1.1.7. Физиология синапсов

Синапсами (от греч. synapsis — соприкосновение, соединение) называют специализированные контакты между нервными клетками или межДу нервными и эффекторными клетками, используемые для передачи сигналов.

Синапсы можно классифицировать: 1) по их местоположению и принадлежности соответствующим клеткам — нервно—мышечные, нейро—нейрональные, а среди последних — аксосоматические, аксодендритические синапсы; 2) по знаку их действия — возбуждающие и тормозящие; 3) по способу передачи сигналов — электрические (в которых сигналы передаются электрическим током) и химические, в которых передатчиком, трансмиттером сигнала, или посредником, медиатором, является то или иное физиологически активное вещество (см. табл. 1.4). Существуют и смешанные — электрохимические — синапсы.

Во всех синапсах содержатся такие компоненты, как пресинаптическая мембрана, постсинаптическая мембрана и разделяющая их синаптическая щель.

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

 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.

тому, передается ли в них электрический сигнал двусторонне или односторонне. 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 Кп).

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

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

 

клетки, обладающей значительным входным сопротивлением. Небольшая же часть этого тока, которая все же входит в постсинаптическую клетку, вызывает лишь ничтожное изменение ее МП.

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) ток Na+ направлен внутрь, а ток К+ — наружу, причем первый больше второго и суммарный (здесь разностный) ток является входящим.

Мембранный потенциал, при котором IK = INa 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 τм.

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

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.

 

калиевым током. Потенциал реверсии ВПСП составляет от 3 до 5 мВ. Падение Rвх (рост проводимости) в момент развития ВПСП невелико — всего 5%.

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.

Синапсы тормозного действия. Синоптическим торможением обозначают влияние пресинаптической нервной клетки, прекращающее или предотвращающее возбуждение постсинаптической нервной клетки (или иной клетки—мишени).

В тормозном синапсе происходит изменение знака действия: пресинаптическое возбуждение (ПД) порождает постсинаптический тормозный процесс или состояние.

Известны два варианта тормозных синапсов: электрические (встречающиеся очень редко) и химические (основной вариант).

Электрический тормозный синапс образуется, например, нервным окончанием на выходном сегменте маутнеровского нейрона у рыб. Два таких нейрона, расположенные симметрично в продолговатом мозгу, «командуют» противоположно направленными изгибами хвоста. Когда один из них возбуждается, другой заторможен. Отчасти это торможение обеспечивается терминалью аксона клетки—антагониста (или дополнительной вставочной клетки), формирующей тормозный электрический синапс. В рассматриваемом синапсе тормозящая терминаль обвивает выходной сегмент, и вся эта конструкция погружена в глиальную чашечку (рис. 1.38).

Между терминалью и постсинаптической клеткой здесь нет плотного соединения или щелевого контакта. Тормозящее влияние развивается за счет действия внешней петли тока, порождаемой пресинаптическим ПД. Пресинаптический ПД, видимо, останавливается перед глиальной чашечкой. При этом часть его тока, проходящего через терминаль, идет прямо в начальный сегмент аксона маутнеровской клетки и существенно гиперполяризует его. Выход тока из клетки при этом распределен по ее широкой сома—дендритной части и не производит там существенной деполяризации (рис. 1.38). Гиперполяризующий ток мгновенно тормозит разряд ПД в начальном сегменте аксона (триггерной зоне) маутнеровской клетки, но это продолжается лишь во время действия пресинаптического ПД, т. е. на протяжении нескольких миллисекунд. Описанное электрическое торможение далее поддерживается тормозным действием более инертных химических синапсов.

Структура химического синапса тормозного действия (ширина синаптической щели, наличие пресинаптических везикул) в общем соответствует таковой для возбуждающих химических синапсов. Существует предположение, что тормозные пресинаптические окончания всегда снабжены особыми уплощенными везикулами, однако, видимо, это не является общим правилом.

Рассмотрим физиологию химических синапсов тормозящего действия, например, тормозный нервно—мышечный синапс рака, реализующий свое действие с помощью медиатора γ—аминомасляной кислоты (ГАМК). Общая схема работы этого синапса (роль пресинаптического ПД и Са2+) совпадает с рассмотренной выше работой синапсов возбуждающего действия. Только ГАМК,

Рис. 1.38 Работа тормозного электрического синапса на начальном сегменте маутнеровского нейрона рыбы

1 — нервное окончание, 2 — начальный сегмент аксона маутнеровского нейрона; 3 — глиальные чашечки. Стрелками обозначены входящие (гиперполяризующие) токи высокой плотности.

Рис. 1.39  Возбуждающий (А) и тормозный (Б) постсинаптические потенциалы мышечного волокна рака (ВПСП и ТПСП) при разных величинах МП мышечного волокна

Ер — потенциал реверсии ВПСП и ТПСП; стрелки, направленные вверх и вниз, обозначают ток, идущий наружу и внутрь соответственно.

 

взаимодействуя с рецептором, открывает в постсинаптической мембране селективные хлорные каналы. Это приводит к движению ионов Сl по электрохимическому градиенту.

Так как в данном объекте ЕCl=—80 мВ, то при менее негативном МП (—70...—50) ионы Сl входят в мышцу и тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) имеет вид гиперполяризации. При более негативном МП (—90...—100) Сl выходит из мышечного волокна. При этом ТПСП развивается как небольшая деполяризация. При МП = —80 мВ движения ионов Сl, а значит, и ТПСП практически нет (Ep ТПСП) (рис. 1.39).

Торможение за счет хлорного механизма осуществляется следующим образом. Если МП мышечного волокна низок и ТПСП развивается как гиперполяризация, то это повышает порог раздражения. Если же МП = —80 мВ и изменения МП отсутствуют, то торможение все же осуществляется за счет действия «хлорного шунта», т. е. за счет компенсации входящего (при возбуждении) натриевого тока идущим через открытые хлорные каналы током ионов Сl.

В тормозных синапсах, так же как и в возбуждающих, помимо вызванных имеются спонтанные миниатюрные ТПСП (МТПСП). Их рабочие ТПСП также формируются из массы МТПСП, возникающих одновременно в ответ на выброс 100—200 квантов ГАМК.

Рассмотрим химические тормозные синапсы в ЦНС позвоночных. При раздражении афферентов антагонистического нерва в спинальном мотонейроне (например, у кошки) возникает тормозный постсинаптический потенциал — ТПСП (рис. 1.40).

Это происходит на 0,5 мс позже, чем появление ВПСП, что объясняется существованием дополнительного нейрона и синапса в тормозном пути. Этот специальный тормозный нейрон выбрасывает тормозный медиатор — глицин.

При нормальном исходном МПП (—70 мВ) ТПСП мотонейрона имеет вид слабой (1—5 мВ) гиперполяризации. Величина этого ТПСП зависит от числа одновременно активируемых тормозных синапсов. При активации одного синапса ТПСП (унитарный ТПСП) очень мал (< 220 мкВ). По—видимому, этот ТПСП соизмерим по амплитуде с МТПСП, и, следовательно, квантовый состав

Рис. 1.40 Постсинаптическое и пресинаптическое торможение мотонейрона спинного мозга позвоночного

А — гиперполяризация начального сегмента аксона петлей тока ТПСП; Б — форма и полярность ТПСП на фоне сниженного МП: 1 — начальный сегмент аксона, 2 — сома—дендритный комплекс, 3— тормозный синапс на возбуждающей пресинаптической терминали (о механизме пресинаптического торможения см. в тексте), 4 — потенциал действия начального сегмента, 5 — потенциал действия сома—дендритного комплекса.

 

передачи в элементарных тормозных синапсах здесь невелик (единицы квантов). Если МПП естественно или искусственно смещается в сторону деполяризации, то амплитуда ТПСП растет, когда же МПП увеличивается, то ТПСП падает и далее меняет свой знак.

Развитие ТПСП связано со значительным увеличением ионной проводимости постсинаптической мембраны во время его восходящей (активной) фазы. В мотонейронах спинного мозга кошки Rвх при этом уменьшается с 1—2 до 0,5 МОм. Спад ТПСП мотонейрона пассивен и определяется перезарядкой мембранной емкости.

Ионный механизм восходящей фазы ТПСП был определен в опытах с электрофоретической инъекцией в мотонейрон ионов Сl. Оказалось, что добавка Сl в нейрон сразу же извращает знак ТПСП, а дальнейшее увеличение внутренней концентрации Сl неуклонно увеличивает амплитуду инвертированного ТПСП.

Эти и другие данные позволяют заключить, что ТПСП в мотонейронах позвоночных определяются открытием в постсинаптической мембране главным образом хлорных каналов (по некоторым данным, также и селективных калиевых каналов).

При низком МПП и обычной внутренней концентрации Сl открытие хлорных каналов приводит к току Сl внутрь клетки и развитию гиперполяризационного ТПСП. При высоких МПП и обычной внутриклеточной концентрации Сl то же открытие хлорных каналов приводит к току Сl наружу и развитию деполяризационного ТПСП. В мембране мотонейрона, по—видимому, существует специальный ионный насос, поддерживающий [Сl] на нормальном уровне.

Тормозный эффект ТПСП здесь (как и в сходном нервно—мышечном синапсе рака) основывается на двух механизмах. Во—первых, это электротоническое действие гиперполяризационного ТПСП на триггерную зону (холмик); ТПСП порождает ток, который входит в холмик и повышает его МП. Во—вторых (и это главное!), имеет значение действие хлорного шунта на ВПСП. Открытие хлорных каналов как бы закорачивает ток ВПСП и не дает ему подействовать на триггерную зону нейрона (холмик).

Хлорный механизм используют не только тормозные синапсы мотонейронов позвоночных. На этой же основе действуют многие тормозные синапсы ЦНС, например, тормозные химические синапсы на маутнеровских клетках рыб и нейронах ЦНС улитки. Но это не единственный механизм постсинаптического торможения. В некоторых объектах, таких как нейроны легочных моллюсков, аналогичный тормозный эффект возникает за счет открытия калиевых каналов и избирательного повышения калиевой проницаемости. В симпатических ганглиях, видимо, имеются также и синапсы, тормозящие постсинаптическую клетку посредством повышения МП за счет активации медиатором электрогенного транспорта ионов.

Рассмотренные выше варианты синаптического торможения могут быть названы постсинаптическими. Но существует особый вариант торможения, который называют пресинаптическим.

Этим термином в отличие от постсинаптического торможения условно называют снижение или выключение активности данной клетки за счет синаптического торможения оканчивающейся на ней возбуждающей терминали.

Такое торможение подробно описано для нервно—мышечного прибора ракообразных, моторные терминали которого имеют на себе аксо—аксональные тормозящие синапсы. В этих синапсах торможение определяется действием ГАМК, открывающей хлорные каналы моторной терминали. Последний эффект шунтирует ее натриевые каналы и тем самым снижает амплитуду пресинаптического ПД. В результате синаптическая передача моторного импульса ослабляется или исключается. При одиночном импульсе тормозного аксона длительность пресинаптического торможения составляет 6—7 мс.

Максимальный тормозный эффект получается, если тормозный импульс достигает аксо—аксонального синапса за несколько миллисекунд до прихода сюда ПД возбуждающего аксона. Пресинаптическое торможение предупреждает или заранее исключает развитие постсинаптического возбуждения, но оно не может повлиять на уже развившееся постсинаптическое возбуждение, причем при пресинаптическом торможении в постсинаптической клетке не обнаруживается ни ТПСП, ни изменений электровозбудимости.

Аналогичное Пресинаптическое торможение при раздражении антагонистических мышечных (и кожных) нервов обнаружено в области терминалей возбуждающих мотонейронов спинного мозга кошки. Найдено, что эти терминали в моменты торможения деполяризуются. Торможение (и деполяризация) даже после одиночного антагонистического залпа весьма длительно (100—200 мс), что, возможно, связано с повторными активациями тормозящего синапса. Вероятно, медиатором в этом тормозном аксо—аксональном синапсе является ГАМК. Причины деполяризации терминалей сложны. Начальная деполяризация здесь может быть связана с увеличением хлорной проницаемости. Видимо, имеющийся на мембране терминали градиент ионов Сl таков, что открытие хлорных каналов приводит к выходу Сl из терминали и к ее частичной деполяризации.

Деполяризация терминали и открытие хлорного шунта снижают ее ПД и в силу этого уменьшают квантовый состав передачи в возбуждающем синапсе.

Существуют, кроме того, данные о том, что при пресинаптическом торможении в среде вокруг тормозимой терминали растет концентрация ионов К+. Они могут выбрасываться из самой терминали, мотонейрона и других близлежащих клеток. Рост наружной концентрации К+ опять—таки снижает МП терминали и ослабляет ее ПД. Пресинаптическое торможение представлено в различных отделах ЦНС позвоночных и беспозвоночных.

В научной литературе используют понятие вторичное торможение, т. е. блокирование ПД постсинаптической клетки из—за избыточной активности возбуждающих синапсов. Возможность такого пессимального торможения обнаружил Н. Е. Введенский (1886) в опыте на нервно—мышечном препарате. Этот блок определяется развивающейся деполяризацией мембран, сопровождаемой инактивацией их натриевых каналов.

 

Изменение функции химических синапсов в ходе ритмической активности.

В химических синапсах при их частой ритмической активности наблюдается два рода явлений: сначала некоторое облегчение (усиление), а затем депрессия (ослабление) передачи, т. е. рост, а затем падение амплитуды постсинаптических потенциалов (ПСП). Оба феномена в основном определяются изменениями в пресинаптическом механизме передачи.

Работа этого механизма, как уже отмечалось, состоит в выбросе некоторого количества квантов медиатора в ответ на нервный импульс. Кванты медиатора — это его более или менее стандартные порции, состоящие из нескольких тысяч молекул (в нервно—мышечном синапсе, например, из 10 000 молекул Ax). Каждая такая порция содержится в синаптической везикуле, и ее выброс, видимо, соответствует опорожнению в синаптическую щель одной везикулы, находящейся на стартовой позиции вблизи пресинаптической мембраны.

Количество квантов медиатора, высвобождающихся вслед за одним нервным импульсом (квантовый состав передачи), зависит от двух факторов: от средней вероятности (р) выброса каждого кванта, готового к высвобождению (т. е. находящегося на стартовой позиции), и от числа квантов на стартовых позициях (п). Количество выбрасываемых при одиночной передаче квантов медиатора т = рп. При стандартности амплитуды пресинаптического ПД и прочих равных условиях р зависит от наружной концентрации Са2+ в синаптическом районе.

При развитии ПД нервного окончания через открывающиеся потенциалозависимые кальциевые каналы в нервное окончание снаружи поступает некоторое количество Са2+. Это прямо показано в опыте на гигантском синапсе кальмара с помощью экворина (вещества светящихся медуз), реагирующего высвечиванием на малые дозы Ca2+. При введении экворина в пресинаптическую терминаль можно зарегистрировать свечение при каждой синаптической передаче. Поступление Са2+ необходимо для выброса квантов медиатора. При снижении [Ca2+] снижается и вероятность выброса. В бескальциевой среде р ≈ 0, выброс квантов медиатора в ответ на нервный импульс не происходит, однако ионофоретическая подача Са2+ к синапсу мгновенно восстанавливает передачу.

Начальный рост ПСП (облегчение) при ритмической активности, определяется ростом квантового состава и связано с увеличением р вследствие нарастания фоновой внутритерминальной концентрации Са2+. Это нарастание происходит благодаря тому, что при каждой передаче наружный Са2+ поступает в терминаль, и некоторое его количество (след) остается в рабочей зоне к моменту следующей передачи.

Феномен облегчения особенно отчетлив в синапсах с исходно низкой вероятностью выброса квантов, например в «резервных» синапсах мозга (и мышц). Облегчение передачи здесь может продолжаться и после частой ритмической активности (посттетаническое облегчение, или посттетаническая потенциация), причем довольно длительно (минуты).

Отчетливое облегчение в этих случаях связано с тем, что р исходно низка, т. е. далека от насыщения тах = 1), и с тем, что при низкой величине р запас готовых к высвобождению квантов (п) истощается мало, а значит, слаба депрессия, способная маскировать облегчение.

Депрессия передач (падение ПСП) связана с падением квантового состава. Она отчетливо выявляется при высоких величинах р, когда с каждой передачей изымается значительная часть (фракция) запаса п. При этом т прогрессивно снижается от передачи к передаче, однако не падает до нуля. Дело в том, что активность нервного окончания и идущее в нем истощение запаса квантов каким—то образом мобилизуют процесс восполнения запаса. В итоге достигается равновесие траты и восполнения п, внешне выражающееся в стабилизации квантового состава передачи на некотором уровне.

Явления облегчения и депрессии при ритмической передаче имеют особое развитие в некоторых синапсах ЦНС. Здесь они выступают как факторы синоптической пластичности, причем облегчение участвует в «проторении» новых путей (в сенситизации — повышении чувствительности к раздражителям при формировании временных связей), а депрессия участвует в развитии так называемой габитуации (см. разд. 3.15).

В экспериментах т (квантовый состав ПСП или передачи) определяют, деля среднюю амплитуду ПСП (ВПСП или ТПСП) на среднюю амплитуду спонтанных миниатюрных потенциалов в данном синапсе в данный момент времени, т. е. на среднюю величину постсинаптической электрической реакции, вызываемой одним квантом медиатора. Существуют и другие, более сложные методы оценки m, п и р.

Общая характеристика синаптических медиаторов. В предыдущих разделах были рассмотрены механизмы передачи возбуждающего и тормозного сигнала через некоторые химические синапсы. При этом основное внимание обращалось на электрические явления в этих синапсах. В данном разделе речь пойдет о химических характеристиках известных сегодня медиаторов, об их отношении к постсинаптическим «мишеням», об организации синтеза, хранения, выброса медиаторов из нервных окончаний, об удалении медиаторов из синаптической щели после осуществления передачи, а также веществах — специфических блокаторах различных химических синапсов.

Медиаторы, выявленные к настоящему времени у животных и человека, составляют довольно разнородную группу веществ. Это моноамины, ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин, гистамин; аминокислоты: ГАМК, глутамат (глутаминовая кислота), глицин, таурин и др. Все эти вещества содержат в молекуле положительно заряженный атом азота. Их структурные формулы показаны на рис. 1.41. К медиаторам относится хорошо известное макроергическое вещество — АТФ (аденозинтрифосфат). И наконец, большая группа веществ — нейропептидов, — по—видимому, также может быть отнесена к медиаторам (хотя некоторые из них играют скорее роль гормонов, «модуляторов» синаптической передачи, действующих через кровоток). Это вещество (субстанция) Р, метэнкефалин, лейэнкефалин, эндорфины, нейротензин, АКТГ (кортикотропин), ангиотензин, окситоцин, вазопрессин, вазоактивный интестинальный пептид, соматостатин, тиролиберин, бомбезин, холецистокининоподобный пептид, карнозин (табл. 1.4).

В мозгу позвоночных некоторые из этих пептидов участвуют в передаче информации о потребности организма в питье (ангиотензин), в половой активности (люлиберин). Субстанция Р играет роль медиатора, который используется в синапсах нейронов, передающих сигналы боли, а эндорфины и энкефалины — в синапсах нейронов, осуществляющих блокирование болевых импульсов.

Низкомолекулярные медиаторы синтезируются в пресинаптических нейронах и накапливаются в их везикулах. Синтез медиаторов происходит из соответствующих предшественников и требует энергии. Он протекает в перикарионе, откуда везикулы быстрым аксотоком перемещаются к нервным окончаниям. Однако в некоторых случаях (например, в нервно—мышечных синапсах и в синапсах электрических органов рыб) синтез Ах и его упаковка в везикулы идут отчасти в самих нервных окончаниях.

 

Рис. 1.41 Модели структурных формул основных медиаторов

 

 

Та блица 1.4

Некоторые известные и предполагаемые нейромедиаторы и нейромодуляторы

Вещество

Точки приложения

Действие

Статус

Ацетилхолин

Скелетные мышцы позвоночных; нервно—мышечное соединение

Возбуждающее

Уст.

Вегетативная нервная система:

преганглионарные симпатические нейроны;

пре— и постганглионарные парасимпатические нейроны

«

 Возбуждающее или тормозное

« «

ЦНС позвоночных

Возбуждающее

«

Различные органы беспозвоночных

Разное

«

Норадреналин

Большинство постганглионарных симпатических нейронов; ЦНС

Возбуждающее или тормозное

«

Глутаминовая кислота

ЦНС

Возбуждающее

Возм.

ЦНС и ПНС ракообразных

«

Уст.

Аспарагиновая кислота

Сетчатка позвоночных

 

 

Возм.

у—Аминомасляная кислота (ГАМК)

ЦНС

Тормозное

Уст.

ЦНС и ПНС ракообразных

«

«

Серотонин (5—гидрокситриптамин)

ЦНС позвоночных и беспозвоночных

 

 

«

Дофамин

ЦНС

 

 

«

Октопамин

ЦНС насекомых

Возбуждающее модулирующее

«

Субстанция Р

ЦНС

Тормозное модулирующее

«

Различные пептиды

ЦНС позвоночных и беспозвоночных; кишечник

Разное

«

 

* Уст. — медиаторная функция установлена; Возм. — медиаторная функция предполагается.

Образование пептидов—медиаторов (модуляторов) происходит более сложным путем: сначала в пресинаптической клетке синтезируется полипептид — прогормон; затем из него через стадию гормона путем последовательного укорочения цепи аминокислот образуется активный пептид.

Для обозначения синапсов используют терминологию, указывающую на конкретный медиатор. Так, синапсы, в которых передача («действие») осуществляется с помощью ацетилхолина, называются холинергическими. Таким же образом строятся и обозначения синапсов, действующих с помощью других медиаторов (норадренергические, ГАМК—ергические, серотонинергические и т. д.) (от греч. ergon — действие).

Выявление среди массы нервных элементов клеток определенного действия достаточно трудоемко. Относительно легко выявляются лишь нейроны, содержащие катехоламины (дофамин, норадреналин) и серотонин, которые при их обработке формальдегидом и глиоксиловой кислотой образуют продукты, флуоресцирующие в ультрафиолетовых лучах. Сложным процессом является и улавливание медиаторов в околоклеточной среде, так как их количества здесь невелики. Наиболее чувствительными, пригодными для этих целей пока остаются биологические методы тестирования (например, выявление в жидкостях ацетилхолина по реакции на него таких высокочувствительных мишеней, как гладкие мышцы легкого лягушки, сердце лягушки, спинная мышца пиявки).

Если нейрон использует классический медиатор, то только один, например, ацетилхолин. Это называют «принципом Дейла». На неклассические медиаторы (АТФ, пептиды и др.) этот принцип не распространяется. Один нейрон может одновременно вырабатывать ацетилхолин и пептид, норадреналин и АТФ и т. п.

Выброс всех медиаторов (секреция их квантов) из нервных окончаний соответствующих нейронов происходит под влиянием пресинаптического ПД при использовании внешнего Са2+ который входит в деполяризованную терминаль и действует с помощью белка — кальмодулина, фосфорилирующего мембранные белки в активной зоне синапса.

Молекулярные мишени медиаторов. Естественно, что большому количеству различных медиаторов соответствует большое количество постсинаптических рецепторов, которые называют соответственно ацетилхолинорецепторами, или просто холинорецепторами, адренорецепторами, серотонинорецепторами, ГАМК—рецепторами и т. д. Эти рецепторы представляют собой белковые или более сложные макромолекулы (гликопротеины, липопротеины), содержащие участки, которые комплементарны к соответствующим медиаторам и вместе с тем способны так или иначе контролировать состояние мембраны и субмембранных структур постсинаптической клетки.

Считается, что направленность (вектор) синаптического действия определяется не природой медиатора (возбуждающий или тормозящий), а характером рецептора. Выше уже было показано, что в холинорецепторах скелетной мышцы позвоночного при взаимодействии с Ах открывается катионный канал, пропускающий ионы Na+ в клетку. Это создает не только местную деполяризацию (ПКП), но и метаболические эффекты. Здесь же подключаются ионы Са2+, высвобождаемые из внутриклеточных депо и действующие на метаболические системы клетки через кальмодулин. Все это происходит в синапсе, где реализуется только возбуждение. Но сходная цепь событий имеет место в тормозящих синаптических образованиях. При взаимодействии ГАМК с ГАМК—рецепторами в этих рецепторах открываются каналы для ионов Сl, что приводит к развитию ТПСП, а вероятно, и внутриклеточных процессов, контролируемых хлором.

Некоторые рецепторы медиаторов (в частности, адренорецепторы и рецепторы многих нейропептидов) связаны не с ионными каналами, а с мембранной макромолекулой, например ферментом аденилатциклазой. Молекула аденилатциклазы, однократно активируемая медиатором, катализирует превращение множества молекул цитозольного АТФ в цАМФ (усилительный механизм). цАМФ, диффундируя в клетку, активирует многие ферменты (их называют цАМФ—зависимыми), в частности протеинкиназы, и таким образом стимулирует клеточный метаболизм.

ЦАМФ называют вторичным посредником, или мессенджером, между пресинаптическим ПД и метаболическим ответом постсинаптической клетки: он разрушается ферментом фосфодиэстеразой.

В естественных условиях обнаруживается довольно сложное взаимодействие между системой Са2+—кальмодулин и аденилатциклазной системой. Например, показано, что Са2+ поступающий в нервную клетку (моллюска), через кальмодулин активирует фосфодиэстеразу и таким образом снижает уровень цАМФ в клетке. Но цАМФ необходим для поддержания открытого состояния Са2+ —каналов. Таким образом, снижение уровня цАМФ закрывает Са—каналы, прекращая поступление Са2+ в клетку (пример саморегуляции [Са2+вн).

Помимо рассмотренной аденилатциклазной системы описаны аналогичные ей гуанилатциклазная система, система фосфолипазы С и др.

Фермент гуанилатциклаза, активируясь под влиянием рецепторов некоторых медиаторов, катализирует превращение гуанозинтрифосфата (ГТФ) в циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), играющий роль мессенджера, который передает сигнал от мембраны к внутриклеточным ферментам.

Мембранный фермент фосфолипаза С, активируемый под влиянием, например, так называемого М—холинорецептора (см. ниже), катализирует образование из мембранных липидов (фосфоглицеридов, фосфоинозитидов) диацилглицерола и инозитолтрифосфата (ИТФ). Эти вещества также являются мессенджерами, влияющими на клеточный метаболизм. Кроме того, ИТФ провоцирует выброс Са2+ из внутриклеточных депо и через это — открытие особых кальцийзависимых калиевых каналов в мембране постсинаптической клетки.

Постсинаптические (а также и найденные на некоторых нервных окончаниях пресинаптические) рецепторы высокочувствительны к соответствующим медиаторам. Например, холинорецепторы реагируют на появление Ах в концентрации 10—8 моль/л, хотя рабочая концентрация Ах в синаптической щели около холинорецептора достигает 10—4—10—2 моль/л. Однако чрезмерно длительное действие медиатора, в частности ацетилхолина, на соответствующие рецепторы приводит к снижению чувствительности этих рецепторов к медиатору, что называют десенситизацией рецепторов. Механизм десенситизации до сих пор не выяснен, но известно, что ее развитию способствует избыток в среде ионов Са2+.

Ранее предполагали, что каждому пресинаптическому медиатору соответствует специфическая реакция постсинаптической клетки — возбуждение или торможение в той или иной форме. Однако это не так: одному медиатору чаще всего соответствует не один, а множество различных рецепторов. Например, ацетилхолин в нервно—мышечных синапсах скелетных мышц у позвоночных действует на так называемые Н—холинорецепторы (чувствительные к никотину), которые открывают широкие каналы для Na+ (и К+), что порождает ВПСП (ПКП). В ваго—сердечных синапсах этот же ацетилхолин действует на М—холинорцепторы (чувствительные к мускарину), открывающие под его действием селективные каналы для К+ в связи с чем здесь генерируются ТПСП.

Показано, что в нервной системе моллюсков имеются холинорецепторы нескольких типов: открывающие каналы для Na+ (возбуждающие), открывающие каналы для К+ (тормозные) и открывающие каналы для Сl (тормозные). По—видимому, возможны разные комбинации рецепторов и каналов (или иных рабочих механизмов мембраны, например аденилатциклазы, гуанилатциклазы и т. п.).

Таким образом, характер пресинаптического медиатора сам по себе не предопределяет характера постсинаптического эффекта. Последний задается свойствами постсинаптических механизмов, хотя у некоторых медиаторов (например, ГАМК) пока обнаружены лишь эффекты одного знака (тормозные).

Отработавшие в синапсе медиаторы подвергаются инактивации тем или иным путем. Ацетилхолин, например, разрушается (гидролизуется) ферментом ацетил—холинестеразой, которая присутствует в синаптической щели и встроена в постсинаптическую мембрану. Образовавшиеся при этом гидролизе физиологически неактивные холин и ацетат далее всасываются нервным окончанием. Норадреналин расщепляется моноаминоксидазой, а также катехолметил—0—трансферазой. Кроме того, в неизменном состоянии он подвергается обратному всасыванию.

Т а б л и ц а 1.5

Некоторые вещества, блокирующие синаптические функции

Синапсы,

Блокаторы секреции медиаторов

Блокаторы рецепторов медиаторов

Блокаторы систем, разрушающих медиаторы.

Примечания

Нервно—мышечный холинергический с Н—холинорецепторами

Ботулиновый токсин; Mg2+

D—тубокурарин (кураре), α—бунгаротоксин

Эзерин, фосфорорганиче—ские соединения (ФОС)

Автономный (холинергический) с М—холинрецепторами

Тоже

Атропин

Тоже

 

 

Тормозящий синапс в ЦНС (глицинергический)

Mg2+

Стрихнин

 

 

Разрушение медиатора заменено обратным всасыванием

Тормозящий синапс (ГАМК—ергический)

Mg2+

Бикукулин, пикротоксин, пенициллин

 

 

Тоже

 

Для многих медиаторов (аминокислот, пептидов) обратное всасывание (обратный захват, «аптейк» (от англ. uptake — всасывание, впитывание)) является главным способом прекращения их действия.

Химические синапсы могут изменять свое состояние под влиянием некоторых гормонов, циркулирующих в крови, и веществ, высвобождаемых постсинаптическими клетками (обратная связь). Все эти вещества называют модуляторами синапсов. К локальным постсинаптическим модуляторам синаптической функции предположительно относят, например, простагландины (ненасыщенные оксикарболовые жирные кислоты), обладающие высокой физиологической активностью, но быстро инактивирующиеся и потому действующие локально. Простагландины, высвобождаемые из клеток, влияют на многие звенья синаптического процесса, например на секрецию медиатора, работу аденилатциклаз и т. д.

В настоящее время известно довольно много фармакологических веществ, способных модифицировать работу химических синапсов; среди них есть блокаторы нейросекреции, рецепторов, систем, разрушающих медиатор (табл. 1.5).

Существуют также специфические блокаторы хеморецепторных каналов. Многие из показанных в табл. 1.5 веществ используют в качестве лечебных средств (атропин, эзерин) или токсических агентов для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве (ФОС). Кроме того, все эти вещества применяют в качестве «химических инструментов» при исследованиях синапсов. В частности, меченый змеиный яд — α—бунгаротоксин — используют для выявления холинорецепторов, а также для выделения комплекса яд—холинорецептор из мембраны для последующего изучения изолированных холинорецепторов.

Трофические влияния, передаваемые через синапсы. Помимо передачи возбуждающих или тормозных сигналов, которые имеют функциональное значение, синапсы обеспечивают трофические (т. е. затрагивающие рост и дифференцировку) взаимодействия контактирующих клеток, реализуемые с помощью трофических факторов белковой природы (вероятно, аккумулируемых в «темных» везикулах).

 

Трофические факторы обеспечивают метаболическое поддержание необходимой структуры и свойств этих клеток. Двусторонние трофические взаимодействия предполагают во всех синапсах, но изучены главным образом ортодромные трофические влияния в нервно—мышечных синапсах позвоночных.

Наиболее отчетливые результаты в этом отношении получены на так называемых тонических нейромоторных единицах амфибий. У тонических единиц каждое мышечное волокно имеет множество холинергических синапсов от ветвей двух—трех малых (у) мотонейронов. Холинорецепторы у них сосредоточены в синаптических районах, а мышечная мембрана лишена электровозбудимости, в ней нет потенциалозависимых натриевых каналов, и, соответственно, не возникают проводящиеся ПД. Сокращения тонического волокна запускаются прямо от ВПСП, которые из—за множественности синапса электротонически действуют на все волокно.

Денервация тонических волокон (перерезка γ—аксонов) через некоторое время приводит к изменению их свойств. В денервированных волокнах холинорецепторы оккупируют всю поверхность их плазматической мембраны. Кроме того, в этой мембране появляются натриевые каналы, а следовательно, электровозбудимость. Последнее свидетельствует о том, что синтез макромолекул — натриевых каналов — здесь имеет место лишь при денервации. В нормальных условиях он репрессирован. Реиннервация (γ—аксонами) восстанавливает исходные свойства тонических волокон.

Анализ трофических явлений с оценкой скорости развития процессов и применением блокаторов быстрого аксотока (колхицин, винбластин) привел к заключению, что трофические факторы, регулирующие синтез и распределение холинорецепторов по мышечной мембране, передаются из перикариона γ—мотонейрона с быстрым аксотоком, трофические факторы, запрещающие синтез натриевых каналов, — с медленным аксотоком.

Денервация приводит к изменению свойств скелетных мышечных волокон и у млекопитающих: к замедлению быстрых мышц и ускорению медленных, т. е. к потере дифференцировки, достигнутой в онтогенезе.

Эффекты денервации мышц в какой—то мере имитируются действием токсинов, нарушающих синаптическую передачу, — ботулинового и дифтерийного токсинов.

Известны косвенные данные и о существовании антидромных трофических влияний в нейромоторных синапсах (дегенерация мотонейронов при потере их связи с мышечными клетками). Таким образом, относительно медленные и мало заметные трофические влияния через синапсы, идущие параллельно с осуществлением сигнальных функций, важны для поддержания (и развития) структур контактирующих клеток, а значит, и для поддержания и развития нормальной сигнальной функции синапсов.