Тормозящие химические синапсы

Рассмотрим электрофизиологию химических синапсов тормозящего действия. Возьмем в качестве простого примера тормозной нервно-мышечный синапс рака, реализующий свое действие с помощью медиатора гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). Общая схема работы этого синапса такая же, как и у рассмотренных выше. Только ГАМК, взаимодействуя с рецептором, открывает в постсинаптической мембране не натриево-калиевые, а хлорные каналы. Это приводит к движению иона хлора по электрохимическому градиенту. Поскольку в данном объекте Ecl=-80 мВ, то при менее негативном МП (-70 и менее) хлор входит в мышцу, и тормозящий постсинаптический потенциал (ТПСП) имеет вид гиперполяризации. При более негативном МП (-90 и более) хлор выходит из мышечного волокна. При этом ТПСП развивается как деполяризация. При МП = -80 мВ движение С1-, а значит и ТПСП практически нет (E_р ТПСП).

За счет описанного хлорного механизма достигается тормозящий эффект как при низких МП, так и при МП = -80 мВ. Если МП мышечного волокна низок и ТПСП развивается как гиперполяризация, то он просто отдаляет МП от КУД. Если же МП = -80 мВ и ТПСП отсутствует, то торможение осуществляется за счет действия хлорного шунта на ВПСП, т. е. За счет компенсации входящего натриевого тока ВПСП входящим через открытые хлорные каналы током ионов С1-, что эквивалентно выходящему току положительных зарядов. Здесь возникает законный вопрос - не могут ли деполяризационные хлорные ТПСП возбуждать или способствовать возбуждению? Теоретически могут, но лишь тогда, когда МП очень велик и главное КУД негативнее E_CI, чего, как правило, не бывает.

В тормозных синапсах так же, как и в возбуждающих, помимо вызванных имеются спонтанные миниатюрные ТПСП (МТПСП). Их рабочие ТПСП также формируются из массы МТПСП, возникающих одновременно в ответ на выброс 100- 200 квантов ГАМК.

Рассмотрим химические тормозящие синапсы в ЦНС позвоночных. При раздражении афферентов группы 1а антагонистического нерва - в спинальном мотонейроне (например у кошки) возникает тормозящий постсинаптический потенциал (ТПСП). Заметим, что этот ТПСП возникает на 0,5 мс позже, чем ВПСП. Последнее связано с тем, что тормозящий путь не моносинаптический, он включает дополнительный нейрон и синапс соответственно. Этот специальный нейрон выбрасывает тормозящий медиатор (видимо глицин).

При нормальном исходном МПП (-70 мВ) ТПСП мотонейрона имеет вид слабой (1-5 мВ) гиперполяризации с t_в= 1,5 мс и т спада∼4-5 мс. Величина этого ТПСП зависит от числа одновременно активируемых тормозных синапсов. При активации одного синапса ТПСП (так называемый унитарный ТПСП) очень мал (8-220 мкВ). По-видимому, этот ТПСП соизмерим по амплитуде с МТПСП, и значит квантовый состав передачи в элементарных тормозных синапсах здесь невелик (единицы квантов). Если МПП естественно или искусственно смещается в сторону деполяризации, то амплитуда ТПСП растет, если же МПП увеличивается, то ТПСП падает и далее меняет свой знак.

E реверсии ТПСП∼-80 мВ (в мотонейронах кошки).

Развитие ТПСП связано со значительным увеличением ионной проводимости постсинаптической мембраны во время его восходящей (активной) фазы. В мотонейронах спинного мозга кошки Rвх при этом уменьшается с 1-2 мОм до 0,5 мОм. (Заметим, что изменение Rвx при ТПСП значительно больше, чем при ВПСП). Спад ТПСП мотонейрона пассивен и определяется перезарядкой мембранной емкости. Ионный механизм восходящей фазы ТПСП был определен в опытах с электрофоретической инъекцией в мотонейрон ионов С1-. Оказалось, что добавка С1- в нейрон сразу же извращает знак ТПСП, а дальнейшее увеличение внутренней концентрации С1- неуклонно увеличивает амплитуду инвертированного ТПСП. Никакие из прочих имеющихся в среде ионов такого сильного влияния на ТПСП не оказывают. Эти и другие данные позволяют заключить, что ТПСП в мотонейронах кошки определяются тем, что тормозный медиатор открывает в постсинаптической мембране хлорные каналы, т. е. каналы с положительным зарядом на стенках и соответствующей шириной (приблизительно в 1,6 радиуса гидратированного иона калия).E реверсии ТПСП

=E равновесия для ионов С1- (-80 мВ).

При низком МПП (< -80 мВ) и обычной внутренней концентрации С1- открытие хлорных каналов приводит к току С1- внутрь клетки и к развитию гиперполяризационного ТПСП. При высоких МПП (>-80 мВ) и обычной внутриклеточной концентрации С1- то же открытие хлорных каналов приводит к току С1- наружу и к развитию деполяризационного ТПСП. В мембране мотонейрона, по-видимому, существует специальный ионный насос, поддерживающий [С1-]_вн. на нормальном уровне.

Тормозящий эффект ТПСП здесь (как и в сходном нервно-мышечном синапсе рака) основывается на двух механизмах. Во-первых, на электротоническом действии гиперполяризационного ТПСП на триггерную зону (холмик). Этот ТПСП порождает ток, который входит в холмик и повышает его МП. Во-вторых (и это главное!), имеет значение действие хлорного шунта на ВПСП. Открытие хлорных каналов как бы закорачивает ток ВПСП и не дает ему подействовать на триггерную зону нейрона (холмик). Хлорный механизм используется не только в тормозных синапсах мотонейронов позвоночных. На этой же основе действуют многие тормозные синапсы ЦНС (например, тормозные химические синапсы на маутнеровских клетках рыб и нейронах ЦНС улитки). Но это не единственный механизм постсинаптического торможения. В некоторых объектах (например, в нейронах легочных моллюсков, а также в ваго-сердечных синапсах позвоночных) аналогичный тормозной эффект получается за счет открытия калиевых каналов и избирательного повышения калиевой проницаемости PК. В симпатических ганглиях, по-видимому, имеются также и синапсы, тормозящие постсинаптическую клетку посредством повышения МП за счет активации медиатором электрогенного транспорта ионов.

Рассмотрим пресинаптическое торможение. Этим термином в отличие от рассмотренного постсинаптического торможения условно называют снижение или выключение активности клетки за счет синаптического торможения оканчивающейся на ней возбуждающей терминали. Такое торможение подробно описано в нервно-мышечном приборе ракообразных, моторные терминали которого имеют на себе аксо-аксональные тормозящие синапсы. В этих синапсах торможение определяется действием ГАМК, открывающей хлорные каналы моторной терминали. Последний эффект шунтирует ее натриевые каналы и тем самым снижает амплитуду ПД. В результате синаптическая передача моторного импульса ослабляется или исключается. При одиночном импульсе тормозного аксона длительность пресинап-тического торможения составляет 6-7 мс. Максимальный тормозной эффект получается, если тормозной импульс достигает аксон-аксонального синапса за несколько миллисекунд до прихода сюда ПД возбуждающего аксона. Пресинаптическое торможение предупреждает (заранее исключает) развитие постсинаптического возбуждения, но оно не может повлиять на уже развившееся постсинаптическое возбуждение. При пресинаптиче-ском торможении в постсинаптической клетке не обнаруживается ни ТПСП, ни изменений электровозбудимости.

Аналогичное торможение при раздражении антагонистических мышечных нервов обнаружено в области возбуждающих входов мотонейронов спинного мозга кошки - афферентов 1а. При этом было найдено, что афференты 1а в момент их синап-тического торможения деполяризуются. Торможение (и деполяризация) даже после одиночного антагонистического залпа весьма длительно (100-200 мс), что, возможно, связано с повторными активациями тормозящего синапса. По-видимому, медиатором в этом тормозном аксон-аксональном синапсе является ГАМК. Причины деполяризации терминалей 1а сложны. Начальная деполяризация здесь может быть связана с увеличением хлорной проницаемости. По-видимому, имеющийся на мембране терминали градиент ионов С1- таков, что открытие хлорных каналов приводит к выходу С1- из терминали и к ее частичной деполяризации. Деполяризация терминали и открытие хлорного шунта снижают ее ПД и в силу этого уменьшают квантовый состав передачи в возбуждающем синапсе. Имеются, кроме того, данные о том, что при пресинаптическом торможении в среде вокруг тормозимой терминали растет концентрация ионов К⁺. Эти ионы К⁺ могут в принципе выбрасываться из самой терминали, из мотонейрона и других близлежащих клеток. Рост наружной концентрации калия опять-таки снижает МП терминали и ослабляет ее ПД.

Механизм пресинаптического торможения представлен в различных отделах ЦНС позвоночных и беспозвоночных.

Говоря об электрофизиологии синаптического торможения, необходимо коснуться так называемого вторичного торможения, т. е. ослабления или выключения активности постсинаптической клетки избыточной активностью ее возбуждающих синапсов. Возможность такого торможения обнаружил Н. Е. Введенский в 1886 г. в опыте на нервно-мышечном препарате. Он показал, что учащение стимуляции нерва за определенный предел (∼150/с) приводит к снижению реакции мышцы-("пессимум частоты"). Это явление обратимо. Аналогичные феномены возможны и в центральных синапсах. Микроэлектродный анализ электрических явлений в нервно-мышечном синапсе при пессимуме частоты показал, что в его основе лежит блок ПД, развивающийся в нервном окончании или, реже - в мышечном волокне. Этот блок определяется развивающейся деполяризацией мембран, сопровождаемой инактивацией их натриевых каналов. Отмеченная деполяризация мембран по нашим данным имеет несколько причин, в частности, сложение следовых негативных потенциалов ПД и накопление в синаптической щели ионов калия, выходящих в основном из мышечного волокна.

Вторичное торможение (парабиотическое по Н Е. Введенскому), по-видимому, играет роль предохранительного клапана, уменьшающего или выключающего активность при функциональной перегрузке. В ЦНС вторичное торможение возможно не только при чрезмерной частоте синаптической стимуляции, но также и при развитии высокоамплитудных ВПСП из-за синхронного действия ряда возбуждающих входов на нейрон. Признаки такого кратковременного вторичного торможения описаны в клетках Пуркинье мозжечка при их мощной активации импульсами лиановидных волокон.