Синапсы в нейронных сетях

Выше была рассмотрена физиология единичного синапса — важного элемента взаимодействия между нейронами, но в условиях целостного организма основная задача нервной системы — передача и переработка информации — не может быть сведена к работе отдельных синапсов. Напротив, функции нервной системы выполняются только при условии взаимодействия посредством синапсов множества нервных клеток — нейронных цепочек и сетей. При этом в нейронных сетях проявляются такие важные свойства как торможение, утомление, суммация, окклюзия, облегчение, депрессия и потенциация.

Пластичность синапсов

В ходе функционирования синапсы подвергаются функциональным и морфологическим перестройкам. Этот процесс назван синаптической пластичностью. Наиболее ярко такие изменения проявляются при высокочастотной, или тетанической активности, являющейся естественным условием функционирования синапсов in vivo. Например, частота импульсации вставочных нейронов в ЦНС достигает 1000 Гц. Пластичность (рис. 6–10) может проявляться либо в увеличении (облегчении, потенциации), либо уменьшении (депрессии) эффективности синаптической передачи. Выделяют кратковременные (длятся секунды и минуты) и долговременные (длятся часы, месяцы, годы) формы синаптической пластичности. Последние интересны тем, что они имеют отношение к процессам научения и памяти.

Рис. 6–10. Формы синаптической пластичности

Кратковременные формы синаптической пластичности. К ним относятся облегчение, потенциация, депрессия и привыкание.

 Облегчение. В процессе активности в синапсах с исходно низким уровнем секреции нередко происходит увеличение амплитуды постсинаптического потенциала (ПСП). Этот процесс — облегчение — имеет пресинаптическую природу и объясняется теорией «остаточного кальция». Согласно этой теории, в процессе высокочастотной активности в пресинаптической терминали наблюдается повышение концентрации Са²⁺, вследствие чего происходит увеличение вероятности освобождения квантов нейромедиатора.

 Потенциация, посттетаническая потенциация (сенситизация). Увеличение ПСП при высокочастотной активности может иметь и постсинаптическую природу. Такой вид пластичности связан с повышением чувствительности постсинаптических рецепторов к нейромедиатору и называется потенциацией. Величина ПСП может некоторое время (секунды и минуты) оставаться повышенной и после окончания тетанической активности. Это посттетаническая потенциация (в ЦНС — сенситизация).

 Депрессия и привыкание (габитуация). В синапсах с исходно высоким уровнем секреции высокочастотная активность может приводить к уменьшению величины ПСП. Этот процесс — депрессия — связан преимущественно с истощением запаса нейромедиатора в пресинаптическом нервном окончании. Депрессия является одним из механизмов привыкания (габитуации).

Долговременные формы синаптической пластичности

 Долговременная потенциация — быстро развивающееся устойчивое усиление синаптической передачи в ответ на высокочастотное раздражение. Этот вид пластичности может продолжаться дни и месяцы (рис. 6–11). Долговременная потенциация наблюдается во всех отделах ЦНС, но наиболее полно изучена на глутаматергических синапсах в гиппокампе.

Существует три основных подтипа ионотропных глутаматных рецепторов: NMDA (чувствительны к N-метил-D-аспартату), AMPA (связываются с -амино-3-гидрокси-5-изоксазолпропионовой кислотой) и каинатные рецепторы. NMDA- и AMPA–рецепторы играют ключевую роль в возникновении и проявлении долговременной потенциации. NMDA–рецепторы обладают значительной проницаемостью для ионов Са, однако при нормальном уровне МПП они заблокированы ионами Mg. Магниевый блок снимается при сильной деполяризации мембраны. AMPA рецепторы проницаемы для ионов Na⁺ и К+, и ответственны за возникновение ПСП в глутаматергических синапсах.

Механизм долговременной потенциации

 При высокочастотной стимуляции нейронов гиппокампа выделяется большое количество глутамата, деполяризуется постсинаптическая мембрана и происходит активация NMDA–рецепторов. Значительный кальциевый ток через эти каналы приводит к повышению концентрации ионов Са²⁺ в постсинаптическом нейроне.

 Ионы Са²⁺ связываются с внутриклеточным белком — кальмодулином. Образовавшийся комплекс активирует фермент — Са²⁺-кальмодулинзависимую протеинкиназу II.

 Са²⁺-кальмодулинзависимая протеинкиназа II фосфорилирует AMPA–рецепторы. После фосфорилирования возрастает их ионная проводимость, что приводит к увеличению постсинаптического ответа на каждый квант нейромедиатора. Кроме того, данный фермент мобилизует дополнительные AMPA–рецепторы из цитоплазмы в постсинаптическую мембрану, что приводит к увеличению квантового состава ПСП.

 Долговременная депрессия также возникает в ответ на высокочастотное раздражение и проявляется в виде длительного ослабления синаптической передачи. Этот вид пластичности имеет сходный механизм с долговременной потенциацией, но развивается при более низкой внутриклеточной концентрации ионов Са²⁺.

В заключение приведём данные о продолжительности различных событий, происходящих в синапсах на их постинаптической стороне: из рис. 6–11 видно, что продолжительность процессов имеет широкий разброс — от 1 мсек (деполяризация постсинаптической мембраны за счёт ионотропных рецепторов) до дней (модуляция синаптической передачи).

Рис. 6–11. Сравнительная продолжительность различных событий в синапсах [2]. Логарифмическая шкала.

Влияние ацидоза, алкалоза и гипоксии на синаптическую передачу

 Алкалоз резко повышает возбудимость нейронов. Так, повышение рН артериальной крови с нормальных значений 7,4 до 7,7 может вызвать эпилептический приступ.

 Ацидоз значительно подавляет активность нейронов. Снижение рН с 7,4 до значений ниже 7,2 вызывает коматозное состояние (например, при тяжёлом сахарном диабете или уремическом ацидозе).

 Гипоксия может привести к полной потере возбудимости некоторых нейронов. Например, когда мозговой кровоток временно прекращается (на 3–7 сек), человек теряет сознание.