Чем отличается действие возбуждающих и тормозных медиаторов. Механизмы передачи возбуждения в возбуждающих и тормозных синапсах

Синапс - это специализированная структура, которая обеспечивает передачу возбуждения с одной возбудимой структуры на другую. Термин "синапс" введен Ч. Шеррингтоном и означает "сведение", "соединение", "застежка".

Классификация синапсов . Синапсы можно классифицировать по:

1) отношению к ЦНС:

периферические (нервно-мышечные, нейро-секреторные, рецеп-торнонейрональные);

центральные (аксо-соматические, аксо-дендритные, аксо-аксо-нальные, сомато-девдритные, сомато-соматические);

2) характеру их действия - возбуждающие и тормозящие;

3) способу передачи сигналов - химические, электрические, смешанные.

4) медиатору, с помощью которого осуществляется передача - холинергические, адренергические, серотонинергические, глицинергические и т. д.

5) по отношению к процессу на мембране: деполяразиционные, гипополяразацтонные

Строение синапса . Все синапсы имеют много общего, поэтому строение синапса и механизм передачи возбуждения в нем можно рассмотреть на примере нервно-мышечного синапса (рис. 7).

Синапс состоит из трех основных элементов:

Пресинаптической мембраны (в нервно-мышечном синапсе - это утолщенная концевая пластинка);

Постсинаптической мембраны;

Синаптической щели.

Пресинаптическая мембрана - это часть мембраны нервного окончания в области контакта его с мышечным волокном.Постси-наптическая мембрана - часть мембраны мышечного волокна. Часть постсинаптической мембраны, которая расположена напротив пресинаптической, называется субсинаптической мембраной. Осо-бенностьюсубсинаптической мембраны является наличие в ней специальныхрецепторов, чувствительных к определенному медиатору, и наличие хемозависимых каналов. В постсинаптической мем-брне, за пределами субсинаптической, имеются потенциалозависимые каналы.

Рис. 7. Строение синапса (схема). 1 - миелинизированное нервное волокно; 2 - нервное окончание с пузырьками медиатора; 3 - субсинаптическая мембрана мышечного волокна; 4 - синоптическая щель; 5 - постсинаптическая мембрана мышечного волокна; 6 - миофибриллы; 7 - саркоплазма; 8 - потенциал действия нервного волокна; 9 - потенциал концевой пластинки (ВПСП); 10 - потенциал действия мышечного волокна.

Механизм передачи возбуждения в химических возбуждающих синапсах . В синапсах с химической передачей возбуждение передается с помощьюмедиаторов (посредников). Медиаторы - это химические вещества, которые обеспечивают передачу возбуждения в синапсах. Медиаторы в зависимости от их природы делятся на несколько групп:

моноамины (ацетилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин и др.);

Аминокислоты (гамма-аминомасляная кислота - ГАМК, глутаминовая кислота, глицин и др.);

нейропептиды (вещество Р, эндорфины, нейротензин, АКТГ, ангиотензин, вазопрессин, соматостатин и др.). Медиатор в молекулярном виде находится в пузырьках пресинаптического утолщения (синаптической бляшке), куда он поступает:

Из околоядерной области нейрона с помощью быстрого аксонального транспорта (аксотока);

За счет синтеза медиатора, протекающего в синоптических терминалах из продуктов его расщепления;

За счет обратного захвата медиатора из синоптической щели в неизменном виде.

Когда по аксону к его терминалям приходит возбуждение, пресинаптическая мембрана деполяризуется, что сопровождается поступлением ионов кальция из внеклеточной жидкости внутрь нервного окончания. Поступившие ионы кальция активируют перемещение синоптических пузырьков к пресинаптической мембране, их соприкосновение и разрушение (лизис) их мембран с выходом медиатора в синоптическую щель. В ней медиатор диффундирует к субсинаптической мембране, на которой находятся его рецепторы. Взаимодействие медиатора с рецепторами приводит к открытию преимущественно каналов для ионов натрия. Это приводит к деполяризации субсинаптической мембраны и возникновению так называемого возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). В нервно-мышечном синапсе ВПСП называется потенциалом концевой пластинки (ПКП). Между деполяризованной субсинаптической мембраной и соседними с ней участками постсинаптической мембраны возникают местные токи, которые деполяризуют мембрану. Когда они деполяризуют мембрану до критического уровня, в постсинаптической мембране мышечного волокна возникает потенциал действия, который распространяется по мембранам мышечного волокна и вызывает его сокращение.

Химические тормозные синапсы . Эти синапсы по механизму передачи возбуждения сходны с синапсами возбуждающего действия. тормозных синапсах медиатор (например, глицин) взаимодействует с рецепторами субсинаптической мембраны и открывает в ней хлорные каналы, это приводит к движению ионов хлора по концентрационному градиенту внутрь клетки и развитию гиперполяризации на субсинаптической: мембране. Возникает так называемыйтормозной постсинаптический потенциал (ТПСП).

Ранее полагали, что каждому медиатору соответствует специфическая реакция постсинаптической клетки - возбуждение или торможение в той или иной форме. В настоящее время установлено, что одному медиатору чаще всего соответствует не один, а несколько различных рецепторов. Например, ацетилхолин в нервно-мышечных синапсах скелетных мышц действует на Н-холинорецепторы (чувствительные к никотину), которые открывают широкие каналы для натрия (и калия), что порождает ВПСП (ПКП) В ваго-сердечных синапсах тот же ацетилхолин действует на М-холинорецепторы (чувствительные к мускарину), открывающие селективные каналы для ионов калия, поэтому здесь генерируется тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). Следовательно, возбуждающий или тормозной характер действия медиатора определяется свойствами субсинаптической мембраны (точнее, видом рецептора), а не самого медиатора.

Физиологические свойства химических синапсов . Синапсы с химической передачей возбуждения обладают рядом общих свойств:

Возбуждение через синапсы проводится только в одном направлении (односторонне). Это обусловлено строением синапса: медиатор выделяется только из пресинаптического утолщения и взаимодействует с рецепторами субсинаптической мембраны;

Передача возбуждения через синапсы осуществляется медленнее, чем по нервному волокну - синаптическая задержка;

Передача возбуждения осуществляется с помощью специальных химических посредников - медиаторов;

В синапсах происходит трансформация ритма возбуждения;

Синапсы обладают низкой лабильностью;

Синапсы обладают высокой утомляемостью;

Синапсы обладают высокой чувствительностью к химическим (в том числе и к фармакологическим) веществам.

Суммирование синапсов

Электрические синапсы возбуждающего действия . Кроме синапсов с химической передачей возбуждения преимущественно в центральной нервной системе (ЦНС) встречаются синапсы с электрической передачей. Возбуждающим электрическим синапсам свойственны очень узкая синаптическая щель и очень низкое удельное сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран, что обеспечивает эффективное прохождение локальных электрических токов. Низкое сопротивление, как правило, связано с наличием поперечных каналов, пересекающих обе мембраны, т. е. идущих из клетки в клетку (щелевой контакт). Каналы образуются белковыми молекулами (полумолекулами) каждой из контактирующих мембран, которые соединяются комплементарно. Эта структура легко проходима для электрического тока.

Схема передачи возбуждения в электрическом синапсе: ток, вызванный пресинаптическим потенциалом действия, раздражает по-стсинаптическую мембрану, где возникает ВПСП и потенциал действия.

Поперечные каналы объединяют клетки не только электрически, но и химически, так как они проходимы для многих низкомолекулярных соединений. Поэтому возбуждающие электрические синапсы с поперечными каналами формируются, как правило, между клетками одного типа (например, между клетками сердечной мышцы).

Общими свойствами возбуждающих электрических синапсов являются:

Быстродействие (значительно превосходит таковое в химических синапсах);

Слабость следовых эффектов при передаче возбуждения (в результате этого в них практически невозможна суммация последовательных сигналов);

Высокая надежность передачи возбуждения.

Возбуждающие электрические синапсы могут возникать при благоприятных условиях и исчезать при неблагоприятных. Например, при повреждении одной из контактирующих клеток ее электрические синапсы с другими клетками ликвидируются. Это свойство называется пластичностью.

Электрические синапсы могут быть с односторонней и двусторонней передачей возбуждения.

Электрический тормозный синапс. Наряду с электрическими синапсами возбуждающего действия могут встречаться электрические тормозные синапсы. Примером такого синапса может служить синапс, который образует нервное окончание на выходном сегменте маутнеровского нейрона у рыб. Тормозящее влияние возникает за счет действия тока, вызванного потенциалом действия пресинапти-ческой мембраны. Пресинаптический потенциал вызывает значительную гиперполяризацию сегмента и гиперполяризующий ток мгновенно тормозит генерацию потенциала действия в начальном сегменте аксона.

В смешанных синапсах Пресинаптический потенциал действия создает ток, который деполяризует постсинаптическую мембрану типичного химического синапса, где пре- и постсинаптические мембраны не плотно прилегают друг к другу. Таким образом, в этих синапсах химическая передача служит необходимым усиливающим механизмом.

3 Постсинаптические потенциалы Различаются по амплитуде Могут быть деполяризующими или гиперполяризующими Не регенерируют и не перемещаются вдоль мембраны как потенциал действия Специальный случай: шунтирующий постсинаптический ответ (потенциал реверсии тока равен потенциалу мембраны)

4 Быстрые и медленные постсинаптические ответы 1979 годДжон Эклс в соавторстве с супругами Мак-Гир предложил называть эффекты классических быстрых медиаторов ионотропными поскольку они воздействуют на ионные каналы на постсинаптической мембране, а медленные эффекты - метаботропными, предполагая, что они требуют вовлечения метаболических процессов внутри постсинаптического нейрона.

7 Возбуждение и торможение Возбуждающее событие – событие повышающее вероятность распространения сигнала ВПСТ, возбуждающий постсинаптический ток, повышает вероятность возникновения тока действия в постсинаптической клетке Тормозное событие – событие снижающее вероятность распространения сигнала ТПСТ, тормозный постсинаптический ток, снижает вероятность возникновения тока действия в постсинаптической клетке

8 Что делает событие возбуждающим или тормозным? Потенциал покоя мембраны (V m) Потенциал реверсии ионного тока (V rev) – определяет направление тока Порог генерации потенциала действия (T) VmVm T V rev Деполяризующий потенциал (возбуждающий) VmVm T V rev Гиперполяризующий потенциал (тормозный) -60 мВ VmVm T V rev Шунтирующий ответ потенциал не возникает, но проводимость мембраны увеличивается (тормозный)

9Шунтирование S R = 1/R R – проводимость мембраны в покое S m =S R Шунтирующий ответ S S увеличивает проводимость мембраны Если добавлена шунтирующая проводимость, по закону Ома деполяризация мембраны будет меньше в ответ на возбуждающий синаптический ток V syn =I syn /S m Таким образом, шунтирующий ответ тормозный CmCm SRSR CmCm SRSRS Изменится так же константа затухания синаптических токов

10 Потенциал реверсии синаптического тока Потенциал реверсии тока быть измерен в постсинаптической клетке при использовании метода фиксации потенциала Потенциал реверсии в каждом случае определяется ионной селективностью каналов, открываемых нейропередатчиком

11 Патч кламп Варианты патч клампа 1.Присоединенная клетка – патч пипетка не имеет доступа к внутриклеточному содержимому. Возможен переход к inside-out конфигурации патча. 2.Целая клетка – содержимое клетки заменяется внутрипипеточным раствором. Возможен переход к outside-out конфигурации патча. 3.Перфорированная клетка – комбинация 1 и 2. Отверстия в мембране делаются с помощью антибиотиков. Возможны записи токов, как одиночных ионных каналов, так и их суммарной активности

12 Стохастический процесс открывания ионных каналов Стимул увеличивает вероятность открытия ионных каналов, как это происходит в случае постсинаптического потенциала. В режиме целая клетка регистрируется постсинаптический потенциал как временная суммация открытых состояний ионных каналов.

13 Потенциал реверсии: вольтамперная характеристика Метод: Потенциал на клеточной мембране фиксируется на разных уровнях. Синаптический ток измеряется в ответ на пресинаптическую стимуляцию Потенциал реверсии – потенциал фиксации на котором синаптический ток меняет направление.

14 Потенциал реверсии зависит от ионной проводимости Уравнение Нернста E irev = (RT/zF)ln ( out / in) где R= газовая постоянная T= абсолютная температура z= валентность иона F= постоянная Фарадея Для 37 о С получаем E i rev = 68 log ( out / in) Для 20 о С получаем E i rev = 58 log ( out / in) E i rev для Na + при 20 о С = 58log /= + 75 мВ Поскольку потенциал покоя нейрона негативный (-60 мВ), то ток опосредованный ионами Na + будет деполяризующим Один и тот же ионный канал может обладать проводимостью к нескольким ионам

15 Термины нейрофармакологии Лиганд – вещество, которое связывается с рецептором (агонисты и антагонисты) Агонист – вещество, которое повышает вероятность открытия ионного канала рецептора (нейропередатчики – агонисты постсинаптичеких рецепторов). Антагонист – вещество которое снижает вероятность открытия ионного канала Аллостерический модулятор – вещество которое изменяет эффект связывания агониста (эндогенные модуляторы влияют на синаптическую передачу) Аффинность – чувствительность рецептора к агонисту (синаптические рецепторы имеют низкую аффинность чтобы не реагировать на «фоновый» нейропередатчик) Десенситизация – потеря способности рецептора отвечать на постоянно присутствующий агонист (играет важную роль в окончании синаптического события) Инактивация – переход рецептора в неактивное состояние

16 Кинетическая модель R - рецептор, GluR – рецептор связанный с одной молекулой глутамата (агониста) Glu2R – рецептор связанный с 2-мя молекулами агониста Glu2R* - открытое состояние GluRD, Glu2RD, и Glu2R*D три десенситизированных состояния к – константы соответствующих переходов

18 Рецепторы глутамата Ионотропные –AMPA (преимущественно Na + /K + проводимость) –Каинатные (Na + /K + и Ca 2+ проводимость) –NMDA (значительная Ca 2+ проводимость) – потенциал-зависимые Метаботропные –mGluR группы I, II и III Играют функционально различную роль Могут быть мишенью для лекарственных препаратов

21 AMPA рецепторы Основные рецепторы глутаматергической синаптической передачи Проводимость одиночного канала ~8пС (g = I/V m -E rev) Na + и K + проводимость если присутствует немодифицированная GluR2 субъединица то проводимость для Ca 2+ Быстрая десенситизация Вольтамперная характеристика – ВАХ

22 Каинатные рецепторы Состоят из 5 типов субъединиц GluR5,6,7, KA1, KA2 функциональны гомомеры GluR5 и GluR6 Гетеромеры KA2 с GluR5 или GluR6 Рецепторы быстро десенситизируются (но вероятно не все) Субклеточное распределение может отличаться от AMPA (возможно, преимущественно внесинаптические рецепторы) Линейная ВАХ

24 NMDA рецептор Канал блокирован ионами Mg 2+ при mV. Деполяризация убирает Mg 2+ блок Помимо глутамата требует глицин как ко-агонист Имеет очень медленную кинетику. Обладает более высокой аффинностью, чем AMPA, каинатные или mGluR рецепторы.

28 Классификация и свойства ГАМК рецепторов ГАМК А и ГАМК С рецепторы как правило гиперполяризующие деполяризующие в случае, если потенциал постсинаптического нейрона более отрицательный, чем потенциал реверсии для Cl - в клетке (в процессе развития мозга) ГАМК А и ГАМК С – ионотропные рецепторы ГАМК ГАМК Б – метаботропные рецепторы ГАМК

29 Метаботропные рецепторы ГАМК Пресинаптическая функция: снижение высвобождения нейропередатчика Постсинаптическая функция: Медленный K + ток (гиперполяризующий) Поскольку требуется активация каскадов вовлекающих G- белки: Большая задержка (20-50 мсек), медленная начальная фаза и фаза затухания (мсек)

33 Возбуждающий и тормозный эффекты ГАМК А Глутаматные синапсы (основные возбуждающие синапсы мозга) возникают после ГАМКергических. В этот период ГАМК опосредует передачу возбуждения, тогда как торможение осущесвляется за счет шунтирующего эффекта внесинаптических ГАМК рецепторов. Вопрос: Почему? Потенциал клетки более негативный в развивающихся нейронах чем в развитых или потенциал реверсии хлорных токов более позитивный? VmVm T V rev VmVm T -60 мВ VmVm T V rev взрослый нейрон негативный потенциал мембраны сдвиг потенциала реверсии Это тоже шунтирование синаптический потенциал никогда не достигнет порога

34 Изменение градиентов для Cl - в процессе развития Сдвиг в относительной экспрессии Cl - транспортеров Сначала экспрессируется Na + -K + -2Cl - котранспортер (NKCC 1), он увеличивает i - ГАМК эффекты деполяризующие Потом экспрессируется K + -Cl - котранспортер (KCC2) снижающий i – ГАМК эффекты гиперполяризующие

35 Энергия для транспорта Транспортеры в отличие от насосов не требуют энергии АТФ. Они используют энергию градиентов других ионов, потому и могут переносить тот или иной ион против градиента. Используется градиент Na + и K + Типы транспорт: симпорт и антипорт

37 Синаптическая пластичность Правило Хебба (1948) Когда аксон клетки А достаточно близко, чтобы возбудить клетку Б, или постоянно разряжается, происходит процесс роста или метаболические изменения в одной или обоих клетках так, что эффективность клетки А, как клетки возбуждающей В увеличивается Только в начале 70х Блис и Ломо привели экспериментальное доказательство этого принципа – долговременная синаптическая потенциация

38 Типы синаптической пластичности Кратковременная пластичность (секунды - минуты) посттетаническая потенциация парная фасилитация парная депрессия Долговременная пластичность (часы и дни) NMDA рецептор зависимая долговременная потенциация (LTP) NMDA рецептор независимая LTP Ca 2+ чувствительная аденилатциклаза зависимая LTP NMDA рецептор зависимая долговременная депрессия (LTD) Гомосинаптическая пластичность Возникает в активированных синапсах как результат их собственной активации Гетеросинаптическая пластичность Пластичность возникает в других синапсах того же синаптического пути

40 LTP как изменение внеклеточного полевого потенциала Классический эксперимент 1.Измерять полевой ВПСП в ответ на одиночную электрическую стимуляцию 2.Произвести короткую высокочастотную стимуляцию 3.Произвести измерение LTP как изменение угла наклона полевого ВПСП

42 Ассоциативная LTP (гетеросинаптическая) (А) На один вход подать слабую стимуляцию – нет эффекта (B) Тетаническая (высокочастотная) стимуляция не приводит к LTP вслабом пути, но приводит в сильном (C) Подать тетаническую стимуляцию на оба пути одновременно – в слабом пути возникнет LTP

43 NMDA рецептор зависимая и независимая LTP NMDA рецептор зависимая LTP не возникает при блокированных NMDA рецепторах. Как правило постсинаптическая (усиливает функцию AMPA рецепторов) NMDA рецептор независимая LTP увеличивает вероятность высвобождения нейропередатчика (пресинаптическая)

44 Возможные механизмы LTP/LTD Пресинаптический: увеличение/снижение вероятности высвобождения нейропередатчика Постсинаптический: Увеличение/снижение ответа на ту же концентрацию нейропередатчика –Изменение числа рецепторов –Изменение свойств рецепторов (посттрансляционная модификация или экспрессия рецепторов с другими свойствами)

Взаимодействие нейронов между собой (и с эффекторными органами) происходит через специальные образования - синапсы (греч. - контакт). Они образуются, в основном, концевыми разветвлениями нейрона на теле или отростках другого нейрона. Чем больше синапсов на нервной клетке, тем больше она воспринимает различных раздражений и, следовательно, шире сфера влияний на ее деятельность и возможность участия в разнообразных реакциях организма. Особенно много синапсов в высших отделах нервной системы и именно у нейронов с наиболее сложными функциями.

Синапс - морфофункциональное образование ЦНС, которое обеспе­чивает передачу сигнала с нейрона на другой нейрон или с нейрона на эф-фекторную клетку (мышечное волокно, секреторную клетку).

Синапсы классифицируют:

■ по конечному эффекту (по характеру воздействия на последую­щую нервную клетку) - тормозные и возбуждающие;

■ по механизму передачи сигнала - электрические (посредством ионов), химические (посредством медиаторов), смешанные.

В структуре синапса различают три элемента (рис. 5):

■ пресинаптическую мембрану, образованную утолщением мем­браны конечной веточки аксона;

■ синаптическую щель между нейронами;

■ постсинаптическую мембрану - утолщение прилегающей по­верхности следующего нейрона.

Рис. 5. Схема синапса: Пре. – пресинаптическая мембрана, Пост. – постсинаптическая мембрана, С – синаптические пузырьки, Щ – синаптическая щель, М – митохондрии, Ах – ацетилхолин, Р – рецепторы и поры (Поры) дендрита (Д) следующего нейрона; стрелка – одностороннее проведение возбуждения

В большинстве случаев передача влияния одного нейрона на другой осуществляется химическим путем. В пресинаптической части контакта имеются синаптические пузырьки, которые содержат специальные вещества – медиаторы, или посредники. Ими могут быть ацетилхолин (в некоторых клетках спинного мозга, в вегетативных узлах), норадреналин (в окончаниях симпатических нервных волокон, в гипоталамусе), некоторые аминокислоты и другие вещества. Приходящие в окончания аксона нервные импульсы вызывают опорожнение синаптических пузырьков и выведение медиатора в синаптическую щель.

В возбуждающих синапсах медиаторы (например, ацетилхолин) связываются со специфическими макромолекулами постсинаптической мембраны и вызывают ее деполяризацию. Эта деполяризация получила определенное название: возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). Для возбуждения нейрона необходимо, чтобы ВПСП достиг КУД. Для этого величина деполяризационного сдвига мембранного потенциала должна составлять не менее 10 мВ. Действие медиатора очень кратковременно (1 – 2 мс), после чего он или расщепляется на неэффективные компоненты (например, ацетилхолин расщепляется ферментом холинэстеразой на холин и уксусную кислоту), или поглощается обратно пресинап-тическими окончаниями (например, норадреналин).

В тормозящих синапсах содержатся тормозные медиаторы (например, гаммааминомасляная кислота). Их действие на постсинаптическую мембрану вызывает усиление выхода ионов калия из клетки, что приводит к гиперполяризации мембраны – регистрируется тормозящий постсинаптический потенциал (ТПСП). В результате нервная клетка оказывается заторможенной. Возбудить ее труднее, чем в исходном состоянии. Для этого понадобится более сильное раздражение, чтобы достичь критического уровня деполяризации.

На мембране тела и дендритов нервной клетки находятся как возбуждающие, так и тормозящие синапсы.

При одновременном влиянии как возбуждающих, так и тормозящих синапсов происходит алгебраическое суммирование (т.е. взаимное вычитание) их эффектов. При этом возбуждение нейрона возникнет лишь в том случае, если сумма возбуждающих постсинаптических потенциалов окажется больше суммы тормозящих. Это превышение должно составлять определенную пороговую величину (около 10 мВ). Только в этом случае появляется потенциал действия клетки. Следует отметить, что, в целом, возбудимость нейрона зависит от его размеров: чем меньше клетка, тем выше ее возбудимость.

С появлением потенциала действия начинается процесс проведения нервного импульса по аксону и передача его на следующий нейрон или рабочий орган, т.е. осуществляется эффекторная функция нейрона. Нервный импульс является основным средством связи между

Таким образом, передача информации в нервной системе происходит с помощью двух механизмов – электрического (ВПСП; ТПСП; потенциал действия) и химического (медиаторы).

2. Особенности проведения возбуждения в ЦНС (через нервные центры)

Свойства нервных центров в значительной мере связаны с особенностями проведения нервных импульсов через синапсы, связывающие различные нервные клетки.

Нервным центром, как было сказано выше, называют совокупность нервных клеток, необходимых для осуществления какой-либо функции. Эти центры отвечают соответствующими рефлекторными реакциями на внешнее раздражение, поступившее от связанных с ними рецепторов. Клетки нервных центров реагируют и на непосредственное их раздражение веществами, находящимися в протекающей через них крови (гуморальные влияния). В целостном организме имеется строгое согласование – координация их деятельности.

Проведение возбуждения в ЦНС имеет некоторые особенности.

1. Одностороннее проведение возбуждения. Проведение волны возбуждения от одного нейрона к другому через синапс происходит в большинстве нервных клеток химическим путем – с помощью медиатора, а медиатор содержится лишь в пресинаптической части синапса и отсутст-вует в постсинаптической мембране. Поэтому проведение нервных влияний возможно лишь от пресинаптической мембраны к постсинап- тической и невозможно в обратном направлении. В связи с этим поток нервных импульсов в рефлекторной дуге имеет определенное направление – от афферентных нейронов к вставочным и затем к эфферентным – мото-нейронам или вегетативным нейронам.

2. Большое значение в деятельности нервной системы имеет другая особенность проведения возбуждения через синапсы – замедленное прове- дение. Затрата времени на процессы, происходящие от момента подхода нервного импульса к пресинаптической мембране до появления в постси-наптической мембране потенциалов, называется синаптической задерж- кой. В большинстве центральных нейронов она составляет около 0,3 мс. После этого требуется еще время на развитие возбуждающего постсинапти-ческого потенциала (ВПСП) и потенциала действия. Весь процесс передачи нервного импульса (от потенциала действия одной клетки до потенциала действия следующей клетки) через один синапс занимает примерно 1,5 мс. При утомлении, охлаждении и ряде других воздействий длительность си-наптической задержки возрастает. Если же для осуществления какой-либо реакции требуется участие большого числа нейронов (многих сотен и даже тысяч), то суммарная величина задержки проведения по нервным центрам может составить десятые доли секунды и даже целые секунды.

При рефлекторной деятельности общее время от момента нанесения внешнего раздражения до появления ответной реакции организма - так называемое скрытое, или латентное, время рефлекса определяется в основ-ном длительностью проведения через синапсы. Величина латентного вре- мени рефлекса служит важным показателем функционального состояния нервных центров. Измерение латентного времени простой двигательной реакции человека на внешний сигнал широко используется в практике для оценки функционального состояния ЦНС.

3. Суммация возбуждения. В ответ на одиночную афферентную
волну, идущую от рецепторов к нейронам, в пресинаптической части синап-
са освобождается небольшое количество медиатора. При этом в постсин тической мембране нейрона обычно возникает ВПСП – небольшая местная деполяризация. Для того чтобы общая по всей мембране нейрона величина ВПСП достигала критического уровня возникновения потенциала действия, требуется суммация на мембране клетки многих подпороговых ВПСП. Лишь в результате такой суммации возбуждения возникает ответ нейрона. Различают пространственную и временную суммацию (рис. 6).

Рис. 6. Временная и пространственная суммация на уровне нейрона: 1 – приход импульсов к нервной клетке; 2 – формирование биопотенциала

Пространственная суммация наблюдается в случае одновременного поступления нескольких импульсов в один и тот же нейрон по разным нервным волокнам. Возбуждения, приходящие в точку В, А, С нейрона (даже если они подпороговые) при одновременном появлении у данного нейрона могут привести к его возбуждению при условии, что суммирован-ный ВПСП достигает КУД.

Временная суммация происходит при активации одного и того же афферентного пути серией последовательных раздражений. Если с определенным интервалом к нейрону в точку А приходят импульсы, они вызывают в этой области генерацию ВПСП. Если эти ВПСП не достигают критического уровня деполяризации, то ПД не возникает. Если же частота следования импульсов достаточно большая и ВПСП нейрона от предыдущих раздражений не успевают затухать, то последующие ВПСП накладываются друг на друга, пока деполяризация мембраны нейрона не достигнет критического уровня для возникновения потенциала действия. Т.е. в этом месте происходит суммация ВПСП, при достижении ВПСП КУД возникает потенциал действия, нейрон возбуждается.

Таким способом даже слабые раздражения через некоторое время могут вызывать ответные реакции организма, например, чихания и кашля в ответ на слабые раздражения слизистой оболочки дыхательных путей.

4. Трансформация и усвоение ритма. Характер ответного разряда
нейрона зависит не только от свойств раздражителя, но и от функционального состояния самого нейрона (его мембранного заряда, возбудимости, лабильности). Нервные клетки обладают свойством изменять частоту
передающихся импульсов, т. е. свойством трансформации ритма.

При высокой возбудимости нейрона (например, после приема кофеина) может возникать учащение импульсации (мультипликация ритма), а при низкой возбудимости (например, при утомлении) происходит урежение ритма, т.к. несколько приходящих импульсов должны суммироваться, чтобы наконец достичь порога возникновения потенциала действия. Эти изменения частоты импульсации могут усиливать или ослаблять ответные реакции организма на внешние раздражения.

При ритмических раздражениях активность нейрона может настроиться на ритм приходящих импульсов, т.е. наблюдается явление усвоения ритма (А. А. Ухтомский, 1928). Развитие усвоения ритма обеспечивает сонастройку активности многих нервных центров при управлении сложными двигательными актами, особенно это важно для поддержания темпа циклических упражнений.

5. Следовые процессы. После окончания действия раздражителя активное состояние нервной клетки или нервного центра обычно продолжается еще некоторое время. Длительность следовых процессов различна:

небольшая в спинном мозге (несколько секунд или минут), значительно больше в центрах головного мозга (десятки минут, часы или даже дни) и очень большая в коре больших полушарий (до нескольких десятков лет).

Поддерживать явное и кратковременное состояние возбуждения в нервном центре могут импульсы, циркулирующие по замкнутым цепям нейронов. Значительно сложнее по природе длительно сохраняющиеся скрытые следы. Предполагают, что длительное сохранение в нервной клетке следов со всеми характерными свойствами раздражителя основано на изменении структуры составляющих клетку белков и на перестройке синаптических контактов.

Непродолжительные импульсные последействия (длительностью до 1 ч) лежат в основе так называемой кратковременной памяти, а длительные следы, связанные со структурными и биохимическими перестройками в клетках, – в основе формирования долговременной памяти.

Лекция 6 КООРДИНАЦИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЦНС

Координация (дословно) – упорядочение, взаимосвязь, согласование. Координация – это объединение действий в единое целое. Управление!

Процессы координации деятельности ЦНС основаны на согласовании двух главных нервных процессов – возбуждения и торможения. Торможение является активным нервным процессом, который предупреждает или угнетает возбуждение.

Одни постсинаптические рецепторы при их активации вызывают возбуждение постсинаптического нейрона, а другие - ведут к торможению. Важность наличия тормозных рецепторов наряду с возбуждающими состоит в том, что это позволяет не только возбуждать, но и ограничивать действие нервной системы.
Среди различных молекулярных и мембранных механизмов , используемых разными рецепторами для вызова возбуждения или торможения, можно выделить следующие.

Возбуждение
1. Открытие натриевых каналов позволяет большому числу положительных электрических зарядов войти в постсинаптическую клетку. Это сдвигает внутриклеточный мембранный потенциал в положительном направлении, приближая его к пороговому для возбуждения уровню. Это наиболее широко используемый способ для вызова возбуждения.

2. Снижение проводимости через хлорные или калиевые каналы, или через те и другие уменьшает диффузию отрицательно заряженных ионов Сl- внутрь постсинаптического нейрона или снижает диффузию положительно заряженных ионов К+ наружу. В любом случае результатом будет поддержание более положительного, чем в норме, мембранного потенциала, что способствует возбуждению.

3. Различные изменения внутриклеточного метаболизма постсинаптического нейрона ведут к возбуждению клеточной активности или в некоторых случаях - к увеличению числа возбуждающих или уменьшению числа тормозных мембранных рецепторов.

Торможение
1. Открытие каналов для ионов хлора в постсинаптической мембране нейрона позволяет отрицательно заряженным ионам быстро диффундировать снаружи внутрь постсинаптического нейрона, увеличивая таким образом отрицательность внутри нейрона. Это тормозной эффект.

2. Увеличение проводимости мембраны для ионов калия позволяет положительным ионам диффундировать наружу, что ведет к увеличению отрицательности внутри нейрона. Это также является тормозным эффектом.

3. Активация ферментов, отвечающих за клеточные метаболические функции, которые увеличивают число тормозных рецепторов или уменьшают количество возбуждающих синаптических рецепторов.

К настоящему времени доказано или предполагают, что более 50 химических веществ функционируют как синаптические медиаторы. Одна группа включает низкомолекулярные быстродействующие медиаторы, другая группа состоит из нейропептидов гораздо большего молекулярного размера, обычно действующих значительно медленнее.

Именно низкомолекулярные быстродействующие медиаторы вызывают самые быстрые реакции нервной системы, такие как передача сенсорных сигналов к головному мозгу и двигательных сигналов к мышцам. Нейропептиды, наоборот, обычно вызывают более длительные эффекты, такие как долговременные изменения числа нейрональных рецепторов, долговременное открытие или закрытие некоторых ионных каналов и, возможно, даже долговременные изменения числа или размера синапсов.

Учебное видео - строение синапса

Единство и различия в передаче возбуждения и торможения через синапсы. Возбуждение и торможение - не разные самостоятельные процессы, а две стадии единого нервного процесса.

По современным представлениям, при возбуждении сначала происходит деполяризация мембран нейронов и нервных волокон, а затем реверсия, характеризующие возбуждение. После реверсии наступает характерная для торможения следовая гиперполяризация мембран (торможение после возбуждения).

Обнаружено, что кроме возбуждающих нейронов, в которых при действии поступающих по нервам волокнам биопотенциалов выделяется ацетилхолин, деполяризующий постсинаптическую мембрану, имеются еще особые тормозящие нейроны. По нервным волокнам к синапсам тормозящих нейронов проводятся такие же биопотенциалы действия, как и к возбуждающим, но медиатор гиперполяризует постсинаптическую мембрану. В результате возникает тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП), в отличие от синапсов возбуждающих нейронов, в которых возникает возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). Тормозные импульсы уменьшают деполяризацию.

Предполагается, что тормозной медиатор вызывает кратковременное образование мельчайших пор в некоторых участках постсинаптической мембраны. Через эти поры могут проходить только маленькие гидратированные ионы калия и хлора, но не проходят большие гидратированные ионы натрия. Увеличение проницаемости мембраны для ионов калия, выходящих на ее наружную поверхность, и увеличение проницаемости для ионов хлора, поступающих внутрь нейрона, приводят к гиперполяризации мембраны. При обратном движении ионов хлора наружу гиперполяризация переходит в деполяризацию.

Латентный период ТПСП по меньшей мере на 1 мсек больше, чем латентный период ВПСП, при котором через поры постсинаптической мембраны проходят крупные гидратированные ионы натрия. Это увеличение латентного периода ТПСП зависит от того, что во всех случаях торможения в центральной нервной системе на тормозном пути имеется не меньше одного вставочного нейрона.

Кроме постсинаптического торможения, в центральной нервной системе широко распространено пресинаптическое торможение, подавляющее нервные импульсы возбуждения, которые поступают по центростремительным нейронам от рецепторов. Пресинаптическое торможение осуществляется на синапсах центростремительных нейронов. Продолжительность пресинаитического торможения в десятки раз больше, чем постсинаптического, что зависит от значительно большего количества вставочных нейронов, образующих цепочку.

Большинство исследователей считает, что в синапсах вставочных нейронах Реншоу, тормозящих двигательные центробежные нейроны передних рогов спинного мозга, а также в синапсах вставочных нейронов, участвующих в пре- и постсинаптическом торможении, и в окончаниях двигательных нервов в поперечнополосатых мышцах при их торможении передача импульсов производится посредством одного и того же медиатора ацетилхолина. Только в синапсах симпатических центробежных путей, например в окончаниях симпатических нервов в гладких мышцах, передача импульсов, вызывающих торможение, производится посредством медиатора норадреналина. Следовательно, и возбуждение и торможение передаются через большинство синапсов посредством ацетилхолина.

Торможение имеет разную локализацию, но природа торможения, вероятно, в основном одинакова. Это доказывается тем, что, во всех описанных видах торможения сначала возникает фаза гиперполяризации, а затем она переходит в фазу деполяризации. Следует учесть, что гиперполяризация возникает также после усиленной ритмической активности, т. е. после деполяризации. Общность природы торможения доказывается также тем, что во всех описанных его видах участвуют вставочные нейроны, обеспечивающие конвергенцию центростремительных импульсов.

Главная » Правила в английском языке » Чем отличается действие возбуждающих и тормозных медиаторов. Механизмы передачи возбуждения в возбуждающих и тормозных синапсах