Синаптическая передача информации

Уже отмечалась важная роль мембраны в передаче информации в мозге. Мем­брана представляет собой барьер для прохождения нервного импульса. Имен-

Рис. 1.17. Структура синапса (а); фотография синапса, увеличенного под электронным микроскопом в тысячи раз (выполненная D.D. Kinkel) (б); фотография аксональных терминалей на теле аксона (в) (Kalat, 1992).

но поэтому связи между нейронами опосредуются химическими передат­чиками — нейромедиаторами (mediator — посредник, англ.), выделяющимися из окончаний аксонов в области спе­циализированных межклеточных кон­тактов — синапсов. Синапс представ­ляет собой мембраны двух соседних нейронов (передающего информацию и получающего ее) и пространство между ними, которое называется си-наптической щелью. Синаптическая щель — это пространство шириною около 20 нм между мембранами пре-синаптической (мембрана нейрона, находящегося перед синаптической щелью) и постсинаптической (мемб­рана клетки, находящейся после си­наптической щели) клеток (рис. 1.17). Различают аксо-соматические си­напсы, сформированные мембрана­ми аксона и тела (сомы) нейрона, аксо-дендритные, состоящие из мем­браны аксона и дендрита, и аксо-ак-сональные, при которых аксон под­ходит к другому аксону. Синапс меж­ду аксонами и мышечным волокном называется нейромышечной кольцевой пластинкой.

Рис. 1.18. Временная и пространственная суммация импульсов (Kalat, 1992).

Молекулы медиатора находятся в везикулах — особых пузырьках, рас­положенных в аксональной терми-нали (окончании аксона). ПД, дос­тигая аксональной терминали, ста­новится сигналом открытия кальци­евых каналов, которые вызывают синхронный эндоцитоз — координи­рованное выделение медиатора из везикул и поступление их в синапти-ческую щель. Медиатор связывается с рецептором, находящимся на пост-синаптической мембране, который инициирует в постсинаптической клетке те или иные изменения в зависи­мости от вида рецептора. Медиатор, взаимодействуя с рецептором, может способствовать открытию ионных каналов (натрий-калиевых или кальцие­вых) или через аденилатциклазный механизм активировать внутриклеточ­ного посредника — цАМФ (циклический аденозинмонофосфат) и цГМФ (циклический гуанозинмонофосфат). При открытии натрий-калиевого ка­нала натрий поступает внутрь клетки, что приводит к деполяризации учас­тка мембраны постсинаптического нейрона. Каждый синапс делает лишь незначительный вклад в этот процесс. Однако каждый нейрон непрерывно интегрирует до 1000 синаптических входов, которые суммируются нелиней­но (рис. 1.18) и при достижении порогового потенциала вызывают ПД, т. е. распространяющийся вдоль аксона потенциал.

Синоптическая задержка — время между началом пресинаптической де­поляризации и постсинаптической реакцией — составляет 0,5 мс. Всего лишь 1/10 часть этого времени обусловлена диффузией (проникновением) медиатора через синаптическую щель к постсинаптической мембране. Боль­шая же часть времени тратится на открывание Са²⁺-каналов, через которые кальций проникает в аксонную терминаль и способствует высвобождению медиатора из везикул. Кальций в аксонной терминали имеется в крайне ма­лых количествах. После того как он окажет свое действие, он удаляется, либо связываясь со специальным белком — кальмодулином, либо проникая в эн-доплазматический ретикулум. Освобожденный медиатор может действовать как на ауторецепторы (расположенные на пресинаптической мембране), так и на постсинаптические рецепторы.

Согласно принципу английского ученого Г. Дейла, постулирующего ме­таболическое единство нейрона, во всех окончаниях нейрона выделяется один и тот же медиатор. В настоящее время доказано, что этот принцип ка­сается только пресинаптического единства нейрона. Эффекты, которые вы­зываются данным медиатором, могут быть различны и зависят от клеток-ми­шеней (в данном случае постсинаптических нейронов). Знак синаптичес-кого действия — повышение постсинаптического потенциала или его паде­ние — определяется не медиатором, а свойствами рецепторов на постсинап­тической клетке.

Постсинаптические рецепторы одного пресинаптического нейрона мо­гут фармакологически различаться и контролировать разные ионные кана­лы. Одна постсинаптическая клетка может иметь более одного типа рецеп­торов для данного медиатора, и каждый из этих рецепторов контролирует отличный от других механизм ионной проводимости.

Кроме нейронов, суммирующих и передающих информацию к другим клеткам, описаны так называемые пейсмекерные нейроны, способные само­стоятельно генерировать электрические импульсы (Alving, 1968). Активность таких нейронов характеризуется синусоидальными колебаниями частотой 0,1-10 Гц и амплитудой 5-10 мВ. Эти нейроны при отсутствии любого внеш­него воздействия обеспечивают периодическую генерацию ПД и передачу возбуждения другим нейронам.

Медиаторы

В начале XX века группа английских физиологов, возглавляемая Дж. Лэнг-ли, показала, что электрическая стимуляция вегетативных нервов вызыва­ет изменения в органах, иннервируемых этими нервами. Оказалось также, что такие изменения можно вызвать инъекцией в организм экстрактов над­почечников. Дж. Лэнгли предположил, что клетки, иннервируемые вегета­тивными нервами, имеют две рецептивные субстанции — тормозную и воз­буждающую.

На основании этих данных Т. Эллиот в 1905 г. выдвинул предположение, что импульсы в вегетативных нервах вызывают выделение адреналина. В 1921 г. австрийский ученый О. Леви обнаружил, что тормозное влияние блуждающего нерва на деятельность сердца опосредуется специфическим веществом, позднее идентифицированным как ацетилхолин. Г. Дейл при­вел веские аргументы в пользу того, что ацетилхолин является медиатором в вегетативных ганглиях и нервно-мышечных соединениях. Однако доказать наличие синаптической передачи с помощью медиатора, а не электричес­кого потенциала стало возможным только в 50-х годах, когда исследовате­ли начали использовать микроэлектроды и электронный микроскоп.

Все медиаторные соединения — это низкомолекулярные водораствори­мые (дипольные) амины или аминокислоты и родственные им вещества. Ацетилхолин и катехоламины синтезируются из циркулирующих в крови предшественников, тогда как аминокислоты и пептиды в конечном счете об­разуются из глюкозы. Свидетельством консерватизма живой природы явля­ется то, что, несмотря на различие циркуляторных систем и метаболичес­ких путей, беспозвоночные и позвоночные животные в равной степени ис­пользуют большинство общих медиаторов (табл. 1.3).

Число пептидов, для которых доказаны медиаторные свойства, постоян­но растет. Многие из этих веществ содержат от 2 до 10 аминокислот, что со­ответствует размеру, с одной стороны, мелких аминокислотных медиаторов, с другой — гормонов. Обилие пептидов создает впечатление неоднородно­сти этой группы веществ. В то же время нарастающая информация о их роли

Таблица 1.3. Характеристика некоторых медиаторов Полное название Принятое Замечания сокращение Ацетилхолин АХ Медиатор парасимпатической периной системы, имеется также и в головном мозге БИОГЕННЫЕ АМИНЫ Группа медиаторов, содержащих аминную Моноамины группу Серотин (5-окситриптамин) Кроме головного мозга присутствует в больших концентрациях в кишечнике и тромбоцитах Гистамин Кроме головного мозга в больших концентрациях находится в лимфоцитах Катехоламины КА В эту группу объединены нейромедиаторы — про­изводные пирокатехина (дофамин, норадреналин, адреналин) Дофамин Возможное название допамин Норадреналин НА В англоязычной литературе называется норэпинефрин Адреналин А В англоязычной литературе называется эпинефрин АМИНОКИСЛОТЫ Глутамат Глу Возможно, самый распространенный возбуждающий медиатор Глицин Гли Основной ингибиторный медиатор ствола мозга и спинного мозга Аспартат Асп Возбуждающий медиатор Гамма-аминомасляная ГАМК Ингибиторный медиатор головного мозга кислота Алании Ала Ингибиторный медиатор ПЕПТИДЫ Цепи аминокислот Опиоидные пептиды Природные лиганды морфиновых рецепторов (эндогенные опиаты): энкефалины, эндорфины, динорфины Вещество Р Медиатор нервов, несущих информацию о боли Вазопрессин Гипофизарный гормон Окситоцин Гипофизарный гормон Энкефалины Гипофизарные гормоны Эндорфины Динорфины Недавно открытый класс опиатов ДРУГИЕ МЕДИАТОРЫ Аденозин Нуклеотид Реализуется в некоторых связях нерв — гладкая мышца

в организме позволяет увидеть универсальные принципы их действия. Пред­полагается, что нейроэндокринные клетки, секретирующие пептиды, пер­выми появились в эволюции примитивных нервных систем. По-видимому, нейропептиды, производимые ими, достаточно консервативны, поскольку, как уже упоминалось, одинаковые вещества или близкие последовательно­сти аминокислот обнаружены у филогенетически различных ветвей живот­ных — беспозвоночных и позвоночных. Многие из них найдены не только в мозге, но и, например, в кишечнике. Есть предположение, что все пептид-эргические клетки связаны общностью эмбрионального происхождения. Пептиды по сравнению с другими медиаторами оказывают свое действие в чрезвычайно низких концентрациях.

С тех пор как в 1921 г. был идентифицирован первый медиатор, число их в арсенале науки постоянно увеличивается и в настоящее время состав­ляет около 50. Многие биологически активные вещества имеют сходную с ними структуру. Они могут усиливать действие медиаторов (такие вещества называются агонистами) или подавлять их активность (антагонисты). На­пример, лекарственные препараты, снимающие тревогу (седуксен и др.), усиливают действие тормозного нейромедиатора — гамма-аминомасляной кислоты. Антидепрессанты (например, прозак) являются агонистами серо-тонина. Кокаин усиливает действие дофамина. Он связывается с белком, удаляющим дофамин из места его активности, тем самым увеличивая вре­мя его действия. Никотин активирует рецепторы ацетилхолина. Энкефали­ны и эндорфины являются природными лигандами морфиновых рецепто­ров: в норме именно они связываются с рецепторами, с которыми в особых условиях — при употреблении наркотика — взаимодействует морфин.

Важным звеном в нервном пути, который служит мишенью всех нарко­тиков — амфетамина, никотина, алкоголя и опиатов, — является небольшая часть базальных ганглиев, называемая nucleus accumbens (прилежащее ядро). Антипсихотические препараты (нейролептики) предотвращают связывание дофамина с его рецепторами. Содержащие дофамин нейроны, находящие­ся в области вентральной покрышки среднего мозга, посылают свои аксо­ны в префронтальную кору и базальные ганглии, которые участвуют в дви­гательном контроле. Это обусловливает побочное действие длительно при­меняющихся нейролептиков, связанное с развитием дискинезий.

В настоящее время описан еще один класс посредников, имеющих чрез­вычайно малые размеры молекул. К ним относят оксид азота (NO) и оксид углерода, или угарный газ (СО). Оксид азота опосредует действие ацетил­холина при расширении сосудов, в том числе сердечной мышцы. Именно он является активным компонентом нитроглицерина, используемого для расслабления резко суженных венечных сосудов сердца при стенокардии (грудной жабе). Этот посредник обнаружен в 2% клеток мозга. Он крайне токсичен, поэтому используется макрофагами (одним из видов клеток им­мунной системы) для уничтожения бактерий, проникающих в организм. Второй посредник — угарный газ — не менее токсичен и опасен для чело­века. В мозге он выполняет важную роль, активируя вторичный (клеточный) посредник — цГМФ.

Белки, служащие рецепторами нейромедиаторов, можно разделить на два класса в зависимости от механизма их действия. К одному классу относятся белки ионных каналов, меняющие свою форму и открывающие каналы, по которым проходят ионы. Рецепторы другого класса располагаются по сосед­ству с мембранными G-белками, разрывающими богатую энергией фосфат­ную связь в молекуле гуанозинтрифосфата, что инициирует каскад биохими­ческих процессов, ведущих к специфической клеточной реакции через вто­ричные (клеточные) посредники. Эффекты, производимые этими белками, характеризуются медленным началом действия и большей продолжительно­стью, по сравнению с реакциями, связанными с открытием ионных каналов.

Функции нейрона

В настоящее время можно говорить о наличии трех основных функций нейро­на. Наиболее распространенной является суммация возбуждающих и тормозных синаптических потенциалов и передача возбуждения следующему нейрону.

Описаны нейроны (прежде всего нейроны гипоталамуса), обладающие сек­реторной функцией. Они синтезируют биологически активные вещества — статины и либерины — и выделяют их в кровеносные сосуды воротной сис­темы гипоталамуса. С током крови эти вещества попадают в переднюю долю гипофиза и способствуют реализации или накоплению его гормонов.

Наконец, существуют нейроны, обладающие спонтанной ауторитмичес-кой активностью. Их называют пейсмекерами, или водителями ритма. Эн­догенные процессы подобных нейронов приводят к периодическому изме­нению ионной проницаемости мембраны и генерированию ПД. Взаимодей­ствуя с другими клетками, они синхронизируют активность этих клеток.

Таблица ].4. Свойства различных нервных волокон теплокровных (Бабский, 1972).

				Длитель-	Длитель-
Тип волокна	Диаметр волокна, (мк)	Скорость проведе­ния, (м/сек)	Длитель­ность ПД, (м/сек)	ность отрица­тельного следово-гоПД,	ность положи­тельного следово-гоПД,	Функция
				(м/сек)	(м/сек)
						Моторные волокна
А(а)	12-22	70-120	0,4-0,5	12-20	40-60	скелетных мышц, афферентные волокна от
						мышечных рецепторов
А(Ь)	8-12	40-70	0,4-0,6	—		Афферентные волокна от рецепторов прикосновения
						Афферентные волокна от
						рецепторов прикосновения и
A(g)	4-8	15-40	0,5-0,7	—		давления, афферентные
						волокна к мышечным
						веретенам
						Афферентные волокна от
A(D)	1-4	5-15	0,6-1,0	—	—	некоторых рецепторов тепла,
						давления, боли
В	1-3	3-14	1-2	Отсутст­вует	100-300	Преганглионарные вегетативные волокна
						Постганглионарные
						вегетативные волокна,
С	0,5-1,0	0,5-2	2,0	50-80	300-1000	афферентные волокна от
						некоторых рецепторов тепла,
						давления, боли

Типы нервных волокон

По скорости проведения импульса и строению нервные волокна разделяют на три группы — А, В и С. Волокна типа А делятся на 4 подгруппы: альфа-, бета-, гамма-, дельта-. Альфа-волокна имеют самый большой диаметр (12-22 мк) и обладают наибольшей скоростью проведения возбуждения (70-120 м/сек). Та­кие волокна проводят информацию к скелетным мышцам и от них в мозг, что позволяет человеку достаточно быстро приспосабливать положение своего тела к ситуации. Остальные нервные волокна имеют меньший диаметр (2-12 мк) и соответственно меньшую скорость проведения импульса. Они несут информа­цию отсенсорных органов. Гамма-волокна передают возбуждение от мотор­ных нейронов спинного мозга к интрафузальным мышечным волокнам.

К волокнам типа В относятся миелинизированные волокна, преимуще-твенно преганглионарные, распространенные в автономной нервной сис­теме. Скорость проведения информации по ним составляет 3-14 м/сек.

Волокна типа С — это немиелинизированные волокна, скорость проведе­ния информации в них составляет 2-6 м/сек. Большинство из них являются

постганглионарными волокнами автономной нервной системы. Эти волок­на проводят также сигналы о боли, тепле, давлении (табл. 1.4) (Бабский, 1972).

Словарь

Вегетативная нервная система —

иннервирует гладкую мускулатуру и управляет деятельностью внутренних органов, поэтому ее также называют висцеральной.

Везикулы —

особые пузырьки, расположенные в аксонной терминали, в которых хранится медиатор.

Гематоэщефалический барьер —

уникальный защитный слой между нейроном и кровеносным сосудом, образованный гли-альными клетками.

/ЛИЯ —

функционально разнообразные клетки мозга, способные делиться, но не участвующие в про­цессе передачи информации.

Модуль —

объединение нейронов коры, несущих одну функцию, в виде колонок. Модуль может вклю-

чать более 100 тыс. клеток, огромное большинство которых образует локальные нейронные сети, выполняющие ту или иную функцию.

Нейрон —

основная функциональная клетка мозга, участвующая в передаче и хранении информации. Это поляризованная клетка, которая с помощью сильно разветвленных многочисленных от­ростков — дендритов — получает сигналы и через длинный неразветвленный отросток ак­сон посылает информацию другой клетке.