Синаптическое торможение

Двигательная концевая пластинка - это прототип синапса, передающего возбуждение. В других возбуждающих синапсах ее потенциалу соответствует так называемый «возбуждающий постсинаптический потенциал» (ВПСП). Однако в организме существуют и синапсы, в которых передается тормо-

Рис. 3.2. Потенциалы и токи концевой пластинки на разных расстояниях от нее. Вблизи концевой пластинки при стимуляции нерва регистрируются быстрый рост потенциала и более кратковременный отрицательный (положительные ионы входят в волокно) ток. При удалении (на 2 и 4 мм) от концевой пластинки ее потенциалы постепенно снижаются и все больше запаздывают, а токи становятся положительными. Это показывает, что ток входит в мышечное волокно только в области концевой пластинки, а изменение ее потенциала распространяется электротонически на расстояние несколько миллиметров

Рис. 3.3. Зависимость тока концевой пластинки, или «возбуждающего постсинаптического тока» (ВПСТ), от мембранного потенциала. С помощью метода фиксации потенциала путем регулирования электрического тока, вводимого в волокно через микроэлектрод, мембранный потенциал поддерживался постоянным на различных уровнях. Сильный отрицательный ВПСТ наблюдается при фиксации потенциала на уровне —120 мВ; он снижается при —90, —65 и —35 мВ, а при +25 и +38 мВ становится все более положительным [3, 26]

Глава 3. Межклеточная передача возбуждения 53

Рис. 3.4. Возбуждающие и тормозные постсинаптические потенциалы (ВПСП и ТПСП соответственно) и токи (ВПСТ и ТПСТ). При взаимном наложении ВПСП и ТПСП происходит их суммация, однако результирующая деполяризация оказывается меньше, чем сумма этих потенциалов (J. Dudel в [4])

жение. Принцип их работы представлен на рис. 3.4. Слева показан ВПСП вместе с возбуждающим постсинаптическим током (ВПСТ) (ср. рис. 3.2). Активация тормозного нервного волокна, подходящего к той же самой постсинаптической клетке, приводит к появлению тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП) - обычно небольшой гиперполяризации с соответствующим выходящим током (ТПСТ). Если возбуждение и торможение примерно совпадают по времени, ВПСТ и ТПСТ суммируются; однако результирующее изменение мембранного потенциала гораздо меньше, чем сумма ВПСП и ТПСП. Торможение значительно снижает деполяризацию, соответствующую ВПСП, ослабляя или предотвращая передачу возбуждения в синапсе. Таким образом, торможение -это уменьшение или блокада возбуждения.

Равновесный потенциал для торможения. Ионные токи во время торможения можно зарегистрировать путем подведения тока, сдвигающего мембранный потенциал. Результат показан на рис. 3.5 для мотонейрона спинного мозга. При потенциале покоя — 74 мВ ТПСП является гиперполяризационным. По мере развития гиперполяризации мембраны происходит реверсия ТПСП на уровне —82 мВ. На потенциал реверсии влияют градиенты концентрации К⁺ и Cl⁻, следовательно, ТПСТ обусловлен повышением мембранной проводимости для этих ионов.

Каким образом повышение проводимости мембраны подавляет возбуждение? Проще всего объяснить это для электротонических потенциалов. В опыте на рис. 3.6, А импульс тока, подводимый к клетке, вызывает электротонический потенциал (с. 41), амплитуда которого пропорциональна сопротивлению мембраны. При активации на той же клетке тормозного синапса ТПСП обычно гиперполяризует мембрану на несколько милливольт. Если ТПСП совпадает по времени с электротоническим

Рис. 3.5. Измерение равновесного потенциала для ТПСП. А. Один канал двухканапьного внутриклеточного микрозлектрода служит для изменения мембранного потенциала мотонейрона с помощью регулируемого источника тока. Б. ТПСП в мотонейроне полусухожильной мышцы, вызываемые стимуляцией постоянной интенсивности нерва четырехглавой мышцы. Амплитуда и полярность возникающих ТПСП зависят от исходного мембранного потенциала. В. График, объединяющий данные всей серии измерений, выборочно представленных на рис. Б. По оси абсцисс-мембранный потенциал, по оси ординат-максимальная амплитуда ТПСП. Гиперполяризующие ТПСП находятся ниже нулевой линии, деполяризующие - выше нее. Равновесный потенциал составляет около —80 мВ. Потенциал покоя клетки равен —74 мВ (стрелка на рис. В) [2]

потенциалом, последний значительно снижается вплоть до полного исчезновения, поскольку ТПСП уменьшает сопротивление мембраны. Рис. 3.6, Б иллюстрирует эффект торможения в более широком диапазоне значений мембранного потенциала, который представлен в зависимости от подаваемого тока. В контроле график пересекает ось абсцисс на уровне потенциала покоя — 70 мВ; положительные токи деполяризуют мембрану, начиная от этого уровня. Высокочастотная активация тормозного синапса (в данном случае имитированная воздействием тормозного медиатора) смещает кривую «ток - потенциал» от уровня покоя в направлении гиперполяризации и увеличивает наклон графика, что соответствует снижению мембранного сопротивления (сдвиг потенциала на единицу изменения тока), важнейшему результату торможения. Пусть, например, в контроле ВПСП или потенциал действия вызовут импульс тока величиной 0,1 мкА, который деполяризует мембрану до —25 мВ. В присутствии торможения тот же возбуждающий ток

54 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

вызовет деполяризацию только до —60 мВ, что недостаточно для генерирования потенциала действия, как показано на рис. 3.4 для одиночных ВПСП и ТПСП. Снижение мембранного сопротивления приводит к короткому замыканию возбуждающих токов и таким образом предотвращает возбуждение. Этот эффект дополняется гиперполяризацией.

На рис. 3.6, Б продемонстрирован также результат снижения внеклеточной концентрации Cl⁻. Контрольная кривая при этом практически не изменилась, но график «ток - потенциал» во время торможения сместился вправо почти на 20 мВ. Согласно уравнению Нернста (с. 13), сдвиг в этом направлении должен составить 18 мВ, если торможение приводит только к повышению проводимости мембраны для Cl⁻.

Во время торможения в различных синапсах возрастает мембранная проводимость для Cl⁻ (например, в мышцах ракообразных, рис. 3.6), К⁺ (в частности, при ингибирукшдем влиянии блуждающего нерва на сердце; см. с. 463) или для обоих этих ионов (в мотонейронах, рис. 3.5). Равновесные потенциалы для них близки к потенциалу покоя; наблюдаемое повышение проводимости стабилизирует его и снижает возбуждающую деполяризацию.