Отличие потенциала действия от постсинаптического потенциала. Постсинаптические потенциалы

Открытие неспецифических каналов для катионов при взаимодействии ACh с ACh-рецептором приводит к сильному входящему току ионов Na+ и более слабому выходящему току ионов К+ на постсинаптической мембране. В конечном счете, в клетку течет больше положительных зарядов. Возникает локальная деполяризация мембраны, которая называется возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП).

Взаимодействуя с рецептором, молекулы ACh открывают неспецифические ионные каналы в постсинаптической мембране клетки так, что повышается их способность к проводимости для одновалентных катионов. Какие катионы проходят через каналы, зависит от электрохимических градиентов. Равновесный потенциал для натрия равен +55 мВ, а потенциал мембраны постсинаптической клетки лежит в диапазоне от -60 до -80 мВ. Таким образом, существует сильная движущая сила для натрия, и его ионы устремляются внутрь клетки и деполяризуют ее мембрану (рис. 21.5 , рис. 21.7). С другой стороны, канал проходим и для ионов К+, для которых сохраняется незначительный электрохимический градиент, направленный из внутриклеточной области к внеклеточной среде. Так как равновесный потенциал ионов К+ равен примерно -90 мВ, через постсинаптическую мембрану проходят и они, тем самым слегка противодействуя деполяризации, обусловленной входящим током ионов Na+. Работа данных каналов ведет к базовому входящему току положительных ионов и, следовательно, к деполяризации постсинаптической мембраны (ВПСП). На концевой пластинке нервно-мышечного синапса ВПСП называют также потенциалом концевой пластинки (ПКП) . Так как участвующие ионные токи зависят от разности равновесного потенциала и потенциала мембраны, то при уменьшенном потенциале покоя мембраны ток ионов Na+ ослабевает, а ток ионов К+ увеличивается, поэтому амплитуда ВПСП уменьшается.

Ионные токи, участвующие в возникновении ВПСП, ведут себя иначе нежели токи Na+ и К+ во время генерации потенциала действия. Причина в том, что в этом механизме участвуют другие ионные каналы с другими свойствами. В то время как при потенциале действия активируются потенциалуправляемые ионные каналы и с увеличивающейся деполяризацией открываются следующие каналы, так что процесс деполяризации усиливает сам себя, проводимость трансмиттеруправляемых (лигандуправляемых) каналов зависит только от количества молекул трансмиттера, связавшихся с молекулами рецептора (в результате чего открываются трансмиттеруправляемые ионные каналы), и, следовательно, от числа открытых ионных каналов. Амплитуда ВПСП лежит в диапазоне от 100 мкВ до 10 мВ. В зависимости от вида синапса общая продолжительность ВПСП находится в диапазоне от 5 до 100 мс.

Прежде всего, в зоне синапса локально образовавшийся ВПСП пассивно электротонически распространяется по всей постсинаптической мембране клетки. Это распространение не подчиняется закону "все или ничего". Если большое число синапсов возбуждается одновременно или почти одновременно, то возникает явление так называемой суммации, которое проявляется в виде возникновения ВПСП существенно большей амплитуды, что может деполяризовать мембрану всей постсинаптической клетки. Если величина этой деполяризации достигает в области постсинаптической мембраны определенного порогового значения (10 мВ или больше), то на аксонном холмике нервной клетки молниеносно открываются потенциалуправляемые Na+-каналы и она генерирует потенциал действия, проводящийся вдоль ее аксона. В случае моторной концевой пластинки это приводит к мышечному сокращению. От начала ВПСП до образования потенциала действия проходит еще около 0,3 мс, так что при обильном освобождении трансмиттера постсинаптический потенциал может появиться уже через 0,5-0,6 мс после пришедшего в пресинаптическую область потенциала действия.

В общих чертах, время "синаптической задержки", подразумевающее необходимое время между возникновением пре- и постсинаптического потенциала действия, всегда зависит от типа синапса.

Генерация потенциалов действия происходит в ближайшем к рецепторам перехвате Ранвье миелинизированных волокон или ближайшей к рецепторам части мембраны безмиелинового волокна. Минимальная сила адекватного стимула, достаточная для генерации потенциалов действия в первичном сенсорном нейроне, определяется как его абсолютный порог. Минимальный прирост силы стимула, сопровождающийся значимым изменением реакции сенсорного нейрона, представляет собой дифференциальный порог его чувствительности.

Информация о силе действующего на рецепторы стимула кодируется двумя способами: частотой потенциалов действия, возникающих в сенсорном нейроне (частотное кодирование), и числом сенсорных нейронов, возбудившихся в ответ на действие стимула. При увеличении силы действующего на рецепторы раздражителя повышается амплитуда рецепторного потенциала, что, как правило, сопровождается увеличением частоты потенциалов действия в сенсорном нейроне первого порядка. Чем шире имеющийся частотный диапазон потенциалов действия у сенсорных нейронов, тем большее число промежуточных значений силы раздражителя способна различать сенсорная система. Первичные сенсорные нейроны одинаковой модальности различаются порогом возбуждения, поэтому при действии слабых стимулов возбуждаются только наиболее чувствительные нейроны, но с увеличением силы раздражителя на него реагируют и менее чувствительные нейроны, имеющие более высокий порог раздражения. Чем больше первичных сенсорных нейронов возбудится одновременно, тем сильнее будет их совместное действие на общий нейрон второго порядка, что в итоге отразится на субъективной оценке интенсивности действующего раздражителя.

Длительность ощущения зависит от реального времени между началом и прекращением воздействия на рецепторы, а также от их способности уменьшать или даже прекращать генерацию нервных импульсов при продолжительном действии адекватного стимула. При длительном действии стимула порог чувствительности рецепторов к нему может повышаться, что определяется как адаптация рецепторов. Механизмы адаптации не одинаковы в рецепторах разных модальностей, среди них различают быстро адаптирующиеся (например, тактильные рецепторы кожи) и медленно адаптирующиеся рецепторы (например, проприоцепторы мышц и сухожилий). Быстро адаптирующиеся рецепторы сильнее возбуждаются в ответ на быстрое нарастание интенсивности стимула (фазический ответ), а их быстрая адаптация способствует освобождению восприятия от биологически незначительной информации (например, контакт между кожей и одеждой). Возбуждение медленно адаптирующихся рецепторов мало зависит от скорости изменения стимула и сохраняется при его длительном действии (тонический ответ), поэтому, например, медленная адаптация проприоцепторов позволяет человеку получать нужную ему для сохранения позы информацию в течение всего необходимого времени.

Существуют сенсорные нейроны, генерирующие потенциалы действия спонтанно, т. е. при отсутствии раздражения (например, сенсорные нейроны вестибулярной системы), такая активность называется фоновой. Частота нервных импульсов в этих нейронах может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от интенсивности действующего на вторичные рецепторы стимула, кроме того, она может определяться направлением, в котором отклоняются чувствительные волоски механорецепторов. Например, отклонение волосков вторичных механорецепторов в одну сторону сопровождается повышением фоновой активности сенсорного нейрона, которому они принадлежат, а в противоположную сторону - понижением его фоновой активности. Указанный способ рецепции позволяет получать информацию и об интенсивности стимула, и о направлении, в котором он действует.

4 Торможение в ЦНС

Торможение в центральной нервной системе впервые открыто в 1862 г. И. М. Сеченовым в опыте раздражения мозга лягушки на уровне зрительных чертогов, где расположена узкая полоска серого вещества стволовой части мозга, - гомолог подбугорной области мозга высших животных и человека. Наложение на поперечный разрез мозга в области зрительных чертогов кристаллика хлористого натрия вызывает увеличение времени (торможение) спинномозгового двигательного рефлекса, вызываемого погружением лапки лягушки в слабый раствор кислоты. Несколько позже И. М. Сеченов установил, что при одновременном раздражении двух афферентных нервов, несущих возбуждение в спинной мозг, более сильное раздражение тормозит рефлекс на более слабое, например, ущемление пинцетом правой лапки лягушки вызывает удлинение времени рефлекса на кислоту (вплоть до полного его выпадения) левой лапки.
В опытах И. М. Сеченова торможение одних нервных центров воз­никает как результат возбуждения центров других, - как явление, сопутствующее возбуждению в центральной нервной системе. Первона­чальное предположение И. М. Сеченова о наличии специально тормозя­щих нервных центров отпало, так как оказалось (в опытах его ученика В. В. Пашутина - одного из основоположников патологической физио­логии в России), что при раздражении зрительных чертогов лягушки в ряде опытов наступает не замедление спинальных двигательных реф­лексов, а их ускорение. Механизмы возникновения торможения в опытах И. М. Сеченова различные. Раздражение в области зрительных чертогов - центра вегетативной нервной системы - вызывает сеченовское торможение только при сохраненной симпатической цепочке и потому рассматривается как результат трофических сдвигов, передающихся по симпатическим нервным волокнам на спинной мозг (А. В. Тонких, лаборатория Л. А. Орбели). Торможение кислотного двигательного рефлекса, возникающее в результате одновременного механического раздражения кожных рецепторов другой конечности, является результатом индукционных отношений, обусловливающих подавление конкурирующих нервных центров.

Торможение - особый нервный процесс, который обусловливается возбуждением и внешне проявляется угнетением другого возбуждения. Оно способно активно распространяться нервной клеткой и ее отростками. Основал учение о центральноv торможение И. М. Сеченов (1863), который заметил, что изгибающий рефлекс лягушки тормозится при химическом раздражении среднего мозга. Торможение играет важную роль в деятельности ЦНС, а именно: в координации рефлексов; в поведении человека и животных; в регуляции деятельности внутренних органов и систем; в осуществлении защитной функции нервных клеток.

Типы торможения в ЦНС

Центральное торможение распределяется по локализации на пре- и постсинаптическое;
по характеру поляризации (зарядом мембраны) - на гипер-и деполяризации; по строению тормозных нейронных цепей - на реципрокное, или соединенное, обратное и латеральное.

Пресинаптическое торможение , как свидетельствует название, локализуется в пресинаптических элементах и связано с угнетением проведения нервных импульсов в аксональных (пресинаптических) окончаниях. Гистологическим субстратом такого торможения является аксональные синапсы. К возбуждающему аксону подходит вставной тормозной аксон, который выделяет тормозной медиатор ГАМК. Этот медиатор действует на постсинаптическую мембрану, которая является мембраной возбуждающего аксона, и вызывает в ней деполяризацию. Возникшая деполяризация тормозит вход Са2 + из синаптической щели в заключение возбуждающего аксона и таким образом приводит к снижению выброса возбуждающего медиатора в синаптическую щель, торможение реакции. Пресинаптическое торможение достигает максимума через 15-20 мс и длится около 150 мс, то есть гораздо дольше, чем постсинаптическое торможение. Пресинаптическое торможение блокируется судорожными ядами - бикулином и пикротоксин, которые являются конкурентными антагонистами ГАМК.

Постсинаптическое торможение (ГПСП) обусловлено выделением пресинаптическим окончанием аксона тормозного медиатора, который снижает или тормозит возбудимость мембран сомы и дендритов нервной клетки, с которой он контактирует. Оно связано с существованием тормозных нейронов, аксоны которых образуют на соме и дендритах клеток нервных окончаний, выделяя тормозные медиаторы - ГАМК и глицин. Под влиянием этих медиаторов возникает торможение возбуждающих нейронов. Примерами тормозных нейронов являются клетки Реншоу в спинном мозге, нейроны грушевидные (клетки Пуркинье мозжечка), звездчатые клетки коры большого, мозга и др..
Исследованием П. Г. Костюка (1977) доказано, что постсинаптического торможения связано с первичной гиперполяризацией мембраны сомы нейрона, в основе которой лежит повышение проницаемости постсинаптической мембраны для К +. Вследствие гиперполяризации уровень мембранного потенциала удаляется от критического (порогового) уровня. То есть происходит его увеличение - гиперполяризация. Это приводит к торможению нейрона. Такой вид торможения называется гиперполяризационным.
Амплитуда и полярность ГПСП зависят от исходного уровня мембранного потенциала самого нейрона. Механизм этого явления связан с Сl + . С началом развития ТПСП Сl - входит в клетку. Когда в клетке становится его больше, чем снаружи, глицин конформирует мембрану и через открытые ее отверстия Сl + выходит из клетки. В ней уменьшается количество отрицательных зарядов, развивается деполяризация. Такой вид торможения называется деполяризационным.

Постсинаптическое торможение локальное. Развивается оно градуально, способное к суммации, не оставляет после себя рефрактерности. Является более оперативным, четко адресованным и универсальным тормозным механизмом. По своей сути это «центральное торможение», которое было описано в свое время Ch. S. Sherrington (1906).
В зависимости от структуры тормозного нейронного цепочки, различают следующие формы постсинаптического торможения: реципрокное, обратное и латеральное, которое является собственно разновидностью обратного.

Реципрокное (сочетанное) торможение характеризуется тем, что в том случае, когда при активизации афферентов возбуждаются, например, мотонейроны мышц-сгибателей, то одновременно (на этой стороне) тормозятся мотонейроны мышц-разгибателей, действующие на этот же сустав. Происходит это потому, что афференты от мышечных веретен образуют возбуждающие синапсы на мотонейронах мышц-агонистов, а через посредство вставного тормозного нейрона - тормозные синапсы на мотонейронах мышц-антагонистов. С физиологической точки зрения такое торможение очень выгодно, поскольку облегчает движение сустава «автоматически», без дополнительного произвольного или непроизвольного контроля.

Обратное торможение . В этом случае от аксонов мотонейрона отходит одна или несколько коллатералей, которые направляются в вставных тормозных нейронов, например, клеток Реншоу. В свою очередь, клетки Реншоу образуют тормозные синапсы на мотонейроны. В случае возбуждения мотонейрона активизируются и клетки Реншоу, вследствие чего происходит гиперполяризация мембраны мотонейрона и тормозится его деятельность. Чем больше возбуждается мотонейрон, тем больше ощутимые тормозные влияния через клетки Реншоу. Таким образом, обратное постсинаптическое торможение функционирует по принципу отрицательной обратной связи. Есть предположение, что этот вид торможения требуется для саморегуляции возбуждения нейронов, а также для предотвращения их перевозбуждению и судорожным реакциям.

Латеральное торможение. Тормозная цепь нейронов характеризуется тем, что вставные тормозные нейроны влияют не только на воспаленную клетку, но и на соседние нейроны, в которых возбуждение является слабым или вовсе отсутствует. Такое торможение называется латеральным, поскольку участок торможения, который образуется, содержится сбоку (латерально) от возбужденного нейрона. Оно играет особенно важную роль в сенсорных системах, создавая явление контраста.

Постсинаптическое торможения преимущественно легко снимается при введении стрихнина, который конкурирует с тормозным медиатором (глицином) на постсинаптической мембране. Столбнячный токсин также подавляет постсинаптическое торможение, нарушая высвобождение медиатора из тормозных пресинаптических окончаний. Поэтому введение стрихнина или столбнячного токсина сопровождается судорогами, которые возникают вследствии резкого усиления процесса возбуждения в ЦНС, в частности, мотонейронов.
В связи с раскрытием ионных механизмов постсинаптического торможения появилась возможность и для объяснения механизма действия Вr. Натриq бромид в оптимальных дозах широко применяется в клинической практике как седативное (успокоительное) средство. Доказано, что такой эффект натрия бромида связан с усилением постсинаптического торможения в ЦНС.

Роль различных видов центрального торможения

Главная роль центрального торможения заключается в том, чтобы во взаимодействии с центральным возбуждением обеспечивать возможность анализа и синтеза в ЦНС нервных сигналов, а следовательно, возможность согласования всех функций организма между собой и с окружающей средой. Эту роль центрального торможения называют координационной. Некоторые виды центрального торможения выполняют не только координационную, а и защитную (охранную) роль. Предполагают, что основная координационная роль пресинаптического торможения заключается в угнетении в ЦНС малосущественными афферентными сигналами. За счет прямого постсинаптического торможения согласуется деятельность антагонистических центров. Обратное торможение, ограничивая максимально возможную частоту разрядов мотонейронов спинного мозга, выполняет и координационную роль (согласовывает максимальную частоту разрядов мотонейронов со скоростью сокращения мышечных волокон, которые они иннервируют) и защитную (предотвращает возбуждению мотонейронов). У млекопитающих этот вид торможения распространен в основном в спинномозговых афферентных системах. В высших отделах мозга, а именно в корковом веществе большого мозга, доминирует постсинаптическое торможение.

Пресинаптическое торможение (лат. praе -впереди чего-либо + греч. sunapsis соприкосновение, соединение) - частный случай синаптических тормозных процессов, проявляющихся в подавлении активности нейрона в результате уменьшения эффективности действия возбуждающих синапсов еще на пресинаптическом звене путем угнетения процесса высвобождения медиатора возбуждающими нервными окончаниями. В этом случае свойства постсинаптической мембраны не подвергаются каким-либо изменениям.

6Пресинаптическое торможение осуществляется посредством специальных тормозных интернейронов. Его структурной основой являются аксо-аксональные синапсы, образованные терминалиями аксонов тормозных интернейронов и аксональными окончаниями возбуждающих нейронов.Деполяризация вызывает уменьшение амплитуды потенциала действия, приходящего в возбуждающее окончание аксона. В результате происходит угнетение процесса высвобождения медиатора возбуждающими нервными окончаниями и снижение амплитуды возбуждающего постсинаптического потенциала.

При этом окончание аксона тормозного нейрона является пресимпатическим по отношению к терминали возбуждающего нейрона, которая оказывается постсинаптической по отношению к тормозному окончанию и пресинаптической по отношению к активируемой им нервной клетки. В окончаниях пресинаптического тормозного аксона освобождается медиатор, который вызывает деполяризацию возбуждающих окончаний за счет увеличения проницаемости их мембраны для CI.

Характерной особенностью пресинаптической деполяризации является замедленное развитие и большая длительность (несколько сотен миллисекунд), даже после одиночного афферентного импульса.

Какое функциональное значение пресинаптического торможения? За его счет осуществляется воздействие не только на собственный рефлекторный аппарат спинного мозга, но и на синаптические переключения ряда восходящих по головному мозгу трактов. Известно также о нисходящем пресинаптическом торможении первичных афферентных волокон группы Аа и кожных афферентов. В этом случае пресинаптическое торможение является, очевидно, первым «ярусом» активного ограничения информации, поступающей извне. В ЦНС, особенно в спинном мозге, пресинаптическое торможение часто выступает в роли своеобразной отрицательной обратной связи, которая ограничивает афферентную импульсацию при сильных (например, патологических) раздражениях и таким образом отчасти выполняет защитную функцию по отношению спинномозговых и выше расположенных центров.
Функциональные свойства синапсов не являются постоянными. В некоторых условиях эффективность их деятельности может расти или уменьшаться. Обычно при высоких частотах раздражения (несколько сот за 1 с) в течение нескольких секунд или даже минут облегчается синаптическая передача. Это явление получило название синаптической потенциации. Такая синаптическая потенциация может наблюдаться и по окончании тетанической стимуляции. Тогда она будет называться посттетанической потенциацией (ПТП). В основе ПТП (долговременного увеличения эффективности связи между нейронами), вполне вероятно, лежат изменения функциональных возможностей пресинаптического волокна, а именно его гиперполяризация. В свою очередь, это сопровождается повышением выхода медиатора в синаптическую щель и появлением увеличенного ВПСП в постсинаптической структуре. Есть данные и о структурных изменениях при ПТП (набухание и рост пресинаптических окончаний, сужение синаптической щели т.д.).
ПТП гораздо лучше выражена в высших отделах ЦНС (например, в гиппокампе, пирамидных нейронах коры большого мозга) по сравнению с спинномозговыми нейронами. Наряду с ПТП в синаптическом аппарате может возникать постактивационная депрессия, выражающаяся уменьшением амплитуды ВПСП. Эту депрессию многие исследователи связывают с ослаблением чувствительности к действию медиатора (десенсибилизации) постсинаптической мембраны или различным соотношением затрат и мобилизации медиатора.
С пластичностью синаптических процессов, в частности с ПТП, возможно, связаны формирования новых межнейронных связей в ЦНС и их закрепление, т.е. механизмы обучения и памяти. Вместе с тем следует признать, что пластические свойства центральных синапсов изучены пока недостаточно.

Действие медиатора на постсинаптическую мембрану химического синапса приводит к возникновению в ней постсинаптического потенциала. Постсинаптические потенциалы могут быть двух типов: деполяризующие (возбуждающие) и гиперполяризующие (тормозные) (рис. 5.5).

Возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) обусловлены суммарным входящим током положительных зарядов внутрь клетки. Такой ток может возникнуть в результате повышения проводимости мембраны для натрия, калия и, возможно, других ионов (например, кальция).

Рис. 5.5.

а - активация только возбуждающего синапса; б - активация только тормозного синапса; в - активация и возбуждающего, и тормозного синапсов

В результате мембранный потенциал смещается по направлению к нулю (становится менее отрицательным). Фактически величина ВИСИ зависит от того, какие ионы переместились через мембрану и каково соотношение проницаемостей для этих ионов. Перемещения различных ионов происходят одновременно, и их интенсивность зависит от количества выделившегося медиатора.

Таким образом, постсинаптические потенциалы представляют собой градуальные реакции (их амплитуда зависит от количества выделившегося медиатора или силы стимула). Этим они отличаются от потенциала действия, который подчиняется закону «все или ничего».

ВИСИ необходим для генерации нервного импульса (ИД). Это происходит в том случае, если ВИСИ достигнет порового значения. После этого процессы становятся необратимыми, и возникает ПД. Итак, возбуждение в клетках может возникать по разным причинам (рис. 5.6), но в любом случае для его развития должно произойти изменение проницаемости мембраны для ионов. По аналогичным механизмам развивается и торможение.

Рис. 5.6.

Если в мембране открываются каналы, обеспечивающие суммарный выходящий ток положительных зарядов (ионов калия) или входящий ток отрицательных зарядов (ионов хлора), то в клетке развивается тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП). Такие токи приведут к удержанию мембранного потенциала на уровне потенциала покоя или к некоторой гиперполяризации.

Прямое химическое синаптическое торможение происходит при активации каналов для отрицательно заряженных ионов хлора. Стимуляция тормозных входов вызывает небольшую гиперполяризацию клетки - тормозный постсинаптический потенциал. В качестве медиаторов, вызывающих ТГТСП, обнаружены глицин и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК); их рецепторы связаны с каналами для хлора, и при взаимодействии этих медиаторов со своими рецепторами происходит движение ионов хлора внутрь клетки и увеличение мембранного потенциала (до -90 или -100 мВ). Этот процесс называется постсинаптическое торможение.

Однако в ряде случаев торможение не может быть объяснено только в рамках постсинаптического изменения проводимости. Дж. Экклсом и его сотрудниками был открыт дополнительный механизм торможения в спинном мозге млекопитающих: пресинаптическое торможение. В результате пресинаптического торможения происходит уменьшение высвобождения медиатора из возбуждающих окончаний. При пресинаитическом торможении тормозные аксоны устанавливают синаптический контакт с окончаниями возбуждающих аксонов. В качестве медиатора пресинаптического торможения чаще всего встречается ГАМК. В результате действия ГАМК на пресинаптическое окончание также происходит значительное увеличение проводимости для хлора и в результате - снижение амплитуды ПД в пресинаптическом окончании.

Функциональное значение этих двух видов торможений в ЦНС сильно различается. Постсинаптическое торможение уменьшает возбудимость всей клетки в целом, делая ее менее чувствительной ко всем возбуждающим входам. Пресинаптическое торможение гораздо более специфично и избирательно. Оно направлено на определенный вход, давая возможность клетке интегрировать информацию из других входов.

Выше было рассмотрено возникновение ПД в результате искусственного деполяризующего действия электрического тока. Естественно, в реальных условиях ПД генерируется в результате определенных физиологических процессов. Эти процессы протекают в синапсах. Когда ПД, распространяясь по мембране, достигает пресинаптического окончания, это приводит к выделению медиатора в синаптическую щель.

На постсинаптической мембране находятся рецепторы - сложные белковые молекулы, с которыми способен соединяться медиатор. Образовавшийся комплекс является “запускающим звеном” в цепи биохимических реакций, приводящих к открыванию хемочувствительных ионных каналов . Благодаря таким каналам - натриевым, калиевым, хлорным, кальциевым – генерируются постсинаптические потенциалы (ПСП), как возбуждающие, так и тормозные. Хемочувствительные ионные каналы обычно открываются на 3-5 мс.

Разные медиаторы вызывают открывание различных каналов. Открывание на постсинаптической мембране натриевых или кальциевых каналов вызывает вход в клетку ионов Na + (Са 2+) и небольшую деполяризацию нейрона. Во время этой деполяризации разность потенциалов на мембране оказывается ближе к порогу запуска ПД. Поэтому, меньший, чем обычно, стимул может вызвать реакцию нейрона – то есть нервная клетка находится в относительно возбужденном состоянии. В связи с этим локальная деполяризация мембраны под действием медиатора была названа возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП).

Открывание хемочувствительных Cl - -каналов приводит к входу в клетку ионов хлора; открывание К + -каналов – к выходу ионов калия. И в том, и в другом случае возникает небольшая гиперполяризация, и разность потенциалов на мембране нейрона увеличивается по абсолютной величине. На этом фоне для запуска ПД необходим больший, чем обычно, стимул. Следовательно, нервная клетка находится в относительно заторможенном состоянии. В связи с этим локальная гиперполяризация мембраны под действием медиатора была названа тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП).

В отличие от потенциала действия постсинаптические потенциалы (ПСП) развиваются не по закону «все или ничего», а градуально, т.е. могут быть больше или меньше. Величина ПСП пропорциональна количеству медиатора, выделившегося в синаптическую щель. Медиатор выделяется из пресинапса небольшими порциями – квантами, соответствующими объему везикулы. В каждой везикуле содержится несколько тысяч молекул медиатора. Соответственно этому один квант медиатора вызывает небольшой ПСП (миниатюрный ПСП), величиной 0,1-0,6 мВ. Еще одно отличие ПСП от ПД заключается в том, что ПСП не распространяются по мембране нейрона.

Усредненные параметры ВПСП и ТПСП близки. Их длительность составляет обычно около 10 мс (иногда – 50-100 мс), что существенно больше, чем в случае ПД. Амплитуда ВПСП и ТПСП определяется длительностью и крутизной наклона их первой фазы. Она, в свою очередь, зависит от количества и длительности присутствия медиатора в синаптической щели. Амплитуда одиночных постсинаптических потенциалов в ЦНС составляет 1-5 мВ. В крупном нервно-мышечном синапсе аналог ВПСП – так называемый потенциал концевой пластинки, достигает 40 и более мВ. Время, которое затрачивается на проведение возбуждения через синаптическую щель, называется синаптической задержкой. Оно составляет примерно 1 мс.

Понятно, что в подавляющем большинстве случаев (кроме потенциала концевой пластинки) одиночный ВПСП не способен вызвать ПД. Возбуждение, вызываемое медиатором, просто не дорастает до порогового уровня. Поэтому для достижения порога запуска ПД необходима суммация (наложение) нескольких ВПСП. Выделяют два варианта суммации – временную и пространственную . В первом случае происходит наложение эффектов стимулов, пришедших на один синапс с большой частотой. Действительно, если к еще не угасшему ВПСП присоединить второй, затем третий и т.д. – возникнет реальная возможность запустить ПД. В реальных ситуациях это означает, что сигнал, достигший синапса, достаточно интенсивен и "заслуживает" того, чтобы быть переданным дальше по сети нейронов. Пространственная суммация заключатся в наложении друг на друга ВПСП соседних синапсов в некоторой близлежащей к ним области электрочувствительной мембраны. Электрочувствительной называют мембрану, обладающую потенциалзависимыми ионными каналами. Мембрану, обладающую лигандзависимыми ионными каналами, называют, соответственно, хемочувствительной.

В случае реальной деятельности нейронов эффекты пространственной и временной суммации объединяются. И чем больше синапсов участвуют в этом процессе (то есть срабатывают относительно одномоментно), тем больше вероятность достичь порога запуска ПД. При этом часть синапсов может обладать тормозными свойствами и вызывать ТПСП. Следовательно, их эффекты будут вычитаться из суммы возбуждающих влияний. В целом же в первом приближении условие запуска ПД в каждый момент времени можно определить следующим образом:

å ВПСП - å ТПСП ³ порог запуска ПД

Однако оценить вклад конкретных постсинаптических потенциалов в этот результат весьма непросто. Дело в том, что их влияние быстро затухает по мере удаления от места возникновения. Кроме того, затухание в отростках происходит быстрее, чем в теле нейрона, и тем быстрее, чем тоньше отросток. Наконец, электрочувствительная мембрана нейрона в разных местах имеет несколько разную возбудимость. Она максимальна в аксонном холмике (месте отхождения аксона от тела нейрона) и в местах первого ветвления крупных дендритов. В итоге оказывается, что чем ближе конкретный синапс к этим точкам, тем больше его вклад в управление генерацией ПД. Одного ТПСП, возникшего рядом с аксонным холмиком может оказаться достаточно для прекращения проведения сигнала.

Процесс суммирования ВПСП и ТПСП, возникших в разных синапсах, является, по сути дела, основной вычислительной операцией, протекающей на нейронах ЦНС. При ее реализации сигналы имеют возможность "подтвердить" свою значимость, могут объединиться с другими сигналами и сформировать некоторый "информационный образ", могут быть заблокированы (при наличии определенных условий – сигналов по тормозным каналам) и т.п. Из этого следует, что наиболее элементарной структурной и функциональной единицей ЦНС является не нейрон, а именно синапс. Способность ЦНС выполнять сложные вычислительные операции, таким образом, определяется не ее общим весом и даже не числом нейронов, а количеством синапсов. Это количество в мозгу человека измеряется, по-видимому, десятками триллионов. Более того, по мере индивидуального онтогенеза мозг способен формировать дополнительные синапсы, увеличивая свои потенциальные возможности. Особенно интенсивно этот процесс идет в раннем постнатальном периоде, когда нервная система настраивается на предстоящий уровень информационной нагрузки.

Итак, информация в нейронной сети передается следующим образом: из пресинаптического окончания выделяется возбуждающий (вызывающий ВПСП) медиатор, в постсинаптическом нейроне возникает ПД, он распространяется по аксону до его конца, там снова выбрасывается медиатор и т.д. Каждый вновь образующийся ПД одинаков по величине (закон «все или ничего»). В результате, сигнал распространяется быстро и без затухания.

Однако, распространение информации в нервной системе должно иметь какую-то отправную точку. В связи с этим возникает вопрос – откуда же берется первый ВПСП? Ответ звучит так: он возникает в специальных сенсорных образованиях, воспринимающих воздействия из внешнего мира или внутренней среды организма. В результате возникают изменения проницаемости клеточных мембран. Они приводят к развитию особых рецепторных потенциалов, сходных по свойствам с ПСП, а в конечном итоге – к генерации ПД в чувствительном нерве. По существу, сенсорные образования разных типов переводят многочисленные формы энергии (химической, механической, световой, тепловой) на единый язык нервных сигналов, понятный мозгу.

Медиаторы нервной системы

Жизненный цикл медиатора

Этот и следующие разделы данного пособия посвящены химическим аспектам работы нервной системы, описанию различных медиаторных систем и психотропных препаратов. Однако, прежде чем перейти к конкретным веществам, осуществляющим и регулирующим синаптическую передачу, следует рассмотреть жизненный цикл "обобщенного" медиатора. Он включает в себя следующие стадии: синтез, загрузку в везикулу и транспорт в пресинаптическое окончание; выделение в синаптическую щель; связывание с рецептором на постсинаптической мембране; инактивацию.

Образование медиатора часто происходит непосредственно в пресинаптическом окончании. Это возможно тогда, когда процесс синтеза является химически относительно простым и не требует каких-либо труднодоступных предшественников. Если эти условия не выполняются, образование медиатора идет в теле нейрона. Особенно это характерно для пептидных медиаторов, возникающих в результате "вырезания" из более крупных белковых молекул. С синтезом каждого конкретного медиатора связаны специфические ферменты, осуществляющие соответствующие реакции. От их количества и активности в конечном счете зависит активность медиаторной системы.

Синтезированные в теле нейрона молекулы медиатора переносятся сначала в эндоплазматическую сеть, а затем в аппарат Гольджи. Этот органоид обеспечивает экзоцитоз медиаторов, предварительно упаковывая их в мембранные пузырьки – везикулы. Образовавшиеся везикулы с помощью быстрого аксонного транспорта переносятся в пресинаптические окончания.

В случае, когда медиатор синтезируется сразу в пресинаптическом окончании, аппарат Гольджи способен формировать пустые везикулы. Они аналогичным образом переносятся по аксону. Заполнение пузырьков медиатором осуществляется непосредственно в пресинаптическом окончании (за счет работы специальных молекулярных насосов). Число скапливающихся в пресинаптичеком окончании везикул измеряется тысячами. Истощение запасов медиатора даже при интенсивной передаче информации происходит весьма редко (обычно на фоне действия специальных фармакологических агентов).

Каждый нейрон производит только один основной медиатор (ацетилхолин, дофамин и т.п.). Однако в пресинаптическом окончании нередко можно обнаружить и другие вещества, способные к передаче нервных сигналов. Это так называемые комедиаторы (например, пептиды). Они обнаруживаются в очень небольших количествах и обычно находятся в везикулах, отличающихся по форме и размеру от пузырьков с основным медиатором.

Выброс содержимого везикул запускается в момент прихода в пресинаптическое окончание потенциала действия (рис. 10). При этом, по существу, происходит превращение электрического сигнала в химический. Такое превращение представляет собой довольно сложную задачу и реализуется в несколько этапов. Первый из них заключается в открывании потенциал-зависимых Са 2+ -каналов .

Каналы подобного рода широко распространены в нервной системе. В данном случае они находятся в мембране пресинаптического окончания и открываются при его деполяризации, которая вызывается приходом ПД. В результате в клетку входит определенная порция ионов Са 2+ , и их содержание внутри окончания возрастает в 10-100 раз. Понятно, что чем больше концентрация Са 2+ во внешней среде, тем больше будет число вошедших ионов.

Основное назначение ионов Са 2+ в пресинаптическом окончании – это воздействие на сложный белковый комплекс, встроенный в мембрану везикул. Комплекс этот включает белки, ответственные за фиксацию ("заякоривание") пузырька в цитоплазме пресинаптического окончания и за его контакт с пресинаптической мембраной. Под действием Са 2+ (предполагается, что для этого нужно четыре иона) везикула приходит в движение. Достигая пресинаптической мембраны, пузырек "слипается" с ней, в результате чего медиатор попадает в синаптическую щель. Весь этот процесс протекает очень быстро – в течение 1-5 мс. Интересно, что примерно через 10 с можно наблюдать процесс восстановления везикул: они отделяются от пресинаптической мембраны и возвращаются в пресинаптическое окончание. В дальнейшем эти пустые пузырьки могут быть вновь заполнены медиатором.

Интересно, что через кальциевые каналы способны проникать и ионы Mg 2+ , конкурируя с кальцием. Следовательно, появление в межклеточной среде магния уменьшает итоговое число вошедшего в окончание кальция. Поэтому введение большого количества Mg 2+ , (например, в форме магнезии – MgSo 4) приводит к уменьшению выброса медиатора и, следовательно, к ослаблению синаптической передачи сигналов.

Попав в синаптическую щель, медиатор менее чем за 1 мс вступает во взаимодействие со встроенными в пресинаптическую мембрану специализированными белковыми рецепторами. Пространственная организация такого рецептора предусматривает существование у него "активного центра" - участка в белковой молекуле, имеющего определенную форму и распределение зарядов. Такому участку строго соответствует пространственная конфигурация медиатора и распределение зарядов на его молекуле. Активный центр рецептора и медиатор способны формировать комплекс (по принципу «ключ к замку»). Непосредственным следствием этого является активация рецептора, а следствием относительно отдаленным – развитие постсинаптических потенциалов и запуск ПД.

Контакт медиатора и рецептора может приводить к разным последствиям в зависимости от того, к какому типу принадлежит тот или иной конкретный рецептор. Типов этих, в наиболее общем случае, выделяют два – ионотропные и метаботропные рецепторы.

Активация метаботропного рецептора (рис. 11) приводит к изменению внутриклеточного метаболизма, то есть течения некоторых биохимических реакций. С внутренней стороны мембраны к такому рецептору присоединен целый ряд других белков, выполняющих частью ферментативные, частью передающие ("посреднические") функции. Белки-посредники относятся к группе G-белков. Под влиянием активированного рецептора G-белок воздействует на белок-фермент, переводя его в активное "рабочее" состояние. Это значит, что запускается определенная химическая реакция. Суть ее состоит в том, что некоторая молекула-предшественник превращается в сигнальную молекулу – вторичный посредник.

Вторичные посредники - это мелкие, способные к быстрому перемещению молекулы или ионы, передающие сигнал внутри клетки. Этим они отличаются от "первичных посредников" – медиаторов и гормонов, передающих информацию от клетки к клетке. Наиболее известным вторичным посредником является цАМФ (циклическая аденозин-моно-фосфорная кислота), образуемая из АТФ с помощью фермента аденилатциклазы. Похожа на него цГМФ (гуанозин-моно-фосфорная кислота). Другими важнейшими вторичными посредниками являются инозитолтрифосфат и диацилглицерол, образуемые из компонентов клеточной мембраны. Чрезвычайно велика роль Са 2+ , входящего в клетку снаружи через ионные каналы или высвобождающегося из особых мест хранения внутри клетки ("депо" кальция). В последнее время много вниманию уделяется очень короткоживущему вторичному посреднику NO (оксиду азота). Показано, что NO способен передавать сигнал не только внутри клетки, но и между клетками (в том числе от постсинаптического нейрона к пресинаптическому).

Заключительный шаг в передаче химического сигнала – воздействие вторичного посредника на хемочувствительный ионный канал. Это воздействие протекает либо непосредственно, либо через дополнительные промежуточные звенья (например, ферменты). В любом случае происходит открывание ионного канала и развитие ВПСП либо ТПСП. Продолжительность и амплитуда их первой фазы будет определяться количеством вторичного посредника, которое, в свою очередь, зависит от количества выделившегося медиатора и длительности его взамодействия с рецептором.

Таким образом, механизм передачи нервного стимула, используемый метаботропными рецепторами, включат в себя несколько последовательных этапов. На каждом из них возможна регуляция (ослабление либо усиление) сигнала, что делает реакцию постсинаптической клетки более гибкой и адаптированным к текущим условиям. Вместе с тем, это же приводит к замедлению процесса передачи информации. Вот почему в ходе эволюции возникла потребность в более быстром пути проведения сигналов, в результате чего появились ионотропные рецепторы .

В случае ионотропного рецептора (см. рис. 13) чувствительная молекула содержит не только активный центр для связывания медиатора, но также ионный канал. Воздействие медиатора на рецептор приводит к практически мгновенному открыванию канала и развитию постсинаптического потенциала. По такому принципу работают, например, нервно-мышечные синапсы.

Инактивация является заключительным этапом жизненного цикла медиатора. Смысл этой стадии состоит в прекращении его действия на рецептор (прерывание сигнала). Действительно, ПД, распространяющиеся по мембране нервных клеток, являются дискретными, ограниченными во времени событиями. Для адекватной передачи сигнала с нейрона на нейрон эта дискретность должна сохраняться. Соответственно, синаптическая передача также должна быть ограничена во времени и иметь механизмы не только запуска, но и прекращения.

В простейшем случае инактивация осуществляется прямо в синаптической цели. При этом фермент эффективно разрушает все свободно плавающие молекулы медиатора. Конечно, часть из них все же успевает достичь постсинаптической мембраны. Однако и их связь с активными центрами рецепторов не является абсолютно стабильной. Дело в том, что взаимодействие лиганд-рецептор является обычно вероятностным. Это значит, что реально молекула медиатора находится в связи с активным центром, скажем, 2/3 времени, но 1/3 – свободно плавает в синаптической щели. Именно в этот момент она и может быть инактивирована.

Второй способ инактивации предполагает всасывание медиатора из синаптической щели с помощью особых белков-насосов. Эти белки могут находиться либо на мембранах глиальных клеток либо на пресинаптической мембране. В первом случае медиатор быстро переносится внутрь глиальных клеток, после чего разрушается специализированным ферментом. Во втором случае медиатор возвращается в пресинаптическое окончание (обратный захват ). В дальнейшем он также может быть разрушен, но может и повторно загружаться в пустые везикулы. Последний вариант позволяет наиболее экономно расходовать те медиаторы, синтез которых связан для нейрона с определенными проблемами (мало предшественника, длительная цепочка реакций и т.п.).

Скорость процесса инактивации определяет общее время воздействия медиатора на рецептор. Именно от этого в конечном итоге зависит амплитуда постсинаптических потенциалов, а, значит, запуск ПД и продолжение проведения сигнала по нейронной сети. При повреждении элементов системы инактивации мы наблюдаем значительное увеличение эффективности синаптической передачи. Действительно, в этом случае выделившийся медиатор будет значительно дольше воздействовать на рецепторы, и амплитуда ВПСП либо ТПСП заметно возрастет.

Все нейроны делятся на типы в зависимости от медиатора, который они вырабатывают. При этом к названию медиатора прибавляется “-ергический”. Так, ацетилхолинергические нейроны, синтезирующие ацетилхолин, образуют ацетилхолинергическую систему, нейроны, синтезирующие глутаминовую кислоту – глутаматергическую систему и т.д.

Нейрон может быть связан с нейронами как своей медиаторной системы, так и других систем. Дело усложняется тем, что, как правило, рецепторов к одному медиатору не один тип, а два и более, причем для одного медиатора могут существовать как ионотропные, так и метаботропные рецепторы.

Вещества, влияющие на различные этапы жизненного цикла медиаторов, имеют огромное значение для жизни человека. Они образуют группу так называемых психотропных препаратов – соединений, влияющих на различные аспекты деятельности мозга: общий уровень активности, память, эмоциональные переживания и др. При этом наиболее часто используются вещества, изменяющие взаимодействие рецептора и медиатора, а также влияющие на хемочувствительные ионные каналы.

Вводя в организм молекулы, сходные по структуре с медиатором, можно наблюдать, как они соединяются с активными центрами соответствующих рецепторов и возбуждают их. В результате эффект применяемого препарата будет аналогичен действию самого медиатора. Вещества такого рода называют агонистами медиатора. Влияние агонистов на синапс нередко оказывается очень длительным и эффективным. Это объясняется тем, что прочность их связывания с рецепторами нередко больше, чем у медиатора, а системы инактивации не способны быстро удалить агонист из синаптической щели.

В более сложном случае вводимые извне молекулы лишь частично похожи на медиатор. Тогда, соединяясь с активными центрами рецепторов, они будут их занимать (т.е. прекращать к ним доступ медиатора; конкурировать с ним), но не будут возбуждать рецептор. В результате эффект применяемого препарата будет противоположен действию медиатора. Вещества такого рода называют конкурентными антагонистами (блокаторами) медиатора. Существует также понятие неконкуретного антагониста. В этом варианте вводимый препарат нарушает действие медиатора, блокируя хемочувствительные ионные каналы.

Часть агонистов и антагонистов медиаторов являются веществами природного происхождения. Их существование – результат длительных эволюционных процессов, в ходе которых одни живые организмы (прежде всего, растения) "изобретали" вещества, защищающие их от поедания другими организмами. Природными психотропными препаратами являются и яды животных-охотников (змеи, пауки и т.п.).

Вторая часть агонистов и антагонистов – синтетические соединения, создаваемые человеком. В ходе их разработки химикам и фармакологам приходится учитывать целый ряд требований. Во-первых, в структуре такого вещества должен присутствовать "ключевой" участок, соответствующий молекуле медиатора. Во-вторых, такой препарат должен быть устойчив к действию систем инактивации. В-третьих, он должен проникать через барьеры организма – гемато-энцефалический и, желательно, кишечный. Только в этом случае можно достичь мозга при введении в организм в виде таблетки либо инъекции. В настоящее время агонисты и антагонисты медиаторов (а также соединения, влияющие на синаптическую передачу другими путями) широко применяются в клинике. Вместе с тем, в больших дозах многие из них являются наркотиками и ядами, что также свидетельствует о необходимости их серьезного изучения.

Медиаторы очень разнообразны по своей химической структуре. В связи с этим среди них выделяют группы моноаминов (производных аминокислот), аминокислот, пептидов (цепочек аминокислот). Своеобразную химическую природу имеет ацетилхолин, с которого мы и начнем обзор основных медиаторных систем и связанных с ними психотропных препаратов.

Ацетилхолин

Ацетилхолин был первым из открытых медиаторов. По своему химическому строению он представляет собой соединение двух молекул – азотсодержащего холина и остатка уксусной кислоты. Синтез ацетилхолина осуществляется в основном в пресинаптических окончаниях с помощью фермента холинацетилтрансферазы. Затем медиатор переносится в пустые везикулы и хранится в них до момента выброса.

Ацетилхолин в качестве медиатора работает в трех функциональных блоках нервной системы. Это нервно-мышечные синапсы, периферическая часть вегетативной нервной системы и относительно немногочисленные области ЦНС.

Ацетилхолин является медиатором мотонейронов нервной системы, локализованных в передних рогах серого вещества спинного мозга и двигательных ядрах черепных нервов. Их аксоны направляются к скелетным мышцам и, разветвляясь, образуют с ними нервно-мышечные синапсы. При этом один аксон может устанавливать контакт с 5-5000 мышечных волокон; но каждое мышечное волокно управляется только одним синапсом. Размер нервно-мышечных синапсов в десятки раз больше, чем синапсов в ЦНС. Пришедший по аксону мотонейрона даже одиночный ПД вызывает выделение в синапсе очень значительного количества ацетилхолина. В результате развивающаяся на постсинаптической мембране деполяризация оказывается настолько велика, что всегда запускает ПД мышечной клетки. Этот ПД, в свою очередь, приводит к выбросу Са 2+ из каналов эндоплазматической сети, активации двигательных белков и сокращению поперечнополосатого волокна.

В вегетативной нервной системе ацетилхолин в качестве медиатора вырабатывается нейронами, находящимися в ЦНС, а также в ганглионарных клетках парасимпатической части. Следовательно, при помощи этого медиатора передаются сигналы внутри вегетативных ганглиев, а также парасимпатические влияния непосредственно на внутренние органы.

В ЦНС ацетилхолин вырабатывается частью нейронов ретикулярных ядер моста, интернейронами базальных ганглиев (точнее, полосатого тела) и некоторых других локальных зон. Рассматривается роль этого медиатора в регуляции уровня бодрствования, системах памяти, двигательных системах.

Выделяясь из пресинаптического окончания, ацетилхолин действует на постсинаптические рецепторы. Рецепторы эти не однородны и различаются как местом локализации, так и рядом существенных свойств. Выделено два их типа, названных по своим агонистам. Первый тип, помимо ацетилхолина, возбуждается под действием алкалоида табака никотина (никотиновые рецепторы или Н-холинорецепторы). Второй тип активируется ацетилхолином и токсином мухомора мускарином (мускариновые рецепторы или М-холинорецепторы). Рассмотрим их подробнее.

Никотиновые рецепторы являются классическим примером ионотропных рецепторов, т.е. их ионный канал входит в состав рецептора и открывается немедленно после присоединения ацетилхолина. Канал этот характеризуется универсальной проницаемостью для положительно заряженных ионов. Однако, в обычных условиях (при открывании на фоне ПП) через их каналы наблюдается в основном входящий Na + -ток, вызывающий деполяризацию мембраны и возбуждение нейрона.

Н-холинорецепторы расположены на постсинаптической мембране поперечно-полосатых волокон скелетных мышц (нервно-мышечные синапсы), в синапсах вегетативных ганглиев и в меньшем, чем мускариновые рецепторы, количестве в ЦНС. Областью, наиболее чувствительной к никотину, являются вегетативные ганглии (особенно симпатические). Поэтому первые попытки курения приводят в значительным нарушениям в деятельности внутренних органов, скачкам кровяного давления, тошноте и т.п. По мере привыкания сохраняется в основном симпатический компонент действия – т.е. никотин начинает работать преимущественно как стимулятор многих систем организма. Присутствует также и центральное (на головной мозг) активирующее влияние ацетилхолина. Сверхдозы никотина (50 и более мг) вызывают резкое учащение сердцебиения, судороги и остановку дыхания.

Используясь во время курения как слабый наркотический препарат-стимулятор, никотин вызывает развитие не только привыкания, но и зависимости – ситуации, когда организм включает поступающий извне препарат в свой метаболизм, т.е. "рассчитывает" на его постоянный приток. При отказе от препарата происходит сбой в использующих его системах мозга. В результате наблюдается резкое ухудшение самочувствия, депрессия и т.п. (абстинентный синдром или синдром отмены). Таким образом, человеку, попавшему в зависимость, наркотик необходим уже не столько для того, чтобы почувствовать бодрость и эйфорию, сколько для возврата хотя бы к относительно "нормальному" уровню жизнедеятельности.

Наиболее известным антагонистом никотиновых рецепторов является d-тубокурарин – активное действующее начало яда, приготовляемого из некоторых южноамериканских растений. Основным его местом приложения являются нервно-мышечные синапсы. При этом происходит последовательное расслабление мышц пальцев, затем глаз, рук и ног, шеи, спины и, наконец, дыхательных. Длительность действия d-тубокурарина относительно невелика – 30-60 минут. Если все это время поддерживать искусственное дыхание, то после окончания срока действия тубокурарина какие-либо существенные повреждения организма отсутствуют.

Еще более сильное влияние на нервно-мышечный синапс оказывают нейротоксины змей. Например яд кобры содержит a-нейротоксин, практически необратимо связывающийся с никотиновым рецептором и блокирующий его. В яде присутствуют также b-нейротоксин, которые тормозит выделение медиатора из пресинаптического окончания.

Антагонисты никотиновых рецепторов головного мозга циклодол и акинетон применяют для ослабления симптомов паркинсонизма. Их введение снижает характерные для этого заболевания проявления двигательных нарушений.

Мускариновые рецепторы являются метаботропными. Они связаны с G-белками, и присоединение к ним ацетилхолина приводит к синтезу вторичных посредников.

Эти рецепторы находят как в ЦНС, так и на периферии, где они расположены на органах-мишенях парасимпатической нервной системы. Ионные последствия возбуждения мускариновых рецепторов весьма разнообразны. Так, в сердце наблюдается увеличение проводимости для ионов К + , что приводит к гиперполяризации и снижению частоты сокращений. В случае гладких мышц отмечаются изменения проводимости как для К + , так и для Na + ; соответственно, возможна гипер- или деполяризация – в зависимости от конкретного органа.

В ЦНС отмечается снижение проводимости для К + (деполяризация, возбуждающее действие). Вместе с тем, синапсы, содержащие мускариновые рецепторы, могут располагаться как на тормозных, так и на возбуждающих нейронах коры, базальных ганглиев и др. В связи с этим последствия блокады либо активации мускариновых рецепторов на поведенческом уровне оказываются очень индивидуальны.

В периферической нервной системе эффекты мускарина носят преимущественно парасимпатический характер. При отравлении мухоморами наблюдается тошнота, повышенное пото- и слюноотделение, слезотечение, боли в животе, снижение кровяного давления и сердечной активности. Количество мускарина, вызывающее развитие коматозного состояния и смерть, составляет 0,5 г.

Классическим антагонистом мускариновых рецепторов является атропин – алкалоид белены и дурмана. Его периферические эффекты прямо противоположны действию мускарина. Под влияние атропина происходит снижение тонуса мышц желудочно-кишечного тракта, учащается сердцебиение, прекращается слюноотделение ("сухость во рту"). Чрезвычайно характерно расширение зрачков. Наблюдаются и центральные (опосредуемые через ЦНС) эффекты: двигательное и речевое возбуждение, галлюцинации.

Вместе с тем, ряд антагонистов мускариновых рецепторов обладает успокаивающим действием. Например, такой препарат как амизил относят к транквилизаторам и применяют при двигательных расстройствах.

Инактивация ацетилхолина происходит непосредственно в синаптической щели. Ее осуществляет фермент ацетилхолинэстераза , разлагающая медиатор до холина и остатка уксусной кислоты. В дальнейшем холин всасывается в пресинаптическое окончание и может вновь использоваться для синтеза ацетилхолина.

Ацетилхолинэстераза имеет активный центр, узнающий холин, и еще один активный центр, отрывающий ацетильную группу от исходной молекулы. Именно последний чаще всего является местом атаки специфических блокаторов. В качестве примера можно привести эзерин (физостигмин) – алкалоид одного из видов африканских бобовых, вызывающий сужение зрачка, слюнотечение, замедление сердечного ритма.

Синтетическим аналогом эзерина является прозерин (неостигмин), применяемый при болезни миастении. Ее симптомами служат быстрая мышечная утомляемость, непроизвольное опускание век, замедленное жевание. Введение блокаторов ацетилхолинэстеразы ослабляет патологические проявления. Показано, что у значительной части больных миастенией число никотиновых рецепторов примерно на 70% меньше, чем в норме. Причина этого состоит в том, что иммунная система больного вырабатывает антитела к никотиновым рецепторам. Эти антитела ускоряют разрушение рецепторов на мембране, ослабляя передачу в нервно-мышечном синапсе. Заболевания такого рода называют аутоиммунными.

Прозерин и сходные с ним препараты называют обратимыми блокаторами ацетилхолинэстеразы, и их действие прекращается через несколько часов после введения. Кроме этого, существуют необратимые блокаторы того же фермента. В таком случае нарушающее работу ацетилхолинэстеразы вещество вступает с белком в устойчивую химическую связь и выводит его из строя. Такими агентами-блокаторами являются различные нервно-паралитические газы (зарин и т.п.). Легко проникая через все барьеры организма, они вызывают судороги, потерю сознания и паралич. Смерть наступает от остановки дыхания. Для немедленного ослабления эффектов газов рекомендуется использование атропина; для восстановления деятельности ацетилхолинэстеразы – особые вещества-реактиваторы, отрывающие блокатор от фермента.

Моноамины

К медиаторам моноаминам относятся катехоламины, серотонин и гистамин. Все они являются производными различных аминокислот.

Катехоламины

К катехоламинам относятся три медиатора – норадреналин, адреналин и дофамин. Все они образуются из аминокислоты тирозина – незаменимый аминокислоты, которую мы получаем только с пищей.

Тирозин ® L-ДОФА ® дофамин ® норадреналин ® адреналин

Ключевой, наиболее медленной стадией является первая реакция превращения тирозина в L-ДОФА (диоксифенилаланин). И фермент, катализирующий эту реакцию – тирозингидроксилаза – имеет особое значение. Синтез катехоламинов осуществляется в основном в пресинаптических окончаниях. Затем они переносятся в пустые везикулы, где и хранятся до момента выброса.

Норадреналин

Катехоламин адреналин является гормоном надпочечников. Норадреналин играет важную роль как в центральной, так и в периферической нервной системе как медиатор.

На периферии норадреналин является медиатором в большинстве постганглионарных синапсов симпатической нервной системы. Воздействуя на внутренние органы, он оказывает действие, противоположное ацетилхолину.

Выделяясь из пресинаптического окончания, норадреналин действует на постсинаптические рецепторы. Эти рецепторы подразделяются на два типа, которые названы альфа- и бета-адренорецепторами. Оба они являются метаботропными. Разница состоит в том, что альфа-адренорецепторы в качестве вторичных посредников используют инозитолтрифосфат, диацилглицерол и ионы Са 2+ . Бета-адренорецепторы соединены с ферментом аденилатциклазой, участвующим в синтезе циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Именно исследование бета-адренорецепторов позволило в свое время впервые выявить существование системы вторичных посредников и описать основные ее свойства. Следствием активации адренорецепторов может быть изменение как натриевой, так и калиевой проводимости – то есть возбуждающие либо тормозящие эффекты в зависимости от конкретного места расположения рецепторов.

Классическим агонистом альфа-адренорецепторов является препарат фетанол, антагонистом – фентоламин. В случае бета-адренорецепторов наиболее известны агонист изадрин и антагонист пропранолол (синонимы – анаприлин, обзидан).

На каждом внутреннем органе находятся либо альфа-, либо бета-адренорецепторы, либо оба их типа.

При действии медиаторов на рецепторы постсинаптической мембраны одни их них вызывают возбуждение иннервируемой клетки, а другие ведут к ее торможению (рис. 1.3.3. Состояния нейронаС^У).

Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП ). В образовании ВПСП участвуют молекулярные (катионные и анионные) и мембранные механизмы.

Мембранный потенциал покоя в клетке равен -65 мВ. Под влиянием медиатора в возбуждающем рецепторе открывается натриевый канал ионофора. В связи с большим градиентом концентрации и отрицательным зарядом внутри клетки ионы натрия быстро диффундируют внутрь нейрона. Поступление в постсинаптическую клетку большого количества положительных электрических зарядов приводит к изменению потенциала покоя с -65 до -45 мВ. Положительный сдвиг потенциала покоя (+20) инициирует ВПСП.

Одновременно с усиленной диффузией ионов натрия тормозиться поступление в клетку отрицательных ионов С1~, а также задерживается выведение наружу положительно заряженных ионов К + . Изменения внутриклеточного метаболизма, вызванные активацией ионо- форов и сдвигом потенциала покоя, приводит к увеличению числа возбуждающих рецепторов или уменьшению количества тормозных мембранных рецепторных структур. Для появления ВПСП требуется одновременный или в быстрой последовательности выброс медиатора из 40-80 терминалей синапса.

В результате изменения электрических параметров клетки (ВПСП) возникает потенциал действия (ПД), который в нейронах распространяется по аксонам. ПД появляется не в прилежащей к возбуждающим синапсам части мембраны, а в начальном сегменте аксона - в месте перехода тела клетки в аксон. Это связано с тем, что концентрация натриевых каналов в этом сегменте в 7 раз больше, чем в мембране тела нейрона.

Тормозные эффекты синапсов. Возникают в результате появления на постсинаптической мембране тормозного потенциала, а также вследствие пресинаптического торможения.

Тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) формируется в результате включения молекулярных (катионных и анионных) механизмов, а также активации ферментов, отвечающих за клеточные метаболические функции.

Ведущая роль в ТПСП принадлежит ионам хлора. Движущей силой перемещения ионов хлора внутрь клетки является разность потенциалов между потенциалом покоя нейрона -65 мВ и электрическим потенциал ионов хлора -70 мВ. Как видно, она составляет +5 мВ. Поэтому, как только открывается хлорный ионный канал, CI - начинает двигаться в клетку, смещая потенциал покоя в отрицательную сторону до величины -70 мВ (см. рис. 1.3.3, вС?*).

Одновременно с активацией хлорных каналов открываются калиевые каналы, что позволяет положительно заряженным ионам К + выходить из клетки, поддерживая электротрицательность внутри нейрона на новом уровне. Процесс увеличения электроотрицательности внутри клетки по сравнению с потенциалом покоя за счет поступления в нейрон CI - и выхода из него К + называется гиперполяризацией. Выход отрицательных значений (-70 мВ) за пределы нормального мембранного потенциала (-65 мВ) называют тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП).

Вследствие активации внутриклеточных ферментов в нейроне увеличивается число тормозных рецепторов и уменьшается количество возбуждающих мембранных рецепторов.

Пресинаптическое торможение. Развивается в пресинаптических терминалях еще до того, как сигнал достигнет синапса.

Пресинаптическое торможение возникает в аксо-аксональных синапсах, которые образуют тормозные нейроны на аксонных окончаниях возбуждающих нейронов (рис. 1.3.4). Причиной пресинапти- ческого торможения является выделение на наружную поверхность пресинаптических нервных волокон тормозного медиатора, чаще всего ГАМК. Медиатор в этих синапсах открывает С1 _ -канал ГАМК- рецептора и вызывает диффузию ионов хлора в терминальное волокно. Отрицательно заряженные анионы тормозят синаптическое проведение сигнала за счет нейтрализации возбуждающего эффекта катионов натрия, которые также входят в терминальные волокна, когда в них возникает потенциал действия.

Потенциал действия (ПД), идущий к возбуждающему синапсу через этот участок, уменьшает амплитуду. Снижение амплитуды ПД приводит к уменьшению выброса медиатора в возбуждающем синапсе, что равносильно торможению синаптической передачи. При снижении амплитуды ПД всего на 5% ВПСП уменьшается на 50%.

Пресинаптическое торможение, в отличие от постсинаптического, позволяет выключать не весь нейрон, а его отдельные синаптические входы. Этот механизм торможения сохраняет поступление актуальной в конкретный момент сенсорной импульсации и блокирует второстепенные афферентные влияния.

Если ТПСП, увеличивающий отрицательное значение мембранного потенциала, и ВПСП, уменьшающий его отрицательность, развиваются в нейроне одновременно, то эти два эффекта могут полностью или частично нейтрализовать друг друга.

Рис. 1.3.4.

А - без торможения; Б - пресинаптическое торможение; а - аксо-аксональный синапс; б - синапс, функция которого тормозится (цит. 3. Зибернагал, А. Деспопулос, 1991)

На нейроне имеется обычно несколько тысяч возбуждающих и тормозящих синапсов, в которых образуются локальные потенциалы соответственно В ПСП и ТПСП, способные к суммации. Если алгебраическая суммация ВПСП будет превалировать над суммацией ТПСП и это преобладание доведет мембранный потенциал нейрона до критического уровня деполяризации, то нейрон будет возбужден. Если алгебраическая суммация ТПСП будет превалировать над суммацией ВПСП и произойдет гиперполяризация мембраны, то нейрон будет заторможен.

Контрольные вопросы

• 1. Что такое синапс, какие существуют виды синапсов?
• 2. Каково строение электрического синапса?
• 3. Каково строение химического синапса?
• 4. Как передается возбуждение в химическом синапсе?
• 5. Какие существуют виды медиаторов?
• 6. Какова особенность медиаторов пептидной природы?
• 7. В результате чего возникают тормозные эффекты синапсов?
• 8. Как возникает пресинаптическое торможение?

При входе ионов Na+ внутрь клетки возбудимость постсинаптической мембраны увеличивается, она деполяризуется . Следовательно, рецептор, который открывает натриевый канал, передает возбуждающий эффект. Постсинаптический потенциал, который возникает в таком случае, получил название возбуждающий постсинаптический потенциал - ВПСП (см. рис. 16, поз. А).

Тормозной постсинаптический потенциал - ТПСП

Другие сайты на рецепторах, которые, к примеру, связывают гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), открывают каналы в постсинаптической мембране для входа ионов Cl- внутрь клетки и уменьшают возбудимость постсинаптической мембраны, она гиперполяризуется . Значит, рецептор, который открывает хлорный канал, представляет тормозный эффект. И постсинаптический потенциал, который возникает в таком случае, получил название тормозный постсинаптический потенциал - ТПСП (см. рис. 16, поз. Б).

Суммация

Рассмотрим еще один механизм интеграции на уровне одного нейрона, который получил название суммация .

Суммация (лат. summatio - сложение) - слияние локальных ответов на подпороговые стимулы. Помните! При действии одиночного подпорогового стимула ПД не возникает.

Различают два вида суммации:

1) временную (последовательную);

2) пространственную (одновременную) .

Впервые механизм суммации в ЦНС описал И. М. Сеченов (1868), наблюдавший при определённых условиях ритмического раздражения задержку появления и последующее усиление рефлекторных реакций.

Временная суммация является результатом сложения постсинаптических локальных ответов, которые вызываются быстро следующими друг за другом несколькими последовательными афферентными стимулами (рис. 17).

Обязательным условием данного вида суммации являются короткие интервалы между приходящими раздражениями. Стимулы должны приходить с таким интервалом, чтобы вызванные ими последующие локальные ответы могли суммироваться с предыдущими, которые не успели «затухнуть». Таким образом, временная суммация в синапсе позволяет отфильтровывать слабые сигналы , поступающие на нейрон.

Разберем подробно механизм возникновения временной суммации. В ответ на одиночный афферентный стимул, идущий от нейрона к другому нейрону, в пресинаптической части синапса освобождается 1 квант нейромедиатора. При этом на постсинаптической мембране нейрона обычно возникает подпороговый потенциал (локальный ответ) величиной 0,1-0,2 мВ, недостаточной для генерации ПД. Чтобы величина локального ответа достигла критического уровня - порога возникновения ПД, она должна уменьшиться примерно на 10 мВ. Для этого требуется суммация на постсинаптической мембране клетки многих подпороговых локальных ответов. Суммация является совокупным результатом действия на нейрон входных сенсорных стимулов. Суммация постсинаптических потенциалов происходит на аксонном холмике нейрона, где возникает распространяющийся потенциал действия.