных волокнах различимы под лупой; они называются «концевыми пластинками». Морфологические детали этих аксонных терминалей и постсинаптической области представлены на рис. 3.13; мы обсудим их позднее. Во время стимуляции мотонейрона микроэлектрод, введенный в концевую пластинку мышечного волокна (рис. 3.2; расстояние 0 мм), регистрирует потенциал концевой пластинки  быстро нарастающую деполяризацию, за которой следует возвращение к потенциалу покоя с постоянной времени около 5 мс; эта константа примерно соответствует времени разряда мембранной емкости (см. рис. 2.16). При удалении введенного в мышечное волокно микроэлектрода от концевой пластинки (рис. 3.2) регистрируемый потенциал снижается, а его длительность увеличивается. Следовательно, он ведет себя как электротонический потенциал, вызываемый локальным импульсом тока (см. рис. 2.17).

 

Рис. 3.1. Схема химической синаптической передачи. Потенциал действия нервного волокна деполяризует пресинаптическое окончание. В результате из него высвобождается медиатор (М), который диффундирует через синаптическую щель и может связываться с рецепторами мембраны постсинаптической клетки. Его связывание ведет к открытию в этой мембране каналов, и через них проходят специфические ионы, вызывая изменение ее потенциала

 

Ток концевой пластинки, входящий в мышечное волокно за то время, пока сохраняется этот потенциал, можно измерить с помощью метода фиксации потенциала. Как показано на рис. 3.2, вход тока ограничивается областью концевой пластинки; отсюда он течет внутри волокна продольно и за пределами концевой пластинки выходит из него наружу. Для выяснения ионной природы этого тока нужно определить его потенциалзависимость, как, например, показано на рис. 3.3. С помощью метода фиксации потенциала мембранный потенциал устанавливается на уровнях от —120 до +38 мВ. Примерно при —10 мВ ток концевой пластинки меняет свое направление. Варьируя концентрации ионов, можно показать, что он обеспечивается относительно неспецифическим повышением мембранной проводимости для Na+ и К+, приводящим к установлению равновесного потенциала около —10 мВ (гл. 1, ур. 7). Ток концевой пластинки существует гораздо меньшее время, чем ее потенциал (рис. 3.2); ток затухает в течение нескольких миллисекунд, причем тем быстрее, чем больше деполяризация (рис. 3.3).

Амплитуда потенциалов концевой пластинки на рис. 3.2 уменьшена до подпорогового уровня путем снижения внеклеточной концентрации Са2+. В норме такой одиночный потенциал деполяризует мембрану не менее чем на 30 мВ, что существенно превышает пороговое значение; в результате генерируется потенциал действия, который распространяется вдоль мышечного волокна и вызывает сокращение миофибрилл.  Инициация потенциала действия означает, что произошла синаптическая передача возбуждения от двигательного аксона к мышечному волокну.

Синаптический медиатор ацетилхолин. Как показывает схема на рис. 3.1, передача возбуждения в химических синапсах происходит с помощью медиаторного вещества. В концевой пластинке им служит ацетилхолин – один из первых обнаруженных медиаторов (он был известен также как «вещество блуждающего нерва» из–за своего действия на сердце). Местное воздействие ацетилхолина на концевую пластинку вызывает деполяризацию, но чувствительность к нему ограничена только той областью мышечного волокна, где находятся нервные окончания [32].

Синаптическое торможение

Двигательная концевая пластинка–это прототип синапса, передающего возбуждение. В других возбуждающих синапсах ее потенциалу соответствует так называемый «возбуждающий постсинаптический потенциал» (ВПСП). Однако в организме существуют и синапсы, в которых передается

Рис. 3.2. Потенциалы и токи концевой пластинки на разных расстояниях от нее. Вблизи концевой пластинки при стимуляции нерва регистрируются быстрый рост потенциала и более кратковременный отрицательный (положительные ионы входят в волокно) ток. При удалении (на 2 и 4 мм) от концевой пластинки ее потенциалы постепенно снижаются и все больше запаздывают, а токи становятся положительными. Это показывает, что ток входит в мышечное волокно только в области концевой пластинки, а изменение ее потенциала распространяется электротонически на расстояние несколько миллиметров

 

 

Рис. 3.3. Зависимость тока концевой пластинки, или «возбуждающего постсинаптического тока» (ВПСТ), от мембранного потенциала. С помощью метода фиксации потенциала путем регулирования электрического тока, вводимого в волокно через микроэлектрод, мембранный потенциал поддерживался постоянным на различных уровнях. Сильный отрицательный ВПСТ наблюдается при фиксации потенциала на уровне —120 мВ; он снижается при —90, —65 и —35 мВ, а при +25 и +38 мВ становится все более положительным [3, 26]

 

 

 

Рис. 3.4. Возбуждающие и тормозные постсинаптические потенциалы (ВПСП и ТПСП соответственно) и токи (ВПСТ и ТПСТ). При взаимном наложении ВПСП и ТПСП происходит их суммация, однако результирующая деполяризация оказывается меньше, чем сумма этих потенциалов (J. Dudel в [4])

торможение. Принцип их работы представлен на рис. 3.4. Слева показан ВПСП вместе с возбуждающим постсинаптическим током (ВПСТ) (ср. рис. 3.2). Активация тормозного нервного волокна, подходящего к той же самой постсинаптической клетке, приводит к появлению тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП) – обычно небольшой гиперполяризации с соответствующим выходящим током (ТПСТ). Если возбуждение и торможение примерно совпадают по времени, ВПСТ и ТПСТ суммируются; однако результирующее изменение мембранного потенциала гораздо меньше, чем сумма ВПСП и ТПСП. Торможение значительно снижает деполяризацию, соответствующую ВПСП, ослабляя или предотвращая передачу возбуждения в синапсе. Таким образом, торможение—это уменьшение или блокада возбуждения.

Равновесный потенциал для торможения. Ионные токи во время торможения можно зарегистрировать путем подведения тока, сдвигающего мембранный потенциал. Результат показан на рис. 3.5 для мотонейрона спинного мозга. При потенциале покоя — 74 мВ ТПСП является гиперполяризационным. По мере развития гиперполяризации мембраны происходит реверсия ТПСП на уровне —82 мВ. На потенциал реверсии влияют градиенты концентрации К+ и С1–, следовательно, ТПСП обусловлен повышением мембранной проводимости для этих ионов.

Каким образом повышение проводимости мембраны подавляет возбуждение? Проще всего объяснить это для электротонических потенциалов. В опыте на рис. 3.6, А импульс тока, подводимый к клетке, вызывает электротонический потенциал, амплитуда которого пропорциональна сопротивлению мембраны. При активации на той же клетке тормозного синапса ТПСП обычно гиперполяризует мембрану на несколько милливольт. Если ТПСП совпадает по времени с электротоническим

Рис. 3.5. Измерение равновесного потенциала для ТПСП. А. Один канал двухканального внутриклеточного микроэлектрода служит для изменения мембранного потенциала мотонейрона с помощью регулируемого источника тока. Б. ТПСП в мотонейроне полусухожильной мышцы, вызываемые стимуляцией постоянной интенсивности нерва четырехглавой мышцы. Амплитуда и полярность возникающих ТПСП зависят от исходного мембранного потенциала. В. График, объединяющий данные всей серии измерений, выборочно представленных на рис. 6. По оси абсцисс–мембранным потенциал, по оси ординат– максимальная амплитуда ТПСП. Гиперполяризующие ТПСП находятся ниже нулевой линии, деполяризующие–выше нее. Равновесный потенциал составляет около —80 мВ. Потенциал покоя клетки равен —74мВ (стрелка на рис. В) [2]

 

потенциалом, последний значительно снижается вплоть до полного исчезновения, поскольку ТПСП уменьшает сопротивление мембраны. Рис. 3.6. иллюстрирует эффект торможения в более широком диапазоне значений мембранного потенциала, который представлен в зависимости от подаваемого тока. В контроле график пересекает ось абсцисс на уровне потенциала покоя —70 мВ; положительные токи деполяризуют мембрану, начиная от этого уровня. Высокочастотная активация тормозного синапса (в данном случае имитированная воздействием тормозного медиатора) смещает кривую «ток–потенциал» от уровня покоя в направлении гиперполяризации и увеличивает наклон графика, что соответствует снижению мембранного сопротивления (сдвиг потенциала на единицу изменения тока), важнейшему результату торможения. Пусть, например, в контроле ВПСП или потенциал действия вызовут импульс тока величиной 0,1 мкА, который деполяризует мембрану до —25 мВ. В присутствии торможения тот же возбуждающий ток

вызовет деполяризацию только до —60 мВ, что недостаточно для генерирования потенциала действия, как показано на рис. 3.4 для одиночных ВПСП и ТПСП. Снижение мембранного сопротивления приводит к короткому замыканию возбуждающих токов и таким образом предотвращает возбуждение. Этот эффект дополняется гиперполяризацией.

На рис. 3.6, Б продемонстрирован также результат снижения внеклеточной концентрации С1–. Контрольная кривая при этом практически не изменилась, но график «ток–потенциал» во время торможения сместился вправо почти на 20 мВ. Согласно уравнению Нернста, сдвиг в этом направлении должен составить 18 мВ, если торможение приводит только к повышению проводимости мембраны для.

Во время торможения в различных синапсах возрастает мембранная проводимость для С1– (например, в мышцах ракообразных, рис. 3.6), K+ (в частности, при ингибирующем влиянии блуждающего нерва на сердце;  или для обоих этих ионов (в мотонейронах, рис. 3.5). Равновесные потенциалы для них близки к потенциалу покоя; наблюдаемое повышение проводимости стабилизирует его и снижает возбуждающую деполяризацию.

Синаптические медиаторы

Один из медиаторов – ацетилхолин – уже упоминался. Известен и целый ряд других; наиболее важные функционально и лучше всего изученные приведены в верхней части рис. 3.7. ГАМК, т. е. γ–аминомасляная кислота – наиболее распространенный тормозной медиатор ЦНС. Более простая по структуре аминокислота–глицин–оказывает, в частности, тормозное действие на мотонейроны (рис. 3.5). Кислая аминокислота глутамат, возможно, самый распространенный возбуждающий медиатор ЦНС. Адреналин, норадреналин и дофамин составляют семейство медиаторных веществ, передающих возбуждение или торможение как в центральной, так и в периферической нервной системе; их называют «катехоламины». Еще одно вещество с близкими свойствами – серотонин (5–гидрокситриптамин, 5–НТ) – объединяют с катехоламинами в группу «моноаминов». Все эти «классические» медиаторы –низкомолекулярные соединения, нередко образующиеся в качестве промежуточных продуктов метаболизма. Каждый из них связывается со специфическим рецептором постсинаптической мембраны, в результате чего повышается ее проводимость–либо для Na+ (и К+) в случае передачи возбуждения, либо для К+ или С1– с развитием торможения. Единственное определяемое ими звено в этом процессе – взаимодействие с тем или иным рецептором;

конечный итог–возбуждение или торможение

Рис. 3.6. Влияние торможения на мембранные токи. А. Импульс тока, вводимого в клетку, генерирует электротонический потенциал (черная линия внизу). Активация тормозного нерва серией стимулов длительностью 40 мс дает гиперполяризующий ТПСП такой же длительности. Амплитуда электротонического потенциала, генерируемого во время торможения, значительно снижается (красная линия). Б. Соотношение между мембранным током (ордината) и потенциалом (абсцисса) в покое (контроль); точка пересечения кривой с осью абсцисс соответствует потенциалу покоя Еr. Во время торможения (красные линии), вызванного раствором ГАМК, мембрана гиперполяризуется и наклон кривой ток–напряжение (сплошная линия) увеличивается; значит, сопротивление мембраны снижается. Если концентрацию ионов хлора в среде уменьшить наполовину, контрольный график не изменится, однако кривая торможения сместится в сторону деполяризации (прерывистая линия). Данные по мышце ракообразного с тормозными ГАМКергическими синапсами (J. Dudel в [4])

 

зависит исключительно от свойств его ионного канала (см. рис. 3.18) и никак не связан с особенностями самого медиатора.

На рис. 3.7 ниже классических приведены несколько пептидных медиаторов. Механизмы их действия в центральной или вегетативной нервной системе еще как следует не выяснены. По–видимому, они часто служат синаптическими модуляторами, т.е. не изменяют непосредственно проводимость синаптических мембран, а влияют на интенсивность и продолжительность действия классических медиаторов и иногда, видимо, высвобождаются вместе

 

Рис. 3.7. Важнейшие синаптические медиаторы: вверху–«классические» (ацетилхолин, аминокислоты, моноамины), внизу пептидные

 

с ними. На рис. 3.7 показаны лишь некоторые из большого числа пептидов, изучаемых сейчас с этой точки зрения. Энкефалины связываются с рецепторами морфина, и один из их эффектов – подавление болевых ощущений. К болевой чувствительности имеет отношение еще один медиатор–вещество Р, вызывающее, кроме того, сокращение гладких мышц. Ангиотензин II–гормон местного действия, сильно влияющий на кровеносные сосуды и работу ЦНС; у «вазоактивного кишечного пептида» аналогичные свойства. Соматостатин и ЛГРГ (рилизинг–гормон лютеотропного гормона, или люлиберин) участвуют в регуляции высвобождения гипофизарных гормонов (см. гл. 17), а также действуют в синапсах [36].

В течение длительного времени считалось, что из окончаний каждой нервной клетки всегда высвобождается только один медиатор (принцип Дейла). Однако в вегетативной нервной системе, по крайней мере у эмбрионов, одни и те же нейроны высвобождают как ацетилхолин, так и адреналин. В двигательной концевой пластинке вместе с ацетилхолином выделяется аденозинтрифосфат, который, вероятно, также служит медиатором. Часто из синаптического окончания высвобождаются одновременно классический медиатор, например норадреналин, и участвующий в нервной передаче пептид. Особенности такого совместного действия медиаторов (сомедиаторов) пока неясны, но его эффект, вероятно, чаще всего сводится к определенному типу модуляции.

Медленные синапсы вегетативной нервной системы. Синаптический потенциал в пептидергическом синапсе симпатического ганглия показан на рис. 3.8. Здесь есть быстрые возбуждающие синапсы с медиатором ацетилхолином. Кроме того, в опытах с ритмической стимуляцией волокон спинальных нервов (например, 100 стимулов в течение 5 с) зарегистрированы возбуждающие постсинаптические потенциалы, сохраняющиеся в течение нескольких минут и не обусловленные ни одним из классических медиаторов, приведенных в верхней части рис. 3.7. В то же время высокоспецифичное действие одного из пептидов (ЛГРГ) вызывает практически идентичный постсинаптический потенциал. Разнообразные эксперименты показали, что в данном случае медиатором и в самом деле служит этот пептид или близкородственное ему вещество. О функциях медленных синаптических потенциалов в спинномозговых ганглиях ничего не известно; связанная с ними длительная деполяризация могла бы усиливать передачу возбуждения в быстрых синапсах, повышая их эффективность в течение относительно долгого периода времени. Другим примером модуляции (см. рис. 2.14) служит действие адреналина, продлевающего открытое состояние потенциалзависимых Са2+–каналов.

Агонисты и антагонисты синаптической передачи.

Каждый рецептор постсинаптической мембраны взаимодействует со своим специфическим медиатором, в результате чего повышается проводимость для соответствующего иона. Однако такая специфичность к медиатору не абсолютна–практически все рецепторы способны связываться и с другими веществами. Если это приводит примерно к такому же сдвигу проводимости, значит, действующее вещество полностью заменяет медиатор и является его агонистом. К агонистам ацетилхолина в концевой пластинке относятся, например, карбамилхолин или суберилдихолин [32]. Другие вещества, также связывающиеся с рецепторами медиаторов, но не столь эффективно изменяющие мембранную проводимость, называются их частичными агонистами [11]. Наконец, некоторые молекулы, связываясь с синаптическими рецепторами, не вызывают изменений проводимости, поскольку, занимая рецептор, они препятствуют действию медиаторов или их агонистов; речь в данном случае идет о синаптических антагонистах. Связывание их может быть обратимым: спустя определенный период времени антагонист отделится от рецептора. Такие вещества называют конкурентными антагонистами, так как они конкурируют с медиаторами и их агонистами за участки связывания. Хорошо известный конкурентный антагонист ацетилхолина в концевой пластинке–яд кураре (d–тубокурарин), которым индейцы Южной Америки отравляли свои стрелы. По мере повышения его концентрации он блокирует все больше рецепторов, и эффект ацетилхолина ослабляется из–за уменьшения доступных мест

 

 

Рис. 3.8. Вверху: медленный возбуждающий постсинаптический потенциал (мВПСП) в клетке симпатического ганглия лягушки. Он вызван стимуляцией пресинаптического волокна с частотой 20 Гц в течение 5 с и сохранялся более 8 мин. Внизу, аналогичная деполяризация возникает при обработке пептидом в течение 15с. Этот пептид–ЛГРГ, первоначально выделенный из гипоталамуса как регуляторный гормон. В клетке ганглия он, по–видимому, функционирует в качестве медиатора (по [6, 22] с изменениями)

 

связывания [10]. Под действием кураре потенциал концевой пластинки снижается (рис. 3.9) и при достаточной дозе яда уже не может достичь порогового уровня, т.е. мышца парализуется. Кураре и аналогичные вещества часто используются в качестве мышечных релаксантов при наркозе. Разумеется, во время полного мышечного расслабления требуется искусственное дыхание. Другую форму такого расслабления обеспечивает агонист ацетилхолина с пролонгированным действием, вызывающий устойчивую деполяризацию концевой пластинки. Этот деполяризующий мышечный релаксант инактивирует Na+–каналы в мембране мышечного волокна и в результате предотвращает его возбуждение.

Хотя агонисты и антагонисты медиаторов часто применяются в физиологии для изучения механизмов синаптической передачи, детальный анализ их взаимодействия относится к области фармакологии. Многие важные лекарственные средства являются именно такого рода агонистами или антагонистами, и физиологические данные о медиаторных механизмах нередко кладутся в основу разработки новых медицинских препаратов. Агонисты и антагонисты используются также для определения свойств связывающих участков рецепторов: по относительной эффективности действия соответствующим образом модифицированных аналогов медиаторов можно судить о структурных особенностях этих участков. Оценивая эффективность различных агонистов и антагонистов, можно также определять разные типы рецепторов, например ацетилхолиновые и адреналиновые (см. гл. 16).

 

 

Рис. 3.9. Схема влияния кураре и эзерина на потенциал концевой пластинки. Когда ее деполяризующий потенциал достигает —60 мВ, возникает потенциал действия (прерывистая линия). В присутствии кураре амплитуда потенциала концевой пластинки снижается и уже не достигает порога генерирования потенциала действия; мышца парализована. Если на фоне действия кураре добавить ингибитор холинэстеразы эзерин, амплитуда и длительность потенциала концевой пластинки увеличиваются, так что он вновь достигает порогового уровня

 

Ограничение длительности действия медиатора.

После того как медиатор диффундировал через синаптическую щель (см. рис. 3.1), дальнейшая его диффузия из этого узкого пространства идет довольно медленно и не способна заметно снизить установившуюся концентрацию. Однако действие большинства медиаторов ограничивается очень коротким промежутком времени, как правило соответствующим длительности синаптических токов (т. е. около 1 мс в концевой пластинке). Очевидно, что–то сокращает период их действия. Для этого существуют два основных механизма –разрушение и удаление медиатора. В концевой пластинке есть очень эффективная система разрушения ацетилхолина; на постсинаптической мембране обнаружен в высоких концентрациях фермент ацетилхолинэстераза, расщепляющий это соединение на ацетил и холин (см. также рис. 3.13). Значительная доля высвобожденного ацетилхолина разрушается уже в ходе диффузии через синаптическую щель, не успевая достигнуть рецепторов, и через несколько миллисекунд его практически не остается: синапс вновь готов к передаче возбуждения. Значение названного фермента для синаптической передачи в концевой пластинке хорошо заметно при его блокаде ингибиторами холинэстеразы. Эффект одного из них, эзерина, показан на рис. 3.9: потенциал концевой пластинки нарастает дольше, чем в норме, достигая более высокого уровня, поскольку ацетилхолин взаимодействует с рецепторами необычно долго и в повышенной концентрации [б]. В случае, представленном на рис. 3.9, такое действие можно считать «лечебным», поскольку эзерином обработана мышца, парализованная кураре. Происходящее повышение потенциала концевой пластинки позволяет достичь порога возбуждения и снять паралич. Аналогичным образом, ингибиторы холинэстеразы используются для устранения мышечного расслабления при наркозе, а также при заболеваниях типа миастении (см. ниже). С другой стороны, известны отравления людей инсектицидами на основе этих ингибиторов. При этих отравлениях возникают судороги – результат пролонгированной активации ацетилхолинергических синапсов, особенно в вегетативной нервной системе.

Во всех подробно изученных синапсах медиатор либо быстро разрушается, либо поглощается из синаптической щели через мембраны клеток. Мембранные транспортные механизмы особенно важны в случае адреналина, норадреналина, ГАМК и глутамата. В ацетилхолинергических синапсах транспортируется не сам ацетилхолин, а продукт его расщепления холин. В некоторых случаях удаляемое вещество поступает в пресинаптическое окончание, что снижает потребность в ресинтезе медиатора. Подобно холинэстеразе, такие транспортные механизмы служат мишенями для действия многих важных лекарственных веществ, влияющих на синаптическую передачу.

Тяжелая миастения. Относительно хорошо изучено глобальное нарушение функции нервно–мышечных синапсов–myasthenia gravis [19]. При этом заболевании тонус и сокращения скелетных мышц ослабевают; например, больные не в состоянии держать открытыми глаза или же с трудом передвигаются. Причина заключается в снижении плотности субсинаптических рецепторов ацетилхолина. Сам медиатор высвобождается в нормальных количествах, однако связывается лишь с малым их числом; в результате потенциал концевой пластинки может не достигать порогового уровня, необходимого для возбуждения мышцы. Уменьшение количества функциональных ацетилхолиновых рецепторов обусловлено аутоиммунной реакцией: организм больного вырабатывает антитела, разрушающие или сокращающие время жизни собственных ацетилхолиновых рецепторов. При таком состоянии очень хорошо помогают ингибиторы холинэстеразы (амбеноний, неостигмин, пиридостигмин), позволяющие высвобождаемому в синапсах ацетилхолину действовать дольше, чем в норме (см. рис. 3.9 для эзерина), вызывая таким образом достаточную деполяризацию мембраны во время потенциала концевой пластинки.

3.2. Взаимодействия синапсов

Двигательная концевая пластинка представляет собой только один, «крайний» тип синапса. Как правило, на мышечном волокне она только одна; каждый импульс двигательного аксона вызывает в ней генерацию надпорогового потенциала и, следовательно, сокращение мышцы. Однако в большинстве синапсов, особенно в ЦНС, уровень одиночных синаптических потенциалов гораздо ниже

порогового, часто меньше 1 мВ. Чтобы компенсировать это, на постсинаптической клетке находится много возбуждающих синапсов, действие которых суммируется, а также тормозных синапсов, противодействующих возбуждению. Пресинаптические окончания обычно принадлежат многим нейронам: их аксоны конвергируют на постсинаптической клетке. Ниже будут кратко рассмотрены принципы взаимодействия на ней различных типов синапсов.

Синаптическая суммация. Рис. 3.10, А демонстрирует только два из тысяч возбуждающих синапсов на нервной клетке. В обоих синапсах ток (ВПСТ) в течение короткого времени входит в нее, вызывая местный сдвиг потенциала, ВПСП (см. рис. 3.2 и 3.4). Часть тока выходит из клетки на некотором расстоянии от синапсов, например в аксонном холмике, где аксон отходит от тела нейрона (рис. 3.10). Величина одиночного ВПСП электротонически снижается при удалении от синапса (рис. 3.2). Однако токи, генерируемые в двух одновременно активируемых синапсах, суммируясь, вместе дают более высокий ВПСП. Поскольку в этом случае происходит суммация результатов одновременной активации пространственно разделенных синапсов, говорят о пространственной суммации возбуждения.

Такого рода суммация ВПСП происходит на нервной клетке повсеместно и подчиняется законам электротонического распространения потенциалов. Однако на рис. ЗЛО, А не случайно показана суммация ВПСП в том участке клетки, где берет начало эфферентный аксон. Дело в том, что в большинстве нейронов тело и дендриты либо неспособны генерировать потенциал действия, либо порог его очень велик (например, благодаря участию Са2+ –каналов; см. рис. 2.14). Аксон, напротив, обладает высокой возбудимостью, так что потенциал действия возникает, как правило, в аксонном холмике. Таким образом, именно здесь решается, произойдет ли в результате суммации местных синаптических потенциалов генерирование распространяющегося возбуждения.

Другая форма синаптической суммации показана на рис. 3.10, Б. Здесь мы имеем дело с активностью синапсов, расположенных в непосредственной близости друг от друга, или даже одного синапса при возбуждении, повторяющемся через короткие интервалы времени порядка нескольких миллисекунд. В этом случае синаптические токи к началу каждого следующего возбуждения практически исчезают. Однако синаптические потенциалы сохраняются дольше, поскольку мембранная емкость, заряженная во время протекания синаптического тока, разряжается с постоянной времени электротона (рис. 2.26 и 2.27). Если новый синаптический ток возникнет до завершения ее разрядки, вызываемая деполяризация суммируется с остаточной. Это

Рис. 3.10. Суммация синаптических потенциалов. А. Пространственная суммация. Одновременная активация окончаний в синапсах I и II на двух дендритах нервной клетки генерирует возбуждающие синаптические токи и потенциалы (ВПСП и ВПСТ). Токи электротонически распространяются и в месте их выхода через мембрану наружу (например, в аксонном холмике) складываются, давая суммарный ВПСП. Б. Временная суммация. В синапсе один ВПСП следует за другим с интервалом 2 мс. Перекрывающиеся части двух ВПСП суммируются

 

называют временной суммацией. В реальной нервной клетке с многочисленными синапсами и высокочастотной активацией пространственная и временная суммации, естественно, происходят одновременно, приводя к флуктуирующей деполяризации, от уровня которой зависит частота генерирования в аксоне потенциалов действия (см. рис. 2.24).

Суммирующиеся синаптические потенциалы могут превысить порог в аксонном холмике и генерировать потенциалы действия. Однако часто активации только одного «синаптического входа» (т.е. группы функционально идентичных синапсов) бывает для этого недостаточно. Если же посредством пространственной или временной суммации к ней добавится активация другого синапса, амплитуда результирующего ВПСП может превысить пороговую. В таком случае говорят, что произошло облегчение одного синаптического входа другим. Во время пространственного или временного облегчения результирующий ВПСП превышает сумму индивидуальных синаптических реакций. Подобное облегчение, представляющее собой частный случай суммации, следует отличать от истинного синаптического облегчения – пресинаптического механизма, рассматриваемого ниже (рис. 3.16).

Постсинаптическое торможение. Взаимодействие синапсов на индивидуальной клетке может вести и к торможению. На рис. 3.4 и 3.6 показано, что при этом происходит короткое замыкание возбуждающих постсинаптических потенциалов. Кроме того, тормозные постсинаптические потенциалы (ТПСП) часто гиперполяризуют мембрану, препятствуя ее деполяризации до порога потенциала действия. ТПСП и ТПСТ нейрона тоже подвергаются временной и пространственной суммации между собой и с ВПСП, так что именно эта сложная сумма многих ВПСП и ТПСП в конечном итоге определяет частоту потенциалов действия в аксоне. Имеет значение и пространственное распределение возбуждающих и тормозных синапсов. Последние часто особенно многочисленны на теле клетки около места отхождения аксона, где они могут регулировать, сколько ВПСП, возникающих главным образом на дендритах, вызовут деполяризацию аксона.

Пресинаптическое торможение. Рассмотрев взаимодействие различных синапсов на клетке, обратимся теперь к форме торможения, при котором аксо–аксонный синапс влияет на высвобождение медиатора из нервного окончания, т. е. к пресинаптическому торможению. На рис. 3.11 оно показано для мотонейрона, который получает возбуждающие входы главным образом от мышечных веретен через волокна Ia (см. табл. 2.1, и гл. 5). На их окончаниях образуют аксо–аксонные синапсы окончания интернейронов. Если последние возбуждаются на несколько миллисекунд раньше волокон Ia, происходит торможение ВПСП, вызываемых в мотонейроне активностью волокон Ia (рис. 3.11, А, Б). Стимулируя тормозный интернейрон в разные моменты времени до появления ВПСП в синапсах волокон Ia, можно видеть, что Пресинаптическое торможение длится несколько сотен миллисекунд. Величину и временной ход тормозного эффекта легче оценивать по изменениям не ВПСП, а составного потенциала действия нерва, содержащего двигательные аксоны (рис. 3.11, Г). Пресинаптическое торможение, очевидно, служит мощным механизмом регуляции двигательных систем спинного мозга. Особое его преимущество – в возможности специфического воздействия на отдельные синаптические входы без изменений возбудимости всей клетки. В результате «нежелательная» информация устраняется еще до того, как достигает места интеграции–клеточного тела нейрона.

Тормозные синапсы на окончаниях волокон Ia имеют химическую природу; медиатором здесь

 

Рис. 3.11. Пресинаптическое торможение. А. Схема эксперимента для демонстрации пресинаптического торможения моносинаптических ВПСП в мотонейроне (см. также врезку на рис. Г). Б. ВПСП при стимуляции гомонимных волокон Ia без (слева) и после (справа) предварительной активации пресинаптических тормозных интернейронов. В. Временной ход пресинаптического торможения моносинаптических ВПСП мотонейрона подошвенной мышцы кошки, предшествовавшими (кондиционирующими) афферентными залпами в волокнах группы I нервов мышц–сгибателей коленного сустава. Г. Временной ход пресинаптического торможения моносинаптического рефлекса. На врезке показаны расположение электродов и рефлекторный путь пресинаптического торможения, включающий по крайней мере два интернейрона (эксперименты J. Ecclesetal., по [2] и [35])

 

служит ГАМК. Они обеспечивают довольно значительную деполяризацию, называемую деполяризацией первичных афферентов (ДПА). ДПА инактивирует возбуждающие Na+–каналы окончаний волокон Ia (см. рис. 2.8), препятствуя синаптической передаче потенциалов действия. Функциональное значение пресинаптического торможения в спинном мозгу хорошо заметно при блокаде ГАМКергических синапсов антагонистом ГАМК бикукуллином: в результате этого возникают мышечные судороги.

Пресинаптическое торможение в простой системе, включающей клетку с синаптическим входом только от одного возбуждающего нейрона и один тормозный нейрон, представлено на рис. 3.12. Верхняя запись (рис. 3.12, А) соответствует ВПСП, нижняя–ВПСТ, зарегистрированному в ограниченной

 

 

Рис. 3.12. Пресинаптическое торможение мышцы ракообразного, иннервируемой только одним возбуждающим и одним тормозным нервными волокнами. А. Три внутриклеточно регистрируемых ВПСП, наложенных друг на друга и синхронизированных по стимулу; под ними местные постсинаптические токи (ВПСТ). ВПСТ состоят из квантов (см. ниже), число которых в данном случае–0, 1 и 2. 6. Запись для того же синапса при стимуляции тормозного аксона на 2 мс раньше возбуждающего, так что амплитуды ВПСП и ВПСТ ниже. Черные стрелки внеклеточная запись потенциала действия окончания возбуждающего нейрона (ВПНО); красная стрелка внеклеточная запись потенциала действия окончания тормозного нейрона (ТПНО). В. Регистрация с высоким разрешением (обработанная запись) в другом препарате потенциала действия возбуждающего окончания (ВПНО) с последующим ВПСТ (обращенная вниз вершина графика срезана). Г. Если возбуждающий аксон стимулировать после .тормозного, возникает ТПНО и амплитуда последующего ВПНО значительно снижается. При этом ВПСТ почти полностью блокируется пресинаптическим торможением (по [13, 15] с изменениями)

 

синаптической области; причины флуктуации амплитуд будут объяснены ниже. Если тормозный нейрон раздражают на 2 мс раньше возбуждающего (рис. 3.12, Б), и ВПСП, и ВПСТ уменьшаются. На рис. 3.12, В, Г показаны регистрируемые внеклеточно с большим усилением изменения потенциала нервных окончаний. Когда стимулируется только возбуждающее волокно (рис. 3.12, В), за трехфазным потенциалом его окончания (ВПНО) следует гораздо более высокоамплитудный ВПСТ. Если перед этим раздражать тормозный нейрон, в его окончании регистрируется ТПНО, после которого ВПНО значительно снижается и ВПСТ почти исчезает. Торможение вызывается высвобождением ГАМК (рис. 3.7), которая взаимодействует с рецепторами возбуждающего окончания, повышая его хлорную проводимость. Таким образом, это пресинаптическое торможение в аксо–аксонном синапсе обусловлено классическим механизмом постсинаптического торможения, проиллюстрированным на рис. 3.4–3.6.

Гетеросинаптическое облегчение. К важным функциям нервной системы относится научение, клеточный механизм которого до сих пор во многом неясен. Оно, безусловно, связано с синаптическими процессами, причем считается, что Пресинаптическое облегчение, вызываемое залпами потенциалов действия (разд. 3.3), способствует краткосрочному научению. Кроме того, среднесрочное научение, по всей видимости, обусловлено совместной активацией двух синаптических входов клетки, один из которых модулирует (например, облегчает) эффективность другого в течение довольно длительного времени. Кратко опишем два типа такого гетеросинаптического облегчения.

Первый из них–это постсинаптическое облегчение в нейронах симпатических ганглиев. Наряду с другими синаптическими потенциалами здесь присутствуют медленные ВПСП (мВПСП), опосредуемые ацетилхолином. Эти мВПСП сохраняются от 5 до 100 мс (пептидергические мВПСП в нейронах того же типа на рис. 3.8 поддерживаются даже более длительное время, примерно несколько минут). Клетка ганглия получает также синаптический вход от дофаминергического нейрона. Высвобождаемый дофамин сам по себе не влияет на ионную проводимость постсинаптической мембраны, однако он увеличивает амплитуду мВПСП на несколько часов, усиливается таким образом постсинаптическую реакцию на ацетилхолин [23].

Другой тип гетеросинаптического облегчения обнаружен у моллюсков и насекомых. Здесь активация нервных волокон, высвобождающих серотонин, ведет к блокаде К+–каналов в мембране пресинаптических окончаний. Это задерживает ее реполяризацию после потенциалов действия (см. гл. 2). Поскольку окончание дольше остается деполяризованным, количество высвобождаемого им медиатора увеличивается. Следовательно, это еще один пример пресинаптического облегчения, при котором совместная активация двух синапсов повышает эффективность синаптической передачи [5].

 

3.3. Микрофизиология химической синаптической передачи

Итак, мы рассмотрели важнейшие макропроцессы в химических синапсах; каждый из них представляет собой результат огромного количества молекулярных взаимодействий. Многие детали химической синаптической передачи, как и свойства мембран, обсуждавшиеся в предыдущей главе, исследованы на молекулярном уровне, что существенно расширило наши представления о синаптических механизмах. В качестве первого примера обратимся к упоминавшемуся процессу–высвобождению медиаторных веществ.

Высвобождение медиатора

Микроморфология концевой пластинки. Существующие представления о структуре концевой пластинки отражены на рис. 3.13. Характерная особенность пресинаптического окончания мотонейрона–скопления в нем (кластеры) «синаптических» пузырьков. Напротив них постсинаптическая мембрана образует глубокие складки. Каждой из них соответствует активная зона пресинаптической мембраны–желобок на ее внутренней поверхности, вдоль обеих сторон которого располагаются в ряд синаптические пузырьки. Некоторые из них открыты наружу, в синаптическую щель. Очевидно, активные зоны и ассоциированные с ними пузырьки следует рассматривать как аппарат, специализированный для экзоцитоза, т.е. для выброса содержимого этих пузырьков в синаптическую щель. Биохимическими методами показано, что они содержат высокие концентрации ацетилхолина, а также белки и нуклеотиды. Таким образом, в активных зонах

Рис. 3.13. Ультраструктура нервно–мышечного синапса. Вверху слева: нервные окончания на мышечном волокне; на схеме рядом–пресинаптическое окончание (красный цвет) вместе с лежащей под ним складчатой мышечной мембраной при большем увеличении. Внизу: еще большее увеличение: мембрана пресинаптического нейрона (красный цвет) с частично разъединенными внутренним и внешним слоями, а под ней (черный цвет) соответствующие слои субсинаптической мембраны мышцы. «Частицы»–это ацетилхолиновые рецепторы и молекулы холинэстеразы в мембране (по [6] с изменениями)

 

ацетилхолин высвобождается из окончания мотонейрона в виде накопленных пузырьками порций.

«Квантовая» природа потенциала концевой пластинки. Поскольку ацетилхолин высвобождается приблизительно одинаковыми порциями, соответствующими объему пузырька, постсинаптический ток (ВПСТ) должен состоять из мелких «субъединиц». Их можно наблюдать, регистрируя с помощью метода локальной фиксации потенциала «пэтч–кламп» (см. рис. 2.11); синаптические токи в микроучастке концевой пластинки длиной несколько микрометров. Во время стимуляции мотонейрона амплитуда ВПСТ явно представляет собой кратное количество этих субъединиц; на рис. 3.14 показаны последовательно 2, 1, 3, 0 ... его «квантов». В отсутствие стимуляции нейрона они могут появляться спонтанно. Количество квантов на один стимул варьирует стохастически, биномиально распределяясь около некоторого среднего значения. Практически нет сомнений, что каждый такой «квант» тока соответствует порции ацетилхолина из одного пузырька, достигающей путем диффузии постсинаптических рецепторов и вызывающей открывание ионных каналов. Пузырек содержит несколько десятков тысяч молекул ацетилхолина.

Длина пресинаптического окончания концевой пластинки составляет более 1 мм; из него в ответ на один потенциал действия двигательного аксона высвобождается несколько сот «квантов», неразличимых индивидуально в суммарной реакции. Однако между потенциалами концевой пластинки, достигающими примерно 40 мВ (рис. 3.2), можно зарегистрировать спонтанные сдвиги потенциала амплитудой менее 1 мВ, обусловленные спонтанным высвобождением «квантов» медиатора из открывающихся наружу синаптических пузырьков.

Медиаторы запасаются в пузырьках и высвобождаются из них не только в нервно–мышечном, но и во всех других известных химических синапсах. Например, «квантовые» токи на рис. 3.12 вызваны таким высвобождением глутамата. Пузырьки могут содержать различные медиаторы, перечисленные на рис. 3.7, но обычно только по одному в каждом синапсе. Впрочем, иногда наряду с классическим медиатором (например. ГАМК) в пузырьках находится и пептид с модулирующим действием.

Высвобождение квантов медиатора. Потенциал действия пресинаптического окончания ведет к почти синхронному (с небольшой синаптической задержкой) высвобождению квантов медиатора, которое приводит к генерированию потенциала (например, ВПСП) в постсинаптической мембране. Временные соотношения этих процессов показаны на рис. 3.15 для гигантского синапса кальмара, где можно зарегистрировать как пре–, так и постсинаптические изменения потенциала и токи. Кроме потенциала действия, постсинаптических токов и потенциалов на рисунке представлено поступление в пресинаптическое окончание, сопровождающее Са2+– и К+–токи во время деполяризации. Этот входящий –ток играет ключевую роль в квантовом высвобождении. Уже давно было известно, что химическая синaптическая передача нарушается при значительном снижении внеклеточной концентрации Са2+, Этот эффект примерно пропорционален четвертой степени [Са2+]out [12], следовательно, для высвобождения одного кванта медиатора требуется реакция четырех ионов Са2+ с активатором на внутренней стороне пресинаптической мембраны. Однако действие активатора зависит, по–видимому, еще и от потенциала, т.е. даже при достаточно высокой внутриклеточной концентрации Са2+, [Са2+]in синхронное высвобождение медиатора требует деполяризации мембраны [31]. Можно предполагать, что она влияет на

Рис. 3.14. Высвобождение квантов медиатора проявляется в квантовом характере ВПСТ. Каждая стрелка указывает момент кратковременной деполяризации нервного окончания. Возникающие ВПСТ состоят из 2, 1, 3, ... и т.д. квантов, что отмечено цифрами под кривой. Между ВПСТ, «вызванными» деполяризацией, заметен спонтанный ВСПТ такой же квантовой амплитуды

Рис. 3.15. Синаптическая передача в гигантском синапсе кальмара. А. Пресинаптическая запись: временное ход потенциала действия и ассоциированное поступление Са2+ в нервное окончание (Ica2+). Б. Постсинаптическая запись: ток (ВПСТ), потенциал (ВПСП) > запускаемый им потенциал действия (по [24] с изменениями)

 

 

активатор примерно таким же образом, как и на молекулу ионного канала (рис. 2.12–2.15). Следовательно, пресинаптические активные зоны с их участками связывания пузырьков и мембранными белками («частицами») (рис. 3.13) должны представлять собой аппарат для быстрого регулирования экзоцитоза посредством деполяризации мембраны и повышения [Ca2+]in. Рост [Са2+]in, возможно, влияет на сократительные элементы цитоскелета (рис. 1.13) или инициирует фосфорилирование функциональных белков (рис. 1.16).

Синаптическое облегчение. В свете представлений о квантовом высвобождении рассмотрим теперь синаптический механизм, сравнимый по своему значению с суммацией и торможением,–синаптическое облегчение. Этот процесс иллюстрирует рис. 3.16, А. Когда окончание нейрона начинают раздражать с частотой 20 Гц, ВПСП, генерируемый в ответ на первый стимул, едва различим, но по мере продолжения стимуляции его амплитуда постепенно нарастает. Таким образом, ритмическая активация повышает эффективность синаптической передачи. Если частоту стимулов увеличить вдвое (рис. 3.16, А, нижняя запись), эффект облегчения усиливается. Более того, благодаря значительному сближению ВПСП между собой происходит и их суммация (рис. 3.10) с повышением фонового уровня деполяризации, от которого начинается каждый ВПСП.

Регистрация синаптических токов показывает, что при облегчении амплитуда ВПСТ возрастает. Как иллюстрирует рис. 3.16, Б, во время торможения увеличивается среднее число квантов, высвобождаемых в ответ на каждый стимул. Наибольшее облегчение наблюдается, когда очередной стимул поступает через несколько миллисекунд после предыдущего; оно затухает с постоянной времени порядка 50 мс.

Такое  облегчение – пресинаптический процесс, поскольку при нем увеличивается вероятность высвобождения квантов медиатора. Большинство авторов полагают, что это обусловлено «остаточным кальцием». Во время деполяризации окончания в него входят ионы кальция и; возрастает (рис. 3.15). Затем возвращается к уровню покоя за счет процессов транспорта и обмена. Однако пока превышает этот уровень, при каждой следующей деполяризации повышение начинается от более высокого значения, чем предыдущее, и в результате постоянно нарастает. Так как высвобождение медиатора пропорционально, скажем, четвертой степени [Са2+]in даже относительно небольшой прирост этой концентрации обеспечивает существенное облегчение [20, 30].

Разным синапсам свойственна неодинаковая его степень. Ярко выраженное облегчение, как, например, на рис. 3.16, особенно характерно для

Рис. 3.16. Синаптическое облегчение. А. Активация пресинаптического нервного волокна с частотой 20 или 40 Гц вызывает постепенное повышение ВПСП и частичную временную суммацию при 40 Гц. Облегчение во время серии стимулов называется также «тетанической потенциацией». Б. При подаче двух стимулов с разными интервалами между ними (ось абсцисс) происходит облегчение второго ВПСТ. Если первый ВПСТ состоит в среднем из одного кванта, второй после короткого интервала–из трех (см. также вверху слева), а после более длительного–из двух (например, через 50 мс–вверху справа)

центральных синапсов; здесь одиночный пресинаптический потенциал действия едва ли вызовет высвобождение даже одного кванта, тогда как несколько импульсов, быстро следующих друг за другом, гораздо более эффективны. Облегчение составляет своего рода «память» нервного окончания: в течение нескольких сотен миллисекунд в нем сохраняется след от предыдущего события. Известны и синапсы, в которых облегчение сохраняется минутами. Вполне вероятно, что Синаптическое облегчение – первый этап формирования краткосрочной памяти, на основе которой может затем развиваться долгосрочная (см. гл. 6).

Облегчение, вызываемое относительно длинными сериями потенциалов действия, называют также синаптической потенциацией. Нарастание ВПСП, иллюстрируемое рис. 3.16, А, относится к тетанической потенциации. Сильное облегчение, сохраняющееся после стимуляции, а если она очень продолжительная, не исчезающее в течение нескольких часов, представляет собой посттетаническую потенциацию. Вероятно, во время таких длинных серий стимулов в пресинаптическом окончании одновременно с [Са2+]in повышаются концентрации и других ионов, в частности Na+. Еще один возможный эффект активации окончания, требующий участия внутриклеточного посредника,–подготовка пузырьков к высвобождению медиатора, т. е. их мобилизация [27].

Длительное высокочастотное возбуждение пресинаптических окончаний может в конечном итоге привести к состоянию, противоположному облегчению,–депрессии, когда количество квантов медиатора, высвобождаемых в ответ на потенциал действия, снижается. Истинные механизмы этого неясны. Одна из возможных причин – истощение запаса синаптических пузырьков с медиатором. Кроме того, следует иметь в виду, что нервные окончания, перед тем как образовать синапсы, обычно разветвляются, а точки ветвления – слабое звено в распространении потенциала действия. То же самое количество тока, которое при возбуждении входит в волокно перед точкой ветвления, должно за ней деполяризовать уже два волокна. Поэтому во время высокочастотного разряда проведение возбуждения в аксонные ветви часто блокируется. Это также проявляется как депрессия синаптической передачи. Возможно, депрессия, вызываемая ритмической активацией синаптического пути, в виде «привыкания» (термин, заимствованный из физиологии поведения) составляет основу процессов научения и памяти.

Взаимодействие медиаторов с постсинаптическими рецепторами

В начале этой главы (рис. 3.1) говорилось, что медиатор или его агонист (А), взаимодействуя с рецептором R постсинаптической мембраны, вызывает специфическое изменение ее проводимости. Эту реакцию проще всего описать уравнением

R+nA ↔RAn ↔ (RAn)*                     (1)

где n–число молекул агониста, связывающихся с одним рецептором, а переход от состояния RAn к (RAn)*                     отражает сдвиг проводимости, т. е. открывшие постсинаптического ионного канала. Для многих типов рецепторов n > 1; например, в концевой пластинке n около 2 [32], а в глутаматных синапсах–4 или более (рис. 3.16, А). Когда n > 1, связывание агониста с рецептором происходит кооперативно; это значит, что кривая зависимости

 

Рис. 3.17. Резкое нарастание постсинаптического тока при повышении концентрации медиатора (в данном случае глутамата), действующего на постсинаптические рецепторы (по [14] с изменениями)

 

синаптического тока IS от концентрации агониста (рис. 3.17) очень круто идет вверх. После достижения «пороговой концентрации», например глутамата, величина синаптического тока очень быстро нарастает и выходит на плато при концентрации примерно втрое выше пороговой. Такое радикальное изменение тока в узком диапазоне концентраций необходимо, поскольку медиаторы и некоторые их агонисты образуются в процессе не связанного с передачей возбуждения клеточного метаболизма, и их низкие концентрации вполне могут присутствовать в межклеточной жидкости. Очень резкий переход от слабого тока к сильному исключает какие–либо синаптические эффекты таких «фоновых» концентраций;

во время высвобождения квантов медиатора в синаптическую щель его концентрация быстро достигает уровня насыщения (рис. 3.17).

Многие реакции между медиаторами и рецепторами сопровождаются, кроме того, десенситизацией. соответствующей инактивации Na+–каналов. Во время непрерывного воздействия медиатора, особенно его высоких концентраций, чувствительность постсинаптической клетки постепенно снижается. Для описания

 

Рис. 3.18. Токи одиночных каналов рецепторов, активируемых медиатором. А. Регистрация методом «пэтч–кламп», в микропипетке раствор глутамата (5 мМ) (с изменениями из [16]). Б. Схема передачи возбуждения в глутаматергическом синапсе. Вверху: временной ход изменений концентрации глутамата после высвобождения его «кванта» из пресинаптического окончания. (гипотетическая кривая). Под графиком: примеры токов одиночных каналов, зарегистрированных после такого импульсного высвобождения медиатора. Внизу: сумма токов одиночных каналов–ВПСТ (один квант)

 

десенситизации в уравнение (1) следует включить неактивное состояние рецептора, полностью аналогичное «закрытому–инактивированному» состоянию на рис. 2.13. Поскольку в большинстве синапсов высокая концентрация медиатора сохраняется очень недолго (рис. 3.18, Б), десенситизация обычно не сказывается на передаче возбуждения, но ее следует учитывать при длительном терапевтическом применении медиаторов или их агонистов [21, 32].

Синаптические ионные каналы. До сих пор мы рассматривали только специфические сдвиги проводимости постсинаптической мембраны, происходящие при взаимодействии ее рецепторов с медиатором. Как говорилось в гл. 1 и 2, ионная проводимость плазматических мембран обеспечивается канальными белками: через водную фазу молекул этих белков могут проходить определенные ионы. В качестве примера была приведена схема белка Na+–канала (см. рис. 2.15). Воротная функция этого канала определяется его потенциалзависимостью; открывание каналов в химических синапсах происходит в результате связывания медиатора или его агониста с комплексом рецептор – канал. Такого рода макробелок составляет основу рецепторов различных типов, а для ацетилхолинового рецептора установлена его полная аминокислотная последовательность. Молекулярная масса этого белка 258000; он состоит из пяти очень сходных субъединиц примерно одинакового размера, группирующихся вокруг центрального канала [29, 33]. Эти данные позволяют обсуждать структуру «стенки» канала и участка (участков) связывания агонистов [34]. Токи одиночных каналов, составляющие суммарный синаптический ток, можно выявить методом «пэтч–кламп» (рис. 3.18) с помощью регистрирующего микроэлектрода, заполненного раствором агониста. Эти токи аналогичны показанным для Са2+ на рис. 2.14: открывания канала происходят сериями с большими паузами между такими «разрядами». Наблюдаемый ответ отражает разные этапы реакции в уравнении (I): кратковременные индивидуальные открывания соответствуют стадии RAn ↔ (RAn)*, а «разряды» – реакции R+nA ↔ RAn [11]. Обычно сила тока одиночного синаптического канала выше, чем у потенциалоуправляемых каналов. В случае канала, регулируемого глутаматом, она равна —8 пА при потенциале покоя и возрастает пропорционально разнице между мембранным и равновесным (около 0 мВ) потенциалами.

Работа некоторых из подробно исследованных синаптических каналов, особенно ацетилхолиновых и глутаматных (рис. 3.18), сложнее [11, 16]. У них не просто одно открытое состояние с определенной проводимостью, а два–четыре, каждое с разной проводимостью. Более того, сочетания периодов открытого и закрытого состояния этих каналов не вполне подчиняются уравнению (1). Чтобы описать их работу, в формулу нужно ввести несколько дополнительных состояний и этапов реакции. Возможно, такая сложность обусловлена связыванием нескольких молекул медиатора или его агониста с субъединицами рецепторноканальной молекулы.

Схема на рис, 3.18, Б обобщает современные представления о временном ходе синоптической передачи на уровне одиночного канала. Один квант медиатора (десятки тысяч его молекул) создает на несколько миллисекунд около рецепторов его высокую концентрацию, которая затем быстро падает. Начальный подъем концентрации медиатора повышает вероятность открывания канала, причем его открытые состояния перемежаются кратковременными закрываниями. После такой вспышки открываний он окончательно закрывается, потому что концентрация медиатора становится слишком низкой. Серии открываний суммируются, так что квант тока складывается из нескольких сотен токов одиночных каналов. Поскольку квант медиатора почти всегда вызывает только одну вспышку открываний, постоянная времени спада синаптического тока тоже примерно соответствует средней продолжительности такой вспышки.

Этим описанием молекулярных медиаторных механизмов мы завершим обсуждение химической синаптической передачи и теперь кратко рассмотрим электрические синаптические связи между клетками. Они не имеют такого непосредственного отношения к различным фармакологическим (и, следовательно, терапевтическим) воздействиям на работу нервной системы и других органов, однако распространены, возможно, не менее широко, чем химические.

 

3.4. Электрическая синаптическая передача

После того как концепция химической синаптической передачи стала общепринятой, примерно между 1930 и 1950 гг., к большому удивлению специалистов выяснилось, что межклеточная передача возбуждения может осуществляться и электрическим способом [17]. Его принцип показан на рис. 3.19, А. Две соседние клетки прилегают друг к другу так тесно, что сопротивление двух их мембран протекающему через них электрическому току сравнимо с сопротивлением остальной, внесинаптической области мембраны. При возбуждении клетки 1 натриевый ток (INa) входит в нее через открытые Na+–каналы и выходит через пока невозбужденные участки мембраны; при этом часть тока входит через участок мембранного контакта в клетку 2, вызывая ее деполяризацию. Разумеется, здесь уровень деполяризации гораздо ниже–скажем, в 10 раз, чем в клетке 1 (рис. 3.19), однако он может оказаться выше порога генерирования потенциала действия в клетке 2. Часто такая деполяризация подпороговая, и тогда клетка 2 возбуждается только в результате суммации синаптических потенциалов, возникающих в результате химической или электрической передачи от других клеток [8].

Итак, перечислим основные характеристики, которые отличают химическую синаптическую передачу от электрической.

1. В химическом синапсе постсинаптический ток генерируется за счет открывания каналов в постсинаптической мембране и обусловлен ионными градиентами постсинаптической клетки.

2. В электрическом синапсе источник постсинаптического тока – мембрана пресинаптической клетки. Здесь нет химического медиатора, и все факторы, влияющие на его высвобождение и действие (например, снижение внеклеточной

Рис. 3.19. Электрический синапс. А. Распределение токов. При возбуждении клетки 1 в нее входит натриевый ток (INa). Она связана с клеткой 2 нексусом (щелевым контактом). Часть тока, входящего в клетку 1, проходит через нексус в клетку 2 и вызывает ее деполяризацию. Б. Импульс тока (красный график), действующий на пресинаптическую клетку, вызывает генерирование электротонического потенциала, который запускает в ней потенциал действия. Потенциал, появляющийся в постсинаптической клетке после прохождения тока через нексус, представляет собой уменьшенное подобие пресинаптического потенциала

 

концентрации Ca2+ или устранение разрушающих медиатор ферментов), на передаче возбуждения не сказываются.

Щелевые контакты. Ионы, переносящие электрические токи, не могут проходить через липидные мембраны, следовательно, для их транспорта в «мембранных контактах» между электрически сопряженными клетками необходимы канальные белки. Такие межклеточные связи называются нексусами, или «щелевыми контактами» (рис. 3.20). В каждой из двух соседних клеточных мембран находятся регулярно распределенные через небольшие промежутки коннексоны, пронизывающие всю толщу мембраны; они расположены так, что в месте контакта клеток находятся друг против друга и их просветы оказываются на одной линии. У образованных таким образом каналов крупные диаметры и, значит, высокая проводимость для ионов; через них могут проходить даже относительно крупные молекулы с молекулярной массой до 1000 (около 1,5 нм в поперечнике). Коннексон состоит из субъединиц числом до шести с молекулярной массой примерно 25 000 каждая. Щелевые контакты обычны для ЦНС позвоночных и, как правило, соединяют группы синхронно функционирующих клеток. Такие контакты характерны также для беспозвоночных.

Функциональные синцитии. В тканях, не относящихся к нервной системе, клетки тоже очень часто соединены щелевыми контактами [25]. Говоря о передаче возбуждения, стоит прежде всего упомянуть миокард и гладкую мускулатуру, где эти контакты создают функциональный синцитий. Возбуждение здесь переходит от одной клетки к другой без заметной паузы или снижения амплитуды

 

Рис. 3.20. Ультраструктура нексуса (щелевого контакта). В пре– и постсинаптической мембранах 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 (по [28] с изменениями)

 

потенциала действия на границе (см. гл. 4 и 19). Для таких органов важна регулируемость щелевых контактов;

в самом деле, их каналы закрываются при снижении рН или повышении концентрации Са2+. Это неизбежно происходит в случае повреждения клеток или глубокого нарушения обмена. За счет такого механизма пораженные места изолируются от остальной части функционального синцития, и распространение патологии ограничивается (например, при инфаркте миокарда). Кроме этих возбудимых тканей существует и много других (в частности, все эпителии, печень), где клетки также соединены щелевыми контактами. В принципе такая связь присуща любой клетке на ранних стадиях эмбрионального развития, когда все клетки соединены между собой щелевыми контактами и сохраняют их до стадии дифференцировки органов.

Роль таких контактов у невозбудимых клеток неясна. Через них возможен обмен многими мелкими молекулами; не исключено, что это важно для метаболизма. Через щелевые контакты могли бы также диффундировать внутриклеточные вторые посредники, передавая по ткани сигналы, регулирующие клеточные процессы.

Учитывая широкое распространение щелевых контактов, кажется удивительным, почему в нервной системе они не используются для синаптической передачи повсеместно. Видимо, сложнее организованные химические синапсы обеспечивают настолько более высокую специфичность и регулируемость межклеточной коммуникации, что в значительной степени вытеснили электрические.

Тормозные электрические синапсы. Щелевой контакт–наиболее распространенный тип электрического синапса. Однако существуют и другие. Например, электрическим путем может передаваться и торможение. В этом случае потенциал действия особым образом расположенных пресинаптических волокон генерирует во внеклеточном пространстве вокруг постсинаптического аксона местный положительный потенциал такой амплитуды, что деполяризация аксона не может достичь порогового уровня, и проведение по нему потенциала действия блокируется [18].

Эфаптическая передача. При некоторых заболеваниях аксоны повреждаются. После перерезки аксона дегенерирует не только его дистальная, но и проксимальная часть. В периферической нервной системе он через несколько недель регенерирует, но его отрастающие участки сначала немиелинизированы. При невропатиях разнообразного происхождения аксоны также теряют свою миелиновую оболочку, становясь демиелинизированными. Кроме того, встречаются аксонные невропатии, главный симптом которых, вероятно, нарушение аксонного транспорта.

Демиелинизированные аксоны особенно часто вступают в аномальные взаимодействия. Импульсы, проходящие по группам нервных волокон, индуцируют возбуждение других параллельно идущих аксонов. Это называется эфаптической передачей [9]. Когда такие аномальные потенциалы действия генерируются в сенсорных нервных волокнах, у больного появляются аномальные ощущения, парестезии. Они могут быть мучительными, особенно когда связаны с ноцицептивными волокнами: возникают такие неприятные синдромы, как невралгия, каузалгия, невромные боли. Межаксонные помехи бывают следствием не только недостаточной изоляции (миелиновыми оболочками), но и повышенной возбудимости, аксонов.

 

3.5. Литература

Учебники и руководства

1. Cooke I., Lipkin M. Cellular neurophysiology, a source book. New York, Holt, Rinehart and Winston (1972) (Collection of important original papers).

2. Eccles J. C. The physiology of synapses, Berlin – Gottingen–Heidelberg–New York, Springer, 1964.

3. Hille В. Ionic channels of excitable membranes, Sunderland. Mass., Sinauer Assoc., 1984.

4. Hoppe W., Lohmann W., MarkI H., Ziegfer H. (eds.). Biophysik, Berlin, Heidelberg, New York, Springer, 1984.

5. Kandel E. R., Schwartz J. H. (eds.). Principles of neural science, New York, Amsterdam, Oxford, Elsevier, 1985.

6. Kuffler S. W., Nicholls J. G., Martin A. R. From neuron to brain, Second Edition Sunderland, Mass., Sinauer Associates, 1984.

7. Schiebler Т.Н., Schmidt W. Lehrbuch der gesamten Anatomic des Menschen, 3rd Edition, Berlin–Heidelberg–New York–Tokyo, Springer Verlag, 1983.

Оригинальные статьи и обзоры

8. Bennell M. L. V. Electrical transmission: a functional analysis and comparison with chemical transmission. In:Cellular biology of neurons, Vol. 1, Sect. 1, Handbook of Physiology: The Nervous System. E. R. Kandel. ed., 357–416. Baltimore, Williams and Wilkins, 1977.

9. Blumberg H„ Janig W. Activation of fibers via experimantally produced stump neuromas of skin nerves: ephaptic transmission of retrograde sprouting? Experimental Neurology, 76, 468–482 (1982).

10.Colquhoun D., Dreyer F., Sheridan R. E. The actions of tubocurarinc at the frog neuromuscular junction, J. Physiol. (Lond.), 293, 247–284 (1979).

11. Colquhoun D., Sakmann В. Fast events in single–channel currents activated by ecetylcholine and its analogues at the frog muscle end–plate, J. Physiol. (Lond.), 369, 501 557 (1985).

12.Dodge F. A.. Rahamimoff R. Cooperative action of calcium ions in transmitter release at the neuromuscular junction, J. Physiol. (Lond.), 193, 419–432 (1967).

13.Dudel J. The mechanism of presynaptic inhibition at the crayfish neuromuscular junction, Pflugers Arch., 248, 66–80 (1965).

14.Dudel J. Dose–response curve of glutamate applied by superfusion to crayfish muscle synapses, Pflugers Arch., 368, 49–54 (1977).

15.Dudel J., Kuffler S. W. Presynaptic inhibition at the crayfish neuromuscular junction, J. Physiol. (Lond.), 155, 543–562 (1961).

16.Franke С., Dudel J. High–resolution measurement of single–channel currents activated by glutamate in crayfish muscle, Meurosci. Lett., 59, 241 246 (1985).

17.Furshpan E. J., Potter D. Transmission at the giant motor synapses of the crayfish. J. Physiol. (Lond.), 145, 289–325 (1959).

18.Furukawa Т., Furshpan E. J. Two inhibitory mechanisms in the Mauthner neuronsof goldfish, J. Neurophysiol., 26, 140 176 (1963).

19.Ito К, Miledi R., Vincent A., Newsom–Davis J. Acetylcholine receptors and end–plate electrophysiology in myasthe–nia gravis, Brain, 101, 345–368 (1978).

20.Katz В., Miledi R. The role of calcium in neuromuscular facilitation, J. Physiol. (Lohd.), 195, 481–492 (1968).

21.Katz В.. Jhesleff S. A study of the „desensitization" produced by acctylcholine at the motor end–plate, J. Physiol. (Lond.), 138, 63–80 (1957).

22.Kuffler S. W. Slow synaptic responses in autonomic ganglia and the pursuit of a peptidergic transmitter, J. Exp. Biol., 89, 257–286 (1980).

23. Libet B. Heterosynaptic interaction at a sympathetic neuron as a model for induction and storage of a postsynaptic memory trace. Neurobiology of Learning and Memory, G. Lynch, J.L. McGaugh, H.M. Weinberger, editors, 405–430, New York, The Guilford Press (1984).

24. Llinas R. R. Calcium in synaptic transmission, Sci. Amer., 10, 38–48 (1982).

25. Loewenstein W. R. Junctional intercellular communication:the cell–to–cell mambrane channel, Physiologicap Reviews, 61, 829–913 (1981).

26. Magleby К. L., Stevens С. F. The effect of voltage on the time course of end–plate currents, J. Physiol. (Lond.), 223, 151–171 (1972).

27. Magleby К. L„ Zengel J. E. A quantitative description of stimulation–induced changes in transmitter release at the frog neuromuscular junction, J. Gen. Physiol., 80, 613–638 (1982).

28. Makowski L., Caspar D.L.D., Phillips W.C., Goodenough D. A. Gap junction structures. II. Analysis of the x–ray diffraction data, J. Gell. BioL, 84, 629–645 (1977).

29. Numa S., Noda M., Takahashi H., Tanabe Т., Toyosato M., Fwutani Y., Kikyotoni S. Molecular structure of the nicotinic acetylcholine receptor. Cold Spring Harbor Symposia Quant. Biol. XLVI11, 57–69 (1983).

30.Pamas H., Dudel J., Parnas I. Neurotransmitter release and its facilitation in crayfish. 1. Saturation kinetics of release and of entry and removal of calcium, Pflugers Arch., 393, 1–14 (1982).

31.Parnas H., Dudel J., Parnas I. Neurotransmitter release and its facilitation in crayfish. VII. Another voltage dependent process beside Ca entry controls the time course of phasic release, Pflugers Arch., 406,121–130 (1986).

32.Peper К., Bradley R. J., Dreyer F. The acetylcholine receptor at the neuromuscular junction, Physiol. Rev., 62, 1271–1340 (1982).

33. Popot J. L., Changeux J. P. Nicotinic receptor of acetylcholine: structure of an oligomeric integral membrane protein, Physiol. Rev., 64, 1162–1239 (1984).

34. Sakmann В., Methfessel С., Mishina M., 'Takahashi Т., Takai Т., Kurasaki M., Fukuda K., Numa S. Role of acetylcholine receptor subunits in gating of the channel, Nature, 318, 538–543 (1985).

35. Schmidt R. F. Presynaptic inhibition in the vertebrate central nervous system, Ergebn. Physiol., 63, Springer Verlag,

Berlin–Heidelberg–New York, 1971. 

36.White J.D., Stewart K.D., KrauseJ.E., McKeIvy J.F.

Biochemistry of peptide–secreting neurons, Physiol. Rev., 65, 553–606 (1985).