Помимо структурного описания нейрона, как единицы нервной системы, исследователи 19 века пытались выяснить и функциональные особенности нейронов. Так, Кахал считал вполне вероятным, что «психические упражнения», т.е. обучение, ведет к усиленному росту нейронных отростков, сопроводив свою идею довольно колоритной аналогией. Он писал, что «Свободное разветвление способных расти отростков нервных клеток, можно рассматривать как совершенно очевидный факт. Постоянная раз и навсегда установленная система, например, телеграфная сеть без возможности установления в ней новых станций или новых линий, остается ригидной и не модифицируемой, что противоречит нашему представлению о мозге как структуре, легко претерпевающей изменения в определенных рамках при ментальных упражнениях и, особенно, в период развития. Если прибегнуть к свободной аналогии, то мы можем сказать, что кора мозга подобна саду с огромным количеством деревьев – пирамидных клеток, у которых, благодаря разумной культивации, разрастаются ветви (дендриты) и углубляются корни (ответвления аксонов), что способствует появлению все большего количества и разнообразия цветов и плодов» (цит. по Rosenzweig, 1996).
У Рамон-и-Кахала соединения между нейронами еще не имели своего названия. Название «синапс» ввел Шеррингтон в1897 г. Он также считал, что синапс выполняет основную роль в механизмах обучения: «Лишенная возможностей воспроизведения и размножения самой себя с помощью митоза или каким-то другим способом, нервная клетка направляет свою затаенную энергию на увеличение своих связей с другими клетками в ответ на события, которые ее возбудили. Следовательно, в отличие от других тканей нервная ткань способна обучаться» (цит. по Rosenzweig, 1996
Строение нейрона
Для вхождения в проблему активности нейрона в ЦНС необходимо кратко остановиться на его морфологии.
Мембрана нейрона.
Нейроны обладают высоким уровнем морфологической и функциональной специализации, и первый уровень специализации проявляется в структуре и динамике его мембраны. Как показывают результаты электронной микроскопии, плазматическая мембрана нейронов имеет такое же строение, что и у соматических клеток: она построена из липидов и протеинов (цепочек аминокислот) (Рис. 3). Основная структура мембраны двухслойная и представляет собой «сэндвич» из фосфолипидов, которые расположены таким образом, что полярные (заряженные) части прилежат к наружной части мембраны, а незаряженные части направлены во внутрь клетки. Такая организация максимизирует число гидрофобных и гидрофильных соединений, которые могут формировать и делать относительно прочной и очень тонкой оболочку, непроницаемую для большинства полярных молекул или ионов. Мембрана является динамичной и часто ее описывают как «жидко-мозаичную» структуру (Singer, Nicolson, 1972). Липиды свободно диффундируют с одного участка на другой, обеспечивая тем самым мембране свойства жидкости. Два жидких липидных слоя мембраны (наружный и внутренний) позволяют свободно плавать в ней специализированным белкам и выполнять им свои функции. Белки могут проникать через оба слоя, образуя каналы для транспорта через них ионов и небольших молекул. Такие «интегральные белки» часто формируют межмембранные структуры. Другие, «периферические белки» локализованы только в наружной или внутренней мембранах, они подвижны и выполняют определенные функции. В жидкой мембране белки часто рассматриваются, как частицы мембраны, произвольно плавающие в море липидов. Следует отметить, что белки, проникающие через оба слоя мембраны и, находясь одним концом снаружи, а другим внутри клетки, превращают участки мембраны в функциональные единицы, обеспечивающие определенные потребности нейрона.
Рисунок 3. Схема строения мембраны нейрона.
Мембрана нейрона неоднородна, некоторые авторы выделяют в ней такие специфические участки, как дендритную зону с большим количеством синаптических контактов и пресинаптическую зону аксона. Кроме того, мембрана нейрона является асимметричной. На ее наружной части (как и на мембране соматических клеток) находится большое количество карбогидратов сиаловой кислоты, которые обеспечивает отрицательный заряд наружной поверхности мембраны.
Белки мембраны.
По своей функции делятся на насосы, каналы, рецепторы, ферменты и структурные белки. Насосы обеспечивают перемещение ионов и молекул против концентрационных градиентов и подержание их необходимых концентраций в клетке. Поскольку заряженные молекулы не могут пройти через двойной липидный слой, в мембранах есть набор специфических белковых канальцев, по которым во внутрь клетки проходят определенные ионы. Клеточные мембраны с помощью рецепторных белков узнают и прикрепляют к себе разные молекулы. Ферменты размещаются внутри мембраны или на ней и облегчают протекание химических реакций у поверхности мембраны, например АТФаза, которая расщепляет АТФ – универсальную единицу топлива, для обеспечения теплом локальных химических процессов. Структурные белки обеспечивают соединение клеток в органы и поддержание субклеточной структуры. Не у всех мембранных белков функция жестко фиксирована. Некоторые белки могут выполнять одновременно функции рецептора, фермента и насоса.
Кроме ионных насосов и канальцев для выполнения основных функций нейронам требуются и другие белки. Одним из таких белков является фермент аденилатциклаза, который регулирует внутриклеточную концентрацию циклического аденозинмонофосфата (циклического АМФ - цАМФ). Циклические нуклеотиды, такие как цАМФ, называют «вторичными мессенджерами». Внутри клетки цАМФ «собирает» информацию от первичных мессенджеров (нейромедиаторов) и подготавливает цитоплазму к возможным изменениям ее метаболизма. Основная гипотеза заключается в том, что повышение концентрации цАМФ в ответ на поступление на постсинаптические рецепторы таких нейромедиаторов, как норадреналин и дофамин, ведет к повышению активности протеинкиназы, которая (1) фосфорилирует определенные белки мембраны и изменяет проницаемость мембраны, (2) изменяет метаболические процессы в клетке за счет активации и индукции некоторых ферментов и белков. Общее заключение – цАМФ каким-то образом устанавливает уровень возбудимости нейрона (Cotman, McGaugh, 1980)
Понимание функций мембранных белков – один из этапов на пути к пониманию функций нейрона. Подобно всем другим клеткам организма в нейроне поддерживается постоянство внутренней среды, которая существенно отличается от окружающей нейрон межклеточной жидкости. Особенно выражены различия в концентрациях ионов натрия и калия (Na+, Ka+). Наружная среда приблизительно в 10 раз богаче Na+, чем внутренняя, а внутренняя среда в 10 раз богаче Ka+, чем межклеточная жидкость. Данное различие в концентрации ионов натрия и калия лежит в основе поддержки и развития электрических потенциалов на мембране нервных клеток.
2. Ядро (Рис4).
В каждой нервной клетке есть ядро, в котором хранится генетический материал в виде хромосом. Хромосомы состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, которые вместе образуют гены. Во время эмбрионального развития гены контролируют синтез белка, и через белки обеспечивает дифференцировку клетки, ее конечную форму и синаптические связи с другими клетками. В зрелом состоянии нейрона гены через контроль над синтезом белка контролируют активность нейрона. Ядро отделено от цитоплазмы двумя мембранами, которые в некоторых местах сходятся и образуют поры, через которые осуществляется обмен веществ между цитоплазмой и содержимым ядра.
Рисунок 4. Внутреннее содержимое тела клетки.
Я- ядро, П – полисомы, Т- микротрубочки, М – митохондрии, МФ – микрофиламенты, Ш-ЭР – шероховатый эндоплазматический ретикулум
3. Митохондрии (Рис. 4).
Нейрон для выполнения своих функций нуждается в большом количестве энергии. Макроэргическая молекула АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), является основным источником энергии. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях, которые представляют собой внутриклеточные подвижные и пластичные органеллы (длиной 0,5-3 мкм), окруженные двойной мембраной. Обычно митохондрии за счет своей подвижности располагаются в тех местах, где необходима энергия для поддержания химических процессов.
Для обеспечения внутриклеточных химических процессов теплом происходит расщепление (гидролиз) АТФ - от нее отделяется ион фосфора и энергия, которая удерживала этот ион с ионом АДФ (аденозиндифосфорная кислота). Энергия идет на поддержание химических процессов в нейроне, а АДФ-3 и Р+3 поступают в митохондрии, в которых выделяющаяся от окисления глюкозы энергия идет на соединение этих ионов и образование АТФ.
4. Строительные белки-рибосомы, шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи (Рис. 4 )
Эти структурыобеспечивают синтез белка в нейроне и его встраивание в структуры мембраны. Белки нейронов, как и других клеток, нуждаются в постоянном обновлении. Без обновления белков нейрон может прожить несколько дней. В цитоплазме тела нейрона находится большое количество кластеров рибосом. Рибосомы имеют размер около 4 нм в диаметре и сформированы из белков и рибонуклеиновой кислоты. Кластеры рибосом, называемых полисомами, осуществляют в цитоплазме синтез растворимых белков, в том числе ферментов. Отдельные рибосомы в полисомах связаны с информационной РНК (иРНК). иРНК является длинной цепочкой нуклеиновых кислот, представленных четырьмя нуклеотидами – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц)и урацил (У). Последовательность этой нуклеотидной цепочки кодирует последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Специальная транспортная РНК (тРНК) «распознает» определенную тринуклеотидную цепочку на матричной РНК (мРНК) и связывает с ней определенную аминокислоту. По мере синтеза белка мРНК продвигается через рибосому и к ее тринуклеотидным цепочкам тРНК последовательно присоединяют разные аминокислоты до тех пор, пока мРНК не закончится. Затем цепочка аминокислот выходит в цитоплазму (см. Ленинджер, 1982)
Синтез мембранных белков и их включение в мембраны осуществляется с помощью шероховатого поверхностного эндоплазматического ретикулума (шероховатого ЭР), гладкого эндоплазматического ретикулума (гладкого ЭР) и аппарата Гольджи. Шероховатый ЭР представляет собой лабиринтную систему мембранных трубок, пузырьков и цистерн, чья выступающая во внутрь нейрона поверхность усыпана рибосомами, связанными друг с другом с помощью мРНК. Отсюда и термин «шероховатая поверхность». Мембранные белки внедряются в шероховатый ЭР. Гладкий ЭР является продолжением шероховатого ЭР и лишен рибосом. Гладкий ЭР вовлечен в распределение белка по нейрону, а именно, по нему вновь синтезированные белки доставляются в дендриты. Из гладкого ЭР белки транспортируются в аппарат Гольджи, где они могут быть модифицированы, например, если этот белок относится к гликопротеинам, то к нему добавляется карбогидрат. Белки в аппарате Гольджи концентрируются и затем «упаковываются» в мембранных пузырьках и изолируются для последующей поставки его в другие участки клетки. По соседству с аппаратом Гольджи лежат «облачки» мелких пузырьков, которые, возможно транспортируют интезированные белки в разные участки нейрона.
Лизосомы.
Лизосомы относятся к внутриклеточной пищеварительной системе. Эта структура, как и ретикулум, заключена в мембрану. Лизосомы не имеют определенной формы или размера. Они содержат разнообразные гидролитические ферменты, которые расщепляют и переваривают множество соединений, появляющихся как внутри, так и вне клетки. Перевариваемые вещества могут быть внутриклеточными, и такое переваривание называют аутофагией. Переваривание лизосомами внеклеточных веществ получило название гетерофагия.
Цитоскелетная сеть.
В теле и отростках нейрона имеется обширная цитоскелетная сеть, состоящая из микротрубочек, нейрофиламентов и микрофиламентов (Рис.4). Они проходят через весь нейрон, соединяя все его части. Эта сеть является каркасом нейрона, поддерживая определенную его форму. С другой стороны цитоскелетная сеть выполняет транспортную функцию. В теле клетки микротрубочки и более мелкие трубочки, нейрофиламенты и микрофиламенты, занимают большую ее часть, не занятую другими органеллами, и из тела нейрона все эти трубочки проникают в дендриты и аксоны.
Микротрубочки состоят из длинных неразветвленных трубочек разной длины. Стенки их построены из субъединиц специфического белка – тубулина (от лат. tubula – трубочка). Нейрофиламенты тоньше микротрубочек. Они тоже имеют трубчатое строение и встречаются только в нейронах. Показано, что в крупных аксонах их значительно больше, чем микротрубочек, тогда как в мелких аксонах и дендритах их соотношение противоположное. Нейрофиламенты и их соотношение с микротрубочками меняются при старении. При болезни Альцгеймера они превращаются в клубочки и в бляшки. Предполагается, что микротрубочки и нейрофиламенты в аксонах и дендритах выполняют транспортную функцию между телом и отростками нейрона в обоих направлениях: от тела к отросткам – ортоградный транспорт, от отростков к телу – ретроградный транспорт.
Данная гипотеза была подтверждена экспериментально. После инъекции меченых аминокислот вблизи тела клетки методом радиографии было показано, что эти аминокислоты поглощаются телами нейронов и включаются в белок, который затем переносится по аксону и его коллатералям. В этих экспериментах были выявлены два типа аксонного транспорта: медленный транспорт, идущий со скоростью 1 мм в сутки, и быстрый, идущий со скоростью несколько сотен миллиметров в сутки. Многие переносимые вещества связаны с функциями синаптической передачи.
Микрофиламенты присутствуют в большом количестве в нервных отростках. Их много в нейроглии и они участвуют в некоторых связях между нейронами (Шеперд, 1997).
Дендриты.
Дендриты при всем их разнообразии среди нейронов содержат те же органеллы кроме ядра, что и тело. В большей части дендритов параллельно проходит большое количество микротрубочек. С другой стороны, в дендритах находится лишь небольшое количество нейрофиламентов. Митохондрии ориентированы вдоль дендрита и достигают по длине 9 мкм. Шероховатый ЭР хорошо выражен лишь в начале дендрита; по мере удаления его от тела ЭР исчезает. Гладкий ЭР распространен по всей длине дендритов. Он проходит параллельно микротрубочкам и микрофиламентам, образуя по своему курсу небольшие выпячивания. Считается, что гладкий ЭР распространен по всему дендриту и транспортирует разные химически вещества. Основная часть белка синтезируется в теле клетки, но некоторые белки синтезируются в проксимальных участках дендритов, где локализована большая масса гладкого ЭР. Эти белки транспортируются в дистальные отделы дендритов с помощью цистерночек и гладкого ЭР вдоль поверхности системы микротрубочек. Белки, которые синтезируются в теле клетки транспортируется в дендриты также с помощью гладкого ЭР.
На дендритах находится большое количество шипиков, на которых находятся в основном аксо-дендритные синапсы. Например, на дендритах пирамидных нейронов в среднем локализовано около 4000 шипиков, что составляет примерно 43% от всей синаптических контактов этих нейронов (Рис. 2) (Cotman, McGaugh, 1980).
Каждый шипик, представляет собой выпячивание на дендрите длиной около 2 мкм, которое состоит из тонкой шейки, заканчивающейся яйцеобразным выпячиванием. Цитоплазма шипиков заполнена тонкими филаментами и очень небольшим количеством микротрубочек. Как было сказано выше, шипики включены в синаптические структуры, но их функция остается не совсем понятной.
Аксон.
В отличие от дендритов аксон является обычно одиночным отростком. В нем нет шероховатого ЭР, рибосом, но он содержит митохондрии, большое количество нейрофиламентов, микротрубочки, гладкий ЭР и небольшое количество лизосом. Часть гладкого ЭР, цистерны разной формы, соединены друг с другом тонкими трубочками, и эта система идет вдоль всего аксона. Внутри аксон заполнен желеобразной аксоплазмой, которая удерживает его цитоскелетную сеть. У основного большинства крупных нейронов аксоны на всем протяжении покрыты оболочкой, называемой миелином. Миелин никогда не покрывает дендриты. Известно, что миелин производится из плазматической мембраны глиальных клеток, которые обматывают аксон. В периферической нервной системе аксоны обматывают особые глиальные или Шванновские клетки. Оголенные участки аксона между Шванновскими клетками называются перехватами Ранвье. В ЦНС миелиновые оболочки формируются олигодендроцитами. По миелинизированным аксонам потенциалы действия проходят быстро за счет сальтаторного (прыжкообразного) перемещения от одного перехвата Ранвье к другому.
Синапс.
Все синапсы имеют одинаковую структуру. Пресинаптическая и постсинаптическая мембраны являются высокоспециализированными в месте контакта и образуют синаптическое соединение. Пресинаптическая бляшка или терминаль аксона содержит пузырьки размером от 400 до 2000 нм, которые наполнены веществом – нейромедиатором. Наличие пузырьков и синаптического соединения является показателем химического синапса. Общие детали строения едины для всех синапсов, но тонкая структура синапсов зависит от особенностей пре- и постсинаптического нейронов, эта структура существенно различна в нервно-мышечном и межнейронных синапсах.
1. Нервно-мышечное или нейромускулярное соединение (Рис. 5)
Рисунок 5. Нервно-мышечное соединение. А - аксон, Б – синаптические окончания аксона в виде бляшек, М – мышца, мт – митохондрии, сп – синаптические пузырьки, а – активная зона, Щ – синаптическая щель, сс – соединительные складки мембраны мышечной клетки.
Непосредственно перед нейромускулярным соединением миелиновая оболочка на аксоне исчезает и далее аксон, окруженный только тонким слоем цитоплазмы Швановских клеток, разделяется на веточки (коллатерали). В месте синаптического контакта коллатерали аксона с мышечной клеткой мембрана последней образует множество складок – соединительные складки. Пространство между пресинаптической и постинаптической частями синапса получило название синаптической щели. Синаптическая щель в нейромускулярном соединении шире, чем между нейронами ЦНС (800 против 200 Å). В синаптических окончаниях аксонов имеется несколько митохондрий, сеть фиброзного белка, и множество маленьких синаптических пузырьков размером примерно 400 нм в диаметре и содержащие нейромедиатор, а именно, до 10000 молекул ацетилхолина, который вызывает возбуждающее действие на мембране мышечной клетки. Некоторые пузырьки распределены в случайном порядке по аксонной ветви, в то время как другие находятся вдоль пресинаптического участка – активной зоны, из которой они выделяются в синаптическую щель. Внутри двухслойной плазматической мембраны в активной зоне находятся внутримембранные частицы с участками, к которым крепятся пузырьки. При прохождении по аксону потенциала действия пузырьки подплывают к этим участкам и сливаются с ними (Рис. 6). Напротив активной зоны пресинаптической мембраны находятся функциональные складки мембраны мышечной клетки. Внутри мембраны, и в основном, в гребнях складок имеется большое количество внутримембранных включений, с которыми, по-видимому, соединяется нейромедиатор.
Рисунок 6. Схема выделения нейромедиатора в синаптическую щель.
Синапсы ЦНС.
Каждый синапс в ЦНС сформирован двумя нейронами – пре и постсинаптическим. Как и в нейромускулярном соединении в этих синапсах есть пре- и постсинаптическая мембраны, между которыми имеется синаптическая щель шириной 200Å. В пресинапсе находятся пузырьки с нейромедиатором, митохондрии, мембранные цистерночки, случайные микротрубочки и множество волокон. В ЦНС выделяют два типа синапсов. Синапсы ЦНС отличаются от синапсов нервно-мышечного соединения в нескольких аспектах. Если в нервно-мышечном соединении ацетилхолин оказывает возбуждающее действие на мембрану мышечной клетки, то в ЦНС в одних межнейронных синапсах ацетилхолин оказывает возбуждающее действие на мембрану нейрона, в других синапсах – тормозное действие. Если в нервно-мышечных соединениях существует только один нейромедиатор, то в синапсах ЦНС насчитывается более 100 различных нейромедиаторов.
1-й тип синапсов имеет довольно типичную форму (см. рис 7). Пресинаптическая мембрана аксона имеет множество уплотненных проекций на ее цитоплазматическую часть, а постсинаптическая мембрана дендрита также имеет уплотнения, но непрерывные, на цитоплазматической поверхности – постсинаптическое уплотнение. Типичная длина такого синаптического контакта примерно 5 мк. Синапсы 1-го типа являются самыми многочисленными; они всегда являются аксо-дендритными, формируются на шипиках дендрита и никогда не формируются на теле нейрона.
Рисунок 7. Структура синапса 1-го типа. СП – синаптические пузырьки, М- митоходрии
Рис. 8. Фрагмент, вынесенный из рисунка 7 и увеличенный. СП – синаптические пузырьки, УППМ – уплотненные проекции пресинаптической мембраны, ВПП – выпячивающая постсинаптическая плотность.
Уплотненные проекции пресинаптической мембраны представляют собой серии пирамид, организованных в гексагональные структуры (Рис. 8). Активные зоны синапсов находятся в промежутках между этими структурами. В активных зонах находятся синаптические пузырьки, а также множество внутримембранных включений.
Постсинаптические уплотнения (ВПП на рис.8) представляют собой фиброзную ткань, напоминающую грубо сотканный ковер. Эта ткань лежит напротив постсинаптической мембраны. В этих уплотнениях срастаются тонкие волокна, к которым прикасаются микротрубочки, содержащие включения небольшого размера. Наружная поверхность постсинаптической мембраны, перекрывающая данное уплотнение, является чувствительной к определенному нейромедиатору; множество щетинок и волокон ориентированы в направлении синаптической щели и некоторые из них соединяются с пресинаптической мембраной.
2-тип синапсов никогда не формируется на шипиках. Они обычно локализованы на телах нейронов. Предполагается, что в отличие от синапсов 1-го типа синапсы 2-го типа являются тормозными синапсами. Основной признак 2-го типа синапсов – это, отсутствие выпячивающей постсинаптической плотности; область плазматической мембраны в синапсе очень тонкая.
Мембранные потенциалы.
Уникальным свойством нервных и мышечных клеток является наличие электрических потенциалов на их мембранах. Мы не будем подробно рассматривать биофизические основы этих потенциалов. Они подробно описаны в специальных пособиях (Шеперд, 1987, т.1). Отметим, что в основе потенциалов на мембранах клеток лежит разница ионов натрия и калия со стороны наружной и внутренней поверхностей мембраны. Во внешней среде ионов натрия примерно в 10 раз больше, чем ионов калия. Внутри нейронов соотношение количества этих ионов противоположное. Поскольку эти ионы способны легко проходить через канальцы мембраны, то существуют химические процессы, которые обеспечивают выкачивание ионов натрия из внутренней среды в обмен на ионы калия. Такая химическая реакция получила название калий-натриевый насос и она осуществляется внутренними мембранными белками (интегральные белки, см. рис. 2). У большинства нейронов имеется до 200 таких насосов на квадратный микрон мембраны. Насос может транспортировать около 200 ионов натрия наружу мембраны и 130 ионов калия во внутрь нейрона в секунду, в результате чего наружная часть мембраны имеет положительный заряд относительно внутренней ее части. Этот электрический потенциал на мембране нервной и мышечной клетки получил название потенциал покоя (ПП). Величина ПП достигает 80 мв. Каждый калий-натриевый насос использует для своей работы энергию, получаемую от расщепления АТФ. Если учесть, что в нервной системе находится 1010 нейронов, то правомерен вопрос, для чего необходим ПП, если на его поддержание расходуется такое огромное количество энергии?
ПП как устойчивый электрический потенциал лежит в основе формирования потенциала действия (ПД). В результате химического, механического или электрического раздражения локального участка мембраны насос как бы поворачивается на 180˚, и закачивает во внутрь ионы натрия. Проникшие в клетку ионы натрия приводят к тому, что внутренняя поверхность локального участка мембраны становится положительно зараженной относительно наружного участка. Изменение знака заряда (деполяризация) мембраны является неустойчивым состоянием – оно приводит к закрыванию натриевых каналов и открыванию калиевых каналов. Поток ионов калия наружу через 1.5- 2 мс восстанавливает ПП на данном участке мембраны (реполяризация). Но этот участок мембраны в течение нескольких миллисекунд остается нечувствительным к различным воздействиям (период рефрактерности). Деполяризация и реполяризация
локального участка мембраны проявились в виде электрического импульса, который стал адекватным электрическим раздражением смежного участка мембраны, содержащий насос. В результате последовательного раздражения локальных участков мембраны аксона ПД доходит до синапса.
Синаптическая передача.
Потенциал действия в окончании аксона приводит к открыванию химически управляемых кальциевых каналов и притоку кальция во внутрь окончания, однако, специальный механизм быстро устраняет свободный кальций из окончания аксона. Такой кратковременный подъем концентрации кальция в окончании аксона приводит к слиянию заполненных нейромедиатором пузырьков с пресинаптической мембраной и высвобождением нейромедиатора в синаптическую щель. Такой процесс выделения нейромедиатора в синаптическую щель получил название экзоцитоз (Рис.6). Освободившись от нейромедиатора, слившийся с мембраной пузырек отделяется от нее и вновь наполняется нейромедиатором.
Есть и другая точка зрения, согласно которой молекулы нейромедиатора выходят в синаптическую щель через специальные канальцы. Но в любом случае известно, что потенциал действия, дошедший по аксону до пресинапса, повышает его проницаемость для ионов кальция, которые устремляются в него и активируют выход нейромедиатора в синаптическую щель.
В противоположность активируемым ацетилхолином каналам нервно-мышечного синапса, всегда открывающимся на 1мс, в некоторых типах мозговых синапсов имеются каналы, открывающиеся на доли миллисекунд, а другие могут оставаться открытыми сотни миллисекунд. Это различие объясняется тем, что в области нервно-мышечного соединения, например, у лягушки, аксон образует сотни синаптических контактов с мышечной клеткой, а в мозгу аксоны устанавливают только один-два синаптических контакта с данным нейроном.
Вышедшие в синаптическую щель молекулы нейромедиатора быстро проходят через наполненную жидкостью синаптическую щель, и взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны. Рецепторы представляют собой крупные белковые молекулы, погруженные в полужидкую матрицу клеточной мембраны (см. рис. 3). Выходящий на поверхность участок рецепторного белка и молекула нейромедиатора имеют химическое сродство наподобие ключа и замка. Взаимодействие нейромедиатора с рецептором меняет трехмерную структуру рецепторного белка. В нервно-мышечном соединении это взаимодействие вызывает развитие потенциала действия по мембране мышечной клетки и, как результат, к ее сокращению; в железистой клетке – образование и выделение гормона или пищеварительных соков. Во всех случаях рецептор переводит сообщение, закодированное в молекулярной структуре нейромедиатора, в специфическую физиологическую реакцию.
Однако, вопрос о том, какие процессы происходят в нейроне в ответ на поступление нейромедиатора к его постсинаптическим мембранам, остается малоизученным и имеет несколько противоречивых решений (подробно см., например, Анохин, 1974). По мнению П.К. Анохина в первой трети прошлого века рассмотрение влияния от многочисленных синаптических притоков на активность нейрона сводилось только к анализу мембранных процессов. Одним из таких представлений о судьбе синаптических притоков, одновременно приходящих к нейрону, является «суммация» электрических потенциалов на его мембране. Согласно этим представлениям суть процесса «суммации» заключается в следующем. Нейрон в целом представляет собой некоторый электротонический пул с подвижным градиентом между отрицательным (дендритная часть) и положительным (аксонная часть) полюсами. Такое электрическое состояние мембраны нейрона объясняется постоянной деполяризацией мембраны дендритов синаптическими притоками. Когда достигается определенная разница между потенциалами дендритов и аксона на аксоном холмике (место выхода аксона от тела нейрона) срабатывает генераторный потенциал. Частота и паттерн электрических потенциалов будет определяться соотношением электроотрицательности и электроположительности на полюсах нейрона. Но этот подход не может объяснить многообразие нейромедиаторов, выделяющееся на постсинаптические мембраны нейрона в разных его синапсах. С позиций этого подхода не понятно: «на основе каких конкретных механизмов многочисленные и разнородные возбуждения, пришедшие в данный момент к нейрону, и принесшие свои индивидуальные информации, интегрируются в одно единственное аксональное возбуждение» (Анохин, 1974). Все последующие концепции суммации мембранных потенциалов, как и предшествующая концепция, отражают идею проведения возбуждения по нейрону наподобие проведения возбуждения по аксону, или переносят акцент на накопление электрических потенциалов на мембране нейрона. Не приносит ясности в выявлении функции нейрона и оперирование такими понятиями, как возбудительный и тормозный постсинаптические потенциалы, соответственно ВПСП и ТПСП, потому, что все опять упирается в непонятные механизмы их суммации. П.К. Анохин приходит к заключению о том, что принятие примата мембранных и электрических процессов не дает возможности ответить на вопрос о главной функции нейрона – интегрировании им возбуждений, поступивших к нему через разные синаптические входы.
П.К. Анохин выдвигает гипотезу о том, что изменение проницаемости активной постсинаптической мембраны, вызванное нейромедиатором, является фактором, способствующим выходу какого-то сложного метаболического комплекса из области синапса в область плазматических образований дендрита и сомы нервной клетки, прилежащих к постсинаптической мембране. С этой точки зрения синапс не является образованием, созданным для формирования электрического потенциала, как это принимает господствующая точка зрения. В синапсе происходит трансформация пресинаптического возбуждения в специфические химические процессы в цитоплазме дендритов и сомы. На это указывает сложное строение постсинаптических мембран. Согласно схеме, предложенной П.К. Анохиным, в синапсе осуществляется следующая последовательность процессов: 1) приход по аксону возбуждения к синаптосоме; 2) физико-химические превращения в синаптосоме; 3) выход медиатора в синаптическую щель; 4) действие нейромедиатора на постсинаптический рецептор; 5) быстрое увеличение проницаемости мембраны, которое ведет к двум параллельным процессам; 6а) формирование ПД на мембране постсинаптического нейрона и суммация этих потенциалов на мембране; 6б) выброс в цитоплазму нейрона комплекса метаболитов и химические преобразования в плазме постсинаптического нейрона.
Все описанные выше концепции рассматривают нейрон, как некоторый пассивный элемент, к которому по синаптическим входам приходят возбуждения и вызывают в нем определенные электрические или химические процессы. В настоящее время разрабатывается еще один аспект нейронной доктрины – нейрон рассматривается как активный элемент, способный регулировать эффективность своих синаптических входов за счет метаболизма, синтезировать и встраивать новые постсинаптические рецепторы для медиаторов, в которых он нуждается (Швырков, 1995). По мнению В.Б. Швыркова генерация ПД на мембране нейрона определяется его метаболической активностью и в частности потребностью в определенных метаболитах, например, в нейромедиаторах.
Дополнительно про системную специфичность нейрона
Выводы
Нейронная доктрина или теория нейрона была выдвинута в конце 19 века. Ей предшествовало развитие клеточной теории, согласно которой организм состоит из клеток. Нейроны, в отличие от соматических клеток, имеют отростки (аксоны и дендриты), с помощью которых они устанавливают друг с другом связи. Основным положением нейронной доктрины является положение о том, что нейроны не связаны друг с другом морфологически с помощью анастамозов (ретикулярная теория), а являются отдельными морфологическими и функциональными элементами ЦНС. На мембранах нейронов имеют место электрические потенциалы. Потенциал покоя (ПП)– устойчивый потенциал, который поддерживается специальным химическим процессов – калий-натриевым насосом. Потенциал действия (ПД)- быстрое локальное изменение ПП в виде деполяризации и реполяризации локального участка мембраны, который распространяется по мембране аксона. ПД заканчивается синаптической передачей – выбросом в синаптическую щель нейромедиатора. Нейромедиатор вызывает в постсинаптическом нейроне целый ряд изменений, которые в настоящее время трактуются разными теориями по-разному.
Цитированная литература
Анохин П.К. Системный анализ интегративной деятельности нейрона. В кн. П.К. Анохин Очерки по физиологии функциональных систем. М. «Медицина» 1975.
Мозг. (Ред. П.В.Симонов). М. «Мир», 1982.
Шеперд Г. Нейробиология. М. «Мир», 1987. Т.1
Швырков В. Б. Введение в объективную психологию (нейрональные основы психики). М.: Изд. ИП РАН, 1995.
Cotman C.W., McGaugh. Behavioral neuroscience. N.Y. Academic Press. 1980
S. Ramon y Cajal. The structure and connexions of neurons // Nobel Lecture, December 12, 1906
Рекомендуемая литература
Gudden, 1870 (цит. По Cotman C.W., McGaugh, 1980)
Waller, 1852 (цит. По Cotman C.W., McGaugh, 1980)
McCulloch и Pitts (цит. По Шеперд, 1987)
Palade and Palay, 1954 (цит. По Шеперд, 1987)
DeRobertis, 1954 (цит. По Шеперд, 1987)
Rosenzweig M.R. Aspects of the search for neural mechanisms of memory // Annual Review of Psychology, 1996. V. 47. P. 1-32.
Singer S.J. & Nicolson The fluid mosaic model of the structure of cell membranes// Science, 1872. V. 175. P. 720-731.