концевой пластинки. Амплитуда потенциала концевой пластинки обычно надпороговая, в отличие от одиночных ВПСП в нейронах.

В тормозных синапсах высвобождение медиатора из пресинаптических нервных окончаний и его взаимодействие с постсинаптическими рецепторами ведет к открыванию K+-каналов и/или Cl–-кана- лов. При этом снижается сопротивление мембраны, а выходящий ионный ток обычно вызывает низкоамплитудную гиперполяризацию (ТПСП). В результате снижается возбудимость клетки: за счет ТПСП мембранный потенциал удаляется от уровня порога, а вследствие пониженного сопротивления происходит короткое замыкание деполяризующих токов. В итоге мембранный потенциал стабилизируется на уровне потенциала покоя, причем короткое замыкание представляется особенно важным механизмом торможения.

5.2. Синаптические медиаторы

Классические медиаторы

!Большинство синаптических медиаторов — низкомолекулярные соединения, например ацетилхолин, ГАМК или глутамат.

Низкомолекулярные аминокислоты. Выше упоминались такие медиаторы, как ацетилхолин (АцХ) и ГАМК. Однако медиаторных веществ очень много. Особенно значимые и известные представлены на рис. 5.4 (вверху). Гамма-ами- номасляная кислота (ГАМК) — самый распространенный тормозный медиатор в ЦНС, а более простая по своей структуре аминокислота глицин опосредует торможение мотонейронов. Глутамат, который относится к кислым аминокислотам, служит наиболее известным возбуждающим медиатором в ЦНС.

Моноамины. Адреналин, норадреналин и дофамин образуют семейство катехоламинов. Эти медиаторы осуществляют возбуждение либо торможение в центральной и периферической нервных системах. Сходное влияние оказывает серотонин (5-гидрокситриптамин, 5-НТ), который вместе с катехоламинами входит в группу моноаминов. К той же группе относится гистамин, возможно, выполняющий медиаторные функции в головном мозге, а также в желудочно-кишечном тракте; однако будучи тканевым гормоном, он в основном опосредует воспалительные реакции.

Все эти «классические» медиаторы представляют собой малые молекулы, зачастую участвующие в межуточном (тканевом) обмене. Когда они связываются со специфическими рецепторами постсинаптической мембраны, повышается проводимость ионных каналов. Если повышение проводимости

относится к ионам Na+, Ca2+ и K+, то в синапсе происходит передача возбуждения, если же возрастает проводимость ионов K+ или Cl–, то развивается торможение.

Пептиды и комедиаторы

!Пептиды обладают относительно медленным синаптическим эффектом; часто они сосуществуют с классическими медиаторами.

Пептидные медиаторы. Наряду с классическими медиаторами на рис. 5.4 (внизу) представлен ряд пептидных медиаторов. Эти вещества обнаружены в ЦНС и/или вегетативной нервной системе, причем механизм их действия не вполне выяснен. Часто они являются синаптическими модуляторами: не влияют непосредственно на проводимость синаптических мембран, но изменяют интенсивность и длительность действия классических медиаторов, причем иногда высвобождаются вместе с другими медиаторными веществами.

Рис. 5.4. Основные синаптические медиаторы.

Вверху: классические медиаторы — ацетилхолин, аминокислоты, моноамины. Внизу: пептиды.

На рис. 5.4 представлены наиболее значимые пептиды.

Энкефалины связываются с опиоидными (опиатными) рецепторами, взаимодействующими с морфином, и наряду с прочими функциями опосредуют болевую чувствительность.

Вещество Р тоже имеет отношение к болевой чувствительности, а помимо этого вызывает сокращение гладкой мускулатуры.

Ангиотензин II — гормон, который оказывает сильное влияние на кровеносные сосуды, а также действует на нейроны ЦНС.

Вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП), соматостатин и люлиберин (LHRH, ри- лизинг-фактор лютеотропина — лютеинизирующего гормона) участвуют в регуляции выработки гормонов в гипофизе (разд. 21.2), а также активны в синапсах.

Сомедиаторы (комедиаторы). Долгое время полагали, что нервная клетка высвобождает из окончаний своего аксона единственный медиатор (принцип Дейла). Однако показано, что из клеток вегетативной нервной системы, по крайней мере на этапе эмбрионального развития, высвобождается не только АцХ, но и адреналин. В нервно-мы- шечных синапсах и в вегетативной нервной системе совместно с АцХ и катехоламинами высвобождается также аденозинтрифосфат (АТФ), который в результате дефосфорилирования преобразуется в аденозин и становится медиатором. Нередко вместе с классическим медиатором, таким как норадреналин, из пресинаптических окончаний выделяется пептид, участвующий в синаптической передаче. Особенности взаимодействия медиаторных веществ и сомедиаторов до конца не выяснены, чаще всего их трактуют как модуляцию.

Сведения о медиаторах, способных к трансклеточной диффузии, например NО (разд. 5.1).

Агонисты и антагонисты

!Агонисты — это вещества, взаимодействие которых с синаптическими рецепторами вызывает такой же эффект, как медиаторы, тогда как антагонисты блокируют влияние медиаторов.

Агонисты. В результате взаимодействия рецепторов постсинаптической мембраны со специфическим для них медиатором повышается проводимость определенных ионов. Тем не менее специфичность медиатора не абсолютна, практически все рецепторы способны связываться и с другими веществами. Если связывание вещества с рецептором приводит к свойственному для него, биологически ожидаемому изменению проводимости, то это вещество полностью заменяет медиатор и называется агонистом.

Для рецепторов концевой пластинки агонистами служат, например, карбамилхолин и суберилдихолин. Другие соединения тоже связываются с рецепторами, но они малоэффективны применительно к сдвигу ионной проводимости. Это частичные

агонисты, например холин для концевой пластинки (см. Продолжительность и завершение действия медиаторов).

Антагонисты. Существуют также вещества, которые связываются с синаптическими рецепторами, но не изменяют проводимость. Оккупируя рецепторы, они препятствуют действию агонистов. Такие вещества называются антагонистами. Если антагонист конкурирует с агонистами за участок связывания, то это конкурентный антагонист. Если же вещества мешают действию агонистов без конкуренции за участок связывания, то это неконкурентные антагонисты.

Расслабление мышц. Известным конкурентным антагонистом влияния АцХ на двигательную концевую пластинку является кураре (d-тубоку- рарин) — яд, которым индейцы смазывали стрелы (см. Введение). По мере повышения концентрации кураре возрастает количество заблокированных рецепторов и постепенно ослабевает эффект от связывания АцХ с рецепторами, которые остались интактными. Под влиянием кураре падает амплитуда потенциала концевой пластинки (рис. 5.5); при достаточно высокой дозе уже невозможно достигнуть порога генерации потенциала действия: мышца парализована.

Курареподобные вещества применяются при анестезии для расслабления мышц. При полном расслаблении необходимо поддерживать дыхание пациента искусственным путем. Мышечное расслабление иного типа вызывает агонист длительного действия, такой как сукцинилхолин, обусловливающий продолжительную деполяризацию концевой пластинки. Деполяризация инактивирует Na+-ка- налы мышечной мембраны, препятствуя возбуждению мышцы.

Рис. 5.5. Влияние кураре и эзерина на потенциал концевой пластинки (ПКП). Если во время ПКП деполяризация постсинаптической мембраны достигнет примерно –60 мВ, возникает потенциал действия (ПД, или нервный импульс; показан красной прерывистой линией). При добавлении кураре ПКП снижается и уже не соответствует порогу генерации ПД; мышца парализована. Если в присутствии кураре добавлен эзерин — блокатор ацетилхолинэстеразы, то амплитуда и длительность ПКП увеличиваются, так что ПКП вновь достигает порога генерации ПД

Фармакологические аспекты. Агонисты и антагонисты часто используют в физиологии для выяснения механизмов синаптической передачи, а также в клинических целях при поиске подходов к лечению. Вместе с тем взаимодействие агонистов и антагонистов составляет предмет фармакологического анализа. Изучая эффективность различных агонистов и антагонистов, можно также классифицировать различные типы рецепторов определенных медиаторов, например рецепторов АцХ или адреналина (разд. 20.2).

Продолжительность и завершение действия медиаторов

!Эффекты медиаторов завершаются либо благодаря расщепляющим ферментам (например, холинэстеразе), либо путем активного захвата соседними клетками, либо в результате дальнейшей диффузии.

Продолжительность действия. При диффузии медиатора из узкой синаптической щели (рис. 5.1) его концентрация должна снижаться достаточно долго. Однако эффекты большинства медиаторов имеют короткие сроки, максимум до тех пор, пока продолжается постсинаптический ток. Таким образом, действие медиаторов ограничено во времени. Это обусловлено двумя основными механизмами: расщеплением и обратным захватом медиатора.

Расщепление медиатора ферментом. Двигательная концевая пластинка обладает очень эффективной системой расщепления АцХ. На постсинаптической мембране присутствует в высокой концентрации ацетилхолинэстераза — фермент, расщепляющий АцХ на ацетат и холин (рис. 5.1). Значительная часть АцХ, высвобождаемого в синаптическую щель, расщепляется прежде, чем он достигнет рецепторов; ацетилхолинэстераза разрушает практически весь АцХ в среднем менее чем за 0,1 мс. Таким образом синапс быстро восстанавливается для следующего цикла передачи сигнала.

5.2. Миастения

Симптомы. Миастения (myasthenia gravis) — аутоиммунное заболевание с поражением нервно-мы- шечных синапсов. Пациентам свойственны повышенная утомляемость, мышечная слабость, параличи. Начальные признаки заболевания нередко обнаруживаются на глазных мышцах (раздвоение изображений). Характерно, что кураре в небольших дозах (так же как физическое усилие) усугубляет симптомы, а блокаторы ацетилхолинэстеразы (эзерин или физостигмин) приносят временное улучшение.

Патогенез. У некоторых пациентов обнаруживаются опухоли тимуса (вилочковой железы), удаление которых влияет позитивно. У экспериментальных животных, иммунизированных никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами, проявлялись

типичные симптомы миастении. Введение здоровым животным антител к соответствующим рецепторам сопровождалось развитием типичных симптомов миастении. Антитела к никотиновым ацетилхолиновым рецепторам выявляются у многих больных миастенией. Антитела вызывают локальные повреждения структуры рецепторов, что нарушает их функции, стимулируя дальнейшую дезорганизацию. Аутоантитела к ионным каналам глутаматергических рецепторов обнаружены при редкой форме эпилепсии, энцефалите Расмуссена.

Лечение. Наряду с блокаторами ацетилхолинэстеразы (неостигмином или пиридостигмином) при миастении применяются по показаниям иммунодепрессанты (например, глюкокортикоиды).

Ацетилхолинэстераза. Роль ацетилхолинэстеразы (АХЭ) в передаче сигнала через нерв- но-мышечный синапс доказывают эксперименты со специфическими блокаторами. На рис. 5.5 продемонстрировано действие одного из них, эзерина (физостигмина): длительность и амплитуда потенциала концевой пластинки (ПКП) возрастают по сравнению с нормой, поскольку АцХ сохраняет высокую концентрацию, дольше воздействуя на рецепторы. В случае, представленном на рис. 5.5, это «терапевтический эффект», поскольку влияние эзерина исследуется на мышце, парализованной кураре. Полученный эффект повышения амплитуды ПКП позволяет достигнуть порога возбуждения мышцы, тем самым снимая паралич.

Ингибиторы АХЭ используются для восстановления мышечного тонуса после анестезии, а также при клинической картине генерализованной миастении. Вместе с тем ингибиторы АХЭ часто применяются в качестве инсектицидов и могут стать причиной отравления. Некоторые боевые отравляющие вещества блокируют АХЭ; затягивая процесс холинергической синаптической передачи, они вызывают пароксизмальные вегетативно-сосудистые проявления.

Обратный захват медиатора. Во многих синапсах медиатор удаляется из синаптической щели посредством транспортных механизмов в мембранах примыкающих клеток. Механизмы захвата особенно важны для адреналина, норадреналина, ГАМК и глутамата. В холинергических синапсах транспортируется не АцХ, а продукт его распада, холин. Такого рода обратный транспорт в нервное окончание ограничивает потребности в ресинтезе медиатора. Наряду с расщепляющими ферментами механизм обратного захвата медиаторов составляет основу влияния фармакологических средств на синаптическую передачу.

Диффузия медиатора. После высвобождения медиатор диффундирует из синаптической области с постоянной времени ~100 мкс. Диффузия способствует быстрому завершению синаптической пере-

дачи. Наличие дополнительных механизмов распада и обратного транспорта медиатора еще раз указывает, насколько важен контроль его концентрации.

Коротко

Синаптические медиаторы

К классическим медиаторам (нейромедиаторам) относятся АцХ, ГАМК, глицин, глутамат, дофамин, норадреналин, адреналин, серотонин и другие низкомолекулярные соединения.

Существуют также пептидные медиаторы, например энкефалины и вещество Р, которые в качестве синаптических модуляторов опосредуют достаточно медленные синаптические эффекты. Они влияют на интенсивность и продолжительность действия классических медиаторов и часто содержатся в пресинаптических окончаниях совместно с классическими медиаторами.

Рецепторы медиаторных веществ не обладают абсолютной специфичностью. Практически для любого рецептора имеются вещества, которые связываются с ним и могут служить лекарственными средствами. Это вещества двух типов:

•агонисты — действуют подобно медиаторам;

•антагонисты — блокируют действие медиаторов.

Расщепление и обратный захват медиаторов

Время воздействия медиаторов на рецепторы ограничивают расщепляющие ферменты (например, ацетилхолинэстераза двигательной концевой пластинки), активное поглощение пресинаптическим нервным окончанием (обратный захват медиатора), а также соседними глиальными клетками и, наконец, диффузия в интерстициальное пространство.

5.3. Взаимодействие синапсов

Пространственная и временная суммация

!Ионные токи и потенциалы множества синапсов, находящихся на нервной клетке, суммируются, если они возникают в разных синапсах одновременно или последовательно друг за другом в одном и том же синапсе.

Двигательная концевая пластинка — особенно удобный для исследования тип синапса. Каждое мышечное волокно имеет, как правило, только один синапс; при возбуждении двигательного аксона возникает надпороговый потенциал концевой пластинки, так что каждый потенциал действия, поступивший по двигательному нерву, приводит к мышечному сокращению. В большинстве синапсов, прежде всего в ЦНС, одиночный синаптический потенциал является, напротив, подпороговым, не превышая 1 мВ. Зато на постсинаптических клетках находится множество возбуждающих синапсов, зачастую несколько тысяч,

так что их эффекты суммируются; возбуждению противостоит влияние примерно такого же числа тормозных синапсов. Эти синапсы принадлежат многочисленным нейронам, аксоны которых конвергируют на исследуемой клетке.

Пространственная суммация. На рис. 5.6А

представлено только два синапса из тысяч возбуждающих синапсов на одной нервной клетке, чтобы продемонстрировать их взаимодействие. В обоих синапсах в клетке регистрируется непродолжительный ток (возбуждающий постсинаптический ток, ВПСТ); он вызывает местный сдвиг потенциала — возбуждающий постсинаптический потенциал, ВПСП (рис. 5.3А). Выход токов частично совершается на некотором расстоянии от того и другого синапса, в частности в аксонном холмике, где тело клетки переходит в аксон (рис. 5.6А). Одиночный ВПСП, электротонически распространяющийся к аксонному холмику, невелик по амплитуде, однако благодаря суммации токов от двух одновременно активированных синапсов получается более значительный ВПСП. Поскольку здесь взаимно добавляются эффекты одновременной активации пространственно разделенных синапсов, данное явление получило название пространственной суммации.

Аксонный холмик — место суммации. Электротонически распространяющиеся ВПСП суммируются друг с другом в любой части клетки. Однако начальный сегмент эфферентного аксона не случайно представлен на рис. 5.6А в качестве места суммации. Дело в том, что у большинства нейронов сома и дендриты невозбудимы или имеют высокий порог возбуждения. Аксон, напротив, достаточно легко возбудим, так что потенциал действия (нервный импульс) генерируется, как правило, в так называемом аксонном холмике — участке, где аксон отходит от тела клетки. С учетом высокой плотности Na+-каналов на аксонном холмике суммация сдвигов потенциала именно в этом участке определяет, обеспечат ли местные синаптические потенциалы генерацию распространяющегося возбуждения.

Временна€я суммация. Еще одна форма синаптической суммации представлена на рис. 5.6Б. Речь идет о ситуации, когда один и тот же синапс или синапсы, находящиеся по соседству друг с другом, активируются в течение короткого промежутка времени (до нескольких миллисекунд). В этом случае синаптические токи практически полностью заканчиваются еще до начала следующего акта возбуждения. Однако синаптические потенциалы распространяются медленнее, чем токи, так что после завершения синаптического тока емкость мембраны продолжает разряжаться с постоянной времени электротонического потенциала (рис. 4.21). Если раньше, чем закончится разряд мембраны, возникнет новый синаптический ток, то вызванная

Рис. 5.6. Пространственная и временна€я суммация в нейроне. А. Пространственная суммация. На двух дендритах нервной клетки расположены синапсы I и II, в которых возникают возбуждающие постсинаптические токи (ВПСТ) и потенциалы (ВПСП). ВПСТ (показаны красным) распространяются и выходят через клеточную мембрану, в том числе и в области аксонного холмика. При одновременной активации синапсов 1 и 2 суммация их токов (ВПСТ I + + ВПСТ II) и потенциалов (ВПСП I + ВПСП II) может происходить и в аксонном холмике. Б. Временна•я суммация. Если в одном и том же синапсе ВПСТ следуют друг за другом с короткими интервалами, ВПСП суммируются. Завершение первого ВПСТ или ВПСП прослеживается прерывистыми линиями. Второй ВПСТ, возникший спустя 1 мс, обеспечивает развитие ВПСП, который добавляется к первому. В итоге зарегистрирована деполяризация почти в два раза выше, чем при первом ВПСП

им деполяризация добавляется к еще оставшейся. Это явление носит название временно€й суммации. В реальной нервной клетке при множестве синапсов и высокой частоте их активации обе формы суммации, временна•я и пространственная, происходят одновременно, устанавливая изменчивый уровень деполяризации, который определяет частоту генерации потенциалов действия в аксоне.

Потенциалы действия в дендритах

!Дендриты тоже могут активно реагировать на деполяризацию открытием Na+- или Ca2+-каналов. В результате происходит модификация синаптических потенциалов или же синапсы подвергаются пластическим изменениям.

Ретроградное (обратное) распространение потенциала действия. Аксонный холмик рассматривался в качестве места первичного возникновения потенциалов действия (нервных импульсов). Как уже говорилось, от аксонного холмика импульсы активно проводятся далее по аксону. Однако потенциалы действия поступают от аксонного холмика и в обратном направлении: по дендритному дереву происходит ретроградное распространение нервных импульсов. Дендриты, схематично представленные на рис. 5.6, могут достигать нескольких миллиметров в длину и интенсивно ветвятся (рис. 5.7Б). На рис. 5.7А представлен потенциал действия, вызванный одиночным стимулом в соме пирамидной клетки ЦНС. С небольшой задержкой и несколько сниженный по амплитуде, потенциал действия зарегистрирован и в дендрите. Поскольку в дендритах были блокированы Na+-каналы, дендритный ответ на соматический потенциал действия сильно снизился. В данном случае дендрит был возбудимым и, так же как аксон, активно проводил потенциалы действия. Ретроградное распространение импульсов в дендритном дереве играет существенную роль в пластических изменениях синапсов (рис. 5.18).

Кальциевые потенциалы действия. В дендритах могут генерироваться потенциалы действия (рис. 5.7Б и В). Надпороговый стимул вызывает в дендрите относительно длительный потенциал действия. В соме нейрона при этом регистрируется медленная подпороговая деполяризация (рис. 5.7Б). Если Ca2+-каналы дендритов блокированы ионами кадмия (рис. 5.7В), реакция дендрита на деполяризующий стимул становится практически электротонической, и соответственно сигнал, поступающий к соме клетки, значительно снижен и замедлен по сравнению с контролем, когда этот дендрит был способен генерировать кальциевые потенциалы действия.

Явления, вызванные в эксперименте стимулирующим импульсом тока, характерны и для естественной синаптической активности, например при взаимодействии ВПСП и ретроградно поступивших потенциалов действия. В это время в дендритах может происходить значительное местное повышение концентрации Ca2+, вызывающее изменения их структуры (разд. 5.6) Характер ответов дендрита на деполяризацию зависит от состояния местных Na+-, Ca2+- или K+-каналов. Вариабельность местной экспрессии ионных каналов позволяет нейронам ЦНС адекватно реагировать на различные синаптические сигналы.

Постсинаптическое и пресинаптическое торможение

!При постсинаптическом и пресинаптическом торможении блокируется возбуждение; во втором случае снижается либо прекращается высвобождение медиатора.

Постсинаптическое торможение. Один из видов взаимодействия синапсов в клетке — это постсинаптическое торможение. Как показано на рис. 5.3Б, во время торможения шунтируются возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП). Тормозные постсинаптические потенциалы (ТПСП) зачастую дополнительно гиперполяризуют мембрану, препятствуя тому, чтобы деполяризация достигла порогового уровня возбуждения.

Плотность размещения тормозных синапсов на теле нейрона. В нервной клетке осуществляется временна•я и пространственная суммация ТПСП и ТПСТ друг с другом, а также с ВПСП. Общий результат суммации множества постсинаптических потенциалов определяет частоту потенциалов действия в аксоне. При этом важную роль играет пространственное распределение возбуждающих и тормозных синапсов. Нередко от тормозных синапсов,

плотно размещенных на соме недалеко от выхода аксона, зависит, в какой мере повлияет на аксон деполяризация в результате ВПСП, который возникает преимущественно в дендритах.

Пресинаптическое торможение. Эта сложная форма торможения осуществляется при непосредственном контакте возбуждающего синапса с тормозным аксо-аксонным синапсом. Такое торможение можно продемонстрировать на примере мотонейрона (рис. 5.8). Мотонейроны получают функционально важный возбуждающий синаптический вход от мышечных веретен через посредство афферентных волокон группы Ia (разд. 7.4). Располагающиеся на мотонейроне окончания Ia-афферентов образуют аксо-аксонные синапсы с окончаниями нервных волокон от интернейронов. Если возбуждение этих интернейронов произойдет на несколько миллисекунд раньше, чем

возбуждение Ia-афферентов, то ВПСП, вызванный Ia-афферентами в мотонейроне, будет заторможен (рис. 5.8А и Б). Как показала регистрация индуцированной пресинаптическим торможением депрессии моносинаптического рефлекса, длительность этого торможения превышала 100 мс (рис. 5.8 В).

Пресинаптическое торможение служит эффективным механизмом регуляции двигательных функций спинного мозга. Его особое преимущество — возможность целенаправленного ингибирования отдельных синаптических входов без изменения общей возбудимости клетки. При этом «нежелательную» информацию можно блокировать прежде, чем произойдет интеграция на уровне тела нервной клетки. Функциональная значимость пресинаптического торможения в спинном мозге демонстрируется в эксперименте с блокированием ГАМКергических синапсов антагонистом ГАМК бикукуллином: в мышцах начинаются судороги.

При исследовании механизма торможения

нервных окончаний Ia-афферентов была зарегистрирована значительная деполяризация, опосредованная химическими ГАМКергическими синапсами от окончаний интернейронов. Деполяризация первичных афферентов инактивирует возбуждающие Na+-каналы на окончаниях Ia-афферентов, тем самым блокируя генерацию потенциалов действия.

Гетеросинаптическое облегчение

!При гетеросинаптическом облегчении (фасилитации) усиливаются одновременно два синаптических входа к нейрону.

Взаимодействие синаптических входов.

Так же как в случае пресинаптического торможения, взаимодействие двух разных синаптических входов к одному сложному синапсу усиливает возбуждение; это называется гетеросинаптическим облегчением. Рассмотрим два примера.

Первый тип — постсинаптическое облегчение в нейронах симпатических ганглиев. Наряду с другими синаптическими потенциалами там зарегистрированы медленные ВПСП (мВПСП), опосредованные АцХ. Длительность мВПСП может достигать 100 мс. Кроме того, ганглионарная клетка образует синапсы еще и с окончаниями волокон от дофаминергического нейрона. Дофамин, высвобождаемый из этих нервных окончаний, сам по себе не изменяет ионную проводимость постсинаптической мембраны. Однако, действуя в качестве модулятора, он повышает амплитуду мВПСП

на несколько часов. Этот эффект обусловлен усилением постсинаптической реакции на АцХ.