ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ. порогового, часто меньше 1 мВ

порогового, часто меньше 1 мВ. Чтобы компенсировать это, на постсинаптической клетке находится много возбуждающих синапсов, действие которых суммируется, а также тормозных синапсов, противодействующих возбуждению. Пресинаптические окончания обычно принадлежат многим нейронам: их аксоны конвергируют на постсинаптической клетке. Ниже будут кратко рассмотрены принципы взаимодействия на ней различных типов синапсов.

Синаптическая суммация. Рис. 3.10, А демонстрирует только два из тысяч возбуждающих синапсов на нервной клетке. В обоих синапсах ток (ВПСТ) в течение короткого времени входит в нее, вызывая местный сдвиг потенциала, ВПСП (см. рис. 3.2 и 3.4). Часть тока выходит из клетки на некотором расстоянии от синапсов, например в аксонном холмике, где аксон отходит от тела нейрона (рис. 3.10). Величина одиночного ВПСП электротонически снижается при удалении от синапса (рис. 3.2). Однако токи,генерируемые в двух одновременно активируемых синапсах, суммируясь, вместе дают более высокий ВПСП. Поскольку в этом случае происходит суммация результатов одновременной активации пространственно разделенных синапсов, говорят о пространственной суммации возбуждения.

Такого рода суммация ВПСП происходит на нервной клетке повсеместно и подчиняется законам электротонического распространения потенциалов. Однако на рис. 3.10, А не случайно показана суммация ВПСП в том участке клетки, где берет начало эфферентный аксон. Дело в том, что в большинстве нейронов тело и дендриты либо неспособны генерировать потенциал действия, либо порог его очень велик (например, благодаря участию Ca²⁺-каналов; см. рис. 2.14). Аксон, напротив, обладает высокой возбудимостью, так что потенциал действия возникает, как правило, в аксонном холмике. Таким образом, именно здесь решается, произойдет ли в результате суммации местных синаптических потенциалов генерирование распространяющегося возбуждения.

Другая форма синаптической суммации показана на рис. 3.10, Б. Здесь мы имеем дело с активностью синапсов, расположенных в непосредственной близости друг от друга, или даже одного синапса при возбуждении, повторяющемся через короткие интервалы времени порядка нескольких миллисекунд. В этом случае синаптические токи к началу каждого следующего возбуждения практически исчезают. Однако синаптические потенциалы сохраняются дольше, поскольку мембранная емкость, заряженная во время протекания синаптического тока, разряжается с постоянной времени электротона (см. с. 40, рис. 2.26 и 2.27). Если новый синаптический ток возникнет до завершения ее разрядки, вызываемая деполяризация суммируется с остаточной. Это

 

Рис. 3.10. Суммация синаптических потенциалов. А. Пространственная суммация. Одновременная активация окончаний в синапсах I и II на двух дендритах нервной клетки генерирует возбуждающие синаптические токи и потенциалы (ВПСП и ВПСТ). Токи злектротонически распространяются и в месте их выхода через мембрану наружу (например, в аксонном холмике) складываются, давая суммарный ВПСП. Б. Временная суммация. В синапсе один ВПСП следует за другим с интервалом 2 мс. Перекрывающиеся части двух ВПСП суммируются

называют временной суммацией. В реальной нервной клетке с многочисленными синапсами и высокочастотной активацией пространственная и временная суммации, естественно, происходят одновременно, приводя к флуктуирующей деполяризации, от уровня которой зависит частота генерирования в аксоне потенциалов действия (см. рис. 2.24).

Суммирующиеся синаптические потенциалы могут превысить порог в аксонном холмике и генерировать потенциалы действия. Однако часто активации только одного «синаптического входа» (т.е. группы функционально идентичных синапсов) бывает для этого недостаточно. Если же посредством пространственной или временн о й суммации к ней добавится активация другого синапса, амплитуда результирующего ВПСП может превысить пороговую. В таком случае говорят, что произошло облегчение одного синаптического входа другим. Во время пространственного или временн о го облегчения результирующий ВПСП превышает сумму индивидуальных синаптических реакций. Подобное облегчение, представляющее собой частный случай сум-

ГЛАВА 3. МЕЖКЛЕТОЧНАЯ ПЕРЕДАЧА ВОЗБУЖДЕНИЯ 59

мации, следует отличать от истинного синаптического облегчения-пресинаптического механизма, рассматриваемого ниже (рис. 3.16).

Постсинаптическое торможение. Взаимодействие синапсов на индивидуальной клетке может вести и к торможению. На рис. 3.4 и 3.6 показано, что при этом происходит короткое замыкание возбуждающих постсинаптических потенциалов. Кроме того, тормозные постсинаптические потенциалы (ТПСП) часто гиперполяризуют мембрану, препятствуя ее деполяризации до порога потенциала действия. ТПСП и ТПСТ нейрона тоже подвергаются временн о й и пространственной суммации между собой и с ВПСП, так что именно эта сложная сумма многих ВПСП и ТПСП в конечном итоге определяет частоту потенциалов действия в аксоне. Имеет значение и пространственное распределение возбуждающих и тормозных синапсов. Последние часто особенно многочисленны на теле клетки около места отхождения аксона, где они могут регулировать, сколько ВПСП, возникающих главным образом на дендритах, вызовут деполяризацию аксона.

Пресинаптическое торможение. Рассмотрев взаимодействие различных синапсов на клетке, обратимся теперь к форме торможения, при котором аксо-аксонный синапс влияет на высвобождение медиатора из нервного окончания, т. е. к пресинаптиче скому торможению. На рис. 3. 11 оно показано для мотонейрона, который получает возбуждающие входы главным образом от мышечных веретен через волокна 1а (см. табл. 2.1, с. 45 и гл. 5). На их окончаниях образуют аксо-аксонные синапсы окончания интернейронов. Если последние возбуждаются на несколько миллисекунд раньше волокон 1а, происходит торможение ВПСП, вызываемых в мотонейроне активностью волокон 1а (рис. 3.11, А, Б). Стимулируя тормозный интернейрон в разные моменты времени до появления ВПСП в синапсах волокон 1а, можно видеть, что пресинаптическое торможение длится несколько сотен миллисекунд. Величину и временной ход тормозного эффекта легче оценивать по изменениям не ВПСП, а составного потенциала действия нерва, содержащего двигательные аксоны (рис. 3.11, Г). Пресинаптическое торможение, очевидно, служит мощным механизмом регуляции двигательных систем спинного мозга. Особое его преимущество - в возможности специфического воздействия на отдельные синаптические входы без изменений возбудимости всей клетки. В результате «нежелательная» информация устраняется еще до того, как достигает места интеграции - клеточного тела нейрона.

Тормозные синапсы на окончаниях волокон Iа имеют химическую природу; медиатором здесь

 

Рис. 3.11.Пресинаптическое торможение. А. Схема эксперимента для демонстрации пресинаптического торможения моносинаптических ВПСП в мотонейроне (см. также врезку на рис. Г). Б. ВПСП при стимуляции гомонимных волокон 1а без (слева) и после (справа) предварительной активации пресинаптических тормозных интернейронов. В. Временной ход пресинаптического торможения моносинаптических ВПСП мотонейрона подошвенной мышцы кошки, предшествовавшими (кондиционирующими) афферентными залпами в волокнах группы 1 нервов мышц-сгибателей коленного сустава. Г. Временной ход пресинаптического торможения моносинаптического рефлекса. На врезке показаны расположение электродов и рефлекторный путь пресинаптического торможения, включающий по крайней мере два интернейрона (эксперименты J. Eccles et al., no [2] и [35])

служит ГАМК. Они обеспечивают довольно значительную деполяризацию, называемую деполяризацией первичных афферентов (ДПА). ДПА инактивирует возбуждающие Na⁺-каналы окончаний волокон Iа (см. рис. 2.8, с. 32), препятствуя синаптической передаче потенциалов действия. Функциональное значение пресинаптического торможения в спинном мозгу хорошо заметно при блокаде ГАМКергических синапсов антагонистом ГАМК бикукуллином: в результате этого возникают мышечные судороги.

Пресинаптическое торможение в простой системе, включающей клетку с синаптическим входом только от одного возбуждающего нейрона и один тормозный нейрон, представлено на рис. 3.12. Верхняя запись (рис. 3.12. A) соответствует ВПСП, нижняя - ВПСТ, зарегистрированному в ограниченной

60 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

 

Рис. 3.12.Пресинаптическое торможение мышцы ракообразного, иннервируемой только одним возбуждающим и одним тормозным нервными волокнами. А. Три енутриклеточно регистрируемых ВПСП, наложенных друг на друга и синхронизированных по стимулу; под ними местные постсинаптические токи (ВПСТ). ВПСТ состоят из квантов (см. ниже), число которых в данном случае 0, 1 и 2. Б. Запись для того же синапса при стимуляции тормозного аксона на 2 мс раньше возбуждающего, так что амплитуды ВПСП и ВПСТ ниже. Черные стрелки внеклеточная запись потенциала действия окончания возбуждающего нейрона (ВПНО); красная стрелка- внеклеточная запись потенциала действия окончания тормозного нейрона (ТПНО), В. Регистрация с высоким разрешением (обработанная запись) в другом препарате потенциала действия возбуждающего окончания (ВПНО) с последующим ВПСТ (обращенная вниз вершина графика срезана). Г. Если возбуждающий аксон стимулировать после тормозного, возникает ТПНО и амплитуда последующего ВПНО значительно снижается. При этом ВПСТ почти полностью блокируется пресинаптическим торможением (по [13, 15] с изменениями)

синаптической области; причины флуктуации амплитуд будут объяснены ниже (с. 62). Если тормозный нейрон раздражают на 2 мс раньше возбуждающего (рис. 3.12, Б), и ВПСП, и ВПСТ уменьшаются. На рис. 3.12,5, Г показаны регистрируемые внеклеточно с большим усилением изменения потенциала нервных окончаний. Когда стимулируется только возбуждающее волокно (рис. 3.12, В), за трехфазным потенциалом его окончания (ВПНО) следует гораздо более высокоамплитудный ВПСТ. Если перед этим раздражать тормозный нейрон, в его окончании регистрируется ТПНО, после которого ВПНО значительно снижается и ВПСТ почти исчезает. Торможение вызывается высвобождением ГАМК (рис. 3.7), которая взаимодействует с рецепторами возбуждающего окончания, повышая его хлорную проводимость. Таким образом, это пресинаптическое торможение в аксо-аксонном синапсе обусловлено классическим механизмом постсинаптического торможения, проиллюстрированным на рис. 3.4-3.6.

Гетеросинаптическое облегчение. К важным функциям нервной системы относится научение (с. 158), клеточный механизм которого до сих пор во многом неясен. Оно, безусловно, связано с синаптическими процессами, причем считается, что пресинаптическое облегчение, вызываемое залпами потенциалов действия (разд. 3.3), способствует краткосрочному научению. Кроме того, среднесрочное научение, по всей видимости, обусловлено совместной активацией двух синаптических входов клетки, один из которых модулирует (например, облегчает) эффективность другого в течение довольно длительного времени. Кратко опишем два типа такого гетеросинаптического облегчения.

Первый из них - это постсинаптическое облегчение в нейронах симпатических ганглиев. Наряду с другими синаптическими потенциалами здесь присутствуют медленные ВПСП (мВПСП), опосредуемые ацетилхолином. Эти мВПСП сохраняются от 5 до 100 мс (пептидергические мВПСП в нейронах того же типа на рис. 3.8 поддерживаются даже более

ГЛАВА 3. МЕЖКЛЕТОЧНАЯ ПЕРЕДАЧА ВОЗБУЖДЕНИЯ 61

длительное время, примерно несколько минут). Клетка ганглия получает также синаптический вход от дофаминергического нейрона. Высвобождаемый дофамин сам по себе не влияет на ионную проводимость постсинаптической мембраны, однако он увеличивает амплитуду мВПСП на несколько часов, усиливается таким образом постсинаптическую реакцию на ацетилхолин [23].

Другой тип гетеросинаптического обличения обнаружен у моллюсков и насекомых. Здесь активация нервных волокон, высвобождающих серотонин, ведет к блокаде К⁺-каналов в мембране пресинаптических окончаний. Это задерживает ее реполяризацию после потенциалов действия (см. гл. 2). Поскольку окончание дольше остается деполяризованным, количество высвобождаемого им медиатора увеличивается. Следовательно, это еще один пример пресинаптического облегчения, при котором совместная активация двух синапсов повышает эффективность синаптической передачи [5].