O 3.4. Постсинаптические потенциалы. Распространение потенциала действия по нейрону

Запуск импульсной активности в нервной системе осуществляют два основных фактора. Первый из них — стимулы, действующие на чувствительные клетки сенсорных систем и изменяющие проницаемость их мембраны. Это приводит к развитию особых рецепторных потенциалов и в итоге — к генерации ПД.

Второй фактор — выделение медиатора из пресинаптического окончания. Попав в синаптическую щель, медиатор воздействует на постсинаптическую мембрану, возбуждая или тормозя следующий нейрон.

Процессы подобного возбуждения или торможения связаны с деятельностью еще одного типа ионных каналов — лиганд-зависимых (хемочувствительных). Они находятся на мембране, непосредственно окружающей синаптический контакт. Обычно они закрыты. Их открывание происходит лишь при появлении медиатора, несущего сигнал химического вещества (отсюда термин «хемочувствительные»).

Лиганд-зависимые каналы можно разделить на три основных класса: избирательно проницаемые по отношению к ионам Na⁺, ионам К⁺ и ионам Cl⁻. Отрывание первых из них приведет к входу в клетку ионов Na⁺ и деполяризации нейрона (рис. 3.14, а), во время которой разность потенциалов на мембране оказывается приближенной к порогу запуска ПД. В этот момент меньший, чем обычно, стимул может вызвать реакцию нейрона, т. е. нервная клетка находится в относительно возбужденном состоянии. В связи с этим локальная деполяризация мембраны под действием медиатора была названа возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП). Медиаторы, вызывающие ВПСП, отнесены к группе возбуждающих медиаторов.

Рис. 3.14. Изменение разности потенциалов на мембране нервной клетки при возникновении ВПСП (а) и ТПСП (б)

Открывание хемочувствительных Cl⁻-каналов приводит к входу в клетку ионов хлора; открывание К⁺-каналов — к выходу ионов калия. В этих случаях возникает гиперполяризация и разность потенциалов на мембране нейрона увеличивается по абсолютной величине (рис. 3.14, б), поэтому для запуска ПД необходим больший, чем обычно, стимул. Следовательно, нервная клетка находится в относительно заторможенном состоянии. В связи с этим локальная гиперполяризация мембраны под действием медиатора была названа тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП). Медиаторы, вызывающие ТПСП, отнесены к группе тормозных медиаторов.

Усредненные параметры ВПСП и ТПСП весьма близки (рис. 3.14). Их длительность составляет обычно около 10 мс (иногда 50—100 мс), что существенно больше, чем в случае ПД. Амплитуда ВПСП и ТПСП определяется длительностью и крутизной наклона их первой фазы, которая зависит от количества и длительности существования медиатора в синаптической щели. Амплитуда одиночных постсинаптических потенциалов в ЦНС составляет 1—5 мВ. В крупном нервно-мышечном синапсе аналог ВПСП — потенциал концевой пластинки, может достигать 40 и более мВ.

При детальном анализе сигнала можно видеть, что первые фазы ВПСП и ТПСП имеют ступенчатый характер, т. е. нарастают дискретно, шагами (квантами). Такая дискретность связана с тем, что выброс медиатора в синаптическую щель также идет квантами, где квант — одна везикула. В каждой везикуле содержится несколько тысяч молекул медиатора, и их воздействие на постсинаптическую мембрану вызывает сдвиг потенциала примерно на 0,1 мВ.

В подавляющем большинстве случаев (кроме потенциала концевой пластинки) одиночный ВПСП не способен запустить ПД, так как возбуждение, вызываемое медиатором, не дорастает до порогового уровня. Для достижения порога запуска ПД необходима суммация (наложение) нескольких ВПСП.

Выделяют два варианта суммации — временную и пространственную. Временная суммация — объединение эффектов стимулов, пришедших по одному «каналу» с большой частотой (рис. 3.15): если к еще не угасшему ВПСП присоединить второй, затем третий и т.д., — возникнет реальная возможность запустить ПД. Это означает, что сигнал, достигший синапса, достаточно интенсивен и «заслуживает» того, чтобы быть переданным дальше по сети нейронов.

Рис. 3.15. Схема временной суммации ВПСП, возникающих при повторной стимуляции синапса, выделяющего возбуждающий медиатор

Рис. 3.16. Схема пространственной суммации ВПСП в результате одновременного срабатывания синапсов 1 — 3

Пространственная суммация заключается в наложении друг на друга ВПСП соседних синапсов 1—3 в некоторой близлежащей точке постсинаптической мембраны 4 (рис. 3.16), обладающей потенциал-зависимыми ионными каналами. Схема пространственной суммации напоминает логическую ячейку по типу «И», т. е. результат положительный, если несколько условий будут выполнены (несколько входных сигналов одновременно достигнут нервной клетки).

В ходе деятельности нейронов эффекты пространственной и временной суммации объединяются, и чем больше синапсов участвуют в этом процессе (срабатывают относительно одномоментно), тем больше вероятность достичь порога запуска ПД. При этом часть синапсов может обладать тормозными свойствами и вызывать ТПСП, вычитающиеся из суммы возбуждающих влияний. В результате в первом приближении условие запуска ПД в каждый момент времени можно определить следующим образом:

ПП + (сумма всех ВПСП) − (сумма всех ТПСП) > порог запуска ПД

22. Возбудимость мембраны различных частей нейрона

В нейроне подавляющее большинство нейрональных синапсов находится на дендритах нейрона. Однако наиболее эффективно вызывают возбуждение нейрона синаптические контакты, расположенные на теле нейрона. Это связано с тем, что постсинаптические мембраны этих синапсов располагаются в непосредственной близости от места первичного возникновения ПД, располагающегося в аксонном холмике (место отхождения аксона от тела). Близость соматических синапсов к аксонному холмику обеспечивает участие их возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) в механизмах генерации ПД (некоторые авторы называют их генераторными синапсами). Также большой возбудимостью обладает мембрана в местах первого ветвления крупных дендритов. Чем ближе конкретный синапс к этим точкам, тем больше его вклад в управление генерацией ПД. Одного ТПСП, возникшего рядом с аксональным холмиком, может оказаться достаточно для прекращения проведения сигнала.

Генераторный пункт нейрона, т. е. место возникновения ПД - аксонный холмик (но ПД также может возникать в перехватах Ранвье, и на части мембраны дендритов). Синапсы на нем отсутствуют, отличительной особенностью мембраны аксонного холмика является ее высокая возбудимость, в 3 — 4 раза превосходящая возбудимость сома-дендритной мембраны нейрона, что объясняется более высокой концентрацией Na-каналов на аксонном холмике, отсутствием на нем миелиновой оболочки. ВПСП достигает аксонного холмика, обеспечивая здесь уменьшение мембранного потенциала до критического уровня. В этот момент в аксонном холмике возникает ПД.

Роль дендритов в возникновении возбуждения до сих пор дискутируется. Дендритные синапсы удалены на значительное расстояние от генераторного пункта нейрона, по этой причине их ВПСП не могут вызвать там должную деполяризацию и обеспечить генерацию ПД. Считают, что синаптический аппарат дендритов проявляет себя при одновременном поступлении возбуждения к значительному числу дендритных синапсов. При этом суммарный дендритный ВПСП, изменяя мембранный потенциал генераторного пункта на подпороговом уровне, лишь делает возбудимость большей или меньшей в зависимости от временных и амплитудных характеристик колебаний мембранного потенциала генераторного пункта относительно величины критического уровня деполяризации.

23. Возможные механизмы генерации потенциала действия нейрона в естественных условиях

Потенциал действия - это электрофизиологический процесс, выражающийся в быстром колебании мембранного потенциала покоя вследствие перемещения ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без затухания. ПД обеспечивает передачу сигналов между нервными клетками, между нервными центрами и рабочими органами. ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений, т. е. закону силы. При малом раздражении клетки ПД либо совсем не возникает, либо достигает максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым. Слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал, который подчиняется закону силы: с увеличением силы стимула величина его также возрастает.

Запуск импульсной активности в нервной системе осуществляют два основных фактора. Первый из них — стимулы, действующие на чувствительные клетки сенсорных систем и изменяющие проницаемость их мембраны. Это приводит к развитию особых рецепторных потенциалов и в итоге — к генерации ПД.

Второй фактор — выделение медиатора из пресинаптического окончания. Попав в синаптическую щель, медиатор воздействует на постсинаптическую мембрану, возбуждая или тормозя следующий нейрон.

Механизм возникновения ПД. Если действие раздражителя на клеточную мембрану приводит к началу развития ПД, далее сам процесс развития ПД вызывает фазовые изменения проницаемости клеточной мембраны, что обеспечивает быстрое движение Na⁺ в клетку, а К⁺ — из клетки. Это наиболее часто встречаемый вариант возникновения ПД. Величина мембранного потенциала при этом сначала уменьшается до нуля, изменяет знак заряда, а затем снова восстанавливается до исходного уровня. Эти изменения мембранного потенциала предстают в виде пикового потенциала - ПД. Если заблокировать процесс выработки энергии, ПД некоторое время будет возникать. Но после исчезновения градиентов концентраций ионов (устранения потенциальной энергии) клетка генерировать ПД не будет. ПД проходит следующие фазы: 1). фаза деполяризации — процесс исчезновения заряда клетки до нуля; 2) фаза инверсии - изменение заряда клетки на противоположный, т.е. весь период ПД, когда внутри клетки заряд положительный, а снаружи отрицательный; 3) фаза реполяризации — восстановление заряда клетки до исходной величины (возврат к потенциалу покоя). Главную роль в возникновении ПД играет Na⁺, входящий в клетку при повышении проницаемости клеточной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. Однако проницаемость мембраны для К⁺ тоже играет важную роль. Если повышение проницаемости для К⁺ предотвратить, то мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправляемых каналов (каналов утечки ионов), через которые К⁺ будет выходить из клетки.

Для достижения порога запуска ПД необходима суммация (наложение) нескольких ВПСП. Выделяют два варианта суммации — временную и пространственную. Временная суммация — объединение эффектов стимулов, пришедших по одному «каналу» с большой частотой: если к еще не угасшему ВПСП присоединить второй, затем третий и т.д., — возникнет реальная возможность запустить ПД.

Пространственная суммация заключается в наложении друг на друга ВПСП соседних синапсов в некоторой близлежащей точке постсинаптической мембраны.

В ходе деятельности нейронов эффекты пространственной и временной суммации объединяются, и чем больше синапсов участвуют в этом процессе (срабатывают относительно одномоментно), тем больше вероятность достичь порога запуска ПД. При этом часть синапсов может обладать тормозными свойствами и вызывать ТПСП, вычитающиеся из суммы возбуждающих влияний. В результате условие запуска ПД в каждый момент времени можно определить следующим образом:

ПП + (сумма всех ВПСП) − (сумма всех ТПСП) > порог запуска ПД

Интересным вариантом генерации ПД являются пейсмекерные нейроны (клетки-пейсмекеры). Они обладают большой постоянной проницаемостью мембраны для ионов Na⁺. В результате у клеток-пейсмекеров не существует стабильного ПП. Разность потенциалов на их мембране постоянно стремится вверх. Когда она достигает порогового значения, происходит запуск ПД. После ПД заряд внутри клетки оказывается на довольно низком уровне, ПП вновь растет и запускается следующий ПД, в целом же наблюдается ритмический рисунок разрядов (рис. 3.12). Рост заряда 1 внутри клетки, связанный с большим током утечки Na⁺, приводит к периодической самопроизвольной генерации потенциалов действия. Нейроны-пейсмекеры находятся в дыхательном центре продолговатого мозга, сходные же свойства имеют клетки центра сердечного автоматизма.

Рис. 3.12. Изменение разности потенциалов на мембране пейсмекерного нейрона

Принципиальна новое, что вносит пейсмекерный потенциал в функционирование нейрона, заключается в следующем: пейсмекерный потенциал превращает нейрон из сумматора синаптических потенциалов в генератор.

При изучении нейронов оказалось что даже если нейрон «молчит», на постсинаптической мембране все равно наблюдаются периодические изменения мембранного потенциала - редкие, очень низкоамплитудные, кратковременные случаи деполяризации. Эти потенциалы были названы миниатюрными потенциалами (МП).

МП возникают в ответ на случаи спонтанного выброса медиатора из пресинапса в синаптическую щель. Как правило, свое содержимое в этом случае выбрасывают буквально единичные везикулы, поэтому МП отражают действие на постсинаптическую мембрану одного кванта медиатора - минимально возможной порции медиатора, которая может быть выброшена в щель, то есть содержимого одной везикулы.