Потенциал действия, приходящий в пресинаптическое окончание, вызывает выделение медиатора в синаптическую щель. Когда медиатор достигает постсинаптического окончания, он связывается с рецепторами на постсинаптической мембране возникает миниатюрный возбуждающий постсинаптической потенциал (ВПСП) – около 0,05 мВ. Такой местный потенциал недостаточен для изменения состояния клетки. Однако возникает сразу много возбуждающих постсинаптических потенциалов, они, в отличие от потенциала действия, суммируются, для того чтобы был достигнут критической уровень деполяризации. Когда достигнут КУД, начинается генерация потенциала действия. Возбуждающие постсинаптические потенциалы могут суммироваться только в том случае, если они возникают одновременно, синхронно (в этом случае не успевает восстановиться потенциал покоя и деполяризация мембраны нарастает).
Иногда происходят спонтанные выбросы медиатора из пресинаптического окончания вследствие случайных столкновений везикул и мембраны. Однако потенциал действия в этом случае не возникает из-за небольшой величины возбуждающего постсинаптического потенциала.
Помимо процессов возбуждения на мембране могут происходить и обратные процессы торможения. Торможение в НС – это не пассивный процесс отсутствия деятельности, а активная блокирующая деятельность. В случае торможения на мембране возникают не возбуждающие постсинаптические потенциалы, а тормозные постсинаптические потенциалы , ТПСП. При возникновении тормозных постсинаптических потенциалов происходит гиперполяризация мембраны. ТПСП вызывает не снижение, а увеличение разности потенциалов на мембране, которое препятствует формированию потенциала действия. На мембране образуются сходящиеся токи, то есть, гиперполяризация «стекается» к аксону со всех мест, где произошло тормозное воздействие. ТПСП возникают при поступлении в клетку анионов, которые легко проходят через каналы. Чаще всего это Cl-.
Раньше считалось, что за возникновение ВПСП и ТПСП отвечают различные медиаторы. К основным тормозным медиаторам относят ГАМК (в корковых и подкорковых отделах) и глицин (на периферии и СМ). Однако сейчас считается, что за генерацию ВПСП либо ТПСП отвечает не собственно медиатор (ГАМК может вызывать и активирующее влияние). Медиатор, попадая на постсинаптическую мембрану, связывается с рецептором, который, в свою очередь, влияет на особый G-белок, активирующий белки ионного канала. G-белок связывается с посредником-мессенджером, который оказывает влияние на работу ионного канала. В зависимости от деятельности этого G-белка происходит открытие либо анионных, либо катионных каналов, и, соответственно, генерируется либо ВПСП, либо ТПСП.
Свойства постсинаптического потенциала :
- Возникают только конкретно в том месте, где произошло воздействие медиатора. Обычно, это дендрит или сома.
- Величина = 0,05 мВ
- В отличие от ПД, суммируются.
При действии медиаторов на рецепторы постсинаптической мембраны одни их них вызывают возбуждение иннервируемой клетки, а другие ведут к ее торможению (рис. 1.3.3. Состояния нейронаС^У).
Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП ). В образовании ВПСП участвуют молекулярные (катионные и анионные) и мембранные механизмы.
Мембранный потенциал покоя в клетке равен -65 мВ. Под влиянием медиатора в возбуждающем рецепторе открывается натриевый канал ионофора. В связи с большим градиентом концентрации и отрицательным зарядом внутри клетки ионы натрия быстро диффундируют внутрь нейрона. Поступление в постсинаптическую клетку большого количества положительных электрических зарядов приводит к изменению потенциала покоя с -65 до -45 мВ. Положительный сдвиг потенциала покоя (+20) инициирует ВПСП.
Одновременно с усиленной диффузией ионов натрия тормозиться поступление в клетку отрицательных ионов С1~, а также задерживается выведение наружу положительно заряженных ионов К + . Изменения внутриклеточного метаболизма, вызванные активацией ионо- форов и сдвигом потенциала покоя, приводит к увеличению числа возбуждающих рецепторов или уменьшению количества тормозных мембранных рецепторных структур. Для появления ВПСП требуется одновременный или в быстрой последовательности выброс медиатора из 40-80 терминалей синапса.
В результате изменения электрических параметров клетки (ВПСП) возникает потенциал действия (ПД), который в нейронах распространяется по аксонам. ПД появляется не в прилежащей к возбуждающим синапсам части мембраны, а в начальном сегменте аксона - в месте перехода тела клетки в аксон. Это связано с тем, что концентрация натриевых каналов в этом сегменте в 7 раз больше, чем в мембране тела нейрона.
Тормозные эффекты синапсов. Возникают в результате появления на постсинаптической мембране тормозного потенциала, а также вследствие пресинаптического торможения.
Тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) формируется в результате включения молекулярных (катионных и анионных) механизмов, а также активации ферментов, отвечающих за клеточные метаболические функции.
Ведущая роль в ТПСП принадлежит ионам хлора. Движущей силой перемещения ионов хлора внутрь клетки является разность потенциалов между потенциалом покоя нейрона -65 мВ и электрическим потенциал ионов хлора -70 мВ. Как видно, она составляет +5 мВ. Поэтому, как только открывается хлорный ионный канал, CI - начинает двигаться в клетку, смещая потенциал покоя в отрицательную сторону до величины -70 мВ (см. рис. 1.3.3, вС?*).
Одновременно с активацией хлорных каналов открываются калиевые каналы, что позволяет положительно заряженным ионам К + выходить из клетки, поддерживая электротрицательность внутри нейрона на новом уровне. Процесс увеличения электроотрицательности внутри клетки по сравнению с потенциалом покоя за счет поступления в нейрон CI - и выхода из него К + называется гиперполяризацией. Выход отрицательных значений (-70 мВ) за пределы нормального мембранного потенциала (-65 мВ) называют тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП).
Вследствие активации внутриклеточных ферментов в нейроне увеличивается число тормозных рецепторов и уменьшается количество возбуждающих мембранных рецепторов.
Пресинаптическое торможение. Развивается в пресинаптических терминалях еще до того, как сигнал достигнет синапса.
Пресинаптическое торможение возникает в аксо-аксональных синапсах, которые образуют тормозные нейроны на аксонных окончаниях возбуждающих нейронов (рис. 1.3.4). Причиной пресинапти- ческого торможения является выделение на наружную поверхность пресинаптических нервных волокон тормозного медиатора, чаще всего ГАМК. Медиатор в этих синапсах открывает С1 _ -канал ГАМК- рецептора и вызывает диффузию ионов хлора в терминальное волокно. Отрицательно заряженные анионы тормозят синаптическое проведение сигнала за счет нейтрализации возбуждающего эффекта катионов натрия, которые также входят в терминальные волокна, когда в них возникает потенциал действия.
Потенциал действия (ПД), идущий к возбуждающему синапсу через этот участок, уменьшает амплитуду. Снижение амплитуды ПД приводит к уменьшению выброса медиатора в возбуждающем синапсе, что равносильно торможению синаптической передачи. При снижении амплитуды ПД всего на 5% ВПСП уменьшается на 50%.
Пресинаптическое торможение, в отличие от постсинаптического, позволяет выключать не весь нейрон, а его отдельные синаптические входы. Этот механизм торможения сохраняет поступление актуальной в конкретный момент сенсорной импульсации и блокирует второстепенные афферентные влияния.
Если ТПСП, увеличивающий отрицательное значение мембранного потенциала, и ВПСП, уменьшающий его отрицательность, развиваются в нейроне одновременно, то эти два эффекта могут полностью или частично нейтрализовать друг друга.
Рис. 1.3.4.
А - без торможения; Б - пресинаптическое торможение; а - аксо-аксональный синапс; б - синапс, функция которого тормозится (цит. 3. Зибернагал, А. Деспопулос, 1991)
На нейроне имеется обычно несколько тысяч возбуждающих и тормозящих синапсов, в которых образуются локальные потенциалы соответственно В ПСП и ТПСП, способные к суммации. Если алгебраическая суммация ВПСП будет превалировать над суммацией ТПСП и это преобладание доведет мембранный потенциал нейрона до критического уровня деполяризации, то нейрон будет возбужден. Если алгебраическая суммация ТПСП будет превалировать над суммацией ВПСП и произойдет гиперполяризация мембраны, то нейрон будет заторможен.
Контрольные вопросы
- 1. Что такое синапс, какие существуют виды синапсов?
- 2. Каково строение электрического синапса?
- 3. Каково строение химического синапса?
- 4. Как передается возбуждение в химическом синапсе?
- 5. Какие существуют виды медиаторов?
- 6. Какова особенность медиаторов пептидной природы?
- 7. В результате чего возникают тормозные эффекты синапсов?
- 8. Как возникает пресинаптическое торможение?
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.
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.
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.
На рисунке показаны нейрон в состоянии покоя и невозбужденная пресинаптическая терминалу контактирующая с его поверхностью. Мембранный потенциал покоя повсюду в соме равен -65 мВ.
На рисунке показана пресинаптическая терминалу из которой выделился возбуждающий медиатор в щель между терминалью и мембраной сомы нейрона. Этот медиатор действует на мембранный возбуждающий рецептор, увеличивая проницаемость мембраны для Na+. В связи с большим градиентом концентрации ионов Na+ и значительной электроотрицательностью внутри нейрона ионы Na+ быстро диффундируют внутрь клетки.
Быстрый приток положительно заряженных ионов Na+ внутрь клетки частично нейтрализует отрицательность мембранного потенциала покоя. Так, на рисунке мембранный потенциал покоя сдвинулся в положительном направлении от -65 до -45 мВ. Такой положительный сдвиг мембранного потенциала покоя называют возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП), поскольку, если этот потенциал значительно сдвигается в положительном направлении, он ведет к развитию потенциала действия в постсинаптическом нейроне, т.е. к его возбуждению. (В данном случае ВПСП равен +20 мВ, т.е. мембранный потенциал стал на 20 мВ более положительным, чем в покое.)
Однако необходимо отметить следующее. Одиночный разряд
одной пресинаптической терминали никогда не сможет увеличить потенциал нейрона от -65 мВ сразу до -45 мВ. Такой большой сдвиг потенциала требует разряда многих терминалей (примерно 40-80 для обычного спинального мотонейрона) одновременно или в быстрой последовательности. При этом осуществляется процесс, называемый суммацией, который подробно изложен в следующих статьях.
Генерация потенциалов действия в начальном сегменте аксона, отходящего от тела нейрона. Порог возбуждения.
Когда ВПСП сдвигается достаточно сильно в положительном направлении, достигается уровень деполяризации, при котором в нейроне развивается потенциал действия. Однако потенциал действия возникает не в прилежащей к возбуждающим синапсам части мембраны, а в начальном сегменте аксона - в месте перехода сомы нейрона в аксон.
Главной причиной этого является относительно небольшое количество потенциалзависимых натриевых каналов в мембране сомы нейрона, что при развитии ВПСП затрудняет открытие необходимого количества натриевых каналов для возникновения потенциала действия.
Наоборот, концентрация потенциалзависимых натриевых каналов в мембране начального сегмента в 7 раз больше, чем в мембране сомы, и, следовательно, этот участок нейрона может генерировать потенциал действия гораздо легче, чем сома. ВПСП, способный вызвать потенциал действия в начальном сегменте аксона, колеблется между +10 и +20 мВ (по сравнению с +30 или +40 мВ или более, необходимых для возбуждения сомы).
Сразу после того как развивается потенциал действия , он распространяется вдоль аксона на периферию и обычно также к соме. В некоторых случаях он распространяется и в дендриты, но не во все, поскольку они, как и сома нейрона, имеют очень мало потенциалзависимых натриевых каналов и, следовательно, часто не могут генерировать потенциалы действия.
На рисунке показано, что порог возбуждения нейрона равен примерно -45 мВ, т.е. на 20 мВ более положительный, чем потенциал покоя нейрона, равный -65 мВ, что соответствует ВПСП +20 мВ.
В возбуждающих синапсах нервной системы медиатором может являться ацетилхолин, норадреналин, дофамин, серотонин, глугаминовая кислота, вещество Р, а также большая группа других веществ, являющихся, если не медиаторами в прямом значении, то во всяком случае модуляторами (меняющими эффектиьность) синаптической передачи. Возбуждающие медиаторы вызывают появление на постсинаптической мембраневозбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП) . Его формирование обусловлено тем, что медиатор-рецепторный комплекс активирует Na- каналы мембраны (а также вероятно и Са-каналы) и вызывает за счет поступления натрия внутрь клетки деполяризацию мембраны. Одновременно происходит и уменьшение выхода из клетки ионовК + Амплитуда одиночного ВПСП однако довольно мала, и для уменьшения заряда мембраны до критического уровня деполяризации необходима одновременная активация нескольких возбуждающих синапсов.
ВПСП, образуемые на постсинаптической мембране этих синапсов, способны суммироваться, т.е. усиливать друг друга, приводя к росту амплитуды ВПСП (пространственная суммация ).
Растет амплитуда ВПСП и при увеличении частоты поступающих к синапсу нервных импульсов (временная суммация ), что повышает число выводимых в синаптическую щель квантов медиатора.
Процесс спонтанной регенеративной деполяризации возникает в нейроне обычно в месте отхождения от тела клетки аксона, в так называемом аксонном холмике, где аксон еше не покрыт миелином и порог возбуждения наиболее низкий. Таким образом, ВПСП, возникающие в разных участках мембраны нейрона и на его дендритах, распространяются к аксонному холмику, где суммируются, деполяризуя мембрану до критического уровня и приводя к появлению потенциала действия.
Тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП) В тормозных синапсах обычно действуют другие, тормозные, медиаторы. Среди них хорошо изученными являются аминокислота глицин (тормозные синапсы спинного мозга), гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) - тормозной медиатор в нейронах головного мозга. Вместе с тем, тормозной синапс может иметь тот же медиатор, что и возбуждающий, но иную природу рецепторов постсинаптической мембраны. Так, для ацетилхолина, биогенных аминов и аминокислот на постсинаптической мембране разных синапсов могут существовать как минимум два типа рецепторов, и, следовательно, разные медиатор-рецепторные комплексы способны вызывать различную реакцию хемочувствительныхрецепторуправляемых каналов. Для тормозного эффекта такой реакцией может являться активация калиевых каналов, что вызывает увеличение выхода ионов калия наружу и гиперполяризацию мембраны. Аналогичный эффект во многих тормозных синапсах имеет активация каналов для хлора, увеличивающая его транспорт внутрь клетки. Возникающий при гиперполяризации сдвиг мембранного потенциала получил название тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП) . На рис.3.5 показаны отличительные черты ВПСП и ТПСП. Увеличение частоты нервных импульсов, приходящих к тормозному синапсу, также как и в возбуждающих синапсах, вызывает нарастание числа квантов тормозного медиатора, выделяющихся в синаптическую щель, что, соответственно, повышает амплитуду гиперполяризационного ТПСП. Вместе с тем, ТПСП не способен распространяться по мембране и существует только локально.
В результате ТПСП уровень мембранного потенциала удаляется от критического уровня деполяризации и возбуждение становится либо вообще невозможным, либо для возбуждения требуется суммация значительно больших по амплитуде ВПСП, т.е. наличие значительно больших возбуждающих токов. При одновременной активации возбуждаюших и тормозных синапсов резко падает амплитуда ВПСП, так как деполяризующий поток ионов Na + компенсируется одновременным выходом ионов К + в одних видах тормозных синапсов или входом ионов СГ в других, что называют шунтированием ВПСП .
Под влиянием некоторых ядов может происходить блокада тормозных синапсов в нервной системе, что вызывает безудержное возбуждение многочисленных рефлекторных аппаратов и проявляется в виде судорог. Так действует стрихнин, конкурентно связывающий рецепторы постсинаптической мембраны и не позволяющий им взаимодействовать с тормозным медиатором. Столбнячный токсин, нарушающий процесс освобождения тормозного медиатора, также угнетает тормозные синапсы.
Принято различать два типа торможения в нервной системе: первичное и вторичное
Все особенности распространения возбуждения в ЦНС объясняются ее нейронным строением: наличием химических синапсов, многократным ветвлением аксонов нейронов, наличием замкнутых нейронных путей. Этими особенностями являются следующие.
1. Иррадиация (дивергенция) возбуждения в ЦНС. Она объясняется ветвлением аксонов нейронов, их способностью устанавливать многочисленные связи с другими нейронами, наличием вставочных нейронов, аксоны которых также ветвятся (рис. 4.4, а).
Иррадиацию возбуждения можно наблюдать в опыте на спинальной лягушке, когда слабое раздражение вызывает сгибание одной конечности, а сильное - энергичные движения всех конечностей и даже туловища. Дивергенция расширяет сферу действия каждого нейрона. Один нейрон, посылая импульсы в кору большого мозга, может участвовать в возбуждении до 5000 нейронов.
Рис. 4.4. Дивергенция афферентных дорсальных корешков на спинальные нейроны, аксоны которых, в свою очередь, ветвятся, образуя многочисленные коллатерали (в), и конвергенция эфферентных путей от различных отделов ЦНС на α-мотонейрон спинного мозга (6)
1. Конвергенция возбуждения (принцип общего конечного пути) - схождение возбуждения различного происхождения по нескольким путям к одному и тому же нейрону или нейронному пулу (принцип шеррингтоновской воронки). Конвергенция возбуждения объясняется наличием многих аксонных коллатералей, вставочных нейронов, а также тем, что афферентных путей в несколько раз больше, чем эфферентных нейронов. На одном нейроне ЦНС может располагаться до 10 000 синапсов. Явление конвергенции возбуждения в ЦНС имеет широкое распространение. Примером может служить конвергенция возбуждения на спинальноммотонейроне. Так, к одному и тому же спинальному мотонейрону подходят первичные афферентные волокна (рис. 4.4, б), а также различные нисходящие пути многих вышележащих центров ствола мозга и других отделов ЦНС. Явление конвергенции весьма важно: оно обеспечивает, например, участие одного мотонейрона в нескольких различных реакциях. Мотонейрон, иннервирующий мышцы глотки, участвует в рефлексах глотания, кашля, сосания, чиханья и дыхания, образуя общий конечный путь для многочисленных рефлекторных дуг. На рис. 4.4, я показаны два афферентных волокна, каждое из которых отдает коллатерали к 4 нейронам таким образом, что 3 нейрона из общего их числа, равного 5, образуют связи с обоими афферентными волокнами. На каждом из этих 3 нейронов конвергируют два афферентных волокна.
На один мотонейрон может конвергировать множество коллатералей аксонов, до 10 000-20 000, поэтому генерация ПД в каждый момент зависит от общей суммы возбуждающих и тормозящих синаптических влияний. ПД возникают лишь в том случае, если преобладают возбуждающие влияния. Конвергенция может облегчать процесс возникновения возбуждения на общих нейронах в результате пространственной суммации подпороговых ВПСП либо блокировать его вследствие преобладания тормозных влияний (см. раздел 4.8).
3. Циркуляция возбуждения по замкнутым нейронным цепям. Она может продолжаться минуты и даже часы (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Циркуляция возбуждения в замкнутых нейронных цепях по Лоренто де-Но (а) и по И.С.Беритову (б). 1,2,3- возбуждающие нейроны
Циркуляция возбуждения - одна из причин явления последействия, которое будет рассмотрено далее (см. раздел 4.7). Считают, что циркуляция возбуждения в замкнутых нейронных цепях - наиболее вероятный механизм феномена кратковременной памяти (см. раздел 6.6). Циркуляция возбуждения возможна в цепи нейронов и в пределах одного нейрона в результате контактов разветвлений его аксона с собственными дендритами и телом.
4. Одностороннее распространение возбуждения в нейронных цепях, рефлекторных дугах. Распространение возбуждения от аксона одного нейрона к телу или дендритам другого нейрона, но не обратно объясняется свойствами химических синапсов, которые проводят возбуждение только в одном направлении (см. раздел 4.3.3).
5. Замедленное распространение возбуждения в ЦНС по сравнению с его распространением по нервному волокну объясняется наличием на путях распространения возбуждения множества химических синапсов. Время проведения возбуждения через синапс затрачивается на выделение медиатора в синаптическую щель, распространение его до постсинаптической мембраны, возникновение ВПСП и, наконец, ПД. Суммарная задержка передачи возбуждения в синапсе достигает примерно 2 мс. Чем больше синапсов в нейрональной цепочке, тем меньше общая скорость распространения по ней возбуждения. По латентному времени рефлекса, точнее по центральному времени рефлекса, можно ориентировочно рассчитать число нейронов той или иной рефлекторной дуги.
6. Распространение возбуждения в ЦНС легко блокируется определенными фармакологическими препаратами, что находит широкое применение в клинической практике. В физиологических условиях ограничения распространения возбуждения по ЦНС связаны с включением нейрофизиологических механизмов торможения нейронов.
Рассмотренные особенности распространения возбуждения дают возможность подойти к пониманию свойств нервных центров.
4. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФОРМАХ И МЕХАНИЗМАХ ТОРМОЖЕНИЯ В ЦНС. ФУНУЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ТОРМОЖЕНИЯ.
Торможение в ЦНС – это процесс ослабления или прекращения передачи нервных импульсов. Торможение ограничивает распространение возбуждения (иррадиацию) и позволяет производить тонкую регуляцию деятельности отдельных нейронов и пαередачи сигналов между ними. Чаще всего тормозными нейронами являются вставочные нейроны. Именно благодаря взаимодействию процессов возбуждения и торможения в ЦНС осуществляется объединение деятельности отдельных систем организма в единое целое (интеграция) и согласование, координация их деятельности. Например, концентрацию внимания можно рассматривать как ослабление иррадиации и усиление индукции. Процесс этот совершенствуется с возрастом. Значение торможения заключается также в том, что от всех органов чувств, от всех рецепторов в мозг непрерывно идет поток сигналов, однако мозг реагирует не на все, а только на наиболее значимые в данный момент. Торможение позволяет более точно скоординировать работу разных органов и систем организма. С помощью пресинаптического торможения ограничивается поступление отдельных видов нервных импульсов к нервным центрам. Постсинаптическое торможение ослабляет рефлекторные реакции, которые в данный момент являются ненужными или несущественными. Оно лежит, например, в основе координации работы мышц.
Различают первичное и вторичное торможение. Первичное торможение
развивается первично, 
без предварительного возбуждения и проявляется в гиперполяризациинейрональной мембраны при действии тормозныхнейромедиаторов. Например, реципрокное торможение при действии тормозных нейромедиаторов.К первичному торможению относятся пресинаптическое и постсинаптическое торможение, ко вторичному – пессимальное и торможение вслед за возбуждением. Вторичное торможение
возникает без участия специальных тормозных структур, как следствие избыточной активации возбуждающих нейронов (торможение Введенского). Оно играет охранительную роль. Вторичное торможение выражается в стойкой деполяризации нейрональных мембран, превышающей критический уровень и вызывающей инактивацию натриевых каналов. Центральное торможение (И.М.Сеченов) – это торможение, вызываемое возбуждением и проявляющееся в подавлении другого возбуждения.
Классификация торможения:
I. По локализации места приложения в синапсе:
1 – пресинаптическое торможение – наблюдается в аксо-аксональных синапсах, блокируя распространение возбуждения по аксону (в структурах мозгового ствола, в спинном мозге). В области контакта выделяется тормозной медиатор (ГАМК), вызывающий гиперполяризацию, что нарушает проведение волны возбуждения через этот участок.
2 – постсинаптическое торможение – основной вид торможения, развивается на постсинаптической мембране аксосоматических и аксодендрических синапсов под влиянием выделившихся ГАМК или глицина. Действие медиатора вызывает в постсинаптической мембране эффект гиперполяризации в виде ТПСП, что приводит к урежению или полному прекращению генерации ПД.
II. По эффектам в нейронных цепях и рефлекторных дугах:
1 – реципрокное торможение – осуществляется для координации активности мышц, противоположных по функции (Шеррингтон). Например, сигнал от мышечного веретена поступает с афферентного нейрона в спинной мозг, где переключается на α-мотонейрон сгибателя и одновременно на тормозной нейрон, который тормозит активность α-мотонейрона разгибателя.
2 – возвратное торможение – осуществляется для ограничения излишнего вобуждения нейрона. Например, α-мотонейрон посылает аксон к соответствующим мышечным волокнам. По пути от аксона отходит коллатераль, которая возвращается в ЦНС – она заканчивается на тормозном нейроне (клетка Реншоу) и активирует ее. Тормозной нейрон вызывает торможение α-мотонейрона, который запустил всю эту цепочку, то есть α-мотонейрон сам себя тормозит через систему тормозного нейрона.
3 – латеральное торможение (вариант возвратного). Пример: фоторецептор активирует биполярную клетку и одновременно рядом расположенный тормозной нейрон, блокирующий проведение возбуждения от соседнего фоторецептора к ганглиозной клетке («вытормаживание информации».
III. По химической природе нейромедиатора :
1 – ГАМКергическое,
2 – глицинергическое,
3 – смешанное.
IV. Классификация видов торможения по И.П.Павлову (таблица 1)
Таблица 1 – Виды торможения (по И.П.Павлову)
| Тип торможения | Вид торможения | Характеристика | Биологическое значение |
| Безусловное торможение | Внешнее | Отвлечение при действии неожиданных новых стимулов | Смена доминанты, переключение на сбор новой информации |
| Запредельное | Результат утомления | «Охранительное», защита нервной системы от повреждения | |
| Условное | Угасательное | Ослабление реакции при неподкреплении условного стимула | Отказ от неэффективных поведенческих программ, забывание неиспользуемых программ |
| Дифференцировочное | Прекращение реакции на сходный с условным, но неподкрепляемый стимул | Тонкое различение близких по параметрам сенсорных сигналов | |
| Условный тормоз | При предъявлении стимула, сигнализирующего, что вслед за условным раздражителем подкрепления не будет | «Запреты», остановка текущей деятельности при определенных условиях | |
| Запаздывательное | Во время паузы между условным сигналом и запаздывающим подкреплением | «Ожидание» |
