Жуков В. В., Пономарева Е. В. - Физиология нервной системы

Деполяризация мембраны дендритов и сомы, распространяясь, благодаря пассивным электрическим свойствам нейрона, вызывает ПД первоначально в одном участке клетке - аксонном холмике или начальном сегменте аксона (у начала миелинизации), которые являются триггерными зонами (рис. 5). Место возникновения ПД определяется типом нейронов: у сенсорных - начальный сегмент аксона, у мото- и интернейронов - аксонный холмик. Порог возникновения ПД в этих участках мембраны более низок по сравнению с телом и дендритами из-за более высокой плотности потенциалозависимых Na+-каналов.

Рис. 5. Схема функциональной организации нейрона [5]:

А. Функциональные части нейрона. Б. Антеро- и ретроградный транспорт везикул, связанный с транслокацией медиатора.

1 - область входа (локальные потенциалы, амплитудное кодирование), 2 - подведение сигналов от других нейронов, 3- дендрит, 4- синапс, 5- аксонный холмик, 6 - начальный сегмент, 7 - аксон, 8 - синаптическая терминаль, 9 - область выхода (распространяющиеся ПД, частотное кодирование), 10 - антероградный транспорт везикул в аксоне вдоль микротрубочек с помощью кинезина, 11 - пресинаптическая мембрана, 12 - ретроградный (обратный) транспорт, 13 - эндосома, 14 - аппарат Гольджи.

Ионные токи возбуждения. ПД обусловлен временным повышением ионной проницаемости его мембраны для ионов натрия и калия, что создает соответствующие трансмембранные токи. Для регистрации трансмембранных токов применяется метод фиксации потенциала, при котором МП удерживается на определенном уровне. Суммарный ток состоит из раннего входящего и более позднего выходящего компонентов, что отражает различие в скоростях изменений проницаемости мембраны для ионов натрия и калия.

Развитие ПД обусловлено взаимоотношениями процессов повышения натриевой проводимости, повышения калиевой проводимости и натриевой инактивации. Между натриевой проводимостью и степенью деполяризации мембраны существует положительная обратная связь: при деполяризации натриевая проводимость возрастает, что увеличивает исходную деполяризацию; в результате натриевая проводимость еще больше увеличивается, т.к. ионная проницаемость мембраны зависит от ее потенциала. Количественное описание ионных токов возбудимой мембраны аксона, а также расчет изменений трансмембранного потенциала было выполнено А.Ходжкиным и А.Хаксли.

Молекулярные механизмы возбуждения. Проницаемость мембраны обусловлена существованием в ней сквозных пор - ионных каналов, диаметр которых около 0,3 - 0,5 нм. Предполагается существование молекулярных «ворот», обусловливающих открытие (активацию), закрытие и инактивацию каналов. Состояние каналов зависит от величины МП (потенциалозависимые, или потенциалоуправляемые, каналы). Как полагают, натриевый канал выстлан шестью отрицательно заряженными атомами кислорода, обеспечивающими прохождение через него положительно заряженного иона. Избирательность данного канала для ионов Na+ определяется его диаметром; способность других ионов (кальция, лития и т.д.) проходить через этот канал зависит от их размеров. Различные участки или компоненты ионных каналов служат местами воздействия ряда лекарственных препаратов, ядов и т.п. При изменениях МП возникают изменения конформации молекул канального белка, что сопровождается появлением воротных токов очень малой амплитуды. Плотность натриевых каналов может быть весьма высока: в мембране гигантского аксона кальмара от 100 до 600 на 1 мкм2 , в мембране перехвата Ранвье миелинизированного волокна кролика 12000 на 1 мкм2.

Многообразие ионных каналов обеспечивает соответствующее разнообразие ионных токов. Ниже перечислены некоторые из них (рис.6):

Входящие токи:

1. INa -быстрый натриевый (классический канал Ходжкина-Хаксли). Обеспечивает быструю деполяризацию во время развития ПД. Обнаружен в мембране гигантского аксона кальмара, тел и аксонов многих нейронов, скелетных мышц. Блокируется тетродотоксином и сакситоксином.  

2. ICa - кальциевый. Обеспечивает умеренно быструю деполяризацию и длительные ПД с «плато». Обнаружен в эмбриональных клетках, конусах роста, телах и дендритах многих нейронов, клетках желез и сердца. Блокируется ионами Co2+ и Ni3+. Вклад ионов кальция в создание ПД может иметь важное значение. Во-первых, этот ион участвует в работе целого ряда клеточных механизмов. Во-вторых, ионы Ca2+ регулируют проницаемость мембраны для других ионов, в частности для K+. В-третьих, Ca2+ играет важнейшую роль в модуляции проведения в электрических синапсах и в выделении медиатора в химических синапсах. 

3. IB - медленный входящий (Na+ и/или Ca2+), пачечный. Обеспечивает медленную деполяризацию (до нескольких секунд), генерацию пачек импульсов, следовую деполяризацию. Обнаружен в нейронах пачечного типа у моллюсков и позвоночных (например, клетки Пуркинье). 

4. IT (Ca) - кальциевый кратковременный, быстро инактивирующийся. Возможно, играет важную роль в усилении слабых сигналов в дендритах и, таким образом, в синаптической интеграции. 

Выходящие токи:

1. IK(DR) - поздний выходящий ток (классический канал Ходжкина-Хаксли). Обеспечивает реполяризацию после пика ПД, а также регуляцию частоты импульсации. Присутствует в соматических и аксональных мембранах многих нейронов. Блокируется тетраэтиламмонием (ТЭА) и 4-аминопиридином (4-АМП). 

2. IK(Ca) - Ca-зависимый калиевый канал. Активируется при деполяризации, повышении внутриклеточной концентрации, участвуя в ее регуляции и поддержании МП. Вызванная этим током гиперполяризация стабилизирует низкую частоту следования ПД. Распространен повсеместно (кроме аксона кальмара). Блокируется ионами Ba2+ , а также ТЭА, апамином и харибдотоксином.  

3. IA - быстрый выходящий (кратковременный) калиевый ток. Активируется при незначительных изменениях МП и быстро инактивируется. Регистрируется в нейронах моллюсков. Блокируется ТЭА и 4-АМП. 

4. IAR - аномальный выпрямляющий K+-ток. Инактивируется при деполяризации и активируется только при гиперполяризации ниже потенциала покоя. При этом ток K+ должен быть направлен внутрь, смещая МП в направлении EK. Выключение соответствующей проводимости при деполяризации приводит к появлению продленных ПД с "плато" (кардиомиоциты, клетки электрического органа). 

Рис. 6. Некоторые типы потенциалозависимых ионных каналов, создающих натриевые и кальциевые (А), а также калиевые (Б) токи [6]:

Для каждого типа указано: 1 - диапазоны изменений МП, соответствующие периоду активного состояния каналов (горизонтальные линии); 2 - макроскопические ионные токи (суммированные токи отдельных каналов), которые вызывают это изменение потенциала и 3 - активность ионных каналов, которая лежит в основе макроскопических токов. На графиках 2 и 3 положительный знак тока соответствует его выходящему направлению, отрицательный - входящему. Подробности о свойствах каналов см. в тексте.

Кроме потенциалозависимых каналов (ответственных за ПД) выделяют каналы, состояние которых изменяется механическими деформациями мембраны, процессами фосфорилирования канальных белков или связывания с ними ионов Ca2+, а также каналы, активируемые лишь медиаторами (обусловливающие возникновение синаптических потенциалов). Сейчас, однако, установлено, что в некоторых участках нейрона потенциалозависимые каналы могут обладать рецепторами для медиаторов. И наоборот, во многих случаях синаптические потенциалы, возникающие в ответ на действие медиатора, зависят от уровня МП покоя. Наличие каналов со смешанными свойствами позволяет нервной системе более гибко, в зависимости от функционального состояния организма и уровня активности нейронных сетей, модифицировать ритм импульсации, с одной стороны, и интегрировать синаптические влияния - с другой.

Проведение потенциала действия. При возникновении в каком-либо участке клетки ПД к соседним участкам мембраны текут электротонические, или местные, токи, обусловленные электрическими (кабельными) свойствами нервных клеток. Под действием этих токов деполяризация мембраны, возникающая в момент ПД, распространяется на соседние участки; когда потенциал этих участков достигает критического уровня (порог возбуждения), в них возникает нервный импульс. Таким образом, местные токи распространяются пассивно, а нервный импульс проводится активно. Скорость этого распространения при прочих равных условиях тем выше, чем больше диаметр волокна.

Рис. 7. Распространяющийся вдоль гигантского аксона кальмара ПД (t° = 18,5° C) [3]:

Рисунок можно рассматривать как моментальный снимок потенциала действия, т.е. как распределение разности потенциалов вдоль мембраны волокна (шкала абсцисс, мм) или временной отрезок изменения потенциала в области одной точки этой мембраны (шкала абсцисс, мс). Направление распространения ПД - справа налево. Возникающий во время восходящей фазы ПД входной ток выходит в еще не возбужденной области мембраны и деполяризует ее до порога возбуждения, благодаря чему ПД распространяется дальше. Обратному направлению распространения ПД препятствуют более низкая плотность локальных токов и состояние рефрактерности аксональной мембраны (инактивация Na+ - каналов, см. рис.4 Б). Оси ординат - МП (левая), плотность открытых каналов на мкм2 площади мембраны (правая).

В миелинизированных волокнах позвоночных потенциалозависимые каналы в основном сосредоточены в мембране перехватов Ранвье. Мембрана между перехватами имеет мало таких каналов и поэтому здесь возможно только электротоническое распространение. Последнее весьма эффективно, т.к. вследствие высокого сопротивления и низкой емкости миелиновой оболочки ток проводится вдоль волокна на далекие расстояния без утечки через мембрану. Нервный импульс «перепрыгивает» с одного с одного перехвата к другому - сальтаторный механизм проведения, - благодаря чему достигается максимальная скорость проведения при минимальном диаметре волокна и наименьшей интенсивности метаболических процессов.

Скорости проведения нервных импульсов в различных волокнах теплокровных (классификация по Эрлангеру и Гассеру):

Группа А включает наиболее толстые, хорошо миелинизированные моторные и чувствительные волокна, группа В - слабомиелинизированные, преганглионарные волокна вегетативной нервной системы, Группа С - немиелинизированные, постганглионарные (симпатические) волокна.

3. Синаптическая передача.

Синапсы - специализированные контакты между нервными клетками или между нервными и эффекторными клетками, используемые для передачи сигналов. Синапсы классифицируют: 1) по их местоположению и принадлежности соответствующим клеткам (нервно-мышечные, нейро-нейрональные, а среди последних - аксо-аксональные, аксо-соматические, аксо-дендритические); 2) по их действию на постсинаптическукю мембрану - возбуждающие и тормозящие; 3) по способу передачи сигналов - электрические (в которых сигналы передаются электрическим током) и химические (в которых передатчиком сигнала - медиатором - является физиологически активное вещество). Описаны также и смешанные - электрохимические - синапсы. Во всех синапсах содержатся такие компоненты, как пресинаптическая и постсинаптическая мембраны и разделяющая их синаптическая щель.

Электрическим синапсам возбуждающего действия свойственна очень узкая синаптическая щель (около 2 - 5 нм ) и очень низкое удельное электрическое сопротивление сближенных пре- и постсинаптических мембран. Низкое сопротивление связано с наличием поперечных каналов диаметром около 1 нм, пересекающих обе мембраны, идущих из клетки в клетку (щелевой контакт, gap junction). Эти каналы объединяют клетки не только электрически, но и химически, т.к. проходимы для многих низкомолекулярных метаболитов. Поэтому возбуждающие синапсы с поперечными каналами формируются, как правило, между нейронами одного вида специализации. Эти синапсы различаются по коэффициенту передачи и по отсутствию или наличию выпрямляющих свойств. Механизм передачи возбуждения в электрическом синапсе подобен проведению возбуждения в нервном проводнике: ток, порождаемый пресинаптическим ПД раздражает постсинаптическую мембрану (рис. 8). Общие свойства электрических синапсов: быстродействие (превосходит таковое химических синапсов), слабость следовых эффектов при передаче (это свойство делает электрические синапсы непригодными для интегрирования и суммации последовательных сигналов), высокая надежность передачи возбуждения. Однако эти синапсы не лишены некоторой пластичности: они могут возникать и исчезать при изменении условий.

Рис. 8. Электрические синапсы между двумя клетками [3]:

А. Приложенная к пресинаптической клетке (4) через микропипетку (1) разность потенциалов DE вызывает через электрические контакты между клетками ток iKo, который может быть измерен в постсинаптической клетке (3) с помощью второй микропипетки (2). Б. Строение "gap junction" при большом увеличении. Каждый канал (6) состоит из двух встроенных в плазматические мембраны клеток (5) полуканалов - коннексонов (7), каждый из которых в свою очередь состоит из шести субъединиц белка коннексина. Плазматические мембраны разделены щелью (8) шириной 2 нм. В,Г Кривые зависимости тока соединения (iKo) от изменения пресинаптического напряжения (DЕ), для невыпрямляющего (В) и выпрямляющего (Г) электрического синапса.

Химические синапсы имеют относительно широкую синаптическую щель (20 - 50 нм) и высокое сопротивление синаптических мембран. В пресинаптической нервной терминали находится большое число пузырьков - синаптических везикул - диаметром около 50 нм, заполненных медиатором.

Механизм работы химического синапса: при деполяризации пресинаптической терминали (вызванной ПД или искусственно) в нее из среды входят ионы Ca2+, которые стимулируют процесс экзоцитоза - опорожнения везикул в синаптическую щель (рис.9).

Рис.9. Схема участия синаптических и мембранных белков в образовании пор для экзоцитоза содержимого везикул в синаптическую щель [4]:

Представлены характерные синаптические и везикулярные белки, а также их предполагаемые рецепторы и функции. Постулируются раздельные участки везикулярной мембраны для заякоривания пузырьков на цитоскелете (1), прикрепления везикулярной мембраны к пресинаптической (2) и высвобождения медиатора через образовавшуюся пору (3). Молекулярные механизмы прикрепления везикул к пресинаптической мембране и образования поры предположительно различны. Некоторые из указанные на схеме белков являются мишенями нейротоксинов (пунктирные стрелки), изменяющих выброс медиатора. Например, структура везикулярных белков синаптобревинов (VAMPs) нарушается под действием столбнячного и ботулинического токсинов; яд паука латротоксин связывается с пресинаптическими мембранными белками нейрексинами и усиливает опорожнение везикул.

1. Синапсины - белки, ассоциированные с везикулами, которые предположительно связывают синаптические пузырьки с цитоскелетом нервного окончания. 2. Прикрепление, образование поры и опорожнение везикул осуществляются взаимодействиями (указаны стрелками) различных везикулярных и мембранных белков. Например, в образовании прикрепительного комплекса участвуют везикулярные белки (синаптотагмин и синаптобревины) и белки плазматической мембраны нервного окончания (синтаксины и нейрексины). 3. Какие белки - плазматические или везикулярные образуют пору слияния до сих пор не ясно. Предположительно, это - синаптофизин (имеющий и другие функции) и белок плазматической мембраны физофилин. 4. Rab-белки могут участвовать в транспорте везикул в клетке и в прикреплении их к мембране нервной клетки. Везикулярные транспортеры играют роль в аккумуляции нейромедиатора в синаптических пузырьках (см. также рис. 5Б).

Одновременно Ca2+ начинает удаляться из цитоплазмы несколькими путями: связывание с белками, захват митохондриями и работа активного транспорта. Выход медиатора зависит от деполяризации терминали и составляет около 100 - 200 везикул, каждая из которых содержит одну порцию (квант), соответствующую приблизительно 104 молекул. Молекулы медиатора диффундируют к постсинаптической мембране, где взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны, регулирующими состояние ионных каналов. Эта регуляция может быть прямой (как, например, в нервно-мышечном соединении скелетных мышц позвоночных), так и включать активацию систем вторичных внутриклеточных медиаторов ( G-белки, цАМФ) (рис.10).

Рис. 10. Синаптические процессы, вызывающие открытие (А1, А2) или закрытие (Б1, Б2) ионных каналов через реализацию различных механизмов взаимодействия медиаторов с рецепторами [4]:

А1 - медиатор, например, ацетилхолин (АХ) или глутамат, непосредственно действует на рецептор Na+/К+ - канала и открывает его (А2); Б1 - медиатор, например, серотонин (5-ГT), связывается с рецептором и стимулирует аденилатциклазу через соединяющий G- белок. При этом фосфорилируется связанный с G-белком ГДФ. Образующийся цАМФ активирует затем протеинкиназу, которая фосфорилирует (Ф) субcтратный белок (или сам канал, или регуляторный белок, контролирующий канал), в результате чего К+ -канал закрывается (Б2).

В первом случае осуществляется передача быстрых пусковых сигналов, во втором - осуществляются более медленные длительные воздействия. Направление изменения потенциала постсинаптической мембраны (деполяризация или гиперполяризация) зависит главным образом от того, открытием каких каналов управляют постсинаптические рецепторы. Часть молекул медиатора может взаимодействовать с пресинаптическими рецепторами, что приводит к изменению МП нервной терминали и, соответственно, количества выделяемого медиатора (обратная связь). Синаптическая щель очищается от медиатора различными путями: дезактивация, гидролиз, обратный захват в пресинаптическое окончание, диффузия, захват глиальными клетками. Основная часть синаптической задержки - времени от прихода нервного импульса до развития постсинаптического ответа (0,2-0,5 мс) приходится на процесс секреции медиатора. Химический синапс обеспечивает передачу сигнала только от пресинаптического нейрона к постсинаптическому.

При частой ритмической стимуляции в химических синапсах наблюдается сначала усиление (облегчение), а затем ослабление (депрессия) передачи, т.е. рост, а затем падение амплитуды постсинаптических потенциалов. Эти явления в основном определяются изменениями в пресинаптическом звене. Они имеют особое развитие в некоторых синапсах ЦНС, где выступают как факторы синаптической пластичности. Наличие различных типов рецепторов в постсинаптической мембране может обусловливать развитие этих явлений по отдельности, как, например, длительную потенциацию (рис.11) и длительную депрессию (рис.12).

Рис. 11. Схема развития длительной потенциации на аксо-шипиковом синапсе в гиппокампе млекопитающих [3]:

Слева - обычный ход возбуждающей синаптической передачи. Единичный ПД в нервном окончании высвобождает глутамат (Глу), который может связываться с постсинаптическими глутаматными рецепторами. Одни из них - AMPA / каинатные (А/К)- рецепторы, каналы которых открываются после связывания с глутаматом. При этом ионы Na+, K+ и Ca2+ проходят через эти каналы, вызывая ВПСП амплитудой, например, 20 мВ. Соединение глутамата с другим типом рецепторов (NMDA-рецепторы) не дает эффекта, т.к. их каналы блокированы ионами Mg2+, которые связаны с внутренними стенками поры при отрицательных значениях МП. Справа - серия ПД вызывает длительную потенциацию за счет большего количества высвобождаемого глутамата. Более сильная деполяризация в этом случае (за счет большего числа активированных А/К каналов) приводит к разблокированию NMDA-каналов путем удаления из них ионов Mg2+. Возникающий относительно сильный Ca2+ ток увеличивает внутриклеточную концентрацию этих ионов, что ведет к активации специфической ферментной системы, чье действие в шипиках длительно повышает реакцию на глутамат. Вероятно, катализируется также образование молекул NO, которые могут диффундировать к пресинаптическому окончанию как ретроградный медиатор и там стимулировать выброс новых квантов глутамата, тем самым, способствуя длительной потенциации.