3 .1. Синаптические потенциалы

При возбуждении или торможении клеток внешняя мембрана ней­ронов чувствительна к действию специальных веществ, которые выде­ляются из пресинаптической терминали, к нейромедиаторам. В на­стоящее время известно несколько десятков нейромедиаторов непеп­тидной природы и сотни медиаторов пептидной природы, которые вы­полняют функцию передачи электрического сигнала от нейрона к нейрону. На внешней стороне мембраны расположены специализиро­ванные белковые молекулы — рецепторы, которые и взаимодействуют с нейромедиатором. В результате происходит открытие каналов спе­цифической ионной проницаемости — только определенные ионы могут массированно проходить в клетку после действия медиатора. Развивается локальная деполяризация или гиперполяризация мем­браны, которая называется постсинаптическим потенциалом (ПСП). ПСП могут быть возбудительными (ВПСП) и тормозными (ТПСП) (рис. 3). Амплитуда ПСП может достигать 20 мВ. Градуальный харак­тер ВПСП резко отличает его от максимального потенциала действия, развивающегося в случае достижения постсинаптической деполяриза­цией определенного порогового уровня.

I

26

Глава I Нейрофизиология Клеточные основы обучения

3 Синапсы

27

Рис. 3. Ответы изолированных нейронов Helix pomatia на микроаппликации нейромеди-аторов. а — возбудительный ответ на микроаппликацию ацетилхолина (АХ): б — ответ на микроаппликацию серотонина (С): в — тормозные ответы на микроаппликацию С; г — тормозной ответ на АХ Артефакты соответствуют началу и концу действия положитель­ных электрических импульсов тока для микроионофореза медиаторов. Калибровка:

ЮмВ, 1 с.

Возбудительные синаптические потенциалы редуцируют (деполя­ризуют) мембранный потенциал и, если этого достаточно, смещают мембранный потенциал к порогу генерации потенциалов действия (ПД), коротким сигналам, которые генерируются по типу «все или ничего», имеют продолжительность 1 мс, а амплитуду — около 100 мВ. Тормозные синаптические потенциалы увеличивают (гипер­поляризуют) мембранный потенциал и предотвращают появление в аксоне потенциалов действия. Пространственная и временная сумма-ция возбудительных и тормозных потенциалов определяет, будет ли нейрон генерировать потенциалы действия. Однажды генерирован­ный потенциал действия распространяется без затухания по аксону к своему выходному элементу, пресинаптической терминали. Нейро-трансмиттер диффундирует через синаптическую щель, которая раз­деляет пресинаптическую терминаль и постсинаптическую мишень и взаимодействует с рецепторами, которые расположены на дендритах или соме (теле) постсинаптического нейрона. Свойства индивидуаль­ных синапсов, в особенности свойства постсинаптических рецепторов, определяют, приведет связывание нейротрансмиттера к тормозному или возбудительному синаптическому потенциалу.

Современное понимание нейронной сигнализации широко пользу­ется ионной гипотезой, сформулированной в 1949 г. А. Ходжкиным, А. Хаксли и Б. Кацем для того, чтобы объяснить, как возникает раз­ность электрического потенциала (потенциал покоя) и как знак этой разности быстро редуцируется и затем реверсирует во время генера­ции потенциала действия. В соответствии с ионной гипотезой сиг-

нальные способности клетки восходят к двум известным видам специ­ализированных мембранных белков — каналам и насосам — которые позволяют ионам проходить сквозь мембрану. Насосы активно транс­портируют специфические ионы против электрохимического градиен­та и поэтому требуют метаболической энергии.

Каналы — это протеиновые поры в липидном бислое, которые по­зволяют специфическим ионам быстро передвигаться по электрохи­мическому градиенту и не требуют метаболической энергии. Канало-образующие протеины распадаются на два класса. Вольт-зависимые каналы чувствительны к электрическим полям, проходящим через мембрану, и открываются в ответ на изменение этого потенциала. Не­которые из этих каналов только отчасти вольт-зависимы и открыва­ются на уровне потенциала покоя мембраны. Эти каналы дают свой вклад в формирование потенциала покоя. Другие каналы на этом уровне не открываются и заметно вольт-зависимы. Они делают свой вклад в формирование потенциала действия. Лиганд-зависимые кана­лы распознают химические передатчики и открываются, когда с ними связывается специфический нейротрансмиттер. Это приводит к раз­витию синаптического потенциала.

Бидирекциональная передача сигналов в синапсе очевидна для каждого из трех основных аспектов работы нервной сети: синаптичес-кая передача, пластичность синапса, созревание синапсов во время развития. Пластичность синапсов — это, во-первых, основа формиро­вания тонких связей, которые создаются при развитии мозга, а, во-вторых, основа механизма обучения и памяти созревших синапсов. В обоих случаях требуется ретроградная передача сигналов от пост- к пресинаптической клетке, сетевой эффект которой заключается в том, чтобы сохранить или потенциировать активные синапсы. Ансамбль синапсов вовлекает координированное действие протеинов, высво­бождаемых из пре- и постсинаптической клетки. Первичная функция протеинов состоит в том, чтобы индуцировать биохимические компо­ненты, требуемые для высвобождения передатчика из пресинаптичес­кой терминали, а также для того, чтобы организовать устройство для транскрипции внешнего сигнала в постсинаптическую клетку.

3.2. Фармакология хеморецепторов

Разнообразие химических синапсов обеспечивается не только на­личием разных медиаторов, но и тем, что один медиатор способен вы­зывать разные постсинаптические эффекты. В этом отношении осо­бенно детально изучены центральные нейроны гастропод. Исследова­тели обнаружили, что медиатор ацетилхолин (АХ) в ганглии моллюс-

28