Генерация потенциала действия
Миниатюрный постсинаптический потенциал, потенциал концевой пластинки и возбуждающий постсинаптический потенциал являются локальными процессами. Они не могут распространяться и, следовательно, не могут обеспечивать передачу информации между клетками. Участком генерации потенциалов действия в мотонейроне служит начальный сегмент аксона, расположенный непосредственно за аксонным холмиком (рис. 5.8). Этот участок наиболее чувствителен к деполяризации и обладает более низким критическим уровнем деполяризации, чем тело и дендриты нейрона. Поэтому именно в области аксонного холмика возникают потенциалы действия. Для того, чтобы вызвать возбуждение, ПКП (или ВПСП) должны достигнуть в области аксонного холмика некоторого порогового уровня (рис. 5.9).
Важное значение для возникновения потенциала действия в нервной клетке имеет суммация возбуждающих синаптических влияний, так как деполяризации, создаваемой одним синапсом, часто бывает недостаточно для достижения порогового уровня и генерации потенциала действия. Так, если происходит увеличение ВПСП за счет сложения потенциалов, возникающих благодаря работе разных синапсов, то имеет место пространственная суммация (рис. 5.10). Критический уровень деполяризации может быть достигнут и благодаря временной суммации. Так, если после одного постсинаптического потенциала возникает другой, то второй потенциал "накладывается" на первый, в результате чего образуется суммарный потенциал с большей амплитудой (рис. 5.11).
Чем короче при этом будет интервал между двумя последовательными синаптическими потенциалами, тем выше будет амплитуда суммарного потенциала. В естественных условиях обычно одновременно происходит как пространственная, так и временная суммации. Таким образом, за период между выделением медиатора в синаптическую щель и возникновением потенциала действия на постсинаптической структуре (нейроне, мышце, железе) осуществляется ряд биоэлектрических явлений, последовательность и специфические особенности которых представлены в (табл. 1) и (рис. 5.12).
Рис. 5.8. Мотонейрон спинного мозга позвоночного. Указаны функции, выполняемые различными его частями. Направление передачи сигналов изображено стрелками.
Рис. 5.9. Пространственное затухание ВПСП и генерация потенциала действия. Возбуждающие синаптические потенциалы, возникающие в дендрите, по мере распространения по нейрону затухают. Порог генерации ПД (критический уровень деполяризации) зависит от плотности натриевых каналов (черные точки). Хотя синаптический потенциал (он изображен в верхней части рисунка) и затухает по мере распространения от дендрита к аксону, ПД все же возникает в области аксонного холмика. Именно здесь плотность натриевых каналов наиболее высока, а пороговый уровень деполяризации наиболее низок. (Р. Эккерт).
Рис. 5.10. Пространственная суммация в мотонейроне
1. Возбуждающие постсинаптические потенциалы, возникающие в двух разных синапсах (А и Б ).
2. Потенциалы, возникающие на мембране в зоне генерации импульса при раздражении волокна А или Б либо обоих этих волокон одновременно (А+Б).
3. Для того чтобы потенциал в области аксонного холмика превышал пороговый уровень, необходима пространственная суммация ВСПС, возникающих в нескольких синапсах. (Р. Эккерт).
Кроме возбуждающих синапсов, через которые передается возбуждение, имеются тормозные синапсы, в которых медиаторы (в частности, ГАМК) вызывают торможение на постсинаптической мембране. В таких синапсах возбуждение пресинаптической мембраны приводит к выделению тормозного медиатора, который действуя на постсинаптическую мембрану, обусловливает развитие ТПСП (тормозного постсинаптического потенциала). Механизм его возникновения связан с увеличением проницаемости постсинаптической мембраны для К+ и Cl-, в результате чего происходит ее гиперполяризация. Подробнее механизм торможения будет изложен в следующей лекции.
Рис 5.11 Временная суммация. При высокой частоте следования раздражителей возможно «наложение» одного постсинаптического потенциала на другой, в результате чего образуется суммарный потенциал с большей амплитудой.
Рис. 5.12. Последовательность биоэлектрических явлений в химическом синапсе происходящих за время между выделением медиатора и возникновением ПД на постсинаптической структуре.
Метаболизм медиаторов
Ацетилхолин, выделяемый окончаниями холинергических нейронов, гидролизуется до холина и ацетата ферментом ацетилхолинэстеразой. Продукты гидролиза на постсинаптическую мембрану не действуют. Образующийся холин активно поглощается пресинаптической мембраной и взаимодействуя с ацетилкоферментом А, образует новую молекулу ацетилхолина. (Рис. 5.13).
Рис. 5.13. Метаболизм ацетилхолина (АцХ) в холинэнергическом синапсе. АцХ, поступающий из пресинаптического окончания, гидролизуется в синаптической щели ферментом ацетилхолинестеразой (АцХЭ). Холин поступает в пресинаптическое волокно и используется для синтеза молекул ацетилхолина (Mountcastle, Baldessarini, 1968)
Аналогичный процесс происходит и с другими медиаторами. Другой хорошо изученный медиатор - норадреналин выделяется постганглионарными синаптическими клетками и хромаффинными клетками мозгового слоя надпочечников. Биохимические превращения, которые претерпевает норадреналин в адренергических синапсах, схематично представлен на рисунке 5.14.
Рис. 5.14. Биохимические превращения медиатора в адренергическом синапсе. Норадреналин (НА) синтезируется из аминокислоты фенилаланина с образованием промежуточного продукта - тирозина. Образующийся НА запасается в синаптических пузырьках. После высвобождения из синапса часть НА обратно захватывается пресинаптическим волокном, а другая часть инактивируется путем метилирования и удаляется с кровотоком. НА, попавший в цитоплазму пресинаптического окончания, либо захватывается в синаптические пузырьки, либо разрушается моноаминоксидазой (МАО). (Mountcastle, Baldessarini, 1968).
Синаптическая модуляция
Биохимические процессы, осуществляющиеся в синапсе, в значительной степени подвержены влиянию различных факторов - в первую очередь, химических. Так, ацетилхолинэстераза может быть инактивирована некоторыми нервно-паралитическими веществами и инсектицидами. В этом случае ацетилхолин накапливается в синапсах. Это приводит к нарушению реполяризации постсинаптической мембраны и инактивированию холинорецепторов (рис. 5.15). В результате нарушается деятельность межнейронных и нервно-мышечных синапсов и быстро наступает гибель организма. Однако в нервной системе образуется большое количество веществ, играющих роль синаптических модуляторов - веществ, влияющих на синаптическое проведение.
Рис. 5.15. Влияние ингибитора холинэстеразы (неостигмина) на длительность постсинаптического потенциала одиночного мышечного волокна.а - до применения неостигмина; б - после применения неостигмина.(По Б.И. Ходорову).
По химической природе эти вещества - пептиды, однако часто их называют нейропептидами, хотя далеко не все из них образуются в нервной системе. Так, ряд веществ синтезируется в эндокринных клетках кишечника, а некоторые нейропептиды первоначально были обнаружены во внутренних органах. Наиболее известными веществами такого рода являются гормоны желудочно-кишечного тракта - глюкагон, гастрин, холецистокинин, вещество Р, желудочный ингибирующий пептид (ЖИП).
Значительный интерес исследователей вызывают две группы нейропептидов - эндорфины и энкефалины. Эти вещества обладают анальгетическими (уменьшающими боль), галюциногенными, а также некоторыми другими свойствами (вызывают ощущение удовлетворения и эйфории, их активация учащает пульс и повышает температуру тела). Обезболивающий эффект этих соединений может быть связан с тем, что эти нейропептиды препятствуют выделению медиаторов из некоторых нервных окончаний. С такой точкой зрения хорошо согласуется тот факт, что энкефалины и эндорфины присутствуют в задних рогах спинного мозга, т.е. в той области, где в спинной мозг входят чувствительные пути. Болевые ощущения могут уменьшаться в результате выделения нейропептидов, нарушающих синаптическое проведение в эфферентных путях, передающи болевые сигналы. Содержание эндорфинов и энкефалинов непостоянно: например, во время приема пищи, болевых воздействиях, прослушивания приятной музыки их выделение увеличивается. Тем самым организм оберегает себя от чрезмерных болевых ощущений и одаривает за биологически полезные действия.Благодаря таким свойствам, а также тому, что эти нейропептиды связываются в нервной системе с теми же рецепторами, что и опиаты (опий и его производные), они называются эндогенными опиоидами. В настоящее время известно, что на поверхности мембраны некоторых нейронов имеются опиоидные рецепторы с которыми в естественных условиях и связываются вырабатываемые нервной системой, энкефалины и эндорфины. Но при употреблении наркотических опиатов - алкалоидных веществ, выделяемых из растений, опиаты связываются с опиоидными рецепторами, вызывая их неестественно мощную стимуляцию. Это вызывает чрезвычайно приятные субъективные ощущения. При неоднократном применении опиоидов возникают компенсаторные изменения метаболизма нервных клеток, и тогда после их отмены состояние нервной системы становится таким, что больной без введения очередной дозы наркотика испытывает чрезвычайный дискомфорт (абстинентный синдром). Подобная метаболическая зависимость называется пристрастием.
При изучении опиоидных рецепторов весьма полезным оказалось вещество налоксон - конкурентный блокатор этих рецепторов. Поскольку налоксон препятствует связыванию опиатов с клетками-мишенями, с его помощью можно определить, вызвана ли та или иная реакция возбуждением таких рецепторов. Было обнаружено, например, что налоксон в значительной степени снимает анальгетический эффект плацебо (нейтрального вещества, которое дают больным, уверяя их, что оно снимет у них боль). Вероятно, вера в лекарство (или другое средство лечения), которое должно снять боль, приводит к выбросу опиоидных пептидов; возможно, в этом и состоит фармакологический механизм действия плацебо. Налоксон снимает также обезболивающий эффект иглоукалывания. Отсюда был сделан вывод, что при иглоукалывании из ЦНС выбрасываются естественные опиоидные пептиды.
Таким образом, эффективность синаптической передачи может быть существенно изменена под влиянием веществ (модуляторов), не участвующих непосредственно в передаче информации.