6.10. Функциональная пластичность синапсов

 

Пластичность нервных структур, т.е. их способность изменять свою функцию под влиянием накопленного опыта, – это одно из самых удивительных свойств нервной системы. В нашей жизни подобная пластичность проявляется в способности к научению, выработке рефлексов, двигательных навыков и привычек. Она служит основой интеллекта человека и способности всех высших животных формировать приспособительные реакции на раздражители, выходящие за рамки тех жестких генетически предопределенных рефлекторных программ, которые закладываются в мозг в ходе его развития. Пластичность поведения наблюдается даже у таких низших животных, как моллюски. Пластичности нервных структур посвящено множество работ, однако здесь еще пока очень много неясного. Полагают, однако, что эта особенность нервных структур обусловлена изменениями эффективности синаптической передачи (т. е. способности пресинаптического импульса вызывать сдвиг постсинаптического потенциала). Подобные изменения могут быть обусловлены изменением активности пресинаптического окончания или какими–либо другими эффектами, оказывающими влияние на синаптические процессы. Изменение эффективности синаптической передачи – это не единственный возможный способ изменить функционирование нервных структур, однако в настоящее время большая часть экспериментальных данных свидетельствует именно о таком механизме.

Совершенно очевидно, что можно выделить две группы синаптических механизмов, ответственные за изменения эффективности синаптической передачи: пресинаптические и постсинаптические. В первом случае эффективность синаптической передачи может зависеть от количества медиатора, высвобождаемого пресинаптическими окончаниями в ответ на поступление в них ПД. Во втором случае могут происходить какие–то изменения постсинаптических структур, при которых меняется степень деполяризации в ответ на действие определенного количества медиатора. О постсинаптической пластичности известно сравнительно мало, хотя в некоторых тканях она и была обнаружена. Поэтому мы ограничимся лишь обсуждением пресинаптических механизмов пластичности.

Существуют две основные группы пресинаптических механизмов, которые могут приводить к изменениям эффективности синаптической передачи. В первом случае изменения свойств пресинаптического окончания возникают в связи с его собственной активностью, если эта активность высока; подобные изменения обычно бывают кратковременными. Такие механизмы носят общее название гомосинаптической модуляции. Во втором случае свойства пресинаптических окончаний изменяются под действием модулятора, высвобождаемого другим, тесно прилегающим нервным окончанием. Подобные сдвиги обычно бывают более долговременными. Механизмы такого рода называются гетеросинаптической модуляцией.

 

6.10.1. Гомосинаптическая модуляция

 

6.10.1.1. Облегчение

 

Изменение эффективности синаптической передачи, происходящее при высокой активности синапса, можно пронаблюдать в следующем опыте. Представим себе, что мы осуществляем микроэлектродное отведение от области частично кураризованной концевой пластинки скелетной мышцы лягушки и подаем на двигательное волокно два стимула, причем второй из этих стимулов следует за первым через различные промежутки времени (рис. 6–42). Если второй постсинаптический потенциал возникает до окончания первого, то эти потенциалы будут, естественно, суммироваться; однако амплитуда этого второго потенциала будет больше, чем должно было бы быть в результате простой суммации. Если второй постсинаптический потенциал возникает вскоре после окончания первого, его величина будет больше, чем первого. В двигательной концевой пластинке это явление, получившее название синаптического облегчения, длится 100–200 мс.

 

Рис. 6.42. Синаптическое облегчение в нервно–мышечном соединении лягушки. С помощью кураре амплитуда постсинаптического потенциала была уменьшена ниже  уровня порога. Видно, что второй постсинаптический потенциал суммируется с нисходящей фазой первого потенциала, однако амплитуда второго потенциала при  этом оказывается выше, чем это следует из одной лишь суммации.

 

 

По имеющимся данным облегчение обусловлено скорее всего тем, что поступление в пресинаптическое волокно первого импульса сопровождается повышением в нем концентрации свободных ионов Са²⁺ , которое сохраняется непродолжительное время. В результате, когда в волокно поступает второй импульс и тоже вызывает увеличение [Ca²⁺]_i, эта новая «порция» ионов Са²⁺ суммируется с тем количеством этих ионов, которое осталось от первого возбуждения. Поскольку же выделение медиатора связано степенной зависимостью с внутриклеточной концентрацией Са²⁺ в области пресинаптических участков высвобождения этого медиатора (разд. 6.8.2), небольшое повышение [Са²⁺]_i приводит к существенному увеличению количества медиатора, высвобождаемого в ответ на второй импульс. Экспериментальное подтверждение этой гипотезы было получено Бернардом Катцем и Рикардо Миледи (1968). Эти исследователи подводили микроэлектрод как можно ближе к области двигательной концевой пластинки мышцы лягушки, погруженной в бескальциевый раствор Рингера, и через этот микроэлектрод посылали «залпы» Са²⁺ (рис. 6–43, А). Оказалось, что ПКП возникает лишь тогда, когда ко времени прихода в пресинаптическое окончание импульса во внеклеточной среде имеются ионы Са²⁺ (рис. 6–43, Б, В). Катц и Миледи обнаружилитакже, что облегчение постсинаптического потенциала в ответ на второй стимул было более выраженным, если Са²⁺ подавался из микроэлектрода во внеклеточную среду одновременно с поступлением первого ПД (рис. 6–43, Д). Если первый кальциевый залп подавался после поступления первого импульса в окончание, существенного облегчения не наблюдалось (рис. 6–43, Г). Значит, для того чтобы произошло облегчение, к моменту прихода импульса в пресинаптическое волокно в среде должен содержаться кальций, который может войти в это волокно. Как мы уже говорили, по–видимому, некоторая часть ионов Са²⁺, вошедших в волокно при возбуждении, остается в нем и суммируется с тем количеством кальция, который поступает в ответ на второй импульс. В результате концентрация Са²⁺ в волокне увеличивается, высвобождается больше медиатора, а следовательно, повышается постсинаптический потенциал.

 

Рис. 6.43. Зависимость синаптического облегчения от наличия во внеклеточной среде ионов кальция к моменту поступления в пресинаптическое волокно первого ПД. А. Схема опыта по кратковременному повышению концентрации Са2+ в области концевой пластинки. Б.–Д. Черные прямоугольники соответствуют времени импульсного введения кальция. Видно, что облегчение происходит лишь в том случае, когда кальций присутствует к моменту поступления первого ПД в пресинаптическое волокно. (Katz, Miledi, 1968.)