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

Но даже огромный объем экспериментальных данных, полученных исследователями мозга к началу прошлого века, не позволял просто остановиться на решении об универсальности клеточного подхода для всех тканей организма, включая нервную. Критике клеточ- ной теории была посвящена Нобелевская лекция К. Гольджи «Нейронная доктрина: теория и факты». Признание нейронов как изолированных структурных элементов мозга сразу же ставило вопрос о механизме связи между ними (а также между органами чувств, клетками мозга, нервными волокнами и иннервируемыми ими мышцами и висцеральными органами).

Несмотря на теоретические разногласия Кахаля и Гольджи, Нобелевская премия была присуждена им обоим за «работы по структуре нервной системы».

Гипотетически вопрос был решен физиологами. Английский физиолог Чарльз Скотт Шеррингтон сформулировал представление об области контакта между нейронами и предложил термин — «синапс»: «Такое особое соединение одной нервной клетки с другой можно назвать синапсом» (из главы о спинном мозге Ч. Шеррингтона в учебнике Фостера по физиологии 1887 г.). В монографии 1906 года «Интегративная деятельность нервной системы» Шеррингтон предложил формальное определение: «Синапс — участок с наличием поверхностей раздела». Он исследовал функции синапса. В 1932 году Шеррингтон (совместно с Эдрианом) за исследование функций нейронов был удостоен Нобелевской премии.

Но механизм функционирования синаптических контактов оставался открытым. Вариантов было два: электрический и химический. В настоящее время доказано, что в нервной системе работают оба механизма. Основной способ передачи сигналов между клетками в НС — химический. Вещества, передающие сигналы с нейрона на нейрон, называют, согласно их функции «посредника», медиаторами, или нейротрансмиттерами.

Сигналы между нервными клетками передаются главным образом химически, путем секреции (экзоцитоза) медиатора (нейромедиатора, нейротрансмиттера) из пресинаптического окончания в синаптическую щель и взаимодействия молекул медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны.

В XIX веке физиологические исследования мозга развивались параллельно с анатомическими и гистологическими исследованиями и практически не пересекались. С появлением гальванометров (в сере-

200

дине века) возникла электрофизиология. Токи и потенциалы были зарегистрированы у живых организмов, в том числе у человека.

В начале XX века исследования перешли на клеточный уровень. В России ученики и последователи Ивана Михайловича Сеченова добились больших успехов в изучении механизмов передачи сигналов в нервной системе. В доказательстве химического способа взаимодействия между нейронами и мышцами и между нейронами симпатического ганглия А. Ф. Самойлов и А. В. Кибяков не отставали от своих западных коллег (см. Сахаров Д. А., 1974, 1990). Отто Леви и Генри Дейл были удостоены в 1936 году Нобелевской премии «за их открытия, связанные с химической передачей нервных импульсов».

Разногласий между «ретикулярщиками» и «клеточниками» не осталось только с появлением в середине XX века нового метода — электронной микроскопии. Основные этапы в формировании теории химической передачи нервного импульса представлены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Химическая передача нервного импульса: история теории

1843 Эмиль Дю Буа-Реймон высказывает предположение о химической передаче сигнала между нервными клетками.

1850 Клод Бернар описывает действие кураре на нервные клетки. 1904 Т. Р. Эллиотт высказывает гипотезу о роли адреналина в

передаче сигналов.

1906 Джон Н. Ленгли высказывает гипотезу о рецепторной субстанции в клетке.

1914 Генри Дейл описывает действие эфиров холина и ацетилхолина.

1921 Отто Л¸ви приводит экспериментальное доказательство химической гипотезы передачи сигналов в блуждающем нерве.

1924 А. Ф. Самойлов доказывает химическую природу нервномышечной передачи.

1926 О. Л¸ви доказывает, что нейротрансмиттером в парасимпатической нервной системе является ацетилхолин.

1933 А. В. Кибяков доказывает химическую природу синаптической передачи между нейронами в симпатическом ганглии.

1934 Фельдберг и Геддум определяют ацетилхолин как химический передатчик в ганглии.

1935 А. Г. Гинецинский описывает потенциал концевой пластинки (ПКП) и формулирует квантовую (порционную) теорию синаптической передачи.

201

1936 Генри Дейл описывает роль ацетилхолина как передатчика возбуждения на скелетную мышцу.

1936 Г. Дейл и О. Л¸ви получают Нобелевскую премию за исследования химической трансмиссии нервных импульсов.

1959 Поттер открывает электрические синапсы у рака.

1963 Джон Экклс получает Нобелевскую премию за открытия химического механизма, с помощью которого импульсы запускаются или подавляются другими клетками (совместно с Аланом Ходжкиным и Эндрю Хаксли).

1970 Кац получает Нобелевскую премию за открытия в области изучения медиаторов нервных волокон и механизмов их сохранения, выделения и инактивации.

Концепция синапса — «сердце нейронной доктрины» (S. Palay). Пластичность синапсов является основой пластичности мозга. Современные методы позволяют исследовать механизмы синаптической передачи и ее пластичности не только на клеточном, но и на молекулярном уровне. Тенденция к объединению наук, направленных на решение общих проблем, приносит плоды. Достижения нейронауки последних десятилетий — яркий тому пример. Другой пример предложенная Е. Н. Соколовым, повсеместно принятая стратегия психофизиологии: «Человек — Нейрон — Модель».

7.2.Виды межнейронных синаптических соединений

7.2.1.Классификация синапсов

Âнервной системе (НС) идентифицировано большое число типов нервных клеток. Типов синапсов, межнейронных соединений в НС не меньше, чем типов самих нейронов. Для определения функциональных и морфологических характеристик синапса требуется его «идентификация». Несколько десятилетий назад идентификация нейронов и синапсов была возможна только на «простых нервных системах» беспозвоночных животных. Сегодня говорят об идентифицируемых синапсах высших позвоночных животных на нескольких модельных объектах у млекопитающих.

Теоретический вопрос о разнообразии синаптических контактов требует специального, эволюционного рассмотрения (Сахаров, 1974, 1990). Без детального рассмотрения морфологических и функциональных характеристик синаптических контактов не может быть решен вопрос

202

о пластичности синапсов и, соответственно, о характере и механизмах модулирующих влияний.

Итак, многообразие типов синаптических контактов предполагает их классификацию. Существует несколько оснований для классификации синапсов:

1)по носителю сигнала: электрические, химические;

2)по скорости передачи (по типу рецептора: ионо- и метаботропные);

3)по результату действия (возбуждающие, тормозные);

4)по эргичности (типу медиатора);

5)по мишени, по локализации на мишени, по сложности;

6)идентифицируемые синапсы моллюсков и млекопитающих. Химическая передача, передача сигналов с помощью химических

веществ, медиаторов, является основным способом передачи сигналов между нейронами в мозге и между клетками НС и их мишенями на периферии (рецепторами и эффекторами). Химическим синапсам уделено основное наше внимание. Но без описания электрической синаптической связи обойтись нельзя. С электрического синапса начинается описание синаптической связи вообще. Это традиция.

7.2.2. Электрические синапсы

Передача возбуждения от клетки к соседней клетке электрическим способом возможна благодаря тесному соприкосновению клеточных мембран. Прохождение через них электрического тока возможно благодаря очень узкой синаптической щели (2–5 нм) и низкому удельному сопротивлению, обусловленному наличием поперечных каналов, пересекающих обе мембраны, — нексусов, иначе называемых щелевыми контактами (gap junctions). Диаметр каналов составляет около 1 нм. Каналы образуются белковыми молекулами (полуканалами) каждой из контактирующих мембран, которые соединяются комплементарно. Эти каналы получили наименование «коннексоны» (от англ, «connection» — связь). Каждый коннексон слагается шестью субъединицами белков-коннексонов, которые пронизывают мембрану и выступают наружу в межклеточную щель. В центральной части коннексонов образуется узкий проход, через который клетки могут обмениваться ионами, а также мелкими молекулами с массой до 1кД.

В связи с этим физиологические процессы в нексусах условно разделяются на электрические и метаболические. В зависимости от характеристик взаимодействующих клеток результаты электрической переда- чи могут быть различными, хотя их можно свести к нескольким общим

203

вариантам: 1) синапс с равным успехом проводит электрические импульсы в обе стороны; 2) предпочтительна передача сигналов в одном направлении, в обратном направлении потенциалы действия не распространяются, а проходят лишь медленные деполяризационные волны; 3) некоторые нексусы обладают способностью проводить деили гиперполяризационные потенциалы либо в одном, либо в обоих направлениях.

Помимо нервных клеток прямая электрическая передача сигналов не редкость и для клеток других тканей. Такая связь типична для гладкомышечных волокон и сердечных миоцитов. Мышечная ткань предсердий и желудочков рассматривается как единая трехмерная разветвленная структура, образованная тесно связанными кардиомиоцитами. Благодаря обилию нексусных связей, гладкомышечная и сердечная ткань может рассматриваться как функциональный синцитий. Нексусы проводят как медленные электрические волны, генерируемые водителями ритма, так и потенциалы действия, передающиеся через химические синапсы.

Электрические синапсы обнаружены и в электрически пассивных тканях, в частности, между клетками печени, почек и эпителия. По всей видимости, в невозбудимых тканях функциональная роль нексусов сводится не к передаче электрических сигналов, а к метаболическим способам межклеточного взаимодействия, происходящего с участием коннексонов.

Процесс передачи возбуждения в электрических синапсах, благодаря наличию прямых связей, отличается высокой скоростью. Это преимущество используется в нейронных системах, ответственных за быстрые рефлекторные реакции защитного типа, например, рефлекторное подгибание брюшка у ракообразных или быстрое укорочение тела пиявки. Эти синапсы отличаются малой чувствительностью к действию токсических веществ и высокой работоспособностью, поэтому такие связи находятся в нервных центрах, ответственных за реализацию постоянно повторяющихся стереотипных движений. Электрическая передача возбуждения через щелевые контакты высоко эффективна при координации работы нервных клеток, управляющих сокращениями симметричных мышц, а также при синхронизации электрической активности нейронов, объединяющихся в функциональные сети. Нексусы могут закрываться при повреждении или нарушении метаболизма одной из клеток, это предохраняет соседнюю клетку. Конкретными факторами, через которые реализуется такая защитная реакция, является повышенная концентрация ионов Са2+ èëè Í+ (снижение рН). (Ноздрачев А. Д., 2000).

204

7.2.3. Химические синапсы

Химический синапс включает пресинапс, синаптическую щель и постсинапс.

Появление в середине XX века электронной микроскопии и микроэлектродной техники регистрации электрической активности синапти- чески связанных нейронов потребовало уточнения термина «синапс». Чарльз Шеррингтон в начале 20 века определил «синапс» как область контакта одной нервной клетки с другой. А если таких областей много и они пространственно разделены и даже находятся на разных участках контактирующих нейронов? Тогда нужно говорить, что пресинаптический нейрон образует с постсинаптическим несколько синапсов? Но электрофизиологически активность такого «множественного» синапса регистрируется как единое целое — унитарный (единичный, элементарный) постсинаптический потенциал. Множественные синапсы сегодня называют «синаптическим входом», а собственно синапсом только область контакта пре- и постсинаптической клетки, разделенную синаптической щелью. Выделение медиатора происходит не по всей площади синаптической мембраны, а только в локальных участках, в так называемых «активных зонах». Число активных зон в разных синапсах разное. Синапсы могут значительно, в сотни раз, разли- чаться по размеру.

Ðèñ. 7.4. Химический синапс состоит из пре- и постсинаптических областей: пресинапса и постсинапса, разделенных синаптической щелью. Ширина синаптической щели составляет примерно 0.2—0.6 мкм. На электронно-микро- скопических снимках видны везикулы с медиатором, митохондрии и уплотнения мембраны (по: Анохин П. К., 1974). Пресинаптические терминали образуют синапсы на разных участках постсинаптической клетки, например, на соме (справа) и на пресинаптических терминалях других нейронов.

205

В отличие от других участков мембраны нейрона, область синапти- ческого контакта имеет хорошо различимые синаптические уплотнения (рис. 7.4). Сначала говорили только о постсинаптических уплотнениях, о рецепторных областях постсинаптической мембраны (postsynaptic density, PST). В последнее время, в связи с повышенным вниманием к активным зонам пресинапса, все чаще говорят о пресинаптических уплотнениях.

7.2.3.1. Пресинапс

Пресинаптические уплотнения являются видимым (с помощью электронного микроскопа) цитоплазматическим матриксом (the citomatrix at the active zone, CAZ), который ранее называли пресинаптической решеткой. Именно в этих участках, в так называемых «активных зонах», происходит выброс медиатора в синаптическую щель. Активная зона морфологически определяется как область, в которой синаптические везикулы собираются в пулы, прикрепляются к пресинаптической мембране и выбрасывают медиатор. Физиологи- чески активные зоны — это область выделения (экспрессии) медиатора (экзоцитоза).

Пресинаптическая решетка, цитоматрикс активной зоны, является белковой сетью, состоящей по крайней мере из 5 семейств протеинов, участвующих в процессе прикрепления везикул к пресинаптической мембране, их созревания (перехода в состояние готовности), выделения медиатора в синаптическую щель (экзоцитоза), отсоединения везикул без медиатора от мембраны и их транспортировки в цитоплазму терминали (рис. 7.5).

Величина (площадь) активных зон удивительно постоянна, примерно 0,04—0,08 мкм2, и не зависит от размеров самого синапса. Например, в самом большом из известных синапсов млекопитающих, в аксо-соматическом синапсе Хелда, площадь контакта составляет 2500 мкм2, среднее число активных зон превышает 500 (554 по данным обзора Rollenhagen and Lebke, 2006), а площадь активных зон — 0,1 мкм2 с разбросом 0,08 мкм2. В наименьших из изученных синапсов, в корковых синапсах между входящими волокнами и пирамидными нейронами пятого слоя, площадь синапсов составляет 7—17 мкм2 , а число активных зон 1—5. В относительно «маленьком» (около 67 активных зон) синапсе между лазающими волокнами и клетками Пуркинье в мозжечке грызуна средняя площадь активных зон 0,14 мкм2 , что даже больше, чем в гигантском синапсе Хелда.

206

Ðèñ. 7.5. Пресинапс (по Шеперд, 1987).

Как соотносятся понятия «синаптический вход», синапс, активная зона (контакт) с электрофизиологически измеряемыми параметрами, синаптическими потенциалами и токами? Ответы на эти вопросы будут рассмотрены с помощью конкретных примеров идентифицируемых синапсов. К общим механизмам синаптической передачи относится ее квантовый (порционный) характер.

7.2.3.2. Постсинапс

Пресинаптические терминали оканчиваются на различных частях постсинаптических нейронов — дендритах, соме и аксонах (рис. 7.6). На дендритах синаптические контакты часто располагаются на специальных образованиях — шипиках, являющихся отростками дендрита. Такие синапсы называют шипиковыми. По морфологическим особенностям шипики подразделяют на несколько типов, и все они имеют шейку и головку. На головке шипика расположена активная зона (место контакта с пресинаптической терминалью), которая отличается высокой плотностью мембранных рецепторов. Синапсы, оканчивающиеся не на дендритных шипиках, называют сидячими.

По данным электронно-микроскопических методов, в некоторых синапсах часть постсинаптической мембраны, непосредственно прилегающая к пресинаптической терминали, может иметь постсинаптичес-

207

кие уплотнения. В зависимости от наличия или отсутствия постсинаптического уплотнения синапсы подразделяют, соответственно, на асимметричные и симметричные. Например, глутаматергические синапсы, как правило, асимметричные и могут быть «шипиковыми» и «сидячи- ми». Синапсы ГАМКэргической передачи являются симметричными и всегда являются «сидячими». Постсинаптические уплотнения объясняют наличием разнообразных белков, связанных с постсинаптическими рецепторами.

Ðèñ. 7.6. Постсинапс (по Шеперд, 1987).

Постсинаптические части синапса между нейронами и другими клетками (например, мышечными волокнами и железами) отличаются морфологической сложностью. В нервно-мышечном синапсе часть постсинаптической мембраны, которая контактирует с аксонными терминалями мотонейронов, называют субсинаптической мембраной. Субсинаптическая мембрана мышечной клетки образует многочисленные складки, на внешней поверхности которых сконцентрированы ацетилхолиновые рецепторы (рис. 7.7). Такие складки располагаются напротив активных зон пресинаптических терминалей мотонейронов. С использованием флуоресцентных меток на молекулях α-бунгаротоксина, селективно связывающегося с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами, исследовано распределение ацетилхолиновых рецепторов

208

на постсинаптической мембране мышечных волокон. Результаты таких исследований подтверждают, что рецепторы сконцентрированы непосредственно в месте контакта аксона с мышечным волокном. Более точное распределение рецепторов стало возможным при использовании радиоактивного α-бунгаротоксина и метода авторадиографии. Плотность рецепторов оказалась наибольшей (до 104/ìêì2) на перегибах и на верхней трети поверхности постсинаптических складок. За пределами области синаптического контакта плотность рецепторов в мембранах составляла около 5/мкм2. Аналогичное распределение плотности мембранных рецепторов характерно и для синапсов центральной и вегетативной нервной системы.

Ðèñ. 7.7. Нервно-мышечный синапс. (А) Аксоны мотонейронов в составе двигательного нерва подходят к мышечным волокнам и теряют миелиновую оболочку. (Б) Каждый аксон разделяется на несколько ветвей, погруженных в желобки мышечной мембраны, и иннервирует одно мышечное волокно, образуя на нем множество касательных синапсов, называемых синаптическими пуговками. Синаптические пузырьки в нервной терминали собираются в виде скоплений в специальных областях (активных зонах) напротив постсинапти- ческих складок. Отростки шванновских клеток проникают между аксонной терминалью и постсинаптической мембраной, разделяя активные зоны.

209