2. Міжклітинна передача збудження I гальмування

У нервовій системі кожний нейрон анатомічно відокремлений від інших нейронів та іннервованих тканин. Збудження і галь­мування передаються з однієї нервової клітини на іншу або з рухових нервових закінчень на клітини ефекторних органів че­рез спеціальні структури міжклітинних фізіологічних контактів  синапсів. Цей термін ввів у науку Ч.Шеррінгтон (1897) для позна­чення функціонального зв'язку між нейронами. Саме такі контак­ти між нейронами, на його думку, обумовлюють однобічне прове­дення збудження по рефлекторній дузі та його сповільнення по­рівняно з часом проведення збудження по нервових волокнах. Залежно від їхньої будови та функціонування розрізняють хімічні та електричні синапси.

Класифікація синапсів. Міжклітинна передача здійснюється за допомогою трьох типів фізіологічних контактів: хімічних і електричних синапсів та нексусів.

Хімічні синапси характеризуються широкою синап­тичною щілиною (20-50 нм), яка відокремлює пресинаптичне нервове закінчення від постсинаптичної мембрани Збудження і гальмівні впливи передаються в цих синапсах в одному напрямку за допомогою медіаторів. В електричних щілинних синапсах зовнішні шари мембрани контакту­ючих клітин розділені простором завширшки в 2 нм

Нексуси або щільні контакти характеризуються повним злиттям зовнішніх шарів мемб­ран контактуючих клітин і значним витонченням спільної ділянки мембрани обох клітин. Нексуси характеризуються низьким опором і високою двобічною проникністю для іонів.

Залежно від того, між якими частинами нейронів утворені синаптичні контакти, їх називають аксо-дендритними, аксо-сома­тичними і аксо-аксональними. У ядрах таламуса виявлено денд­ро-дендритні, дендро-соматичні і сомато-соматичні синапси. Крім того, існують також арочні синапси. Пресинаптичне волокно таких синапсів підходить до соми нейрона і утворює кінцеву бляшку. Від неї відходить волоконце, яке згинається дугою і утворює нову бляшку. Від останньої знову може відходити воло­кно і утворювати нову бляшку і т.д. Арочні синапси утворю­ються, як правило, аксонами нейронів чутливих гангліїв у від­повідних ядрах ЦНС

Хімічна передача збудження і гальмування

Після відкриття електричних явищ в живих тканинах протягом майже 150 років у фізіології домінували теорії електричної передачі збудження і гальмування як по нервах, так і через синаптичні з`єднання. І тільки у 1921 році австрійському фармакологу О.Леві вдалося довести, що передача гальмівного впливу блукаючого нерва на серце відбувається з допомогою хімічної ечовини — медіатора (детальніше див. розд.3.2.3). Згодом медіаторна теорія передачі сигналів у нервовій системі стала загальновизнаною.

Будова хімічних синапсів. Такі синапси складаються з си­наптичної бляшки, синаптичної щілини і субсинаптичної мембра­ни. Синаптична бляшка являє собою кінцеве розширення пресинап­тичного нервового волокна. Мембрана синаптичної бляшки назива­ється пресинаптичною, а та частина мембрани постсинаптичної структури, яка розташована під нею, — пост-, або субсинаптичною. У посмугованих м'язових волокнах ділянка мембрани, що знаходиться під синаптичною бляшкою називається кінцевою пластин­кою. Субсинаптична мембрана є хемозбудливою завдяки наявності в ній численних рецепторів, які активуються медіаторами — речовинами, що виділюються нервовими закінченнями.

Типовим прикладом хімічного синапсу є міоневральний кон­такт (рис.10.28). Характерною особливістю хімічних синапсів є наявність у пресинаптичних закінченнях синаптичних пухирців (діаметр цих пухирців у ЦНС дорівнює 20-30 нм, а в міоневраль­ному з'єднанні — 50 нм). Їх кількість в одному закінченні досягає 200-300 тисяч, і в кожному з них міститься від 1 до 20 тисяч молекул ацетилхоліну, який є медіатором у міоневральних синапсах. Вивільнення медіатора у синаптичну щілину відбувається шляхом екзоцитозу — злиттю мембран пухирця і пресинаптичного закінчення з наступним їхнім розривом та виходом медіатора у синаптичну щілину. в стані спокою синапса відбувається спонтанний розрив поодиноких пухирців і вивільнення з них кванту медіатора — майже всіх молекул ацетилхоліну, що містились у одному пухирці. При збудженні, у відповідь на один ПД вивільнюється 100—300 квантів ацетилхоліну. У пухирцях в ЦНС та периферичних вузлах містяться також інші медіатори: норадреналін, амінокислоти, пептиди тощо. За формою, розмірами, оптичною щільністю пухирців іноді вдається розрізняти їхній вміст.

Синаптична щілина на поперечно посмугованих м`язах має ширину 20-50 нм, а на непосмугованих — від 10 (сім`явиносна протока) і, навіть, до 4000 нм (легенева артерія). Вона вільно сполучається з міжклітинним простором і заповнена гелеподібною рідиною.

Субсинаптична мембрана є частиною мембрани постсинаптичної клітини, як правило, без будь-якої морфологічної спеціалізації. Щоправ­да, субсинаптична мембрана фазних м'язових волокон утворює численні складки, завдяки чому її поверхня значно збільшуєть­ся, досягаючи 10000 мкм² на один синапс. Субсинап­тична мембрана містить іонні потенціалонезалежні, але хемочутливі канали, які активуються медіатором.

На зовнішній поверхні субсинаптичної мембрани міоневраль­ного з'єднання, де медіаторну функцію виконує ацетилхолін, розташовані холінорецептори і фермент холінестераза, яка розщеплює ацетилхолін після його дії на рецептор. Холінорецепторами є білкові молекули, які мають два активних центри. Ці молекули не тільки впізнають ацетилхолін, а й забезпечують транспорт катіонів крізь мембрану. Тому їх також називають рецептор­но-канальними молекулами.

Синаптична передача збудження. Згідно з сучасними уявлен­нями, передача збудження через хімічні синапси відбувається у такій послідовності: пресинаптичний ПД призводить до виділення нервовим закінченням збудливого медіатора, який дифундує крізь синаптичну щілину до субсинаптичної мембрани. Там відбувається його взаємодія з хеморецепторами, внаслідок чого відкриваються ворота іонного каналу та виникає зміна іонної проникності субси-наптичної мембрани (рис.10.29 В б). Іон­ні струми викликають деполяризацію цієї мембрани у вигляді збуджуючого постсинаптичного потенціалу (ЗПСП), який на кін­цевій пластинці міоневрального синапсу називається потенціалом кінцевої пластинки (ПКП). ЗПСП та ПКП призводять до генерації постсинаптичного ПД.

Дифузія медіатора через синаптичну щілину, на що витрача­ється певний час, обумовлює так звану синаптичну затримку, яка у центральних і міоневральних синапсах ссавців дорівнює 0,3 мс, а у непосмугованих м'язах — до 10 мс.

Синаптична передача гальмівних впливів. У хімічних синап­сах відбувається передача і гальмівних впливів. Таке гальму­вання розвивається на постсинаптичній мембрані услід за збуд­женням пресинаптичної мембрани. Саме тому деякі автори вважа­ють, що краще говорити про передачу через синапси гальмівних впливів, а не гальмування, якого позбавлена пресинаптична структура (П.Г.Богач, та ін.,1984).

Отже гальмівні синапси здійснюють своєрідну трансформацію збудження у гальмування. Таке постсинаптичне гальмування має місце у ЦНС і в тих збудливих ефекторних утворах, які мають подвійну іннервацію (непосмуговані і серцевий м'язи хребетних, сома­тичні м'язи безхребетних). У спинному та багатьох відділах го­ловного мозку наявні спеціальні гальмівні нейрони, аксони яких утворюють аксо-дендритні та аксо-соматичні гальмівні синапси.

Механізм передачі гальмівного впливу у хімічних синапсах полягає в тому, що внаслідок дії пресинаптичного ПД вивільня­ється гальмівний медіатор, який дифундує до субсинаптичної мембрани. Це призводить до зміни іонної провідності мембрани та розвитку в ній гіперполяризації, яка дістала назву гальмів­ного постсинаптичного потенціалу (ГПСП).

Песимальне гальмування. При дуже частому подразненні нер­ва, що іннервує м'яз, виникаючі ПКП підсумовуються на кожний імпульс, оскільки в дуже короткий міжімпульсний інтервал холінестераза не встигає повністю розщепити виділюваний ацетилхолін. В резуль­таті сумації багатьох ПКП постсинаптична мембрана все більше й більше деполяризується.

Ця деполяризація лежить в основі песимального гальмування Введенського, сутність якого полягає в тому, що при деякій оп­тимальній частоті стимуляції величина скорочення м'яза стає максимальною. Проте якщо далі збільшувати цю частоту, то пос­тупово сила скорочення зменшується і при деякій високій часто­ті подразнення м'яз майже повністю розслаблюється (песимум). Зменшення частоти стимуляції у цей момент одразу ж приз­водить до відновлення оптимального рівня м'язового скорочення (оптимум).

Медіатори в хімічних синапсах. Ще у 30-і роки ХХ ст. було становлено, що медіатором у міоневральному з'єднанні є аце­тилхолін. Він найбільш детально вивчений і досить поширений в нервовій системі: знаходиться також у закінченнях парасимпатичних постгангліонарних та прегангліонарних нейронів, симпатичних прегангліонарних нейронів та багатьох нейронів у ЦНС. Виділившись у синаптичну щілину при надходженні ПД до закінчення, ацетилхолін зв`язується з відповідним рецептором, активує його, а далі швидко розщеплюється ферментом ацетилхолінестеразою, щоб звільнити місце наступним молекулам медіатора.

Окрему групу медіаторних речовин становлять катехоламіни —­адреналін, норадреналін і дофамін, які переважно є збуджуючими медіаторами у ЦНС. Медіаторну функцію виконують і деякі нейро­пептиди, наприклад, речовина Р у спинному мозку або нейропептид  у закінченнях симпатичних судинозвужуючих нервів.

Оскільки певні амінокисноти виявлені в ЦНС у значних кількостях, виникло припущення щодо їхньої медіаторної функ­ції. Це перш за все стосується ГАМК, яка виявлена майже у всіх структурах ЦНС і є гальмівним медіатором пресинаптичного галь­мування. Ще одним гальмівним медіатором, але вже постсинаптич­ного гальмування є гліцин. Збуджуючим медіатором у ЦНС є також глутамат.

Незабаром після відкриття медіаторної функції ацетилхоліну і норадреналіну виникло припущення, що кожний нейрон (з точки зору його метаболізму) становить цілісну систему і саме тому у всіх його пресинаптичних закінченнях виділюється один і тільки один ме­діатор (принцип моноергічності Дейла). Виходячи з цього положення всі нейрони з їхніми аксонами за вироблюваними медіаторами почали називати холінергічними, адренергічними, гістамінергічними і так далі. Проте уже в наш час завдяки розвитку високочутливих методів дослідження, таких як імунохімічний, радіоізотопний та ін., було встановлено, що майже у кожному нейроні та його закінченнях крім вже відомих медіаторів містяться і інші речовини, переважно пептиди, і що вони при збудженні виділюються у синаптичну щілину. Так, терміналі адренергічних нервових нейронів містять і виділюють поряд з норадреналіном пептид Y, а холінергічні нейрони  речовину Р. Ці додаткові речовини, яких може бути у одному нейроні до 5, часто називають котрансмітерами (трансмітер  передавач сигналу, медіатор). Деякі з них дійсно виконують медіаторну функцію, тобто передають збудження або гальмування на сусідні клітини, інші лише змінюють мембранний потенціал клітини та її збудливість; вони є модуляторами, а функції третіх ще й досі залишаються нез`ясованими.

Особливості функціонування електричних синапсів

В живому організмі клітини постійно обмінюються між собою інформацією, причому основну роль у цьому процесі відіграють хімічні речовини. Проте є чимало органів, клітини яких здійснюють безпосередній ( без участі нервової системи) обмін інформацією електричним способом. Це в першу чергу збудливі клітини — м`язові та секреторні. між клітинами міокарду та непосмугованої мускулатури існують нексуси, через які збудження з допомогою іонних струмів переходить з одної клітини до іншої. Подібний механізм передачі сигналів знайдено і поміж секреторних клітин (О.Петерсен, 1993). Ймовірно, що такі утворення є попередниками електричних синапсів, які здійснюють передачу сигналів у ЦНС. Останні виявлені в нервовій системі безхребетних та нижчих хребетних тварин, але у ссавців їх значно менше.

Електрична передача збудження. Морфологічною умовою електричної передачі збудження є те, що між мембранами контактуючих клітин щілина дуже вузька і має низький електричний опір, що дозволяє ПД без перешкод поширюва­тися на постсинаптичну мембрану і у зворотньому напрямку.

В електричних синапсах відстань між пре- і постсинаптич­ною мембранами становить всього 2-4 нм, і крізь синаптичну щілину проходять містки з білкових часток, своєрідні канали завширшки 1- 1,5 нм, які пронизують пре- і постсинаптичну мембрани синапса, завдяки чому з клітини у клітину можуть переходити неорганічні іони і навіть невеликі молекули.

Електричні синапси, що передають збудження, розрізняються за одно- або двосторонньою провідністю. Здатність до одно- чи двостороннього проведення збудження визначається співвідношенням розмірів пре- і постсинаптичної клітин. Двостороннє проведення збудження можливе лише при рівності розмірів обох клітин. Коли ж нейрони мають неоднаковий розмір, проведення відбувається лише в напрямку від великої клітини до малої; у протилежному випадку на постсинаптичній мембрані великої клітини різко падає густина пресинаптичного струму і збудження не виникає.

Електричні синапси використовуються перш за все тоді, ко­ли потрібна дуже швидка передача збудження, оскільки в них практично немає синаптичної затримки або вона дуже мала. Ось чому електричні синапси розташовані у структурах, що здійснюють реакції втечі тварини, рятування від небезпеки тощо.

У стовбурі мозку ссавців є три ділянки з електрич­ними синапсами. В ядрі трійчастого нерва утворюються сома­то-соматичні і сомато-аксональні синапси. У вестибулярному яд­рі Дейтерса (довгастий мозок) існують сомато-аксональні елект­ричні синапси. У нижній оливі (ядро довгастого мозку) виявлені дендро-дендритні синапси. Всі ці електричні синапси ЦНС дозво­ляють синхронізувати активність груп нейронів. Крім того, вони дають можливість одержувати постійні, стереотипні реакції при багаторазових впливах, оскільки вони стійкіші, ніж хімічні си­напси.

Отже, з вищенаведеного можна зробити висновок, що елект­ричні і хімічні синапси характеризуються такими властивостями:

1.В хімічних синапсах є синаптична затримка (0,2-0,5 мс), що уповільнює передачу сигналу. Вона відсутня в електричних синапсах або дуже в них незначна.

2. Хімічні синапси мають лише однобічну провідність, а більшість електричних синапсів проводять збудження в обидва боки — з пре- до постсинаптичної мембрани і навпаки.

3. Хімічні синапси бувають збуджуючими або гальмівними (залежно від виду медіатора), а електричні у величезній біль­шості — тільки збуджуючими.

4. Хімічні синапси значно краще, ніж електричні, зберігають сліди попередньої активності. Тому хімічна передача може змінюватися під впливом різних факторів.

5. Хімічні синапси значно чутливіші до змін температури, ніж електричні, що має істотне значення для ЦНС теплокровних тварин.

6. Хімічні синапси досить надійні, оскільки мають високий гарантійний фактор синаптичної передачі (S = 2,0)

Лекція 2

Тема: ЗАГАЛЬНА ФІЗІОЛОГІЯ ЦЕНТРАЛЬНОЇ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ

План:

1. Основні етапи еволюції нервової системи.

2. Рефлекторна діяльність центральної нервової системи

3. Нервові центри та їхні властивості

4. Гальмування у ЦНС

5. Координація рефлекторної діяльності