Збуджувальні постсинаптичні потенціали

Поодинокі подразнення чутливих нервів за умов експериментів, описаних вище, не призводять до появи в пост-синаптичному нейроні потенціалу дії, здатного поширюватись. Замість цього подразнення зумовлює або короткочасну часткову деполяризацію, або короткочасну гіперпо-ляризацію.

Реакція деполяризації, спричинена поодиноким відповідної сили подразником, розпочинається через 0,5 мс після надходження імпульсу в спинний мозок, досягає максимуму через 1,0-1,5 мс і згодом експоненціально припиняється. Протягом цього потенціалу збудливість нейрона щодо іншого подразника зростає, внаслідок чого цей потенціал названо збуджувальним постсинаптичним потенціалом (ЗПСП).

ЗПСП утворюється шляхом деполяризації постсинап-тичної клітинної мембрани, суміжної з пресинаптичним закінченням. Збуджувальний трансмітер відкриває Na+— або Са2~-канали постсинаптичної мембрани, чим зумовлює виникнення внутрішнього струму. Ділянка утвореного таким способом струму є настільки маленькою, що він не поширюється, доки позитивні заряди не деполяризують

82 / РОЗДІЛ 4

Рис. 4-7. Розміщення реєструвального і подразнювального електродів під час дослідження синаптичної активності в спинномозкових мотонейронах ссавців. Подразнення П2 використовують для виникнення антидромних імпульсів, що дає змогу ідентифікувати клітину, а подразнення П1 — для ортодром-ного подразнення через рефлекторну дугу.

цілу мембрану. ЗПСП, зумовлені активністю в одному синаптичному пухирці, невеликі, проте деполяризації, що виникають у кожному з активних синаптичних пухирців, додаються.

Сумація може бути просторовою або часовою. Якщо активність виникає одночасно в більше ніж одному синаптичному пухирці, то простежується просторова сумація, і активність одного синаптичного пухирця підсилює активність іншого, наближаючись до критичного рівня деполяризації. Часова сумація виникає, коли повторні аферентні подразники зумовлюють нові ЗПСП, перш ніж згасають попередні. Очевидно, що чим довше триває ЗПСП, тим більша можливість виникнення сумації. Явища просторового і часового підсилення відображені на рис. 4-8. Отже, ЗПСП не підлягає законові “усе або нічого”, а його значення пропорційне до сили аферентних подразників. Якщо ЗПСП у разі досягнення критичного рівня деполяризації в клітині є значним, то виникає повноцінний потенціал дії.

                                                                                                                                                                  

Синаптична затримка

Між часом надходження імпульсу до пре синаптичного закінчення і початком реакції в постсинаптичному нейроні виникає перерва тривалістю 0,5 мс, яку називають синап-тичною затримкою. Затримка в умовах максимального подразнення пре синаптичного нейрона відповідає латентності ЗПСП і зумовлена часом, що потрібний для виділення синаптичного трансмітера і його дії на мембрану постси-наптичної клітини. Внаслідок цього час, затрачений на передавання імпульсу в ланцюгу нейронів, що містить

Рис. 4-8. Просторова (А-С) і часова сумація (D-F) ЗПСП. Зміни потенціалів зафіксовано за допомогою одного електрода, уведеного всередину постсинаптичної клітини. А-С: застосовано аферентні подразники зростаючої сили. У цьому випадку активується щораз більша кількість синаптичних пухирців, унаслідок чого (С) досягається критичний рівень деполяризації і ґенерується потенціал дії. D-F: застосовано два різні, однакові за силою, подразники. У випадку F часовий інтервал між ними зменшено, внаслідок чого теж досягається критичний рівень деполяризації і ґенерується потенціал дії.

велику кількість синапсів, є тривалішим, ніж у ланцюгу, де синапсів лише декілька. Оскільки відомо, що мінімальний час, потрібний для передавання через один синапс, становить 0,5 мс, то шляхом вимірювання часу затримки в передаванні від заднього корінця через спинний мозок до переднього корінця можна з’ясувати: є задана рефлекторна дуга моносинаптичною чи полісинаптичною (тобто містить більше одного синапсу).

                                                                                                                                                                  

Гальмівні

                                                                                                                                                                  

постсинаптичні потенціали

У деяких випадках подразнення спричинене ЗПСП в одних нейронах, зумовлює явища гіперполяризації в інших. Подібно до ЗПСП, ці явища досягають максимуму через 1,0-1,5 мс після подразнення, а потім експоненціально загасають за часовою сталою (час загасання, що відповідає 1/е; або 1/2,718 максимуму). Загасання триває приблизно З мс (рис. 4-9). Протягом дії цього потенціалу збудливість нейрона у відповідь на інші подразники послаблюється, тому його названо гальмівним постсинаптичним потенціалом (ГПСП). ГПСП властиві явища як просторової сумації, про що свідчить зростання значення відповіді у разі зростання сили гальмівного аферентного впливу, так і часової. Такий тип гальмування називають постсинаптичним, або прямим, гальмуванням.

ГПСП може бути зумовлений місцевим зростанням проникності мембрани для С1“. У випадку активності гальмівних синаптичних пухирців виділення трансмітера спричинює відкривання СІ -каналів у суміжній зі синаптичним пухирцем ділянці постсинаптичної мембрани; СІ переходить за концентраційним градієнтом, унаслідок чого негативний заряд переміщується всередину клітини, і мембранний потенціал збільшується.

Послаблення збудливості нервової клітини під час ГПСП зумовлене зміщенням мембранного потенціалу в

СИНАПТИЧНЕ І КОНТАКТНЕ ПЕРЕДАВАННЯ / 83

-70 мВ

Е

СІ

-90 мВ

Рис. 4-9. ГПСП, зумовлений збільшенням надходження СІ~ що виникає внаслідок подразнення в умовах, коли мембранний потенціал досягає різних рівнів за допомогою потен-ціалозалежної фіксації; МПС-мембранний потенціал спокою нейрона. Зверніть увагу, що у випадку досягнення мембранним потенціалом рівня, який відповідає ЕСІ, ГПСП зникає, а в умовах найвищого мембранного потенціалу стає позитивним.

протилежному щодо критичного рівня деполяризації напрямі. Внаслідок цього для досягнення критичного рівня деполяризації необхідна набагато більша збуджувальна (деполяризувальна) активність. Факт, що ГПСП зумовлений СІ, можна довести в досліді з повторним подразненням, коли відбувається зміна мембранного потенціалу спокою й утримання його за допомогою потенціалозалежної фіксації (кліпси). Коли мембранний потенціал спокою перебуває на рівні ЕС1, то гальмівний потенціал зникає (див. рис. 4-9), а в разі більш негативного мембранного потенціалу він стає позитивним.

ГПСП теж може бути зумовлений відкриванням К~-каналів, унаслідок чого К’ виходить з постсинаптичної клітини. Крім того, ГПСП також виникає у випадку закриття Na+— і Са2+-каналів.

                                                                                                                                                                  

Повільні

                                                                                                                                                                  

постсинаптичні потенціали

Окрім ЗПСП та ГПСП, описаних вище, в автономних вузлах, серцевому і гладких м’язах, а також у кіркових нейронах виникають повільні ЗПСП та ГПСП. Ці постсинаптичні потенціали мають латентність, що дорівнює 100— 500 мс, і тривають декілька секунд. Повільні ЗПСП зумовлені головно зниженням провідності К+, а повільні ГПСП — її підвищенням.

У симпатичних вузлах виявлено також пізні повільні збуджувальні постсинаптичні потенціали з латентністю в 1-5 с і тривалістю 10-30 хв. Цей потенціал теж зумовлений, принаймні частково, зниженням провідності К+, а трансмітером цього є пептид, тісно пов’язаний з ГнРГ —

гормоном, що утворений нейронами гіпоталамуса і стимулює секрецію ЛГ (див. Розділ 14).

                                                                                                                                                                  

Виникнення потенціалу дії в постсинаптичному нейроні

Постійний взаємний вплив збуджувальної і гальмівної активностей на постсинаптичний нейрон зумовлює коливання мембранного потенціалу, що відповідає алгебричній сумі гіпер- і деполяризувального впливів. Тіло нейрона, отже, є певного типу інтегратором. Якщо 10-15 мВ достатні для досягнення критичного рівня деполяризації, то виникає пік. Однак електричні явища в нейроні складніші. В мотонейронах частиною клітини, що має найнижчий поріг стосовно виникнення повноцінного потенціалу дії, є початковий сегмент — ділянка аксона, розміщена безпосередньо за його горбиком. Цей безмієліновий сегмент де-або гіперполяризують джерела струму, що виникає в збудливих або гальмівних синаптичних пухирцях. Ця ділянка нейрона активізується першою, а далі потенціал поширюється в двох напрямах — уздовж аксона і в зворотному напрямі, тобто до тіла клітини. Ретроградні імпульси, що досягають тіла клітини, ймовірно, важливі для “очищення” від попередніх впливів, що необхідно для наступного повторення взаємного впливу на клітину збуджувальної та гальмівної активностей.

                                                                                                                                                                  

Функція дендритів

Тривалий час уважали, що дендрити — це ділянки, де виникають імпульси, які змінюють мембранний потенціал початкового сегмента, тобто є просто виступами тіла клітини, що збільшують площу інтеграції. Якщо дендритне дерево нейрона велике і містить численні пресинаптичні пухирцеподібні закінчення, то виникає змога більшої взаємодії гальмівних і збуджувальних впливів. Потоки імпульсів, що надходять до дендритів і відходять від них, наростають і загасають. Роль дендритів у виникненні електроенцефалограми (ЕЕГ) розглянуто в Розділі 11.

Сучасні дані свідчать, що функція дендритів у забезпеченні нервової діяльності є складнішою. В дендритах можна зафіксувати потенціали дії. В багатьох випадках вони ініційовані в початковому сегменті і переходять ретроградно, проте потенціал дії, що здатний поширюватись, виникає теж і в самих дендритах. Врешті, посилений інтерес виявляється до мікродоменів, що містяться в цитоплазмі багатьох різних типів клітин, і, ймовірно, формування поблизу окремих дендритних шипів пулів Са2+, що збільшує можливість локальних змін в інтенсивності синаптичної провідності й, отже, може стосуватися процесів навчання та пам’яті.

                                                                                                                                                                  

Електрична провідність

У синаптичних контактах, де виникає електрична провідність, імпульс, що надходить до закінчення аксона, генерує в постсинаптичній клітині збуджувальний постсинаптичний потенціал, який унаслідок існування в ділянці контакту низькорезистентних містків має коротший латентний період, ніж ЗПСП у синапсах з хімічною провідністю. В синапсах мішаного типу відбуваються як такого типу коротколатентна реакція, так і довголатентна, опосередкована хімічно.

84 / РОЗДІЛ 4

                                                                                                                                                                  

ПРОЦЕСИ ГАЛЬМУВАННЯ І ЗБУДЖЕННЯ В СИНАПСАХ

                                                                                                                                                                  

Пряме і непряме гальмування

Гальмування в ЦНС може бути пост- або пресинап-тичним. Постсинаптичне гальмування під час виникнення ГПСП називають прямим, оскільки воно не спричинене попереднім розрядом пресинаптичного нейрона. Крім того, бувають різні форми непрямого гальмування, тобто гальмування, зумовленого дією попереднього розряду постсинаптичного нейрона. Наприклад, постсинаптична клітина може бути рефрактерною стосовно збудження, тому що в ній збудження щойно відбулось, і вона перебуває в періоді рефрактерності. Під час слідової гіперполяризації клітина теж мало збудлива. Однак у нейронах спинного мозку, зокрема після повторних збуджень, ця гіперполя-ризація може бути значною і довготривалою.

                                                                                                                                                                  

Постсинаптичне гальмування в спинному мозку

Різні шляхи в нервовій системі, відомі як шляхи, що зумовлюють постсинаптичне гальмування, описані в Розділі 6, проте один з типових прикладів наведемо тут. Аферентні волокна, що проходять від м’язових веретен (рецептори розтягування) скелетного м’яза, як відомо, прямують безпосередньо до мотонейронів спинного мозку, які іннервують цей м’яз. Імпульси цього аферента спричинюють ЗПСП внаслідок сумації, поширення відповіді пост-синаптичними мотонейронами. Одночасно в мотонейро-нах, що іннервують м’язи-антагоністи, виникають ГПСП. Остання реакція забезпечена гілками аферентних волокон, що закінчуються на пляшкоподібних нейронах Ґольджі. Ці інтернейрони, відповідно, виділяють гальмівний трансмітер гліцин у синапсах на проксимальних дендритах або клітинних тілах мотонейронів, що іннервують м’язи-антагоністи (рис. 4-10). Отже, активність в аферентних волокнах, що проходить від м’язових веретен, збуджує мотоней-рони, які іннервують м’язи. Імпульси від цих м’язів надходять до спинного мозку й інгібують нейрони, що іннервують м’язи-антагоністи (реципрокна іннервація).

                                                                                                                                                                  

Пресинаптичне гальмування і збудження

Іншим типом гальмування в ЦНС є пресинаптичне гальмування — процес, що відбувається в нейронах, які закінчуються збуджувальними закінченнями з утворенням аксо-аксонних синапсів (див. рис. 4-4). Нейрони, завдяки яким виникає пост- і пресинаптичне гальмування, зображені на рис. 4-11. Описано три механізми пресинаптичного гальмування. Спершу активування пресинаптичних рецепторів підвищує вихід назовні СГ, що, як уже зазначено, зумовлює зниження рівня потенціалів дії, які надходять до збуджувальних закінчень (рис. 4-12). Це зменшує надходження Са2+, відповідно, послаблюється вивільнення збуджувального трансмітера. Крім того, потенціалозалежні К~-канали відкриваються, і К» теж зменшує надходження Са2~. Врешті, є змога прямо гальмувати вивільнення трансмітера незалежно від надходження Са2+ в збуджувальне закінчення.

Першим трансмітером, що, як виявилося, зумовлює пресинаптичне гальмування, є ГАМК. Діючи через ГАМКД

Вузол заднього корінця

Інтернейрон, який виділяє гліцин

Мотонейрон

м’яза-

антагоніста

Рис. 4-10. Схема анатомічних зв’язків, які забезпечують гальмування м’язів-антагоністів, що скорочуються у відповідь на розтягування. Активність ініційована в м’язових веретенах м’язів-агоністів. Імпульси надходять безпосередньо до мотонейронів, що іннервують цей м’яз, і розгалуженнями — до гальмівних інтернейронів, які закінчуються на мотонейронах м’язів-антагоністів.

рецептори (див. нижче), ГАМК підвищує активність СІ’. ГАМКв-рецептори, що теж наявні в спинному мозку, опосередковують підвищення провідності Кг. Баклофен — антагоніст ГАМКВ — ефективний у разі еластичності, що вини-

Рис. 4-11. Нейрони, які зумовлюють пресинаптичне і постсинаптичне гальмування. Нейрон, що зумовлює пресинаптичне гальмування, закінчується на збуджувальному синаптичному ґудзику. Багато таких нейронів закінчуються і вище — уздовж аксона збуджувальної клітини.

СИНАПТИЧНЕ І КОНТАКТНЕ ПЕРЕДАВАННЯ / 85

кає внаслідок ушкодження спинного мозку, і у випадку розсіяного склерозу, зокрема, у разі інтратекального введення за допомогою імплантованої помпи. Інші трансмітери теж зумовлюють пресинаптичне гальмування шляхом G-білок-опосередкованої дії на Са2«- і ІС-канали.

І навпаки, у разі пролонгованого потенціалу дії виникає пресинаптичне збудження (див. рис. 4-12), і Са2~-канали відкриваються на триваліший час. Молекулярні механізми, що забезпечують пресинаптичне збудження і які опосередковують серотоніном, детально вивчені на морських слимаках Aplysia. Виділення в аксо-аксонних закінченнях серотоніну зумовлює збільшення внутрішньоклітинної концентрації циклічного АМФ, і наступне фосфоршпован-ня одного з видів К+-каналів зумовлює закриття цих каналів, сповільнюючи реполяризацію і пролонгуючи потенціал дії.

                                                                                                                                                                  

Організація гальмівних систем

Пресинаптичне і постсинаптичне гальмування виникають переважно внаслідок збудження в певних системах, що конверґують на конкретному постсинаптичному нейроні (аферентне гальмування). Нейрони можуть теж галь-

ЗПСПу

Пресинаптичне гальмування

Пресинаптичне полегшення

Рис. 4-12. Вплив пресинаптичного гальмування та пресинап-тичного полегшення на потенціал дії, надходження Са2+ до пресинаптичного нейрона і ЗПСП в постсинаптичному нейроні. В кожному випадку суцільні лінії відображають контрольні значення, а штрихові — зміни, що виникають унаслідок гальмування і полегшення (модифіковано з Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [editors]. Principles of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000).

му вати шляхом негативного зворотного зв’язку. Наприклад, кожен мотонейрон спинного мозку регулярно віддає зворотну колатераль, що утворює синаптичний контакт з гальмівним інтернейроном, який закінчується на тілі спинномозкового нейрона, а також інших мотонейронах спинного мозку (рис. 4-13). Цей специфічний гальмівний нейрон інколи називають клітиною Реншоу. Імпульси, що генеруються в мотонейроні, активують гальмівний інтер-нейрон, який зумовлює виділення гальмівного трансмітера і, отже, сповільнення або навіть припинення розряду в мотонейроні. Подібні гальмування через зворотні кола-тералі простежуються в корі великого мозку і лімбічній системі.

Пресинаптичне гальмування за участю низхідних шляхів, що закінчуються на аферентних шляхах у задньому розі, може брати участь у передаванні відчуття болю (див. Розділ 7).

Іншого типу гальмування виникає в мозочку. В цій частині головного мозку стимулювання кошикових клітин зумовлює ГПСП у клітинах Пуркіньє (див. Розділ 12). Однак кошикові клітини і клітини Пуркіньє збуджуються тими ж паралельними волокнами. Така організація, яку називають гальмуванням прямим зв’язком, мабуть, обмежує тривалість збудження, зумовленого певними аферентними імпульсами.

                                                                                                                                                                  

Сумація і оклюзія

Взаємодія між збуджувальними і гальмівними впливами в синаптичних контактах нервової мережі відображає інтегрувальну і модулювальну діяльність нервової системи.

У гіпотетичній нервовій мережі, яка зображена на рис. 4-14, нейрони А і В конверґують на X, а нейрон В диверґує на X і Y. Подразнення А або В зумовлює виникнення ЗПСП

Рис. 4-13. Гальмування зворотним зв’язком спинномозкового мотонейрона за допомогою інтернейрона (клітини Реншоу).

86 / РОЗДІЛ 4

в X. Якщо А і В подразнені одночасно і виникають потенціали дії, то в X виникають дві ділянки деполяризації і відбувається сумація їхньої дії. Унаслідок цього ЗПСП в X буде вдвічі більшим, ніж у разі окремого подразнення А або В, і потенціал в X з легкістю досягає критичного рівня деполяризації. Ефект деполяризації, зумовлений імпульсами в А, підсилює імпульси, що спричинюють активність у В, і навпаки; отже, виникає просторове підсилення. В цьому випадку Y не збуджується, проте його збудливість підвищена, і в ньому легше виникне ЗПСП за умови активності нейрона С. Отже, Y, як кажуть, перебуває в підпо-роговому стані стосовно X.

Загалом нейрони перебувають у підпороговому стані, якщо без впливу аферентних імпульсів (тобто поза зоною розряду), у них підвищена збудливість. Нейрони, що мають на собі декілька активних пухирцеподібних закінчень, перебувають у підпороговому стані, а ці, що мають їх багато — у зоні розряду. Гальмівні імпульси зумовлюють подібне часове та просторове підсилення й ефект підпоро-гового стану.

Якщо в нейроні В потенціали дії виникають один за одним, то X і Y збуджуються внаслідок часової сумації утворених ЗПСП. Якщо С подразнено декілька разів, то Y і Z теж збуджуються. Якщо В і С збуджуються повторно в цей же час, то розряд буде виникати в X, Y і Z. Отже, відповідь на одночасне подразнення В і С не є більшою, ніж сума відповідей на окремі подразнення В і С, оскільки В і С закінчуються на нейроні Y. Таке зниження рівня очікуваної відповіді, що відбувається в разі подразнення пресинаптичних волокон, називають оклюзією.

Збуджувальний і гальмівний підпорогові ефекти, а також явище оклюзії можуть значно впливати на провідність імпульсів у кожному конкретному шляху. Внаслідок цих впливів часові характеристики під час проходження імпульсів з периферії до головного мозку через низку синапсів змінюються. Ці явища можуть теж пояснювати такий важливий феномен, як передавання відчуття болю (див. Розділ 7).

Рис. 4-14. Проста мережа нейронів. Нейрони А, В і С утворюють збуджувальні закінчення на нейронах X, Y і Z.

                                                                                                                                                                  

Нейромодуляція

Термін модуляція у фізіології часто трактують настільки вільно, що його визначення мало інформує про цю функцію. Однак у нейробіології термін нейромодуляція використовують для чіткого означення несинаптичної дії речовин на нейрони, що змінює їхню чутливість до синап-тичного збудження або гальмування. Нейромодуляція здебільшого зумовлена дією нейропептидів і циркулювальних стероїдів, а також стероїдів, що продукуються в нервовій системі (нейростероїди; див. нижче).

                                                                                                                                                                  

ХІМІЧНИЙ ХАРАКТЕР СИНАПТИЧНОЇ АКТИВНОСТІ

                                                                                                                                                                  

Значення

Факт, що провідність у більшості синапсів є хімічною, має важливе фізіологічне і фармакологічне значення. Нервові закінчення назвали біологічними перетворювачами, оскільки вони перетворюють електричну енергію у хімічну. В загальних рисах цей процес охоплює синтез трансмітерів, їхнє накопичення в синаптичних пухирцях і виділення під впливом нервових імпульсів у синаптичну щілину. Далі трансмітери діють на відповідні рецептори мембрани пост-синаптичної клітини і швидко виходять з синаптичної щілини шляхом дифузії, метаболізму або, у багатьох випадках, унаслідок зворотного поглинання пресинаптичним нейроном. Усі ці процеси, а також післярецепторні явища в постсинаптичному нейроні, регульовані багатьма фізіологічними факторами і, принаймні теоретично, їх можна змінити за допомогою фармакологічних засобів. Отже, фармакологи можуть створювати засоби, що не тільки регулюють сомато- і вісцеромоторні функції, а й здатні впливати на емоції, поведінку та всі інші складні функції головного мозку.

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини