Строение химических синапсов. Передача сигналов в химических синапсах. Сравнение химического и электрического синапсов. Что же такое синапс

В большинстве синапсов нервной системы для передачи сигналов от пресинаптического нейрона на постсинаптический используются химические вещества - медиаторы или нейротрансмиттеры. Химическая передача сигналов осуществляется посредством химических синапсов (рис. 14), включающих мембраны пре- и постсинаптических клеток и разделяющую их синаптическую щель - область внеклеточного пространства шириной около 20 нм.

Рис.14. Химический синапс

В области синапса аксон обычно расширяется, образуя т.н. пресинаптическую бляшку или концевую пластинку. В пресинаптическом окончании содержатся синаптические везикулы - окруженные мембраной пузырьки диаметром порядка 50 нм, в каждом из которых заключено 10 4 – 5х10 4 молекул медиатора. Синаптическая щель заполнена мукополисахаридом, склеивающим между собой пре- и постсинаптические мембраны.

Установлена следующая последовательность событий при передаче через химический синапс. При достижении потенциалом действия пресинаптического окончания происходит деполяризация мембраны в зоне синапса, активируются кальциевые каналы плазматической мембраны и в окончание входят ионы Ca 2+ . Повышение внутриклеточного уровня кальция инициирует экзоцитоз везикул, наполненных медиатором. Содержимое везикул высвобождается во внеклеточное пространство, и часть молекул медиатора, диффундируя, связываются с рецепторными молекулами постсинаптической мембраны. Среди них есть рецепторы, которые могут непосредственно управлять ионными каналами. Связывание с такими рецепторами молекул медиатора является сигналом для активации ионных каналов. Таким образом, наряду с рассмотренными в предыдущем разделе потенциал-зависимыми ионными каналами существуют медиатор-зависимые каналы (иначе называются лиганд-активируемые каналы или ионотропные рецепторы). Они открываются и пропускают в клетку соответствующие ионы. Движение ионов по их электрохимическим градиентам, порождает натриевый деполяризующий (возбуждающий) или калиевый (хлорный) гиперполяризующий (тормозной) ток. Под воздействием деполяризующего тока развивается постсинаптический возбуждающий потенциал или потенциал концевой пластинки (ПКП). Если этот потенциал превосходит пороговый уровень, открываются потенциалзависимые натриевые каналы и возникает ПД. Скорость проведения импульса в синапсе меньше чем по волокну, т.е. наблюдается синаптическая задержка, напр., в нервно-мышечном синапсе лягушки – 0,5 мс. Описанная выше последовательность событий характерна для т.н. прямой синаптической передачи .

Кроме рецепторов непосредственно управляющих ионными каналами в химической передаче участвуют рецепторы, сопряженные с G-белками или метаботропные рецепторы .

G-белки, названные так по их способности связываться с гуаниновыми нуклеотидами, являются тримерами, состоящими из трех субъединиц: α, β и γ. Существует большое количество разновидностей каждой из субъединиц (20 α, 6 β, 12 γ). что создает основу для огромного количества их комбинаций. G-белки разделяются на четыре основных группы по структуре и мишеням их α-субъединиц: G s стимулирует аденилатциклазу; G i интибирует аденилатциклазу; G q связывается с фосфолипазой С; мишени С 12 пока не известны. Семейство G i включает G t (трансдуцин), который активирует фосфодиэстеразу цГМФ, а также две изоформы G 0 , которые связываются с ионными каналами. Вместе с тем, каждый из G-белков может взаимодействовать с несколькими эффекторами, а разные G-белки могут модулировать активность одних и тех же ионных каналов. В неактивированном состоянии гуанозиндифосфат (ГДФ) связан с α-субъединицей, и все три субъединицы объединены в тример. Взаимодействие с активированным рецептором позволяет гуанозинтрифосфату (ГТФ) заместить ГДФ на α-субъединице, что приводит к диссоциации α-- и βγ -субъединиц (в физиологических условиях β- и γ-субъединицы остаются связанными). Свободные α--и βγ -субъединицы связываются с белками-мишенями и модулируют их активность. Свободная α-субъединица обладает ГТФ-азной активностью, вызывая гидролиз ГТФ с образованием ГДФ. В результате α-- и βγ -субъединицы вновь связываются, что приводит к прекращению их активности.

В настоящее время идентифицировано > 1000 метаботропных рецепторов. В то время как рецепторы, связанные с каналами, вызывают электрические изменения в постсинаптической мембране всего за несколько миллисекунд или еще быстрее, рецепторам, не связанным с каналами, для достижения эффекта требуется несколько сотен миллисекунд и более. Это обусловлено тем обстоятельством, что между первоначальным сигналом и ответом должна пройти серия ферментативных реакций. Более того, часто сам сигнал "размыт" не только во времени, но и пространстве, поскольку установлено, что медиатор может высвобождаться не из нервных окончаний, а из варикозных утолщений (узелков), расположенных вдоль аксона. В этом случае отсутствуют морфологически выраженные синапсы, узелки не прилегают к каким-то специализированным рецептивным участкам постсинаптической клетки. Поэтому медиатор диффундирует в значительном объеме нервной ткани, воздействуя (как гормон) сразу на рецепторное поле у множества нервных клеток, расположенных в различных участках нервной системы и даже за ее пределами. Это т.н. непрямая синаптическая передача.

В ходе функционирования синапсы подвергаются функциональным и морфологическим перестройкам. Этот процесс назван синаптической пластичностью . Наиболее ярко такие изменения проявляются при высокочастотной активности, являющейся естественным условием функционирования синапсов in vivo. Например, частота импульсации вставочных нейронов в ЦНС достигает 1000 Гц. Пластичность может проявляться либо в увеличении (потенциации), либо уменьшении (депрессии) эффективности синаптической передачи. Выделяют кратковременные (длятся секунды и минуты) и долговременные (длятся часы, месяцы, годы) формы синаптической пластичности. Последние особенно интересны тем, что они имеют отношение к процессам научения и памяти. Например, долговременная потенциация - устойчивое усиление синаптической передачи в ответ на высокочастотное раздражение. Этот вид пластичности может продолжаться дни и месяцы. Долговременная потенциация наблюдается во всех отделах ЦНС, но наиболее полно изучена на глутаматергических синапсах в гиппокампе. Долговременная депрессия также возникает в ответ на высокочастотное раздражение и проявляется в виде длительного ослабления синаптической передачи. Этот вид пластичности имеет сходный механизм с долговременной потенциацией, но развивается при низкой внутриклеточной концентрации ионов Са2+, в то время как долговременная потенциация – при высокой.

На выделение медиаторов из пресинаптического окончания и химическую передачу нервного импульса в синапсе могут влиять медиаторы, выделяемые из третьего нейрона. Такие нейроны и медиаторы могут тормозить синаптическую передачу или, напротив, облегчать ее. В этих случаях говорят об гетеросинаптической модуляции - гетеросинаптическом торможении или облегчении в зависимости от конечного результата.

Таким образом, химическая передача более гибкая, чем электрическая, поскольку при этом без труда может осуществляться как возбуждающее, так и тормозное действие. Кроме того, при активации постсинаптических каналов химическими агентами может возникать достаточно сильный ток, способный деполяризовать крупные клетки.

Медиаторы - точки приложения и характер действия

Одна из самых сложных задач, стоящих перед нейрофизиологами, состоит в точной химической идентификации медиаторов, действующих в различных синапсах. К настоящему времени известно довольно много соединений, которые могут выполнять роль химических посредников при межклеточной передаче нервного импульса. Однако точно идентифицировано лишь ограниченное число таких медиаторов; некоторые из будут рассмотрены ниже. Для того чтобы медиаторная функция того или иного вещества в какой-либо ткани была неопровержимо доказана, должны удовлетворяться определенные критерии:

1. при прямом нанесении на постсинаптическую мембрану вещество должно вызывать в постсинаптической клетке абсолютно такие же физиологические эффекты, что и при раздражении пресинаптического волокна;

2. должно быть доказано, что это вещество выделяется при активации пресинаптического нейрона;

3. действие вещества должно блокироваться теми же агентами, которые подавляют и естественное проведение сигнала.

Что такое синапс? Синапс – это особая структура, предоставляющая передачу сигнала от волокон нервной клетки на прочую клетку или волокно от контактной клетки. Для чего необходимо наличие 2 нервных клеток. При этом синапс представлен в 3 функциональных участках (предсинаптический фрагмент, синаптическая щель и постсинаптический фрагмент) нервных клеток и располагается в области, где клетка контактирует с мышцами и железами человеческого организма.

Система нейронных синапсов осуществляется по их локализации, типу деятельности и методу транзита имеющихся сигнальных данных. Относительно локализации синапсы различают: нейронейрональные, нервно-мышечные . Нейронейрональные на аксосоматические, дендросоматические, аксодендритические, аксоаксональные.

По типу деятельности на восприятие синапсы принято выделять: возбуждающие и не менее важные тормозящие. Относительно метода транзита информационного сигнала классифицируют их на:

1. Электрический тип.
2. Химический тип.
3. Смешанный тип.

Этиология контактирования нейронов сводится к типу этого стыкования , которое может быть дистантным, контактным, а также пограничным. Соединение дистантного свойства выполняется посредством 2 нейронов, размещённых во многих частях организма.

Так, в тканях человеческого мозга генерируются нейрогормоны и вещества-нейропептиды, влияющие на присутствующие нейроны организма другого местоположения. Контактное соединение сводится к особым стыковкам плёнок-мембран типичных нейронов, составляющих синапсы химического направления, а также составляющих электрического свойства.

Смежная (пограничная) работа нейронов производится во время, в течение которого плёнки-мембраны нейронов перегорожены лишь синаптической щелью. Как правило, такое слияние наблюдается, если между 2 специальными плёнками-мембранами отсутствуют глиальные ткани . Данная смежность свойственна параллельным волокнам мозжечка, аксонам специального нерва обонятельного назначения и так далее.

Существует мнение, что смежный контакт провоцирует работу рядом расположенных нейронов в произведении общей функции. Это наблюдается по причине того, что метаболиты, плоды действия человеческого нейрона, проникая внутрь полости, расположенной, между клетками оказывают влияние на близлокализующиеся активные нейроны. Причём пограничное соединение часто может передавать данные электрического характера от 1 рабочего нейрона к 2 участнику процесса.

Синапсы электрического и химического направления

Действие слияния плёнок-мембран принято считать электрическими синапсами . В условиях, когда необходимая синаптическая щель прерывистая с промежутками перегородок монолитного соединения. Эти перегородки формируют чередующуюся конструкцию отделений синапса, при этом отделения обособлены фрагментами приближенных мембран, промежуток между которыми в синапсах обычного склада равен 0,15 - 0,20 нм у представителей млекопитающих существ. В месте соединения плёнок-мембран присутствуют пути, с помощью которых происходит обмен частью плодов.

Помимо отдельчатых типов синапсов существуют необходимые электрические типичные синапсы в виде единой синаптической щели, общий периметр которой простирается на 1000 мкм. Так, подобное синаптическое явление представлено в нейронах ресничного ганглия .

Электрические синапсы способны проводить качественное возбуждение в одностороннем порядке. Этот факт отмечается при фиксации электрического резерва синаптической составляющей. Например, в момент при касании афферентных канальцев синаптическая плёнка-мембрана деполяризуется, когда с касанием эфферентных частиц волокон напортив - гиперполяризуется. Считается, что синапсы действующих нейронов с общими обязанностями могут осуществлять требуемое возбуждение (между 2 пропускающими участками) в обе стороны.

Напротив, синапсы присутствующих нейронов с разным перечнем действий (моторные и сенсорные) проводят акт возбуждения односторонне . Основная работа синаптических составляющих обуславливается продуцированием безотлагательных реакций организма. Электрический синапс подлежит незначительной доли утомляемости, обладает значительным процентом устойчивости к внутренне-наружным факторам.

Химические синапсы обладают видом предсинаптического сегмента, функциональной синаптической щели с фрагментом постсинаптической составляющей. Предсинаптический фрагмент формируется увеличением размера аксона внутри собственного канальца или к его завершению. В этом фрагменте присутствуют гранулярные, а также агранулярные специальные мешочки, содержащие медиатор.

Предсинаптическое увеличение наблюдает локализацию активных митохондрий, генерирующую частицы вещества-гликогена, а также требуемую выработку медиатора и другое. В условиях частого соприкосновения с предсинаптическим полем резерв медиатора в имеющихся мешочках утрачивается.

Существует мнение, что малые гранулярные пузырьки имеют такое вещество, как норадреналин, а большие – катехоламины. Причём в агранулярных полостях (пузырьках) располагается ацетилхонин. Помимо этого, медиаторами усиленного возбуждения считаются вещества, образованные по типу вырабатываемой аспарагиновой или не менее значимой кислоты глутамина.

Действующие контакты синапса часто располагаются между:

• Дендритом и аксоном.
• Сомой и аксоном.
• Дендритами.
• Аксонами.
• Сомой клетки и дендритами.

Влияние выработанного медиатора относительно присутствующей постсинаптической плёнки-мембраны происходит из-за чрезмерного проникновения её частиц натрия. Генерация мощных изливаний частиц натрия из рабочей синаптической щели сквозь постсинаптическую плёнку-мембрану формирует её деполяризацию, образуя возбуждение постсинаптического резерва. Транзиту химического направления данных синапса свойственно синаптическое приостановление возбуждения по времени равному 0,5 мс с выработкой постсинаптического резерва, как реакция на предсинаптический поток.

Данная возможность в момент возбуждения представляется в деполяризации постсинаптической плёнки-мембраны, а в момент приостановления в её гиперполяризации. Из-за чего наблюдается приостановленный постсинаптический резерв . Как правило, во время сильного возбуждения повышается уровень проницаемости постсинаптической плёнки-мембраны.

Требуемое возбуждающее свойство фиксируется внутри нейронов, если в типичных синапсах работает норадреналин, вещество-дофамин, ацетил холин, важный серотонин, вещество Р и кислота глутамина.

Сдерживающий потенциал формируется во время влияния на синапсы из гамма-аминомаслянной кислоты и глицина.

Умственная работоспособность детей

Работоспособность человека напрямую определяет его возраст, когда все значения увеличиваются одновременно с развитием и физическим ростом детей.

Точность и скорость умственных действий с возрастом осуществляется неравномерно в зависимости от прочих факторов, фиксирующих развитие и физический рост организма. Учащимся любого возраста, у которых присутствуют отклонения здоровья , характерна работоспособность низкого значения относительно окружающих крепких детей.

У здоровых первоклашек со сниженной готовностью организма к постоянному процессу обучения по некоторым показателям способность к действию является низкой, что усложняет борьбу с возникающими проблемами в процессе учёбы.

Скорость наступления ослабленности обуславливается исходным состоянием детской системы чувствительного нервного генеза, рабочим темпом и объёмом нагрузки. При этом дети склонны к переутомлению во время продолжительной неподвижности и когда выполняемые действия ребёнку неинтересны. После перерыва работоспособность становится прежней или становится выше прежней, причём лучше отдых делать не пассивным, но активным, переключившись на отличное от этого занятие.

Первая часть учебного процесса у обычных детей начальных классов сопровождается отличной работоспособностью, но к окончанию 3 урока у них отмечается снижение концентрации внимания:

• Они глядят в окно.
• Невнимательно слушают слова учителя.
• Изменяют положения своего тела.
• Начинают разговаривать.
• Встают со своего места.

Специфически велики значения работоспособности у старшеклассников, обучающихся во 2 смену. Особенно важно обратить внимание на то, что достаточно коротко время для подготовки к занятиям до времени начала учебного действия в классе и не гарантирует полноценного избавления от пагубных изменений в центральной нервной системе. Умственная активность быстро истощается в первые часы уроков, что явно отмечается в отрицательном поведении.

Посему качественные сдвиги работоспособности наблюдаются у учеников младшего блока на уроках с 1 - 3, а блоках среднего-старшего звена на 4 - 5 занятии. В свою очередь, 6 урок проходит в условиях особенно сниженной способности к действию. При этом продолжительность занятия у 2 - 11 классников – 45 минут, что ослабляет состояние детей. Поэтому рекомендуется периодически сменять вид работы, а в середине урока провести активную паузу.

Химические синапсы можно классифицировать по их место­положению и принадлежности соответствующим структурам: пе­риферические (нервно-мышечные, нейросекреторные, рецеп-торно-нейрональные); центральные (аксосоматические, аксоден-Дритные, аксоаксональные, соматодендритные, соматосоматиче-ские); по знаку шс действия - возбуждающие и тормозящие; по медиатору, который осуществляет передачу, - холинергичес-кие, адренергические, серотонинергические, глицинергические и т.д.

Синапс состоит из трех основных элементов: пресинаптической мембраны, постсинаптической мембраны и синаптической щели. Особенностью постсинаптической мембраны является на­личие в ней специальных рецепторов, чувствительных к опреде­ленному медиатору, и наличие хемозависимых ионных каналов. Возбуждение передается с помощью медиаторов (посредников). Медиаторы - это химические вещества, которые в зависимости от их природы делятся на следующие группы: моноамины (аце-тилхолин, дофамин, норадреналин, серотонин), аминокислоты (гамма-аминомасляная кислота - ГАМК, глутаминовая кислота, глицин и др.) и нейропептиды (вещество Р, эндорфины, нейро-тензин, ангиотензин, вазопрессин, соматостатин и др.). Медиа­тор находится в пузырьках пресинаптического утолщения, куда он может поступать либо из центральной области нейрона с по­мощью аксонального транспорта, либо за счет обратного захвата медиатора из синаптической щели. Он может также синтезиро­ваться в синаптических терминалях из продуктов его расщепления.

Когда к окончанию аксона приходит ПД и пресинаптическая мембрана деполяризуется, ионы кальция начинают поступать из внеклеточной жидкости внутрь нервного окончания (рис. 8). Кальций активирует перемещение синаптических пузырьков к пресинаптической мембране, где они разрушаются с выходом медиатора в синаптическую щель. В возбуждающих синапсах медиатор диффундирует в щели и связывается с рецепторами постсинаптической мембраны, что приводит к открытию кана­лов для ионов натрия, а следовательно, к ее деполяризации - возникновению возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). Между деполяризованной мембраной и соседними с ней участками возникают местные токи. Если они деполяризуют мембрану до критического уровня, то в ней возникает потенциал действия. В тормозных синапсах медиатор (например, глицин) аналогичным образом взаимодействует с рецепторами постси­наптической мембраны, но открывает в ней калиевые и/или хлорные каналы, что вызывает переход ионов по концентраци­онному градиенту: калия из клетки, а хлора - внутрь клетки. Это приводит к гиперполяризации постсинаптической мембраны - возникновению тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП).

Один и тот же медиатор может связываться не с одним, а с несколькими различными рецепторами. Так, ацетилхолин в нервно-мышечных синапсах скелетных мышц взаимодействует с Н-холинорецепторами, которые открывают каналы для натрия, что вызывает ВПСП, а в вагосердечных синапсах он действует на М-холинорецепторы, открывающие каналы для ионов калия (ге­нерируется ТПСП). Следовательно, возбуждающий или тормоз­ной характер действия медиатора определяется свойствами постсинаптической мембраны (видом рецептора), а не самого ме­диатора.

Рис. 8. Нервно-мышечный синапс

К окончанию нервного волокна приходит потенциал действия (ПД); си-наптические пузырьки высвобождают медиатор (ацетилхолин) в синапти-ческую щель; ацетилхолин (АХ) связывается с рецепторами постсинапти-ческой мембраны; потенциал постсинаптической мембраны снижается от минус 85 до минус 10 мВ (возникает ВПСП). Под действием тока, иду­щего от деполяризованного участка к недеполяризованным, возникает потенциал действия на мембране мышечного волокна

Кроме нейромедиаторов, пресинаптические окончания выде­ляют вещества, которые не участвуют непосредственно в переда­че сигнала и играют роль нейромодуляторов эффектов сигнала. Модуляция осуществляется влиянием либо на выделение медиа­тора, либо на его связывание рецепторами постсинаптического нейрона, а также на реакцию этого нейрона на медиаторы. Функцию классических медиаторов выполняют амины и аминокисло­ты, функцию нейромодуляторов - нейропептиды. Медиаторы синтезируются в основном в терминалях аксона, нейропептиды образуются в теле нейрона путем синтеза белков, от которых они отщепляются под влиянием протеаз.

Синапсы с химической передачей возбуждения обладают ря­дом общих свойств: возбуждение через синапсы проводится толь­ко в одном направлении, что обусловлено строением синапса (ме­диатор выделяется только из пресинаптической мембраны и вза­имодействует с рецепторами постсинаптической мембраны); пе­редача возбуждения через синапсы осуществляется медленнее, чем по нервному волокну (синаптическая задержка); синапсы об­ладают низкой лабильностью и высокой утомляемостью, а также высокой чувствительностью к химическим (в том числе и к фармакологическим) веществам; в синапсах происходит трансфор­мация ритма возбуждения.

Структура химического синапса

Схема процесса передачи нервного сигнала в химическом синапсе

Гипотеза пороцитоза

Существуют существенные экспериментальные подтверждения того, что медиатор секретируется в синаптическую щель благодаря синхронной активации гексагональных групп МПВ (см. выше) и присоединенных к ним везикул , что стало основой для формулирования гипотезы пороцитоза (англ. porocytosis ). Эта гипотеза базируется на наблюдении, что присоединенные к МПВ везикулы при получении потенциала действия синхронно сокращаются и при этом секретируют в синаптическую щель каждый раз одинаковое количество медиатора, высвобождая только часть содержимого каждой из шести везикул. Сам по себе термин «пороцитоз» происходит от греческих слов poro (что означает поры) и cytosis (описывает перенос химических субстанций через плазматическую мембрану клетки).

Большинство экспериментальных данных о функционировании моносинаптических межклеточных соединений получены благодаря исследованиям изолированных нервно-мышечных контактов. Как и в межнейронных, в нервно-мышечных синапсах МПВ формируют упорядоченные гексагональные структуры . Каждая из таких гексагональных структур может быть определена как «синаптомер» - то есть структура, которая является элементарной единицей в процессе секреции медиатора. Синаптомер содержит, кроме собственно поровых углублений, протеиновые нитчатые структуры, содержащие линейно упорядоченные везикулы; существование аналогичных структур доказано и для синапсов в центральной нервной системе (ЦНС).

Как было сказано выше, пороцитозный механизм генерирует квант нейромедиатора , но без того, чтобы мембрана индивидуальной везикулы полностью сливалась с пресинаптической мембраной. Малый коэффициент вариации (<3 %) у величин постсинаптических потенциалов является индикатором того, что в единичном синапсе имеются не более 200 синаптомеров , каждый из которых секретирует один квант медиатора в ответ на один потенциал действия . 200 участков высвобождения (то есть синаптомеров, которые высвобождают медиатор), найденные на небольшом мышечном волокне, позволяют рассчитать максимальный квантовый лимит, равный одной области высвобождения на микрометр длины синаптического контакта , это наблюдение исключает возможность существования квантов медиатора, обеспечивающих передачу нервного сигнала, в объеме одной везикулы.

Сравнение гипотез пороцитоза и квантово-везикулярной

Сравнение недавно общепринятой гипотезы КВЭ с гипотезой пороцитоза может быть осуществлено посредством сравнения теоретического коэффициента вариации с опытным, рассчитанным для амплитуд постсинаптических электрических потенциалов, генерируемых в ответ на каждый отдельный выброс медиатора из пресинапса. Если принять, что процесс экзоцитоза проходит в небольшом синапсе, где содержится около 5 000 везикул (50 на каждый микрон длины синапса), постсинаптические потенциалы должны быть сгенерированы 50-ю случайно выбранными везикулами, что даёт теоретический коэффициент вариации 14 %. Эта величина примерно в 5 раз больше, чем коэффициент вариации постсинаптических потенциалов, получаемых в опытах, таким образом, можно утверждать, что процесс экзоцитоза в синапсе не является случайным (не совпадает с распределением Пуассона) - что невозможно, если объяснять его в рамках гипотезы КВЭ, но вполне соответствует гипотезе пороцитоза. Дело в том, что гипотеза пороцитоза предполагает, что все связанные с пресинаптической мембраной везикулы выбрасывают медиатор одновременно; при этом постоянное количество медиатора, выбрасываемого в синаптическую щель в ответ на каждый потенциал действия (об устойчивости свидетельствует малый коэффициент вариации постсинаптических ответов) вполне может быть объяснено высвобождением малого объема медиатора большим количеством везикул - при этом, чем больше везикул, участвующих в процессе, тем меньше становится коэффициент корреляции , хотя это и выглядит с точки зрения математической статистики несколько парадоксально.

Классификация

Химические синапсы можно классифицировать по их местоположению и принадлежности соответствующим структурам:

• периферические
  • нервно-мышечные
  • нейросекреторные (аксо-вазальные)
  • рецепторно-нейрональные
• центральные
  • аксо-дендритические - с дендритами, в том числе аксо-шипиковые - с дендритными шипиками, выростами на дендритах;
  • аксо-соматические - с телами нейронов;
  • аксо-аксональные - между аксонами;
  • дендро-дендритические - между дендритами;

В зависимости от медиатора синапсы разделяются на

• аминергические, содержащие биогенные амины (например, серотонин, дофамин;
  • в том числе адренергические, содержащие адреналин или норадреналин;
• холинергические, содержащие ацетилхолин;
• пуринергические, содержащие пурины;
• пептидергические, содержащие пептиды.

При этом в синапсе не всегда вырабатывается только один медиатор. Обычно основной медиатор выбрасывается вместе с другим, играющим роль модулятора.

По знаку действия:

• возбуждающие
• тормозные.

Если первые способствуют возникновению возбуждения в постсинаптической клетке, то вторые, наопротив, прекращают или предотвращают его появление. Обычно тормозными являются глицинергические (медиатор - глицин) и ГАМК-ергические синапсы (медиатор - гамма-аминомасляная кислота).

В некоторых синапсах присутствует постсинаптическое уплотнение - электронно-плотная зона, состоящая из белков. По её наличию или отсутствию выделяют синапсы асимметричные и симметричные. Известно, что все глутаматергические синапсы асимметричны, а ГАМКергические - симметричны.

В случаях, когда с постсинаптической мембраной контактирует несколько синаптических расширений, образуются множественные синапсы.

К специальным формам синапсов относятся шипиковые аппараты, в которых с синаптическим расширением контактируют короткие одиночные или множественные выпячивания постсинаптической мембраны дендрита. Шипиковые аппараты значительно увеличивают количество синаптических контактов на нейроне и, следовательно, количество перерабатываемой информации. «Не-шипиковые» синапсы называются «сидячими». Например, сидячими являются все ГАМК-ергические синапсы.

Примечания

Ссылки

• Савельев А. В. Источники вариаций динамических свойств нервной системы на синаптическом уровне // Искусственный интеллект . - НАН Украины, Донецк, 2006. - № 4. - С. 323-338.

См. также

Гистология : Нервная ткань
Нейроны (Серое вещество)	Сома · Аксон (Аксонный холмик, Терминаль аксона, Аксоплазма, Аксолемма, Нейрофиламенты) Дендрит (Вещество Ниссля , Дендритный шипик , Апикальный дендрит, Базальный дендрит) типы : Биполярные нейроны · Псевдополярные нейроны · Мультиполярные нейроны · Пирамидальный нейрон · Клетка Пуркинье · Гранулярная клетка
Афферентный нерв/ Сенсорный нерв/ Сенсорный нейрон	GSA · GVA · SSA · SVA · Нервные волокна (Мышечные веретёна (Ia) , Нервно-сухожильное веретено , II or Aβ, Aδ-волокна, C-волокна)
Эфферентный нерв/ Моторный нерв/ Моторный нейрон	GSE · GVE · SVE · Верхний моторный нейрон · Нижний моторный нейрон (α мотонейроны, γ мотонейроны)
Синапс	Нейропиль · Синаптический пузырек · Нервно-мышечный синапс · Электрический синапс · Химический синапс · Интернейрон (Клетки Реншоу)
Сенсорный рецептор	Чувствительное тельце Мейснера · Нервное окончание Меркеля · Тельца Пачини · Окончание Руффини · Нервномышечное веретено · Свободное нервное окончание · Обонятельный нейрон · Фоторецепторные клетки ·

- это специализированная структура, обеспечивающая межклеточную передачу сигналов электрической и (или) химической природы.

С помощью синапсов передается информация от рецепторных клеток на дендриты чувствительных нейронов, с одной на другую, с нервной клетки на волокно скелетной мышцы, железистые и другие эффекторные клетки. Через синапсы могут оказываться возбуждающие или тормозные влияния на клетки, активироваться или подавляться их метаболизм и другие функции.

Термин «синапс» ввел И. Шеррингтон в 1897 г. В настоящее время синапсами называют специализированные функциональные контакты между возбудимыми клетками (нервными, мышечными, секреторными), служащие для передачи и преобразования нервных импульсов.

Строение синапса

Электронно-микроскопические исследования выявили, что синапсы имеют три основных элемента: пресинаптическую мембрану, постсинаптическую мембрану и синаптическую щель (рис. 1).

Передача информации через синапс может осуществляться химическим или электрическим путем. Смешанные синапсы сочетают химические и электрические механизмы передачи.

Рис. 1. Основные элементы синапса

Виды синапсов

По механизму передачи возбуждения синапсы подразделяют на электрические и химические.

Электрические синапсы образуются между клетками, формирующими между мембранами плотные щелевые контакты. Ширина щели составляет около 3 нм, и между контактирующими мембранами образуются общие ионные каналы с диаметром поры около 1-2 нм. Через эти каналы и осуществляется передача информации с помощью электрических ионных токов. Через каналы электрических синапсов клетки могут обмениваться также небольшими по размеру сигнальными молекулами органической природы. Названные вещества способны перемещаться в электрических синапсах с большой скоростью в обоих направлениях, и переносимая с их помощью информация также может передаваться в обоих направлениях (в отличие от химических синапсов).

Электрические синапсы имеются уже в эмбриональном мозге и остаются наряду с химическими синапсами в зрелой позвоночных.

Ионные токи, перемещающиеся из пресинаптического нейрона в постсинаптический, вызывают на его мембране колебания разности потенциалов — постинаптический потенциал амплитудой около 1 мВ и могут вызвать генерацию на ней ПД. В свою очередь возникший ПД может вызвать обратный ток ионов через каналы щелевых контактов к пресинаптическому нейрону и становится источником модуляции разности потенциалов на его мембране. Нейрон может формировать щелевые контакты (электрические синапсы) с рядом других нейронов, поэтому практически одновременное протекание ионных токов между ними способствует синхронизации активности группы нервных клеток, связанных этими синапсами. Электрические синапсы чаще выявляются в областях мозга, в которых регистрируется высоко синхронизированная нейронная активность.

Как уже упоминалось ранее, ионные каналы щелевых контактов имеются не только между нервными, но и между глиальными клетками, между гладкими миоцитами, между кардиомиоцитами, между железистыми клетками.

Химические синапсы образуются специализированными структурами двух клеток в области их контакта (рис. 2). Одной из этих клеток, которую называют пресинаптической, обычно является нервная клетка, но ею может быть и специализированная чувствительная клетка иной природы (например, сенсоэпителиальная слуховая или вкусовая клетка, гломусные клетки аортального тельца). Пресинаптическая нервная клетка обычно формирует синапс на другой клетке с помощью мембраны нервного окончания (аксона). В этом случае окончание аксона называют пресинаптической, или аксонной, терминально.

Часть мембраны окончания, обращенную в сторону постсинаптической клетки, называют пресинаптической . Клетку, на которой формируется синаптический контакт, называют постсинаптической , а часть плазматической мембраны клетки, обращенную к пресинаптической мембране, — постсинаптической .

Узкое щелевидное пространство, разделяющее пресинаптическую и постсинаптическую мембраны, называют синаптической щелью (см. рис. 2.). Таким образом, для химических синапсов общими структурными элементами являются пресинаптическая часть (нервное окончание и пресинаптическая мембрана), синаптическая щель, постсинаптическая часть (постсинаптическая мембрана).

Рис. 2. Строение синапса и процессы, осуществляемые в ходе синаптической передачи сигнала

Химические синапсы могут образовываться между двумя нервными клетками с участием отростков и тела клетки. В зависимости от структур нейронов, образующих синаптическое соединение, синапсы делят на аксосоматические, аксоаксональные, аксодендритные, дендродендритные. Синапсы, располагающиеся в пределах ЦНС, называют центральными, а находящиеся вне ЦНС — периферическими. Периферические синапсы передают сигналы нервных волокон на эффекторные органы (мышечные волокна, железистые клетки).

Химические синапсы

Химический синапс - межклеточное образование, которое обеспечивает передачу сигнала с помощью химического посредника-медиатора.

Передача информации в химических синапсах осуществляется через синаптическую щель — область внеклеточного пространства шириной 10-50 нм, разделяющую пре- и постсинаптические мембраны клеток. В пресинаптическом окончании содержатся синаптические везикулы (рис. 3) — мембранные пузырьки диаметром около 50 нм, в каждом из которых заключено 1 . 10 4 — 5 . 10 4 молекул медиатора. Общее количество таких пузырьков в пресинаптических окончаниях составляет несколько тысяч. Цитоплазма синаптической бляшки содержит митохондрии, гладкий эндоплазматический ретикулум, микрофиламенты.

Синаптическая щель заполнена мукополисахаридом, «склеивающим» пре- и постсинаптическую мембраны.

Постсинаптическая мембрана содержит крупные белковые молекулы, выполняющие функции рецепторов, чувствительных к медиатору, а также многочисленные каналы и поры, через которые в пост- синаптический нейрон могут поступать ионы.

Рис. 3. Строение химического синапса

Характеристика химического синапса

• Принцип «физиологического клапана»
• При участии посредника-медиатора
• Синаптическая задержка
• Принцип Дейла
• Трансформация ритма возбуждения
• Синаптическое облегчение и депрессия
• Утомляемость
• Явление суммации, подчинение закону силы
• Низкая лабильность
• Чувствительность к химическим факторам

Передача информации в химических синапсах

При поступлении потенциала действия к пресинаптическому окончанию происходит деполяризация пресинаптической мембраны и повышается ее проницаемость для ионов Са 2+ (рис. 4). Повышение концентрации ионов Са 2+ в цитоплазме синаптической бляшки инициирует экзоцитоз везикул, наполненных медиатором.

Содержимое везикул высвобождается в синаптическую щель, и часть молекул медиатора диффундирует, связываясь с рецептор- ными молекулами постсинаптической мембраны. В среднем каждая везикула содержит около 3000 молекул медиатора, а диффузия медиатора до постсинаптической мембраны занимает около 0,5 мс.

При связывании молекул медиатора с рецептором его конфигурация изменяется, что приводит к открытию ионных каналов и поступлению через постсинаптическую мембрану в клетку ионов, вызывающих развитие потенциала концевой пластинки (ПКП).

Рис. 4. Последовательность событий, происходящих в химическом синапсе от момента возбуждения пресинаптического окончания до возникновения ПД в постсинаптической мембране

ПКП возникает в нервно-мышечных синапсах, в остальных — возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) или тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). ПКП есть результат местного изменения проницаемости постсинаптической мембраны для ионов Na + , К + и СI. ПКП не активирует другие хемовозбудимые каналы постсинаптической мембраны, и его величина зависит от концентрации медиатора, действующего на мембрану: чем больше концентрация медиатора, тем выше (до определенного предела) ПКП (ВПСП и ТПСП). Таким образом, ПКП (ВПСП, ТПСП), в отличие от потенциала действия, градуален. При достижении ПКП (ВПСП) некоторой пороговой величины возникают местные токи между участком деполяризованной постсинаптической мембраны с соседними участками электровозбудимой мембраны, что вызывает генерацию потенциала действия.

Если медиатор вызывает открытие Na + -каналов, то возникает ВПСП (по типу деполяризации); если медиатор открывает К+ и СI- каналы, то развивается ТПСП (по типу гиперполяризационного торможения).

Таким образом, процесс передачи возбуждения через химический синапс может быть схематически представлен в виде следующей цепи явлений: потенциал действия на пресинаптической мембране → поступление ионов Ca 2 i внутрь нервного окончания → освобождение медиатора → диффузия медиатора через синаптическую щель к постсинаптической мембране → взаимодействие медиатора с рецептором → активация хемовозбудимых каналов постсинаптической мембраны возникновение потенциала концевой пластинки (ВПСП) критическая деполяризация постсинаптической электровозбудимой мембраны → генерация потенциала действия.

Медиаторы - это биологически активные вещества, посредством которых осуществляются межклеточные взаимодействия в синапсах. К ним относятся ацетилхолин, катехоламины: адреналин, норадре- налин, дофамин; серотонин, гистамин, простагландины, глицин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). ГАМК и глицин — наиболее распространенные медиаторы синаптического торможения.

В 1935 г. Г. Дейлом было сформулировано правило (принцип Дейла), согласно которому каждая нервная клетка выделяет только один определенный медиатор. Поэтому принято обозначать нейроны по типу медиатора, который выделяется в их окончаниях. Так, нейроны, освобождающие ацетилхолин, называются холинергическими, норадреналин — адренергическими, серотонин — серотонинерги- ческими, амины — аминергическими и т.д.

Химические синапсы имеют два общих свойства:

• возбуждение через химический синапс передается только в одном направлении — от пресинаптической мембраны к постсинаптической мембране (одностороннее проведение);
• возбуждение проводится через синапс значительно медленнее, чем по нервному волокну (синаптическая задержка).

Односторонность проведения обусловлена высвобождением медиатора из пресинаптической мембраны и локализацией рецепторов на постсинаптической мембране. Замедление проведения через синапс (синаптическая задержка) возникает вследствие того, что проведение является многоэтапным процессом (секреция медиатора, диффузия медиатора к постсинаптической мембране, активация хеморецепторов, рост ПКП до пороговой величины) и для протекания каждого из перечисленных этапов требуется время. Кроме того, наличие относительно широкой синаптической щели препятствует проведению импульса с помощью локальных токов.

Особенности строения и функционирования электрических синапсов

Электрический синапс — межклеточное образование, которое обеспечивает передачу импульса возбуждения посредством возникновения электрического тока между пресинаптическим и постсинаптическим отделами.

Электрические синапсы широко распространены в нервной системе беспозвоночных, а у млекопитающих встречаются крайне редко. Вместе с тем электрические синапсы у высших животных широко распространены в сердечной мышце, гладкой мускулатуре, в печени, эпителиальной и железистых тканях.

Ширина синаптической щели в электрических синапсах составляет всего 2-4 нм, что значительно меньше, чем в химических синапсах. Важной особенностью электрических синапсов является наличие между пре- и постсинаптической мембранами своеобразных мостиков, образованных белковыми молекулами, - нексусов. Они представляют собой каналы шириной 1-2 нм (рис. 5).

Свойства электрических синапсов

• Быстродействие (значительно превосходит в химических синапсах)
• Слабость следовых эффектов (практически отсутствует суммация последовательных сигналов)
• Высокая надежность передачи возбуждения
• Пластичность
• Одно- и двухсторонность передачи

Рис. 5. Структура электрического синапса. Характерные особенности: узкая (2-4 нм) синаптическая щель и наличие каналов, образованных белковыми молекулами

Благодаря наличию каналов, размеры которых позволяют переходить из клетки в клетку неорганическим ионам и даже небольшим молекулам, электрическое сопротивление такого синапса, получившего название щелевого или высокопроницаемого контакта, оказывается очень низким. Такие условия позволяют пресинаптическому току распространяться на постсинаптическую клетку практически без угасания.

Электрические синапсы обладают рядом специфических функциональных свойств:

• синаптическая задержка практически отсутствует, т.е. интервал между приходом импульса в пресинаптическое окончание и началом постсинаптического потенциала отсутствует;
• в электрических синапсах двустороннее проведение, хотя стереометрические особенности синапса делают проведение в одном направлении более эффективным;
• электрические синапсы, в отличие от химических, могут обеспечить передачу только одного процесса — возбуждения;
• электрические синапсы менее подвержены воздействию различных факторов (фармакологических, термических и т.д.).

Наряду с химическими и электрическими синапсами, у некоторых нейронов имеются так называемые смешанные синапсы. Их главная особенность заключается в том, что электрическая и химическая передача осуществляется параллельно, поскольку щель между пре- и постсинаптической мембранами имеет участки со структурой химического и электрического синапсов.