А — при перфузии изотоническим раствором хлорида натрия; б — после выключения импульсной активности те тро до то к си но м

мального кровообращения. Удаление из перфузата ионов Са²⁺ и особенно замена этих ионов на ионы Mg²⁺ или Мп²⁺, не влияя на спонтанное высвобождение квантов медиатора, прекращает высвобождение квантов медиатора нервными импульсами. Это особенно наглядно демонстрируют опыты на изолированном спинном мозге лягушки, поскольку здесь первичные афферентные волокна образуют смешанные синапсы со спинальными мотонейронами и возбуждающие постсинаптические потенциалы, возникающие в мотонейроне при раздражении одного такого афферентного волокна, содержат электрический и химический компоненты (рис. 65). Электрический компонент, отражаю­щий возникновение потенциала действия в пресинаптическом окончании, не изменяется после удаления кальция из раствора. Напротив, медиаторный компонент полностью утрачивается. Таким образом, Са ²⁺ является необходимым для процесса высвобождения медиатора нервным импульсом. При отсутствии Са ²⁺ связь между деполяризацией пресинаптической мембраны и высвобождением медиатора (электросекреторная связь) нарушается. Роль кальция в этом процессе связана с тем, что деполяризация, создаваемая нервными импульсами, приводит к активации потенциалзависимых кальциевых каналов пресинаптической мембраны. Ионы Са, поступая внутрь пресинаптического окончания, обеспечивают выход квантов медиатора в синаптическую щель. Ионы Mg и Мп, блокируя потенциалзависимые кальциевые каналы мембраны, нарушают процесс высвобождения медиатора даже при наличии ионов Са в среде, окружающей клетки.

Ионы Са также участвуют и в спонтанном выбросе квантов медиатора, так как факторы, способствующие увеличению концентрации Са ²⁺ внутри нервных окончаний, например некоторые метаболические ингибиторы, вызывают повышение частоты спонтанных миниатюрных потенциалов. Дискретный, квантовый характер высвобождения медиатора нервным импульсом в синапсах ЦНС подтверждается результатами статистического анализа распределения амплитуд постсинапти-ческих потенциалов, вызываемых раздражением одиночного пресинаптического волокна.

В разных синапсах ЦНС эффекты, вызываемые в постсинаптической мембране одиночным квантом медиатора, и средний квантовый состав, т. е. число квантов медиатора, освобождаемых в среднем нервным импульсом, значительно варьируют. Так, в синапсах между окончаниями первичных афферентных волокон и мотонейронами спинного мозга величина деполяризации, вызы­ваемая одним квантом медиатора, обычно составляет 50—100 мкВ, а число квантов, высвобожда­емых окончаниями одного волокна на данном мотонейроне, обычно не превышает 5—10, а часто бывает значительно меньше. В синапсах между некоторыми клетками коры мозжечка средний квантовый состав может достигать нескольких сотен.

4 Физиология человека Q7

d

- jA— |°^5мВ

2 V \________ ____________ J60 MP

2 мс

о

Электросекреторная связь. Электронно-микроскопические исследования показали, что пресинаптические окончания всегда содержат синаптические пузырьки или везикулы, каждая из которых содержит один квант медиатора. Действительно, имеются убедитель­ные биохимические данные, что вещества, рассматриваемые в качестве химических ме­диаторов, содержатся в синаптических пузырьках. Более того, расчеты количества медиатора, содержащегося в одном пузырьке, и количество молекул медиатора, необхо­димых для создания постсинаптического эффекта, аналогичного действию одного кванта, совпадают. Таким образом, совокупность имеющихся данных свидетельствует о том, что как спонтанные миниатюрные постсинаптические потенциалы, так и постсинаптические потенциалы обусловлены выходом в синаптическую щель медиатора, содержащегося в синаптических пузырьках. Этот процесс (экзоцитоз) заключается в том, что пузырек, подойдя к внутренней поверхности мембраны пресинаптического окончания при наличии Са ²⁺, сливается с пресинаптической мембраной. В результате происходит опорожнение пузырька в синаптическую щель. После спадения пузырька окружающая его мембрана включается в мембрану пресинаптического окончания, увеличивая его поверхность. В дальнейшем (в результате Процесса эндоцитоза) небольшие участки пресинаптической мембраны впячиваются внутрь, вновь образуя пузырьки, которые впоследствии снова способны включать медиатор и вступать в цикл его высвобождения.

Рис- 65. Схема опыта, позволяю­щего регистрировать постсинап­тические ответы в мотонейроне изолированного спинного мозга лягушки при раздражении оди­ночного пресинаптического во­локна (а). Кривые (I, 2) иллю­стрируют влияние удаления каль­ция на химический компонент та­кого элементарного постсинапти­ческого ответа.

Участие Са ²⁺ в процессе высвобождения медиатора нервным импульсом определяет ряд важных специфических особенностей работы синапсов с химическим механизмом передачи. Такое характерное свойство химических синапсов, как синаптическая задерж­ка, определяется главным образом временем, необходимым для вхождения Са ²⁺ внутрь пресинаптического окончания. Накопление С а ²⁺ внутри пресинаптического окончания в результате предшествующего поступления улучшает эффективность работы химическо­го синапса. Если интервал между последовательным возникновением потенциалов действия в пресинапсе невелик, каждый последующий потенциал вызывает высвобожде­ние большего числа квантов медиатора, что проявляется увеличением амплитуды постсинаптических потенциалов. Это явление временного облегчения или потенциации можно связать с накоплением Са ²⁺ в пресинаптическом окончании. Такую же природу имеет и посттетаншеская или постактивационная потенциация: увеличение числа кван­тов медиатора, высвобождаемых нервным импульсом, после предшествующего ритми­
ческого раздражения. Посттетаническая потенциация может длиться от нескольких минут до многих часов (в синапсах гиппокампа) и играть важную роль в пластических изменениях функции синапсов.

ХИМИЧЕСКИЕ МЕДИАТОРЫ

В ЦНС медиаторную функцию выполняет не одно, а большая группа разнородных химических веществ. Список вновь открываемых химических медиаторов неуклонно пополняется.

Чаще всего химическими медиаторами являются вещества с небольшой относитель­ной молекулярной массой. Однако и высокомолекулярные соединения, такие, как поли­пептиды, также способны выполнять роль химических передатчиков в ряде центральных и периферических синапсов.

Основным критерием медиаторной функции веществ является его наличие в соот­ветствующих пресинаптических окончаниях, способность высвобождаться под влиянием нервного импульса, а также идентичность молекулярных и ионных механизмов действия на постсинаптическую мембрану вещества, высвобождаемого нервным импульсом и при­кладываемого искусственно к постсинаптической мембране.

В противоположность многим периферическим структурам, где процесс идентифика­ции медиатора по указанным выше критериям может быть произведен сравнительно просто, ЦНС построена из негомогенных диффузно расположенных популяций нервных клеток и окончаний. Это вносит значительные трудности в обнаружение выделяемого медиатора, который, прежде чем появиться на поверхности мозга или в спинномозговой жидкости, должен диффундировать на большие расстояния. Помимо этого, в централь­ных структурах трудно добиться избирательной стимуляции определенной гомогенной группы нейронов или волокон, так же как трудно подводить предполагаемый медиатор к определенным нервным клеткам, не оказывая влияния на соседние нейроны. Именно поэтому природа химических медиаторов во многих синапсах ЦНС до сих пор оконча­тельно не установлена. Тем не менее выявлен ряд веществ, играющих роль медиаторов синаптического возбуждения и торможения в ЦНС млекопитающих и человека.

К ним относятся: ацетилхолин; катехоламины: адреналин, нор адреналин, дофамин; серотонин: 5-гидрокситриптамин; нейтральные аминокислоты: глутаминовая, аспара- гиновая кислоты; кислые аминокислоты: глицин, гамм а-амином ас ляная кислота (ГАМК); полипептиды: вещество Р, энкефалин, соматостатин и др.; другие вещества: АТФ, гистамин, простагландины.

Согласно принципу Дейла, каждый нейрон во всех своих синаптических окончаниях выделяет один и тот же медиатор. Поэтому принято обозначать нейроны по типу медиато­ра, который выделяют их окончания. Нейроны, освобождающие ацетилхолин, называют холинергическими, серотонин — серотонинергическими и т. д. Этот же принцип может быть использован для обозначения различных химических синапсов. Иными словами, различают холинергические, серотонинергические и другие синапсы.

Ацетилхолин. Ацетилхолин является уксуснокислым эфиром холина, т. е. относится к простым эфирам. Он образуется при ацетилировании холина, причем этот процесс происходит при участии фермента ацетилхолинтрансферазы. Особенностью ацетилхоли­на как медиатора является быстрое его разрушение после высвобождения из пресинапти­ческих окончаний с помощью фермента ацетилхолинэстеразы.

Ацетилхолин выполняет функцию медиатора в синапсах, образуемых возвратными коллатералями аксонов двигательных нейронов спинного мозга на вставочных клетках Реншоу, которые в свою очередь с помощью другого медиатора оказывают тормозящее воздействие на мотонейроны.

4*

Этот пример является хорошей иллюстрацией принципа Дейла, так как известно, что перифе­рические окончания моторных аксонов активируют волокна скелетной мускулатуры с помощью ацетилхолина. Возвратные коллатерали тех же аксонов в пределах ЦНС выделяют тот же медиатор.

Холинергическими являются и нейроны спинного мозга, иннервирующие хромаффин- ные клетки, а также преганглионарные нейроны, иннервирующие нервные клетки интра- муральных и экстрамуральных ганглиев. Полагают, что холинергические нейроны имеют­ся в составе ретикулярной формации среднего мозга, мозжечка, базальных ганглиях и коре.

Катехоламины. Три родственных в химическом отношении вещества: дофамин, норадреналин и адреналин — являются производными тирозина и выполняют медиатор- ную функцию не только в периферических, но и в центральных синапсах.

Дофаминергические нейроны находятся у млекопитающих главным образом в преде­лах среднего мозга, образуя так называемую нигростриалъную систему. Особенно важную роль дофамин играет в полосатом теле, где обнаруживаются особенно большие количества этого медиатора. Кроме того, дофаминергические нейроны имеются в гипо­таламусе.

Норадренергические нейроны содержатся также в составе среднего мозга, моста мозга и продолговатого мозга. Аксоны норадренергических нейронов образуют восходя­щие пути, направляющиеся в гипоталамус, таламус, лимбические отделы коры и в моз­жечок. Нисходящие волокна норадренергических нейронов иннервируют нервные клетки спинного мозга.

Катехоламины оказывают как возбуждающее, так и тормозящее действие на нейроны ЦНС.

Серотонин. Подобно катехоламинам, серотонин относится к группе моноаминов, синтезируется из аминокислоты триптофана. У млекопитающих серотонинергические нейроны локализуются главным образом в стволе мозга. Они входят в состав дорсального и медиального ядер шва продолговатого мозга, моста и среднего мозга. Серотонинерги­ческие нейроны распространяют влияния на новую кору, гиппокамп, бледный шар, миндалину, подбугровую область, стволовые структуры, кору мозжечка, спинной мозг.

Серотонин играет важную роль в нисходящем контроле активности спинного мозга и в гипоталамическом контроле температуры тела. Нарушения серотонинового обмена, возникающие при действии ряда фармакологических препаратов, могут вызы­вать галлюцинации. Нарушения функции серотонинергических синапсов наблюдаются при шизофрении и других психических расстройствах. Серотонин может вызывать воз­буждающее и тормозящее действие в зависимости от свойств рецепторов постсинап­тической мембраны.

Нейтральные аминокислоты. Две основные дикарбоксильные кислоты L-глутамат и L-acnapmam находятся в большом количестве в ЦНС и могут выполнять функцию медиа­торов.

L-глутаминовая кислота представляет собой дикарбоновую аминокислоту, входя­щую в состав многих белков и пептидов. Она плохо проходит через гематоэнцефали- ческий барьер и поэтому не поступает в мозг из крови, образуясь в самой нервной ткани (главным образом из глюкозы). В ЦНС млекопитающих глутамат обнаруживается в высоких концентрациях. По-видимому, он является одним из самых распространенных медиаторов в центральных синапсах позвоночных животных. Полагают, что его функция связана главным образом с синаптической передачей возбуждения.

Глутамат исчезает из синаптической щели вследствие захвата его нервными и гли- альными клетками и пресинаптическими окончаниями. Глутамат принимает участие в ряде важных метаболических процессов и входит в цикл синтеза у-аминомасляной кислоты. Сходное с ним действие оказывает на центральные нейроны аспартат.

Кислые аминокислоты. К этой группе аминокислот относятся ГАМК и глицин.

ГАМК представляет собой продукт декарбоксилировання L-глутаминовой кислоты. Эта реак­ция катализируется- декарбоксилазой глутаминовой кислоты. Отмечено значительное совпадение локализации этого фермента и ГАМК в пределах ЦНС. Другой фермент нервной ткани — трансами- наза — катализирует перенос аминогруппы ГАМК на а-кетоглутаровую кислоту, в результате чего последняя превращается в семиальдегид янтарной кислоты.

ГАМК содержится в нейронах спинного и головного мозга. При ее аппликации к различным нейронам ЦНС почти всегда возникает тормозной эффект, вследствие чего ГАМК рассматривают как наиболее распространенный медиатор синаптического тормо­жения. Так, тормозное действие ГАМК было продемонстрировано на клетках коры больших полушарий, нейронах ствола мозга, двигательных нейронах спинного мозга. ГАМК выполняет функцию медиатора при осуществлении как постсинаптического, так и пресинаптического торможения (см. ниже).

Медиаторная функция глицина ограничивается главным образом спинным мозгом, где это вещество выполняет роль медиатора постсинаптического торможения.

Так же как нейтральные аминокислоты, ГАМК и глицин после своего освобождения пресинаптическими окончаниями удаляются из синаптической щели путем захвата нервными и глиальными клетками.

Полипептиды. В последние годы показано, что в синапсах ЦНС медиаторную функ­цию могут выполнять некоторые полипептиды. К таким полипептидам относятся ве­щество Р, гипоталамические нейрогормоны, энкефалин и др.

Под названием «вещество Р» подразумевается группа агентов, впервые экстрагиро­ванных из кишечника. Эти полипептиды обнаруживаются во многих частях ЦНС. Особен­но высока их концентрация в области черного вещества. Наличие вещества Р в задних корешках спинного мозга позволяет предполагать, что оно может служить медиатором в синапсах, образуемых центральными окончаниями аксонов некоторых первичных афферентных нейронов. Действительно, вещество Р оказывает возбуждающее действие на определенные нейроны спинного мозга.

Медиаторная роль других нейропептидов выяснена еще меньше.

Специфические рецепторы мембраны. Для химической передачи в синапсах необхо­димо существование особых мембранных рецепторов, с которыми реагируют химические медиаторы. Результатом этого взаимодействия является специфическое изменение свойств постсинаптической мембраны, приводящее к возбуждению или торможению постсинаптической клетки.

Роль мембранных рецепторов играют белковые молекулы, обладающие способ­ностью «узнавать» специфические для них вещества и вступать с ними в реакцию. Бел­ковые молекулы подвергаются конформационным изменениям, вследствие чего происхо­дит активация специальных ионных каналов мембраны (ионофоров). В результате этого процесса изменяется ионная проницаемость мембраны, что в свою очередь изменяет мембранную проводимость и приводит к уменьшению или увеличению трансмембранной разности потенциалов — деполяризации или гиперполяризации.

В настоящее время стало очевидным, что рецепторы мембраны довольно быстро обновляются. Они синтезируются, вероятно, в эндоплазматическом ретикулуме, включен­ном в аппарат Гольджи, и оттуда переносятся к поверхности нервной клетки и включают­ся в ее мембрану. Весь процесс занимает несколько часов.

Один и тот же медиатор может вступать в реакцию с различными рецепторами постсинаптической мембраны и вызывать противоположные эффекты. Так, в нейронах ЦНС обнаружены мускариновые и никотиновые холинорецепторы, воздействуя на кото­рые ацетилхолин вызывает различные изменения проницаемости постсинаптической мембраны. Показано существование различных рецепторов к катехоламинам. Накап­ливается все больше данных в пользу существования различных рецепторов к аминокислотам.

Способность одного и того же медиатора вызывать разнонаправленные изменения проницаемости постсинаптической мембраны является причиной того, что одни и те же медиаторы могут или возбуждать, или тормозить различные нервные клетки. В тех случаях, когда влияние химического медиатора более однотипно, как, например, в случае ГАМК и глицина, действие которых почти всегда приводит к увеличению хлорной прони­цаемости мембраны, функциональный эффект оказывается однозначным (тормозным в случае указанных аминокислот).