Тормозные нейроны и синапсы.Пресинаптическое и постсинаптическое раздражение

Синапсы тормозного действия. Синаптическим торможением обозначают влияние пресинаптической нервной клетки, прекращающее или предотвращающее возбуждение постсинаптической нервной клетки (или иной клетки-мишени).

В тормозном синапсе происходит изменение знака действия: пресинаптическое возбуждение (ПД) порождает постсинаптический тормозный процесс или состояние.

Известны два варианта тормозных синапсов: электрические (встречающиеся очень редко) и химические (основной вариант).

Электрический тормозный синапс образуется, например, нервным окончанием на выходном сегменте маутнеровского нейрона у рыб. Два таких нейрона, расположенные симметрично в продолговатом мозгу, "командуют" противоположно направленными изгибами хвоста. Когда один из них возбуждается, другой — заторможен. Отчасти это торможение обеспечивается терминалью аксона клетки-антагониста (или дополнительной вставочной клетки), формирующей тормозный электрический синапс. В рассматриваемом синапсе тормозящая терминаль обвивает выходной сегмент и вся эта конструкция погружена в глиальную чашечку (рис. 1.26).

Между терминалью и постсинаптической клеткой здесь нет плотного соединения или щелевого контакта. Тормозящее влияние развивается за счет действия внешней петли тока, порождаемого пресинаптическим ПД. Пресинаптический ПД, видимо, останавливается перед глиальной чашечкой. При этом часть его тока, проходящего через терминаль, идет прямо в начальный сегмент аксона маутнеровской клетки и существенно гиперполяризует его. Выход тока из клетки при этом распределен по ее широкой сома-дендритной части и не производит там существенной деполяризации (рис. 1.26). Гиперполяризующий ток мгновенно тормозит разряд ПД в начальном сегменте аксона (триггерной зоне) маутнеровской клетки, но это продолжается лишь во время действия пресинаптического ПД, т. е. на протяжении нескольких миллисекунд. Описанное электрическое торможение далее

78 Структура химического синапса тормозного действия (ширина синаптической щели, наличие пресинаптических везикул) в общем соответствует таковой для возбуждающих химических синапсов. Существует предположение, что тормозные пресинаптические окончания всегда снабжены особыми уплощенными везикулами, однако, видимо, это не является общим правилом.Рассмотрим физиологию химических синапсов тормозящего действия, например, тормозный нервно-мышечный синапс рака, реализующий свое действие с помощью медиатора гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК). Общая схема работы этого синапса (роль пресинаптического ПД и Са²⁺) совпадает с рассмотренной выше работой синапсов возбуждающего действия. Только ГАМК, взаимодействуя с рецептором, открывает в постсинаптической мембране селективные хлорные каналы. Это приводит к движению ионов Сl^- по электрохимическому градиенту.

Так как в данном объекте Е _Cl = −80 мВ, то при менее негативном МП (-70 −50) ионы С1^- входят в мышцу и тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) имеет вид гиперполяризации. При более негативном МП (-90 −100) Сl^- выходит из мышечного волокна. При этом ТПСП развивается как небольшая деполяризация. При МП = −80 мВ движения ионов Сl^-, а значит, и ТПСП практически нет (Е _р ТПСП) (рис. 1.27).

Торможение за счет хлорного механизма осуществляется следующим образом. Если МП мышечного волокна низок и ТПСП развивается как гиперполяризация, то это повышает порог раздражения. Если же МП = −80 мВ и изменения МП отсутствуют, то торможение все же осуществляется за счет действия "хлорного шунта", т. е. за счет компенсации входящего (при возбуждении) натриевого тока идущим через открытые хлорные каналы током ионов Сl^-.

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.

79Рассмотрим химические тормозные синапсы в ЦНС позвоночных. При раздражении афферентов антагонистического нерва в спинальном мотонейроне (например, у кошки) возникает тормозный постсинаптический потенциал — ТПСП (рис. 1.28). Это происходит на 0,5 мс позже, чем появление ВПСП, что объясняется существованием дополнительного нейрона и синапса в тормозном пути. Этот специальный тормозный нейрон выбрасывает тормозный медиатор — глицин.

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

Развитие ТПСП связано со значительным увеличением ионной проводимости постсинаптической мембраны во время его восходящей (активной) фазы. В мотонейронах спинного мозга кошки R _вх при этом уменьшается с 1−2 до 0,5 МОм. Спад ТПСП мотонейрона пассивен и определяется перезарядкой мембранной емкости.

Ионный механизм восходящей фазы ТПСП был определен в опытах с электрофоретической инъекцией в мотонейрон ионов Сl^-. Оказалось, что добавка С1^- в нейрон сразу же извращает знак ТПСП, а дальнейшее увеличение внутренней концентрации Сl^- неуклонно увеличивает амплитуду инвертированного ТПСП.

Эти и другие данные позволяют заключить, что ТПСП в мотонейронах позвоночных определяются открытием в постсинаптической мембране главным образом хлорных каналов (по некоторым данным, также и селективных калиевых каналов).

При низком МПП и обычной внутренней концентрации Сl^- открытие хлорных каналов приводит к току Сl^- внутрь клетки и развитию гиперполяризационного ТПСП. При высоких МПП и обычной внутриклеточной концентрации Сl^- то же открытие хлорных каналов

80приводит к току Сl^- наружу и развитию деполяризационного ТПСП. В мембране мотонейрона, по-видимому, существует специальный ионный насос, поддерживающий [Сl^-] на нормальном уровне.

Тормозный эффект ТПСП здесь (как и в сходном нервно-мышечном синапсе рака) основывается на двух механизмах. Во-первых, это электротоническое действие гиперполяризационного ТПСП на триггерную зону (холмик); 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).

1. Постсинаптическое торможение, при котором возникают тормозные постсинаптические потенциалы (ТПСП) в тормозных синапсах 2-го типа. В спинном мозге ТПСП появляются в моторных нейронах и нейронах Реншоу при определенных условиях притока афферентных импульсов, в головном мозге — корзинчатых и других тормозных нейронах. В спинном мозге латентный период ТПСП 0,3 мс, они достигают максимума через 0,8 мс и продолжаются около 2.5 мс. В нейронах головного мозга они продолжаются значительно дольше, 100-200 мс. Частота разряда ТПСП до 1000 имп/с. Они также суммируются в пространстве и во времени, как и ВПСП ТПСП - почти зеркальное отражение ВПСП (ТПСП противодействует ВПСП, препятствует возникающей деполяризации, так как при ТПСП возникает гиперполяризация постсинаптической мембраны. Когда раздражение афферентного нерва, вызывающее торможение и появление ТПСП, предшествует ВПСП, то последний подавляется. При действии тормозного раздражителя во время проведения импульсов ВПСП они становятся реже или исчезают. Результат торможения зависит от соотношения амплитуд ВПСП и ТПСП и количества участвующих возбуждающих и тормозных синапсов.

У млекопитающих гиперполяризация постсинаптической мембраны при ТПСП превышает потенциал покоя на 5-10 мв, а у амфибий на 10-20 мв. Гиперполяризация мембраны вызывается тормозным медиатором, повышающим ее электропроводимость почти в 10 раз. При торможении ионы Na не проходят через мембрану, они не участвуют в появлении ТПСП, которое вызывается резким увеличением проницаемости мембраны в особых тормозных зонах для ионов Сl и К. При действии тормозного медиатора в тормозных зонах мембраны образуются мельчайшие поры, пропускающие только маленькие гидратированные ионы Сl и не пропускающие большие ионы. Ионы Сl согласно электрохимическому градиенту движутся внутрь клетки, их концентрация внутри клетки возрастает («хлорный насос»), что вызывает гиперполяризацию. Выход ионов К наружу согласно электрохимическому градиенту имеет меньше значения для возникновения гиперполяризации, так как может достичь увеличения только не более половины проницаемости к ионам Сl. Повышение концентрации Сl внутри клетки, вызывающее гиперполяризацию, может по достижении критического уровня вызвать обратное движение этих ионов, что приведет к деполяризации.

Ацетилхолин, выделяемый в тормозных синапсах при поступлении импульсов по блуждающим нервам, тормозит деятельность сердца позвоночных. Импульсы, поступающие по блуждающим нервам, гиперполяризуют. Торможение сердечных сокращений обусловлено резким повышением проницаемости мембраны миокарда для ионов К. В венозном синусе лягушки ацетилхолин также вызывает увеличение проницаемости мембраны для ионов К, а проницаемость для ионов Сl изменяется незначительно. Увеличение проницаемости мембраны для ионов К объясняет повышение ее электропроводимости. Ацетилхолин — тормозной медиатор многих синапсов моллюсков.

Норадреналин — тормозной медиатор для многих гладких мышц и нейронов симпатических узлов. Раздражение нервных сплетений в стенке пищеварительного канала вызывает гиперполяризующие ТПСП и тормозит спонтанные сокращения гладкой мускулатуры.

Торможение синапсов вызывает у-аминомасляная кислота, которая образуется из глютаминовой кислоты в головном мозге, По своему химическому составу она близка к особому медиатору торможения, вызывающему гиперполяризацию постсинаптических мембран. у-аминомасляная кислота подавляет проведение нервных импульсов, непосредственно действуя на нейроны, не вызывая гиперполяризации. Однако механизм ее действия отличается от действия ацетилхолина. Эта кислота синтезируется при участии витамина B₆.

У ракообразных нервные тормозные импульсы и у-аминомасляная кислота увеличивают проницаемость постсинаптической мембраны к ионам Сl. У них аксон в тысячу раз менее чувствителен к этой кислоте, чем тела нейронов и основания дендритов, где расположены тормозные синапсы.

В центральной нервной системе и пищеварительном канале обнаружено также белковое вещество Р (полипептид), которое, возможно, является медиатором. Оно действует успокаивающе.

2. Пресинаптическое торможение, возникающее в тончайших разветвлениях (терминалях) афферентных нервных волокон до их перехода в нервное окончание.

На этих терминалях заканчиваются волокна тормозных нейронов, образующих тормозные синапсы.

В пресинаптическом торможении участвует не меньше двух вставочных тормозных нейронов, поэтому оно продолжительнее и эффективнее постсинаптического.

При пресинаптическом торможении проницаемость постсинаптической мембраны не изменяется и, следовательно, не изменяется возбудимость моторных нейронов. Уменьшение ВПСП и торможение рефлекторных разрядов в моторных нейронах зависит от уменьшения импульсов возбуждения, поступающих к ним по афферентным волокнам из рецепторов мышц. Это происходит в результате первичной афферентной деполяризации (ПАД) афферентных терминалей, на которых оканчиваются синапсы тормозных вставочных нейронов, в отличие от нейронов Реншоу, синапсы которых заканчиваются на теле моторного нейрона. ПАД вызывается длительным действием медиатора, который отличается от медиатора постсинаптического торможения. Образующийся в синапсах тормозных нейронов медиатор деполяризует мембрану аксонов и вызывает в пей состояние, подобное католической депрессии Вериго. Деполяризация афферентных терминалей тормозит выделение медиатора, вызывающего ВПСП в возбуждающих синапсах моторных нейронов. Деполяризация пресинаптических волокон тормозит передачу импульсов с них на моторные нейроны. Пресинаптическое торможение широко распространено в центральной нервной системе млекопитающих, например в коре головного мозга оно преобладает над постсинаптическим в большинстве возбуждающих нейронов первичных афферентных волокон. Пресинаптическое торможение выполняет роль обратной отрицательной связи, действующей на приток чувствительных афферентных импульсов в центральную нервную систему.