Лекция №5

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙРОНОВ

1.  Передачи сигнала в химических и электрических синапсах.

2.  Возбуждающие и тормозящие нейромедиаторы, рецепторы ЦНС

3.  Распространение возбуждения в ЦНС

1

Направление проведения импульса по нервному волокну, определяется работой синаптических контактов. В зависимости от способа передачи импуль­са синапсы могут быть химическими или электрическими (электротоническими).

Химические синапсы передают импульс на другую клетку с помощью специальных биологически активных веществ — нейромедиаторов, находящихся в синаптических пузырьках.

Рисунок 1 - Строение химического синапса

Синапс представляет сложное образование двух нервных клеток: окончание – терминаль аксона одной нервной клетки и участок соприкосновения другой нервной клетки. Терминальное окончание представляет собой т. н. пресинаптическую часть, а участок второго нейрона, с которым происходит соприкосновение постсинаптической частью.

В пресинаптической части находятся синаптические пузырьки, митохондрии и нейрофиламенты. Форма и содержимое синаптических пузырьков связана с фун­кцией синапса. Например, округлые прозрачные пузырьки диаметром 30-50 нм присутствуют в синапсах, где передача импульса совершается с по­мощью ацетилхолина (холинергические синапсы). Холинергическими являют­ся парасимпатические и преганглионарные симпатические синапсы.

В синапсах, в которых в качестве нейромедиатора используется норадреналин (адренергические синапсы), имеются синаптические пузырьки диаметром 50-90 нм. Норадреналин является медиатором постганглионарных симпатических синапсов. Ацетилхолин и норадреналин — наиболее распространенные медиаторы, но существует и множество других (ацетилхолин, норадреналин, дофамин, серотонин, глицин, гамма-аминомасляная кислота, серотонин, гистамин, глютамат) и нейропептиды: опиоидные (эндорфины, энкефалины, динорины), вещество Р и др.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Таким образом, обязательными структурами синапса являются:

- пресинаптическая мембрана — т. е. мембрана клетки, передающей импульс (аксолемма). В этой области локализованы кальциевые каналы, спо­собствующие слиянию синаптических пузырьков с пресинаптической мем­браной и выделению медиатора в синаптическую щель.

- синаптическая щель – пространство между пре - и постсинаптической мембранами име­ет ширину 20-30 нм.

- постсинаптическая мембрана — это участок плазмолеммы клетки, снабженной рецепторными зонами для восприятия соответствующего нейромедиатора.

Электрические, или электротонические, синапсы в нервной системе мле­копитающих встречаются относительно редко. В области таких синапсов цитоплазмы соседних нейронов связаны щелевидными соединениями, обеспечивающими прохождение ионов из одной клетки в другую, а, следовательно, электрическое взаимодействие этих клеток. Эти синапсы способствуют синхронизации активности.

2

В 1921 австрийский физиолог, удостоенный в 1936 Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие роли ацетилхолина в передаче нервных импульсов Отто Леви в эксперименте, установил, что при раздражении симпатического нерва изолированного сердца лягушки выделяется вещество, которое способно стимулировать сердечную деятельность у другой лягушки. При раздражении же сердечной ветви блуждающего нерва образуется вещество, тормозящее деятельность сердца (Леви назвал его вагус-веществом). Впоследствии было показано, что таинственное вагус-вещество расщепляется ферментом ацетилхолинэстеразой и по ряду свойств идентично ацетилхолину. Обнаруженные Леви факты послужили основой для создания теории химической передачи нервного возбуждения.

Когда такой нейромедиатор, как ацетилхолин, проникает через синапс, он вступает в контакт с рецепторными нервными окончаниями постсинаптического участка нейрона, принимающего сигнал. В результате чего медиатор вызывает либо деполяризацию (возбуждение) постсинаптической мембраны нейрона приемника, либо его гиперполяризацию (торможение).

Дофамин, глицин и гамма-аминомасляная кислота являются медиаторами тормозящих синапсов. Вырабатывающиеся в головном мозге эндорфины и энкефалины являются ингибиторами восприятия боли. Нужно заметить, что большинство медиаторов и соответ­ственно синапсов являются возбуждающими.

Медиатор, освобождающийся в пресинаптических терминалях под влиянием приходящих нервных импульсов, взаимодействует со специфическим белком-рецептором постсинаптической мембраны и образует с ним временное комплексное соединение. Например, белок, с которым взаимодействует ацетилхолин, называется холинорецептор, адреналин или норадреналин – адренорецептор.

Действие на холин - и адренорецепторы можно воспроизвести в эксперименте с фармакологическими препаратами, способными их заменять. Так, никотин вызывает эффект подобный эффекту ацетилхолина на постсинаптическую мембрану принимающего сигнал нейрона (т. е. способен участвовать в процессах межнейрональной передачи), а токсин мухомора – мускарин – действует на постсинаптическую мембрану клетки рабочего органа (т. е. участвует в передаче импульса в самом исполнительном органе).

Взаимодействуя с холинорецепторами ацетилхолин, или заменяющие его вещества изменяет проницаемость постсинаптической мембраны. При возбуждающем эффекте ацетилхолина ионы натрия проникают внутрь клетки, приводя к деполяризации постсинаптической мембраны, которая достигнув определенной величины, генерирует потенциал действия.

Вещества, оказывающие на эффекторный орган действие, аналогичное действию того или иного медиатора называются миметиками. Наряду с веществами, обладающими подобным действием, есть группа веществ ослабляющий действие медиатора – литики. Н-холинолитик тубакурарин представляет собой алкалоид, блокирующий нервные импульсы, управляющие мускулатурой. Такая блокировка ведет к мышечному параличу: в первую очередь перестают работать пальцы на ногах и руках и веки, затем парализуются нервные окончания, отвечающие за зрение и слух, потом паралич поражает лицо, шею, руки и ноги и, наконец, наступает смерть от паралича дыхания. Этот холинолитик блокирует взаимодействие ацетилхолина с холинорецепторами.

3

Потенциалы действия (импульсы возбуждения) обладают способностью распространяться вдоль по нервным и мышечным волокнам. Между зоной возбуждения (имеющей на поверхности волокна отрицательный заряд и на внутренней стороне мембраны — положитель­ный) и соседним невозбужденным участком мембраны нервного во­локна (с обратным соотношением зарядов) возникают электрические токи — так называемые местные токи. В результате развивается деполяризация соседнею участка, увеличение его ионной проницаемо­сти и появление потенциала действия. В исходной же зоне возбуждения восстанавливается потенциал покоя. Затем возбуждением охватывается следующий участок мембраны и т. д. Таким образом, с помощью мест­ных токов происходит распространение возбуждения на соседние участ­ки нервного волокна, т. е. проведение нервного импульса.

В распространении ПД можно выделить два этапа:

·  этап электро­тонического проведения, обусловленного физическими свойст­вами нервного волокна,

·  этап генерации ПД в новом участке на пути его движения.

В зависимости от расположения и концен­трации ионных каналов в мембране волокна возможно два типа проведения ПД: непрерывный и сальтаторный (скачкообраз­ный).

1. Непрерывное проведение нервного импульса (ПД) осуществляется в безмиелиновых волокнах, что объясняется рав­номерным распределением потенциал чувствительных ионных каналов, участвующих в генерации ПД. Возникший ПД обеспе­чивает открытие потенциал зависимых Na-каналов на соседнем участке мембраны нервного волокна и движение ионов Na+ внутрь волокна и вдоль волокна, т. е. электротонический, что обеспечивает развитие критического уровня деполяризации на соседнем участке нервного волокна и возникновение нового ПД. Постоянная длины мембраны (λт) безмиелиновых волокон со­ставляет примерно 0,1-1,0 мм, т. е. эта величина во много раз больше расстояния между отдельными каналами, что обеспечи­вает высокую надежность проведения ПД, способного деполя­ризовать мембрану до критического уровня и обеспечить гене­рацию нового ПД (рис. 2).

Рисунок 2 - Непрерывное распространение ПД в нервном волокне.

1 - возникновение ПД в нервном волокне и распространение ПД в обе стороны от места возникновения. В области деполяризации мембраны (1) преобладает входящий в клетку натриевый ток; 2 - соседняя область, в которой локальный ток от области ПД вызывает деполяризацию до критического уровня

Рисунок 3 – Сальтаторное распространение ПД в миелиновых нервных волокнах. Возникновение ПД в перехвате Ранвье среднего участка волокна и распространение ПД в обе стороны от места возникновения. Стрелками показаны токи на электротоническом этапе распространения ПД. В области перехватов Na+движется в клетку, К+ - из клетки

Непрерывное распространение нервного импульса идет через генерацию новых ПД по эстафете, когда каждый возникший импульс является раздражителем для соседнего участка нервного волокна и обеспечивает возникновение нового ПД.

2. Сальтаторное проведение нервного импульса (ПД) осуществ­ляется в миелиновых волокнах, так как у них потенциал чувствительные ионные каналы локализованы только в участках мембраны перехватов Ранвье, где их плотность достигает 12 000 на 1 мкм2. В области межузловых сегментов, обладающих высокими изолирующими свойствами, потенциал чувствительных каналов почти нет, вследствие чего мембрана осевого цилиндра там практически невозбудима. Поэтому ПД, возникший в одном пере­хвате Ранвье, электротонически (продольно, без участия ионных каналов) распространяется до соседнего перехвата и деполяризует мембрану до критического уровня, что ведет к возникновению нового ПД, т. е. возбуждение проводится скачкообразно (рис. 3).

Сальтаторное проведение нервных импульсов является эволюционно более поздним механизмом, возникшим впервые у позво­ночных в связи с миелинизацией нервных волокон. Оно имеет два важных преимущества по сравнению с непрерывным механизмом проведения возбуждения:

·  более экономично в энергетическом плане, так как возбужда­ются только перехваты Ранвье, площадь которых составляет менее 1% от площади мембраны волокна, следовательно, надо меньше энергии для восстановления трансмембранных градиентов ионов Na+ и К+, уменьшающихся в процессе возникновения ПД;

·  возбуждение проводится с большей скоростью (до 120 м/с), чем в безмиелиновых волокнах (0,5-2,0 м/с), так как электротоническое распространение ПД в области миелиновых муфт происходит зна­чительно быстрее, чем в результате непрерывной генерации ПД в безмиелиновых волокнах. В связи с этим миелиновые волокна в нервной системе сформировались там, где необходима наиболее быстрая регуляция функций. В миелиновых волокнах ПД как бы перескакивает от одного перехвата Ранвье к другому.

Все особенности распространения возбуждения в ЦНС объясняются ее нейронным строением: наличием химических синапсов, многократным ветвлением аксонов нейронов, наличием замкнутых нейронных путей.

Рисунок 4 – Дивергенция афферентных дорсальных корешков на социальные нейроны, аксоны которых, в свою очередь, ветвятся, образуя многочисленные коллатерали (а), и конвергенция эфферентных путей от различных отделов ЦНС на α-мотонейрон спинного мозга (б)

Выделяют несколько видов распространения возбуждения:

1. Иррадиация (дивергенция) возбуждения в ЦНС. Она объясня­ется ветвлением аксонов нейронов, их способностью устанавли­вать многочисленные связи с другими нейронами, наличием вста­вочных нейронов, аксоны которых также ветвятся (рис. 4, а). Дивергенция расширяет сферу действия каждого нейрона. Один нейрон, посылая импульсы в кору боль­шого мозга, может участвовать в возбуждении до 5000 нейронов.

2. Конвергенция возбуждения (принцип общего конечного пу­ти) - схождение возбуждения различного происхождения по не­скольким путям к одному и тому же нейрону или нейронному пулу (принцип шеррингтоновской воронки).

Конвергенция возбуждения объясняется наличием многих аксонных коллатералей, вставочных нейронов, а также тем, что афферентных путей в несколько раз больше, чем эфферентных нейронов. На одном нейроне ЦНС мо­жет располагаться до 10 000 синапсов. Явление конвергенции воз­буждения в ЦНС имеет широкое распространение. Примером мо­жет служить конвергенция возбуждения на спинальном мотонейро­не. Так, к одному и тому же спинальному мотонейрону подходят первичные афферентные волокна (рис. 4, б), а также различные нисходящие пути многих вышележащих центров ствола мозга и других отделов ЦНС. Явление конвергенции весьма важно: оно обеспечивает, например, участие одного мотонейрона в нескольких различных реакциях. Мотонейрон, иннервирующий мышцы глот­ки, участвует в рефлексах глотания, кашля, сосания, чиханья и ды­хания, образуя общий конечный путь для многочисленных рефлек­торных дуг.

На один мотонейрон может конвергировать множество коллатералей аксонов, до 10 000-20 000, поэтому генерация ПД в каж­дый момент зависит от общей суммы возбуждающих и тормозящих синаптических влияний. ПД возникают лишь в том случае, если преобладают возбуждающие влияния. Конвергенция может облегчать процесс возникновения возбуждения на общих нейро­нах в результате пространственной суммации подпороговых ВПСП либо блокировать его вследствие преобладания тормозных влияний.

3. Циркуляция возбуждения по замкнутым нейронным цепям. Она может продолжаться минуты и даже часы (рис. 4.5).

Рисунок 5 – Циркуляция возбуждения в замкнутых нейронных цепях по Лоренто де-Но (а) и по (б).1, 2, 3 - возбуждающие нейроны [Смирнов]

Циркуляция возбуждения - одна из причин явления последействия. Считают, что циркуляция возбуждения в замкнутых нейронных цепях наиболее вероятный механизм феномена кратковременной памя­ти. Циркуляция возбуждения возможна в цепи нейронов и в пределах одного нейрона в результате контактов разветвлений его аксона с собственными дендритами и телом.