7.3: Синапси

Last updated
Save as PDF

Page ID: 72896

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Поясніть, як зразки сигналів перетинають синапс

Синаптична передача

Синапс або «розрив» - це місце, де інформація передається від одного нейрона до іншого. Синапси зазвичай утворюються між аксонними терміналами і дендритними шипами, але це не є універсально вірним. Існують також синапси аксон-аксона, дендриту до дендриту та аксон-клітинного тіла. Нейрон, що передає сигнал, називається пресинаптичним нейроном, а нейрон, який отримує сигнал, називається постсинаптичним нейроном. Зверніть увагу, що ці позначення стосуються певного синапсу - більшість нейронів є як пресинаптичними, так і постсинаптичними. Існує два види синапсів: хімічний і електричний.

Хімічні синапси

Коли потенціал дії досягає клеми аксона, він деполяризує мембрану і відкриває\(\ce{Na^{+}}\) канали з напругою. \(\ce{Na^{+}}\)іони потрапляють в клітину, додатково деполяризуючи пресинаптичну мембрану. Ця деполяризація призводить до відкриття\(\ce{Ca^{3+}}\) каналів із напругою. Іони кальцію, що надходять в клітину, ініціюють сигнальний каскад, який викликає невеликі мембранно-зв'язані везикули, звані синаптичними везикулами, що містять молекули нейромедіатора для злиття з пресинаптичною мембраною. Синаптичні везикули показані на малюнку 7.18, який представляє собою зображення з скануючого електронного мікроскопа.

Малюнок 7.18. Це псевдокольорове зображення, зроблене за допомогою скануючого електронного мікроскопа, показує термінал аксона, який був розбитий, щоб виявити синаптичні везикули (сині та помаранчеві) всередині нейрона. (кредит: модифікація роботи Тіни Карвальо, NIH-NIGMS; дані шкали від Метта Рассела)

Злиття бульбашки з пресинаптичної мембраною змушує нейромедіатор вивільнятися в синаптичну щілину, позаклітинний простір між пресинаптичної і постсинаптичної мембранами, як показано на малюнку 7.19. Нейромедіатор дифундує через синаптичну щілину і зв'язується з рецепторними білками на постсинаптичній мембрані.

Малюнок 7.19. Спілкування при хімічних синапсах вимагає вивільнення нейромедіаторів. Коли пресинаптична мембрана деполяризується, канали Ca2+ з напругою відкриваються і дозволяють Ca2+ увійти в комірку. Входження кальцію змушує синаптичні бульбашки зливатися з мембраною і вивільняти молекули нейромедіатора в синаптичну щілину. Нейромедіатор дифундує через синаптичну щілину і зв'язується з ліганд-іонними каналами в постсинаптичній мембрані, що призводить до локалізованої деполяризації або гіперполяризації постсинаптичного нейрона.

Зв'язування специфічного нейромедіатора призводить до того, що особливі іонні канали, в даному випадку ліганд-горовані канали, на постсинаптичної мембрані відкриваються. Нейромедіатори можуть мати збудливу або інгібуючу дію на постсинаптичну мембрану, як детально описано в таблиці 7.2. Наприклад, коли ацетилхолін вивільняється в синапсі між нервом і м'язом (називається нервово-м'язовим з'єднанням) пресинаптичним нейроном, це призводить до відкриття постсинаптичних Na+ каналів. Na+ потрапляє в постсинаптичну клітину і викликає деполяризацію постсинаптичної мембрани. Ця деполяризація називається збудливим постсинаптичним потенціалом (EPSP) і робить постсинаптичний нейрон більш імовірним для запуску потенціалу дії. Вивільнення нейромедіатора при інгібуючих синапсах викликає інгібуючі постсинаптичні потенціали (IPSPs), гіперполяризацію пресинаптичної мембрани. Наприклад, коли нейромедіатор ГАМК (гамма-аміномасляна кислота) вивільняється з пресинаптичного нейрона, він зв'язується і відкриває Cl- канали. Іони Cl— потрапляють в клітину і гіперполяризують мембрану, що робить нейрон менш імовірним для запуску потенціалу дії.

Після того, як відбулася нейротрансмісія, нейромедіатор потрібно видалити з синаптичної щілини, щоб постсинаптична мембрана могла «скинути» і бути готовою до прийому іншого сигналу. Це може бути досягнуто трьома способами: нейромедіатор може дифузно подалі від синаптичної щілини, він може деградуватися ферментами в синаптичній щілині, або він може бути перероблений (іноді його називають зворотним захопленням) пресинаптичним нейроном. На цьому етапі нейротрансмісії діють кілька препаратів. Наприклад, деякі препарати, які дають пацієнтам з хворобою Альцгеймера, працюють шляхом інгібування ацетилхолінестерази - ферменту, який розкладає ацетилхолін. Це інгібування ферменту істотно збільшує нейротрансмісію при синапсах, які виділяють ацетилхолін. Після звільнення ацетилхолін залишається в розщелині і може постійно зв'язуватися і відв'язуватися до постсинаптичних рецепторів.

Таблиця 7: Функція та розташування нейромедіатора
Нейромедіатор	Приклад	Розташування
ацетилхолін	—	ЦНС та/або ПНС
біогенний амін	Дофамін, серотонін, норадреналін	ЦНС та/або ПНС
Амінокислота	Гліцин, глутамат, аспартат, гамма-аміномасляна кислота	CNS
Нейропептид	Речовина Р, ендорфіни	ЦНС та/або ПНС

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Розробляйте і/або розігравайте події на синапсі! Ось кілька порад, які допоможуть вам розробити вашу діяльність з огляду:

Вам потрібно буде подумати про те, скільки однолітків вам потрібно взяти участь.
Хто буде яка структура?
Як будуть рухатися ваші однолітки і ви по відношенню один до одного?
Яка загальна мета кожного руху, який ви проектуєте (яка функція кожної структури)?

Електричні синапси

Хоча електричні синапси менші за кількістю, ніж хімічні синапси, вони зустрічаються у всіх нервових системах і відіграють важливу та унікальну роль. Режим нейротрансмісії в електричних синапсах досить сильно відрізняється від такого в хімічних синапсах. В електричному синапсі пресинаптичні та постсинаптичні мембрани знаходяться дуже близько один до одного і фактично фізично пов'язані білками каналів, що утворюють розривні з'єднання. З'єднання розривів дозволяють струму переходити безпосередньо з однієї комірки до наступної. Крім іонів, які несуть цей струм, інші молекули, такі як АТФ, можуть дифузувати через пори великого розриву з'єднання.

Існують ключові відмінності між хімічними та електричними синапсами. Оскільки хімічні синапси залежать від вивільнення молекул нейромедіатора з синаптичних бульбашок для передачі їх сигналу, існує приблизно одна мілісекундна затримка між тим, коли аксоновий потенціал досягає пресинаптичного терміналу, і коли нейромедіатор призводить до відкриття постсинаптичних іонних каналів. . Крім того, ця сигналізація є односпрямованою. Сигналізація в електричних синапсах, навпаки, практично миттєва (що важливо для синапсів, що беруть участь в ключових рефлексах), а деякі електричні синапси двонаправлені. Електричні синапси також більш надійні, оскільки вони рідше блокуються, і вони важливі для синхронізації електричної активності групи нейронів. Наприклад, електричні синапси в таламусі, як вважають, регулюють повільний сон, і порушення цих синапсів може викликати судоми.

Підсумовування сигналів

Іноді один EPSP є достатньо сильним, щоб викликати потенціал дії в постсинаптичному нейроні, але часто кілька пресинаптичних входів повинні створювати EPSP приблизно в той же час, щоб постсинаптичний нейрон був достатньо деполяризованим, щоб запустити потенціал дії. Цей процес називається підсумовуванням і відбувається на аксонному горбі, як показано на малюнку 7.20. Крім того, один нейрон часто має входи від багатьох пресинаптичних нейронів - деяких збудливих та деяких інгібіторних - тому IPSP можуть скасувати EPSP і навпаки. Саме чиста зміна напруги постсинаптичної мембрани визначає, чи досягла постсинаптична клітина свого порогу збудження, необхідного для запуску потенціалу дії. Разом синаптичне підсумовування і поріг збудження виступають фільтром, щоб випадковий «шум» в системі не передавався як важлива інформація.

Малюнок 7.20. Один нейрон може отримувати як збудливі, так і інгібуючі входи від декількох нейронів, що призводить до локальної деполяризації мембрани (вхід EPSP) та гіперполяризації (вхід IPSP). Всі ці входи складаються разом на аксонному горбі. Якщо ЕПСП досить сильні, щоб подолати ІПСП і досягти порога збудження, нейрон спрацює.

синаптична пластичність

Синапси не є статичними структурами. Вони можуть бути ослаблені або посилені. Їх можна зламати, і зробити нові синапси. Синаптична пластичність дозволяє здійснити ці зміни, які всі необхідні для функціонування нервової системи. Насправді синаптична пластичність є основою навчання і пам'яті. Зокрема, два процеси, довгострокове потенціювання (LTP) та довгострокова депресія (LTD), є важливими формами синаптичної пластичності, які відбуваються в синапсах у гіпокампі, ділянці мозку, яка бере участь у зберіганні спогадів.

Довгострокове потенціювання (LTP)

Тривале потенціювання (ЛТП) - стійке посилення синаптичного зв'язку. LTP заснований на принципі Хеббіана: клітини, які стріляють разом, з'єднуються між собою. Існують різні механізми, жоден повністю не зрозумілий, за синаптичним зміцненням, яке спостерігається з LTP. Один відомий механізм включає в себе тип постсинаптичних глутаматних рецепторів, званих рецепторами NMDA (N-метил-D-аспартат), показаний на малюнку 7.21. Ці рецептори зазвичай блокуються іонами магнію; однак, коли постсинаптичний нейрон деполяризується кількома пресинаптичними входами в швидкій послідовності (або з одного нейрона, або декількох нейронів), іони магнію витісняються, дозволяючи іонам Ca переходити в постсинаптичну клітину. Далі іони Ca2+, що надходять в клітину, ініціюють сигнальний каскад, який викликає інший тип глутаматного рецептора, званого рецепторами AMPA (α-аміно-3-гідрокси-5-метил-4-ізоксазолепропіонової кислоти), які вводяться в постсинаптичну мембрану, оскільки активовані рецептори AMPA дозволяють позитивним іонам потрапляти в клітину. Отже, наступного разу, коли глутамат вивільняється з пресинаптичної мембрани, він матиме більший збудливий ефект (EPSP) на постсинаптичну клітину, оскільки зв'язування глутамату з цими рецепторами AMPA дозволить більше позитивних іонів в клітину. Введення додаткових рецепторів AMPA підсилює синапс і означає, що постсинаптичний нейрон швидше спрацьовує у відповідь на вивільнення пресинаптичного нейромедіатора. Деякі наркотики зловживання кооптують шлях LTP, і це синаптичне посилення може призвести до наркоманії.

Довгострокова депресія (LTD)

Довгострокова депресія (LTD) по суті є зворотним від LTP: це довгострокове ослаблення синаптичного зв'язку. Один механізм, який, як відомо, викликає LTD, також включає рецептори AMPA. У цій ситуації кальцій, який потрапляє через рецептори NMDA, ініціює інший сигнальний каскад, що призводить до видалення рецепторів AMPA з постсинаптичної мембрани, як показано на малюнку 7.21. Зниження AMPA-рецепторів в мембрані робить постсинаптичний нейрон менш чутливим до глутамату, що виділяється з пресинаптичного нейрона. Хоча це може здатися незрозумілим, LTD може бути настільки ж важливим для навчання та пам'яті, як LTP. Ослаблення та обрізка невикористаних синапсів дозволяють втратити неважливі зв'язки і робить синапси, які зазнали LTP, набагато сильнішими порівняно.

Малюнок 7.21. Надходження кальцію через постсинаптичні рецептори NMDA може ініціювати дві різні форми синаптичної пластичності: довгострокове потенціювання (LTP) та довгострокову депресію (LTD). LTP виникає при багаторазовому стимулюванні одного синапсу. Ця стимуляція викликає кальцій- і Camkii-залежний клітинний каскад, що призводить до введення більшої кількості рецепторів AMPA в постсинаптичну мембрану. Наступного разу, коли глутамат вивільняється з пресинаптичної клітини, він зв'яжеться як з NMDA, так і з недавно вставленими рецепторами AMPA, тим самим деполяризуючи мембрану більш ефективно. LTD виникає, коли мало молекул глутамату зв'язуються з рецепторами NMDA при синапсі (через низьку швидкість стрільби пресинаптичного нейрона). Кальцій, який протікає через рецептори NMDA, ініціює інший кальциневрин і білкова фосфатаза 1-залежний каскад, що призводить до ендоцитозу рецепторів AMPA. Це робить постсинаптичний нейрон менш чутливим до глутамату, що виділяється з пресинаптичного нейрона.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Щоб нейрон вистрілив потенціал дії, його мембрана повинна досягати ________.
а. гіперполяризація
b. поріг збудження
c. рефрактерний період
d. інгібуюча постсинаптична потенція

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Після потенціалу дії, відкриття додаткових регульованих напругою ________ каналів і інактивація натрієвих каналів, змушують мембрану повернутися до свого спокою мембранного потенціалу.
а. натрій
б. калію
c. кальцій
d. хлорид

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Що таке термін для білкових каналів, які з'єднують два нейрони в електричному синапсі?
a. синаптичні везикули
б. іонні канали з напругою
c. зазорний перехід білка
d. натрієво-калієві обмінні насоси

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Як мієлін допомагає поширенню потенціалу дії вздовж аксона? Як вузли Ранв'є допомагають цьому процесу?

Вправа\(\PageIndex{5}\)

Які основні етапи хімічної нейротрансмісії?