6.9. Синаптическая интеграция

 

Процессы обработки сигналов нервной системой получили общее название нервной интеграции. «Интегрировать» в данном контексте означает «объединять в единое целое». На уровне одиночных нервных клеток интеграция сводится к тому, что эти клетки отвечают на поступление информации по различным синаптическим входам тем, что либо вырабатывают распространяющиеся импульсы, либо нет. Иными словами, в каждом нейроне интегрируются поступающие к нему возбуждающие и тормозные синаптические сигналы. Эти процессы в значительной степени зависят от пассивных электрических свойств участков нейрона, расположенных между областью синапсов и зоной генерации ПД. Кроме того, величины порога раздражения и частоты импульсации, возникающей в ответ на данный деполяризующий синаптический потенциал, зависят от плотности и чувствительности натриевых и калиевых каналов.

Многое из того, что мы знаем о нервной интеграции, было получено в опытах на α–мотонейронах (рис. 6–36) – крупных нейронах, тела которых лежат в передних рогах спинного мозга. Отростки этих нейронов иннервируют группировки из нескольких волокон скелетных мышц. На дендритах и телах мотонейронов оканчиваются тысячи тормозных и возбуждающих синаптических терминалей. От того, какой   будет   частота   импульсации   (т.е.   число импульсов в секунду) мотонейрона в ответ на возбуждение того или иного синапса, зависит сила сокращения иннервируемой им группы мышечных волокон (так называемой двигательной единицы). Вся интегративная деятельность мотонейрона сводится к генерации ПД (т. е. возбуждению) или подавлению этой генерации (т.е. торможению). Поскольку только с помощью ПД нервные сигналы могут распространяться на расстояние, большее нескольких миллиметров, лишь те синаптические потенциалы, которые могут привести к генерации ПД, способны вызвать сокращение функциональной единицы, иннервируемой мотонейроном. Если же возбуждающие потенциалы не достигают порогового уровня – либо в одиночку, либо при суммации с другими сигналами, – то они не вызовут никакой реакции и фактически будут игнорироваться.

 

Рис. 6.36. α–Мотонейрон переднего рога серого вещества спинного мозга, который входит в состав двухсинаптической рефлекторной дуги. Болевой раздражитель, воздействующий на кожу, через вставочный нейрон вызывает возбуждение мотонейрона; это в свою очередь приводит к сокращению соответствующей двигательной единицы, т. е. группы мышечных волокон, которую иннервирует данный мотонейрон.

 

 

 

 

6.9.1. Суммация

 

Зоной генерации потенциалов действия в мотонейроне служит начальный сегмент аксона, расположенный непосредственно за аксонным холмиком (см. рис. 6–2). Этот участок чувствителен к деполяризации и обладает более низким пороговым уровнем возбуждения, чем тело и дендриты нейрона (рис. 6–37). Возможно, здесь наиболее высока плотность натриевых каналов. Как бы то ни было, именно в этой области впервые возникают нервные импульсы. Значит, для того чтобы вызвать возбуждение, синаптический ток должен выйти через мембрану этого участка и деполяризовать ее до порогового уровня.

 

Рис. 6.37. Пространственное затухание синаптического потенциала и генерация потенциала действия. Возбуждающие синаптические потенциалы, возникающие в дендрите, распространяются по нейрону электротонически и с расстоянием затухают. Порог генерации ПД (сплошная черная кривая) зависит от плотности натриевых каналов (цветные точки). В связи с этим, 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, или в так называемой зоне генерации импульса (эта зона соответствует первому перехвату Ранвье). Именно здесь плотность натриевых каналов наиболее высока, а пороговый уровень деполяризации наиболее низок. Цветные пунктирные кривые иллюстрируют динамику синаптического потенциала, которая наблюдалась бы, если бы ПД был блокирован.

 

 

На каждом мотонейроне имеется несколько тысяч синаптических окончаний. Каким же образом отдельные синаптические входы влияют на импульсацию мотонейрона? Дело в том, что синаптические токи электротонически распространяются от синапсов, расположенных на дендритах и соме, в соответствии с кабельными свойствами нейрона. Как видно из рис. 6–37, по мере распространения синаптических потенциалов от области их возникновения к зоне генерации импульса эти потенциалы становятся все меньше. Из–за такого угасания, неизбежного при распространении нерегенеративных электрических сигналов по клеточным отросткам (см. рис. 6–20), синаптический ток, возникший в окончании длинного тонкого дендрита, будет уменьшаться существенно больше, а значит, оказывать гораздо меньшее влияние на зону генерации ПД, чем ток, зародившийся в теле клетки рядом с аксонным холмиком. Отсюда ясно, что кабельные свойства нейрона (разд. 6.2) играют важную роль в суммации синаптических токов, возникающих в различных его участках. Плотность расположения тормозных синапсов обычно наиболее высока близ аксонного холмика – именно это позволяет им наиболее эффективно препятствовать деполяризации до порогового уровня зоны генерации импульсов под действием возбуждающих синаптических токов.

Для изучения интегративных свойств мотонейронов выделяют несколько сегментов спинного мозга анестезированной лягушки. При этом микроэлектрод погружают в передние рога серого вещества спинного мозга и вводят в тело одиночного мотонейрона. Небольшие пучки афферентных отростков, выделенных из заднего корешка, подсоединяют к раздражающим электродам из серебряной проволоки, и это позволяет – в зависимости от целей эксперимента – вызывать импульсацию либо в возбуждающих, либо в тормозных волокнах (каким будет волокно – возбуждающим или тормозным – зависит от того, какой оно выделяет медиатор и как в ответ на действие этого медиатора изменяется ионная проводимость постсинаптической мембраны).

Если пресинаптические волокна не раздражаются, регистрирующий электрод, введенный в тело мотонейрона, записывает случайно возникающие синаптические потенциалы. Большая часть из них обусловлена импульсной активностью пресинаптических нейронов, не зависящей от действий экспериментатора. Такая активность вызывает «спонтанные» синаптические потенциалы амплитудой около 1 мВ, в чем–то напоминающие МПКП двигательной концевой пластинки нервно–мышечного соединения (см. рис. 6–30). Если раздражать одиночное пресинаптическое возбуждающее волокно, то можно убедиться в том, что в ответ на ПД, поступающий в пресинаптическое окончание, из этого волокна выделяется лишь один или несколько квантов медиатора. В этом отношении возбуждающие синаптические окончания на мотонейронах отличаются от нервно–мышечного соединения скелетной мышцы позвоночных – в этом соединении в ответ на поступление одиночного ПД в пресинаптическое окончание мотонейрона выделяется около 100–300 квантов (разд. 6.8.1), что вызывает ПКП амплитудой 60 мВ или более. Напротив, при поступлении ПД в синаптическое окончание на мотонейроне выделяется такое количество медиатора, которое деполяризует этот мотонейрон лишь примерно на 1 мВ. Для сдвига же мембранного потенциала до критического уровня нужна гораздо большая деполяризация.

Столь малый вклад одиночного синаптического окончания в возбуждение мотонейрона играет большую роль в его интегративной деятельности. Если нервно–мышечный синапс позвоночных работает как реле, передающее сигналы один к одному (т.е. в ответ на каждый пресинаптический импульс возникает ПД в постсинаптической мембране), то в мотонейроне для того, чтобы синаптические потенциалы достигли критического уровня генерации ПД. необходима более или менее синхронная активация многих возбуждающих синапсов. Иными словами, «решение» о том, генерировать или нет потенциал действия, принимается в ответ на активацию целой популяции пресинаптических окончаний. Такое «демократичное» поведение мотонейрона предотвращает его возбуждение под действием единственного сигнала или спонтанной активности и – что еще важнее – создает условия для того, чтобы исходящая от него импульсация зависела от интеграции активности различных входов – как возбуждающих, так и тормозных.

По мере увеличения силы тока, подаваемого на пресинаптические волокна дорсального корешка, происходит так называемое вовлечение все большего числа возбуждающих окончаний. Поскольку в данном случае они разряжаются одновременно, общее количество выделяемого ими медиатора также увеличивается, и в результате возникает больший постсинаптический потенциал (рис. 6–38). Такое увеличение деполяризации, связанное со сложением токов, возникающих в нескольких синапсах, называется пространственной суммацией.Если же одновременно с возбуждающим выделяется и тормозный медиатор, степень этой суммарной деполяризации снижается (рис. 6–39). В этом случае открывание «тормозных» каналов закорачивает ток, обусловленный входом Na⁺ через «возбуждающие» каналы. Иными словами, часть поступающих в клетку с ионами Na⁺ зарядов (деполяризующий ток) сразу же удаляется из клетки с током К⁺ или Cl¯ (реполяризующий ток). Таким образом, активация тормозных импульсов снижает степень деполяризации в зоне генерации ПД и уменьшает вероятность возникновения импульса.

 

Рис. 6.38. Пространственная суммация в мотонейроне. А. Возбуждающие синаптические токи а и б, возникающие в двух разных синапсах. Б. Потенциалы, возникающие на мембране в зоне генерации импульса при раздражении волокна а или б либо обоих этих волокон одновременно (а + б). В. Для того чтобы потенциал в области аксонного холмика превысил пороговый уровень, необходима пространственная суммация токов, возникающих в нескольких синапсах.

 

Рис. 6.39. Суммация возбуждающих и тормозных синаптических токов. А. При раздельном раздражении пресинаптических волокон возникают в одном случае возбуждающий (а), а в другом – тормозный (б) синаптические токи. Б. Потенциалы в зоне генерации импульсов, регистрируемые при возникновении этих токов.

 

 

Если вскоре после одного постсинаптического потенциала возникает другой, то он как бы «садится верхом» на первый потенциал, складываясь с ним (рис. 6–40). Это явление называется временной суммацией. Чем короче при этом будет интервал между двумя последовательными синаптическими потенциалами, тем выше будет амплитуда суммарного потенциала. Еще больший суммарный потенциал можно вызвать, если подать на пресинаптическое волокно еще один стимул; при этом третий постсинаптический потенциал наложится на второй и т. д. В естественных условиях обычно одновременно происходит пространственная и временная суммации. Так, если различные возбуждающие синапсы на одном мотонейроне будут активироваться через короткие промежутки времени, то будет наблюдаться и пространственная, и временная суммации.

 

Рис. 6.40. Временная суммация. А. В ответ на одиночный раздражитель возникает синаптический ток (затененная область) и синаптический потенциал, спадающий более медленно. Б. Поскольку синаптический потенциал длительнее синаптического тока, для суммации этих потенциалов сложение синаптических токов необязательно. Стрелками указано время поступления потенциалов действия в пресинаптическое окончание.

 

 

Оба этих вида суммации зависят от пассивных электрических свойств нейронов. Пространственная суммация связана с тем, что синаптические токи, возникающие одновременно в разных синапсах, электротонически распространяются к зоне генерации импульса и складываются в этой зоне (рис. 6–37). Что же касается временной суммации, то для того, чтобы она произошла, синаптические токи не обязательно должны складываться; суммация может наблюдаться даже в том случае, если эти токи не перекрываются во времени (рис. 6–40). Такая особенность обусловлена тем, что процессы, протекающие в мембране, характеризуются определенной постоянной времени (разд. 5.2.3). Дело в том, что с первым синаптическим током в мембрану входят положительные заряды и частично снижают ее отрицательный потенциал покоя. Поскольку мембрана обладает сопротивлением и емкостью, эти вошедшие положительные заряды вытекают из клетки (через калиевые каналы) медленно, и поэтому после прекращения синаптического тока потенциал еще некоторое время возвращается к уровню покоя. Значит, синаптический потенциал «длится» намного дольше, чем синаптический ток, и поэтому в том случае, когда до «окончания» первого синаптического потенциала возникает второй синаптический ток, он вызывает очередной деполяризующий потенциал, складывающийся с нисходящей фазой первого потенциала (хотя, повторяем, сами токи при этом перекрываться во времени не будут). Таким образом, благодаря способности мембраны накапливать заряды (т. е. благодаря ее емкостным свойствам) может осуществляться как бы «следовое» взаимодействие коротких синаптических токов, не совпадающих во времени. Чей больше при этом будет постоянная времени мембраны, тем медленнее будут угасать синаптические потенциалы и тем эффективнее будет происходить временная суммация потенциалов, возникающих при возбуждении разных синапсов. В мотонейронах спинного мозга постоянная времени мембраны составляет около 10 мс, а в других нейронах может колебаться от 1 до 100 мс.

В естественных условиях в мотонейронах прaктически всегда наблюдается электрическая активность – синаптический шум (нерегулярные колебания мембранного потенциала), обусловленный фоновой импульсацией пресинаптических нейронов. Этот шум проявляется как постоянные нерегулярные колебания мембранного потенциала. В тех случаях, когда суммарная активность возбуждающих синаптических входов оказывается достаточно мощной, в мотонейроне возникают периодические ПД. Эти ПД в свою очередь вызывают потенциалы действия и сокращения в каждом из мышечных волокон двигательной единицы мотонейрона (разд. 8.2). Поскольку в естественных условиях разряжается то один, то другой мотонейрон и сокращаются соответствующие мышечные волокна, возникает некоторый тонус (постоянное напряжение) мышцы.

Полной аккомодации мембраны в зоне генерации импульса к длительной деполяризации не происходит. Значит, при длительном интенсивном синаптическом возбуждении мотонейрона он будет выдавать постоянную импульсацию. Частота импульсов при этом будет пропорциальна степени деполяризации (рис. 6–41). Таким образом, частота импульсации постсинаптического нейрона в данном случае соответствует суммарной возбуждающей синаптической активности за вычетом тормозной синаптической активности.

 

Рис. 6.41. Частота начальной (т. е. возникающей в первые моменты времени) импульсации мотонейрона примерно пропорциональна степени деполяризации мембраны. В данном опыте в мотонейрон введены два микроэлектрода: один для подачи деполяризующего тока, другой – для записи мембранного потенциала. А – В. Схематическое представление записей, из которых видно, что при повышении степени деполяризации (отклонение кривой вверх) частота импульсации увеличивается. Г. Зависимость начальной частоты импульсации от степени деполяризации.

 

 

Итак, для возникновения импульса в нейроне необходимо, чтобы начальный сегмент аксона, обладающий низким порогом возбуждения, был деполяризован до критического уровня. В этом случае возникает импульсация, частота которой нарастает пропорционально степени деполяризации вплоть до максимально возможной. В свою очередь степень деполяризации нейрона зависит от соотношения во времени и точек приложения (по отношению к зоне генерации импульсов) возбуждающих и тормозных синаптических токов.