Александров Ю.И., Анохин К.В. - Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование_ Фундаментальное руководство (2008)

ем боли. Стимуляция этих отделов приводит к анальгезии, которая блокируется налоксоном (антагонистом опиатных рецепторов).

В спинном мозге обнаружены опиоидные нейроны, аксоны которых оканчиваются на терминалях нейронов ганглия заднего корешка спинного мозга, выделяющих вещество Р (рис. 5.19). Стимуляция ней-

ронов ганглия приводит к высвобождению вещества Р. Энкефалины, взаимодействуя с опиатными μ-рецепторами, активируют Са2+-çàâè-

симые К+-каналы и уменьшают длительность потенциала действия. Укорочение потенциала действия уменьшает выделение из аксонных

терминалей сенсорного нейрона вещества Р.

Другие опиоидные пептиды связываются с κ-рецепторами. Эти рецепторы уменьшают высвобождение медиатора, ингибируя посредством активации Go-белков потенциал-зависимые Са2+-каналы. μ-ре- цепторы и еще один опиатный δ-рецептор через Gi-белки ингибируют аденилатциклазу, уменьшая концентрацию цАМФ, что приводит к открытию К+-каналов.

Три типа опиоидных рецепторов взаимодействуют с большим числом эндогенных опиоидных пептидов. Примерами таких пептидов являются β-эндорфин и динорфин А.

Прямое введение энкефалинов в мозг воспроизводит анальгетический и эйфорический эффекты опиатов.

Выводы

•Ионные каналы подразделяют на группы в зависимости от механизма их активации: лиганд-активируемые, потенциал-активируемые, активируемые фосфорилированием (дефосфорилированием), циклическими нуклеотидами, ГТФ-связывающими белками, растяжением или сжатием участка клеточной мембраны.

•Химическая синаптическая передача сигнала между нейронами происходит в результате активации мембранных рецепторов лигандом (медиатором). Рецепторы управляют состоянием ионных каналов, либо непосредственно открывая ионный канал (ионотропные рецепторы), либо инициируя метаболические каскады (метаботропные рецепторы), приводящие к изменению состояния каналов.

•Функцию химической синаптической передачи в нервной системе выполняют основные медиаторы — ацетилхолин, норадреналин, адреналин, дофамин, серотонин, гистамин, аминокислоты глютамат и гамма-аминомасляная кислота, пуриновые нуклеотиды (АТФ и аденозин), а также многочисленные пептиды.

130

• Каждый медиатор взаимодействует с несколькими разновидностями мембранных рецепторов, поэтому синаптический эффект медиатора зависит от свойств рецептора. Рецепторы, чувствительные к одному медиатору, могут вызывать разные события — открывать ионные каналы или инициировать пути внутриклеточной сигнализации с синтезом вторичных посредников.

Цитированная литература

Рекомендуемая

1.Ашмарин И. П. Биохимия мозга. СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та,

1999.

2.Николс Дж. Г., Мартин А. Р., Валлас Б. Дж., Фукс П. А. От нейрона к мозгу. М.: Едиториал УРСС, 2003.

3.Шульговский В. В. Физиология центральной нервной системы. М.: МГУ,

1997.

4.Эккерт Р., Рэнделл Д., Огастин Дж. Физиология животных. Механизмы

èадаптация. М.: Мир, 1991.

Дополнительная

1.Руководство по физиологии. Общая физиология возбудимых мембран. Л.: Наука, 1973.

2.Хухо Ф. Нейрохимия. Основы и принципы. М.: Мир, 1990.

3.Zigmond M. J., Bloom F. E., Landis S. C., Roberts J. LSquire., L. R. Fundamental Neuroscience. Academic Press, San Diego, London, 1999.

131

Глава 6. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ НЕЙРОНА

6.1.Потенциал покоя

Âглаве рассматриваются механизмы генерации, поддержания и проведения электрических потенциалов в нейроне: потенциала покоя, возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалов, локальных потенциалов и потенциалов действия в миелинизированных и немиелинизированных аксонах. Анализируются вопросы, от чего зависит пресинаптическая модуляция и постсинаптический эффект. Описываются кабельные свойства нервных и мышечных волокон, влияние кабельных свойств на возбудимость нейронов и проведение потенциалов по сложным нейронным отросткам, молекулярная структура потенциал-зависи- мых каналов и транспортные системы в мембране нейронов. Раскрывается понятие рефрактерного периода. Кроме того, в главе излагаются основы методики фиксации потенциалов.

Âсостоянии покоя разность потенциалов между цитоплазмой нейронов и окружающей средой, называемая потенциалом покоя (ПП), поддерживается на постоянном уровне и составляет в разных клетках (нейронах беспозвоночных и позвоночных, мышечных клетках) от -60 до -100 мВ. При этом через мембрану протекают разнообразные токи в обоих направлениях, и результирующий потенциал складывается из их суммы. В состоянии покоя мембрана главным образом проницаема для ионов К+, которые проводятся по каналам так называемого тока утечки. Эти каналы всегда открыты и являются высокоселективными, пропуская через мембрану только ионы К+. Первую мембранную теорию, объясняющую механизм ПП, сформулировал Ю. Бернштейн. В 1902 г. он выдвинул гипотезу, согласно которой клеточная мембрана пропускает внутрь клетки ионы К+, и они накапливаются в цитоплазме. Расчет величины ПП по уравнению Нернста для калиевого электрода удовлетворительно совпал с измеренным потенциалом между саркоплазмой мышцы и окружающей средой, который составлял около -70 мВ:

ãäå [K+]in è [K+]out — концентрации К+, соответственно, внутри клетки и в окружающей среде.

132

Механизм ПП складывается из ионных токов, возникающих в мембране из-за разности концентраций этих ионов по обе стороны мембраны (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Концентрации основных ионов, определяющих потенциал покоя, внутри и снаружи изолированного аксона кальмара

в экспериментах А. Ходжкина и А. Хаксли

Ðèñ 6.1. Факторы, определяющие движение К+ через мембрану при потенциале покоя. Объяснения в тексте.

Концентрация К+ в клетке существенно выше, чем во внеклеточной среде. Под действием концентрационного градиента (силы диффузии) К+ выходит из клетки (рис. 6.1). Сила диффузии определяется дифференциалом концентрации К+ (dC) по толщине мембраны (dx). Однако электрическое поле негативного потенциала, формируемое высокомолекулярными анионами цитоплазмы, удерживает К+ в цитоплазме. Сила электрического поля определяется концентрацией К+ внутри клетки (C), его валентностью (z) и подвижностью в мембране (u), а также

133

напряженностью электрического поля (X). При уравнивании этих двух сил ПП равен равновесному потенциалу для К+:

Дальнейшие исследования механизмов ПП, выполненных на гигантских аксонах кальмара, показали что ПП зависит не только от разности концентраций К+ по разные стороны мембраны (рис. 6.2). В диапазоне концентраций, близких к естественным условиям, график зависимости величины ПП от логарифма концентрации внеклеточного К+ отклоняется от линейной функции. Это означает, что в покое мембрана проницаема и для других ионов, в частности, Na+ è Cl-, и поток этих ионов осуществляет определенный вклад в формирование ПП. Как показали прямые измерения и расчеты, проницаемость мембраны для Na+ может составлять 1–10% проницаемости для К+, а проницаемость для Cl– зависит от уровня мембранного потенциала и может составлять до 15% проницаемости для К+. А. Ходжкин и Б. Катц предложили более сложный механизм формировании ПП, учитывающий вклад других ионов:

ãäå []in è []out — концентрации ионов, соответственно, внутри клетки и в окружающей среде, P — проницаемость для ионов. Для аниона Cl– внешняя концентрация помещена в числитель уравнения, поскольку электрически входящий ток анионов реально соответствует выходу анионов из клетки.

Приведенное уравнение называют «уравнением постоянного поля», поскольку одним из допущений при его выводе является равномерное распределение градиента напряжения (электрического поля) по всей толщине мембраны.

В действительности ПП определяется не только потоками ионов по их концентрационным градиентам. Для поддержания разности концентраций для основных ионов в мембране клеток представлены разнообразные механизмы. Специальные транспортные системы переносят ионы против их концентрационных градиентов с использованием энергии АТФ, а также концентрационных градиентов других ионов. Для поддержания клетки в стабильном состоянии затрачивается как метаболическая энергия, так и энергия ионных градиентов. Таким об-

134

разом, ПП складывается как из переноса зарядов в результате пассивного движения ионов по их концентрационным градиентам, так и из переноса зарядов в результате активного транспорта.

Ðèñ. 6.2. Зависимость величины потенциала покоя от наружной концентрации К+. В диапазоне концентраций, близких к естественным условиям, график зависимости отклоняется от линейной функции из-за вклада в потенциал покоя ионов Na+ è Cl-.

Необходимо отметить, что первые гипотезы о механизмах ПП были сформулированы на основе экспериментов на относительно простых объектах — мышечных волокнах и гигантских аксонах кальмара. В настоящее время в мембранах нейронов описано много ионных токов, которые зависят от мембранного потенциала и других факторов. Все эти токи вносят определенный вклад в ПП.

6.2. Постсинаптические потенциалы

Химические синапсы как морфологические образования являются местами контакта между нейронами и их адресатами (другие нейроны, мышечные клетки, железы). Главная функциональная роль синапсов — это осуществление модуляции нервного импульса. Существуют два механизма коммуникации нейронов, которые соответствуют двум типам химических синапсов — возбуждающему и тормозному. В возбуждающих синапсах происходит перенос нервного импульса от одной

135

нервной клетки к другой, а в тормозных — полученный нервной клеткой импульс препятствует ее возбуждению.

В химических синапсах потенциал действия (ПД), приходящий в нервное окончание, вызывает высвобождение молекул нейромедиатора в синаптическую щель. В синапсах, обеспечивающих прямую синапти- ческую передачу, медиатор связывается с ионотропными (лиганд-акти- вируемыми) рецепторами на мембране постсинаптической клетки. В результате рецепторы напрямую открывают ионные каналы, что приводит к изменению ионной проводимости и, следовательно, к смещению мембранного потенциала. Иногда изменение ионной проводимости не приводит к изменению мембранного потенциала. В синапсах, обеспечи- вающих непрямую синаптическую передачу, медиатор взаимодействует с метаботропными рецепторами, которые запускают разнообразные каскады внутриклеточной сигнализации (см. гл. 5 настоящего руководства).

6.2.1. Возбуждающие постсинаптические потенциалы

Первые исследования синаптической передачи были проведены на нер- вно-мышечном препарате. Ацетилхолин (АХ), выделяющийся в нервномышечном синапсе (называемом концевой пластинкой), вызывает активацию (деполяризацию) мышечного волокна и его последующее сокращение.

Ðèñ. 6.3. Потенциалы концевой пластинки, возникающие при стимуляции аксона мотонейрона. На средней записи потенциал перерастает в мышечный импульс.

136

Во время стимуляции мотонейрона микроэлектрод, введенный в

мышечное волокно в непосредственной близости от концевой пластинки, регистрирует потенциал концевой пластинки (ПКП). ПКП представляет собой быстро нарастающую деполяризацию, за которой следует возвращение мембранного потенциала к ПП с постоянной времени около 5 мс; эта константа примерно соответствует времени разряда мембранной емкости (рис. 6.3). При достижении некоторого порогового значения ПКП перерастает в мышечный импульс, который быстро и без затухания распространяется вдоль мышечного волокна. По мере удаления регистрирующего электрода от области концевой пластинки амплитуда ПКП монотонно уменьшается, а время роста ПКП увеличи- вается (рис. 6.4). Такие свойства ПКП объясняются кабельными свойствами мышечного волокна. Это означает, что ПКП генерируется кратковременным импульсом тока, который входит в мышечное волокно в области концевой пластинки и вызывает быструю деполяризацию. Вызванный этим током потенциал спадает пассивно, распространяясь от концевой пластинки в обоих направлениях, и постепенно затухает.

Ðèñ. 6.4. По мере удаления регистрирующего электрода от области концевой пластинки амплитуда ПКП монотонно уменьшается, а время роста ПКП увеличивается.

Методом фиксации потенциала в мышечном волокне были исследованы токи, проходящие через мембрану мышечной клетки во время развития ПКП. При изменении внеклеточной концентрации Na+ установи-

137

ли, что входящий ток, порождающий ПКП, переносится ионами Na+. Входящий Na+–ток частично компенсируется выходящим K+–током.

Ðèñ. 6.5. Зависимость тока концевой пластинки, или возбуждающего постсинаптического тока (ВПСТ), в ответ на стимуляцию двигательного волокна от МП. (А) Методом фиксации потенциала МП поддерживали постоянным на различных уровнях. (Б) Высокоамплитудный входящий ВПСТ наблюдается при потенциале -120 мВ; ВПСТ снижается по мере деполяризации, при -3 мВ практически не регистрируется, а при дальнейшей деполяризации инвертируется и увеличивается по амплитуде. (В) Зависимость амплитуды и полярности ВПСТ концевой пластинки от мембранного потенциала.

Также методом фиксации потенциала была исследована зависимость тока, протекающего через мембрану мышечной клетки при ее возбуждении, от уровня потенциала на мембране. Оказалось, что амплитуда тока входящего направления монотонно увеличивается по мере гиперполяризации мембраны (рис. 6.5). При приближении фиксированного потенциала к отметке -3 мВ ток концевой пластинки уменьшается до нуля, а затем меняет направление. При дальнейшем увели- чении потенциала в положительную область амплитуда выходящего

138

тока монотонно увеличивается. Значение мембранного потенциала, при котором суммарный ток равен нулю (IK+ = INa+ , т.е. входящий ток компенсируется выходящим), называют потенциалом реверсии тока. При регистрации активности отдельных каналов мембраны (пэтч-кламп) при фиксации потенциала мышечной клетки на разном уровне также была выявлена инверсия тока при потенциале, близком к нулю.

Ðèñ. 6.6. Слева — ВПСП мотонейрона, вызванные электрической стимуляцией возбуждающих входов, при различном уровне мембранного потенциала, устанавливаемом методом фиксации тока через внутриклеточный электрод. Справа — эквивалентная электрическая схема возбуждающего синапса. Активация возбуждающего синапса (замыкание ключа) включает э.д.с. равновесного потенциала ВПСП.

Мембранный потенциал нейрона можно изменять в широком диапазоне, используя метод фиксации тока, когда через внутриклеточный электрод в нейрон подают постоянный ток. В мотонейроне при разных уровнях мембранного потенциала были зарегистрированы возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП), вызываемые стимуляцией возбуждающих входов (рис. 6.6). При ПП и гиперполяризации в ответ на стимуляцию в нейроне развивается ВПСП. Если потенциал сместить в диапазон от -60 до -40 мВ, ВПСП переходит в ПД, поскольку деполяризация достигает порога активации потенциал-зависимых Na+-каналов,

139