18. Строение и функциональная роль электрического синапса.

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 по:

1) их местоположению и принадлежности соответствующим структурам:

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

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

2) знаку 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.

Строение синапса. Все синапсы имеют много общего, можно рассмотреть на нервно-мышечного синапса

Синапс состоит из трех основных элементов:

• пресинаптической мембраны это часть мембраны нервного окончания в области контакта его с мышечным волокном. (в нервно-мышечном синапсе - это утолщенная концевая пластинка);

• постсинаптической мембраны; часть мембраны мышечного волокна.

• синаптической щели.

•Часть постсинаптической мембраны, которая расположена напротив пресинаптической, называется субсинаптической мембраной. Особенностью - наличие специальных рецепторов, чувствительных к определенному медиатору, и хемозависимые каналы

Медиаторы - это химические вещества, которые обеспечивают передачу возбуждения в синапсах: ВИДЫ

• 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, куда он поступает:

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

• за счет синтеза медиатора, протекающего в синаптических терминалях из продуктов его расщепления;

• за счет обратного захвата медиатора из синаптической щели в неизменном виде.

КАК ПРОИСХОДИТ.Когда по аксону к его терминалям приходит возбуждение, прес. мембрана деполяризуется, (поступлением ионов кальция из внеклеточной жидкости внутрь нервного окончания. )

Поступившие ионы кальция активируют перемещение синаптических пузырьков к прес. мембране, их соприкосновение и разрушение (лизис) их мембран => с выходом медиатора в синаптическую щель.(Где медиатор диффундирует к субс. мембране, на которой находятся его рецепторы).

Взаимодействие медиатора с рецепторами => к открытию преимущественно каналов для ионов натрия. Это приводит к деполяризации субс. мембраны =>возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). Между деполяризованной суб. мембраной и соседними с ней участками постсинаптической мембраны возникают местные токи=> деполяризуют мембрану. (=>до критического уровня, в возникает потенциал действия=>распространяется по мембранам мышечного волокна и вызывает сокращение.)

Химические тормозные синапсы. ПРИМЕР: глицин взаимодействует с рецепторами суб.мембраны и открывает хлорные каналы, =>к движению ионов хлора по концентрационному градиенту внутрь клетки и развитию гиперполяризации на субс.мембране. =>тормозной постсинап. потенциал (ТПСП).

Передача возбуждения в химическом синапсе СТАДИИ:

•синтез медиатора

- В синапсах скелетных мышц «посредником» является только один вид медиатора – ацетилхолин. Он синтезируется из холина (продукт печеночной секреции), уксусной кислоты и фермента коэнзима-А, регулирующего активность метаболических процессов. ФУНКЦИЯ активирует натриевые ионные каналы в цитоплазматических мембранах исчерченных мышечных волокон, способствуя развитию потенциала действия, активации кальциевых каналов и сокращению скелетных мышц.

-В синапсах внутренних органов и сосудов функции медиатора выполняет норадреналин. Он синтезируется из аминокислот тирозина и фенилаланина. Синапсы где он - адренергическими.

-В синапсах мозга-норадреналин, ацетилхолин, некоторые моноамины (адреналин, серотонин, дофамин). А также аминокислоты (глицин, глутаминовая кислота, гамма-аминомасляная кислота); нейропептиды – энкефалины, нейротензин, ангиотензин II и др.

-Медиаторы синтезируются постоянно и сохраняются в везикулах (пузырьки) синаптических окончаний.

•высвобождение (секрецию) медиатора

•В син. везикулах аккумулируются медиаторы (трансмиттеры). Потенциал действия, достигая нервного окончания, деполяризует его мембрану. Деполяризация вызывает открытие кальциевых каналов (насосов), по которым в окончание входит ток ионов Са2+. Ионы Са2+ вызывают процесс слияния везикул с пресин.мембраной с последующим открытием их и выбрасыванием своего содержимого (медиаторов) в син. щель.

Итак, главную роль для процесса выбрасывания медиатора в синаптическую щель играет входящий ток Са2+.

•взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны

•инактивирование медиатора. (полная потеря активности) для восстановления исходного уровня потенциала

одному медиатору чаще всего соответствует несколько различных рецепторов.

ПРИМЕР ацетилхолин 1)в нервно-мышечных синапсах скелетных мышц действует на Н-холинорецепторы (чувствительные к никотину), =>открывают широкие каналы для натрия (и калия), =>порождает ВПСП (ПКП) 2)В ваго-сердечных синапсах ацетилхолин действует на М-холинорецепторы (чувствительные к мускарину), открывающие селективные каналы для ионов калия, =>тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП).

!!! возбуждающий или тормозной характер медиатора => свойствами субсинаптической мембраны (точнее, видом рецептора), а не самого медиатора.

СВОЙСТВА:

• Возбуждение через синапсы проводится только в одном направлении . =>строением синапса: медиатор выделяется только из пресин. утолщения и взаимодействует с рецепторами субсинап. мембраны;

• передача возбуждения через синапсы осуществляется медленнее ( т к высвобождение и диффузия медиаторв);

• 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.

Электрические синапсы возбуждающего действия. (преимущественно ЦНС)

Возбуждающим эс => очень узкая синаптическая щель и очень низкое удельное сопротивление(наличием поперечных каналов, пересекающих обе мембран) сближенных пре- и постсинаптических мембран, =>эффективное прохождение локальных электрических токов.

Схема передачи возбуждения в ЭС: ток, вызванный пресинап. потенциалом действия, раздражает постсинап. мембрану, где возникает ВПСП и потенциал действия.

СВОЙСТВА:

• Электрические синапсы могут быть с односторонней и двусторонней передачей возбуждения. НО у ракообразных были открыты направляющие электрические синапсы, то есть только в одном направлении.

• быстродействие (прямой переход ионов); ПРИМЕР: Это позволяет ракообразным, минимизировать время между появлением опасности и моторной реакцией на нее —при бегстве от хищника

• слабость следовых эффектов при передаче возбуждения (в невозможна суммация последовательных сигналов);

• высокая надежность передачи возбуждения.

• ПЛАСТИЧНОСТЬ=Возбуждающие электрические синапсы могут возникать при благоприятных условиях и исчезать при неблагоприятных. ПРИМЕР при повреждении одной из контактирующих клеток ее электрические синапсы с другими клетками ликвидируются.

•синаптическая щель в электрическом синапсе чрезвычайно узка (около 3,5 нм). ОПР:синаптическая щель– это часть межклеточного пространства, она содержит жидкость с низким электрическим сопротивлением, так что электрический сигнал рассеивается прежде, чем он достигает следующей клетки.

•однотипными по своей структуре и функции

Электрический тормозный синапс. ПРИМЕР синапс, который образует нервное окончание на выходном сегменте маутнеровского нейрона у рыб. =>за счет действия тока, вызванного потенциалом действия пресин. мембраны. Пресинап.потенциал вызывает значительную гиперполяризацию сегмента и гиперполяризующий ток мгновенно тормозит генерацию потенциала действия в начальном сегменте аксона.

ЭФАПСЫ - Участки, через которые осуществляется взаимодействие, при котором смежность мембран обеспечивает также возможность электрического взаимодействия между отростками соседних клеток. ( т.н. электрические синапсы). В эфапсе I типа они разделены щелью в 2 нм (обычное межклеточное — 20 нм), во II типе щель отсутствует. В эфапсе I типа при деполяризации ток пропускается в одном направлении, при гиперполяризации — в обратном. В эфапсе II типа потенциал действия следует в обоих направлениях. ( коры больших полушарий и подкорковых ядер, в лимбической системе и стволе мозга.)

СРАВНЕНИЕ: В ЭС сигналы передаются электрическим током, в ХС передатчиком сигнала– медиатор. В обоих синапсах имеются пресинап.мембрана, синапт. щель и постсинап. мембрана. У ЭС ширина синапт. щели около 2 нм, а у ХС около 20 нм. У ЭС высокая скорость передачи импульса, в некоторых случаях имеются мостики, которые увеличивают взаимодействие между мембранами клеток. У ХС существует синапт.задержка. В ЭС передача возможна в обе стороны, в ХС строго от пресинап.мембраны к пост. Точность передачи в ХС выше, потому что происходит строго по химическому адресу. ЭС передает только возбуждение, а ХС как возбуждение, так и торможение. ХС имеет способность к морфофизиологическим изменениям (пластичнгость), что составляет основу обучения, памяти. И ХС имеет чувствительность к изменению температуры.

29. Синаптическая пластичность как основа когнитивной функции нервной системы

30. Формы синаптической пластичности

31. Суммация. Окклюзия. Утомление синаптической передачи

32. Потенциация, посттетаническая потенциация (сенситизация).

33. Депрессия и привыкание (габитуация).

Синаптическая пластичность как основа когнитивной функции нервной системы

•В 1973 году Блисс и Ломо (опубликовали работу, в которой показали, что при интенсивной активности эффективность передачи сигнала в возбуждающих синапсах значительно повышается.

•Синаптическая пластичность – это возможность изменения силы синапса (величины изменения трансмембранного потенциала) в ответ на активацию постсинап. рецепторов. Она считается основным механизмом, с помощью которого реализуется феномен памяти и обучения. (характерен для всех организмов, обладающих НС и способных хотя бы ненадолго чему-либо научиться.)

После выброса нейротрансмиттера в синаптическую щель он активирует рецепторы постсинаптической клетки, что приводит к передаче нервного импульса или его ослаблению (в зависимости от природы рецепторов и нейротрансмиттера).

Формы синаптической пластичности

К ратковременные формы синаптической пластичности

•Облегчение. В процессе активности в синапсах с исходно низким уровнем секреции нередко происходит увеличение амплитуды постсинаптического потенциала (ПСП). Этот процесс — облегчение — имеет пресинап. природу и объясняется теорией «остаточного кальция». Согласно этой теории, в процессе высокочастотной активности в пресинап. терминали повышение концентрации Са2+, => происходит увеличение вероятности освобождения квантов нейромедиатора.

•Потенциация, посттетаническая(сенситизация в ЦНС). Это увеличение ПСП при высокочастотной активности может иметь и постсинап. природу. =>связан с повышением чувствительности постсинап. рецепторов к нейромедиатору . Величина ПСП может некоторое время (секунды и минуты) оставаться повышенной и после окончания тетанической активности – т е посттетаническая потенциация

•Депрессия и привыкание (габитуация). В синапсах с исходно высоким уровнем секреции высокочастотная активность может приводить к уменьшению величины ПСП. Этот процесс — депрессия — связан преимущественно с истощением запаса нейромедиатора в пресинап.нервном окончании. Депрессия является одним из механизмов привыкания (габитуации).

Долговременные формы синаптической пластичности

•Долговременная потенциация — быстро развивающееся устойчивое усиление синап.передачи в ответ на высокочастотное раздражение. - может продолжаться дни и месяцы. ( изучена на глутаматергических синапсах в гиппокампе. )

•Существует три основных подтипа ионотропных глутаматных рецепторов: NMDA (чувствительны к N-метил-D-аспартату), AMPA и каинатные рецепторы. NMDA- и AMPA–рецепторы играют ключевую роль в возникновении и проявлении долговременной потенциации.

Механизм долговременной потенциации

•- При высокочастотной стимуляции нейронов гиппокампа выделяется большое количество глутамата, деполяризуется постсинап. мембрана и происходит активация NMDA– рецепторов. Значительный кальциевый ток через эти каналы приводит к повышению концентрации ионов Са2+ в постсинап.нейроне.

•- Ионы Са2+ связываются с внутриклеточным белком — кальмодулином— Ca2+-связывающий белок; связывание с Ca2+ в цитоплазме клеток изменяет его конформацию и превращает его в активатор ферментов. Образовавшийся комплекс активирует фермент — Са2+-кальмодулинзависимую протеинкиназу II.

•- Са2+-кальмодулинзависимая протеинкиназа II фосфорилирует AMPA–рецепторы. После фосфорилирования возрастает их ионная проводимость, что приводит к увеличению постсинап.ответа на каждый квант нейромедиатора. +данный фермент мобилизует дополнительные AMPA–рецепторы из цитоплазмы в постсинапт. мембрану, что приводит к увеличению квантового состава ПСП.

•Эти процессы приводят к различным перестройкам в клетке. Структурные изменения заключаются в росте и ветвлении пресинапт. нервных окончаний, изменении количества рецепторов на постсинап. мембране, образовании новых синапсов.

•Долговременная депрессия также возникает в ответ на высокочастотное раздражение и проявляется в виде длительного ослабления синапт. передачи. (при более низкой внутриклеточной концентрации ионов Са2+.)

Суммация

•В мозге дендритная зона одного нейрона формирует с другими нервными клетками множество синапсов Когда на мембране дендритной зоны одного нейрона одновременно возникают постсинап. потенциалы (ПСП) в нескольких синапт. контактах, => пространственная суммация этих потенциалов; если же несколько ПСП возникают в одном синапсе через короткий временной промежуток,=> их временная суммация. ОНИ облегчают достижение критического уровня деполяризации и генерацию ПД.

(наоборот при суммации тормозных ПСП будет наблюдаться более выраженная гиперполяризация и увеличение порога генерации ПД)

Окклюзия – феномен при котром иногда раздельная активация нейронов более эффективна, чем одновременная.

Н а картинке: •Суммация - представлена гипотетическая нейронная сеть, в которой происходит суммация влияний нейронов А и Б на нейрон Г. В случае возбуждающих ПСП одновременное воздействие нейронов А и Б на нейрон Г может привести к генерации ПД.

•Окклюзия - Когда для генерации ПД в нейроне достаточно активации одного афферентного входа, раздельная активность нейронов А и Б приведёт к активации четырёх нервных клеток (В+Г, Г+Д), но при одновременном возбуждении нейронов А и Б будет активировано лишь три нейрона (В+Г+Д). Причиной окклюзии служит конвергенция афферентных входов нейронов А и Б на нейроне Г.

Утомление синаптической передачи

• Когда повторная стимуляция возбуждающих синапсов с высокой частотой вначале вызывает появление большого числа разрядов в постсинаптических нейронах, но частота разрядов в течение короткого времени уменьшается. ФУНКЦИЯ: предохраняющее от перевозбуждения (так, во время эпилептического припадка утомление предохраняет ЦНС от серьёзных повреждений). Развитие утомления связано с истощением запасов нейромедиатора: их достаточно для генерации 10 000 ПД.

12. Торможение в ЦНС. Его значение и механизмы

26. Синаптическое торможение

27.Пресинаптическое и постсинаптическое торможение

26. Возвратное торможние.

В 1863 году И.М. Сеченов открыл процесс торможения в ЦНС.

Торможение – самостоятельный активный и местный нервный процесс, который вызывается возбуждением и проявляется в подавлении другого возбуждения или его предотвращении.

Классический опыт Сеченова заключается в следующем: у лягушки с перерезанным головным мозгом на уровне зрительных бугров определяла время сгибательного рефлекса при раздражении лапки серной кислотой. После этого на зрительные бугры накладывали кристаллик поваренной соли и снова определяли время рефлекса. Оно постепенно увеличивалось, вплоть до полного исчезновения реакции. После снятия кристаллика соли и промывания мозга физиологическим раствором время рефлекса постепенно восстанавливалось. Это позволило говорить о том, что торможение – активный процесс, возникающий при раздражении определенных отделов ЦНС

В ЦНС наряду с возбуждающими имеются и тормозящие нейроны. На каждой нервной клетке - возбуждающие и тормозящие синапсы. В момент на теле нейрона возникает в одних синапсах возбуждение, а в других – торможение;

Виды: Деполяризационное торможение возникает вследствие длительной деполяризации мембраны(инактивация мембраны по натрию, вследствие сего уменьшается потенциал действия и его раздражающее влияние на соседние участки, в итоге прекращается проведение возбуждения), а гиперполяризационное – вследствие гиперполяризации мембраны.(с участием особых тормозных структур и связано с изменением проницаемости мембраны по отношению к калию и хлору, что вызывает увеличение мембранного и порогового потенциалов, в результате чего становится невозможной ответная реакция.)

Первичное(может быть гиперполяризационным и деполяризационным, а по месту возникновения – постсинаптическим и пресинаптическим) торможение возникает под влиянием раздражения сразу без предварительного возбуждения и осуществляется с участием тормозных синапсов. Вторичное(деполяризационным и гиперполяризационным, рефрактерность и пессимальное торможение)торможение осуществляется без участия тормозных структур и возникает вследствие перехода возбуждения в торможение.

Первичное гиперполяризационное постсинаптическое торможение - для мотонейронов и осуществляется через вставочный тормозной нейрон

Пресинаптическое торможение –распростран. механизмом в ЦНС. Установлено, что оно может быть вызвано не только импульсами с афферентным волокном, но и при раздражении различных структур головного мозга.

Значение: Охранительная роль – для предотвращения истощения медиаторов и прекращения деятельности ЦНС.

- в обработке поступающей в ЦНС информации.

-координационной деятельности ЦНС.

Синаптическое торможение

торможение может развиваться только в форме локального (местного) процесса.

- всегда связан с тормозных синапсов. Тормозные синапсы на нейроне в виде вставочными нейронами.

•Синаптическим торможением называется влияние пресинат. нейрона, предотвращающее или прекращающее возбуждение постсинап.нейрона.

ФУНКЦИЯ: ограничивая избыточное возбуждение в нейронных сетях.

Виды: постсинаптическое, пресинаптическое и возвратное.

Пресинаптическое торможение

Пресинаптическое торможение осуществляют нейроны, аксоны которых оканчиваются на возбуждающих синапт. окончаниях другого нейрона, образуя аксоаксональные синапсы. Тормозным медиатором является гамма-аминомасляная кислота (ГАМК).

•Пресинап. тормозный нейрон выделяет нейромедиатор, который увеличивает Cl- проводимость и вызывает гиперполяризацию мембраны возбуждающего нервного окончания. Это приводит к снижению возбудимости и увеличению порога генерации ПД возбуждающего окончания.

• Пресинап.возбуждающий нейрон выделяет нейромедиатор, вызывающий деполяризацию мембраны, что приводит к инактивации потенциалозависимых Na+ каналов нервного окончания и торможению его активности.

•Существенное преимущество - клетка полностью сенсибилизирована для других входов. Пресинап.торможение исключает развитие постсинапт. возбуждения, но не влияет на уже развившееся постсинапт.возбуждение, и при пресинап. торможении в постсинапт. клетке не обнаруживается ни ТПСП, ни изменений электровозбудимости.

Пресинаптическое облегчение

•Противоположный пресинаптическому торможению эффект оказывает пресинаптическое облегчение. Поскольку серотонин, выделяющийся в аксоаксональных синапсах, повышает содержание цАМФ в нервном окончании, то это приводит к закрытию К+ каналов, замедлению скорости реполяризации, увеличению продолжительности пачек ПД. В результате возрастает количество входящих ионов Са2+ и увеличивается секреция нейромедиатора.

Возвратное торможение. Нейроны ЦНС могут тормозить сами себя путём отрицательной обратной связи. Так, мотонейроны спинного мозга сразу после отхождения аксона от тела нервной клетки, посылают возвратные коллатерали, образующие синапсы с тормозными вставочными нейронами (клетки Реншоу). Клетки Реншоу иннервируют мотонейроны, направившие к ним возвратные коллатерали. Этот нейронный круг с обратной связью работает следующим образом. Мотонейрон, посылая сигналы к мышцам, одновременно активирует через возвратную коллатераль клетку Реншоу. Возбуждённая клетка Реншоу выделяет из пресинап.терминалей глицин, и под его влиянием замедляются или тормозятся разряды мотонейрона. ( коре больших полушарий и лимбической системе. )

Постсинаптическое торможение при выделении медиатора (например, ГАМК), повышающего проводимость постсинап.мембраны для Cl- или/и К+. При этом возникают тормозные постсинап.потенциалы, гиперполяризующие постсинапт.мембрану, понижающие возбудимость клетки и препятствующие генерации ПД

В качестве медиаторов, вызывающих тормозный постсинаптический потенциал, обнаружены глицин и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК); их рецепторы связаны с каналами для хлора, и при взаимодействии этих медиаторов со своими рецепторами происходит движение ионов хлора внутрь клетки и увеличение мембранного потенциала (до -90 или -100 мВ). Этот процесс называется постсинаптическое торможение.

Механизм

•Главные медиаторы головного мозга – аминокислоты. К возбуждающим относятся глутамат и аспартат. При освобождении в синапс они через ионотропные рецепторы (регуляторные субъединицы каналов) открывают быстрые натриевые каналы . Это приводит к быстрому входу в постсинаптический нейрон ионов Na + (в межклеточной жидкости концентрация Na + намного больше, чем внутри клетки).