Синаптическая передача сигналов

Механизмы генерации пресинаптического потенциала действия

Возбуждение нейрона начинается с генерации потенциала действия в аксоне. Этот процесс обусловлен быстрым деполяризационным сдвигом мембранного потенциала, вызванным открытием натриевых (Na⁺) каналов. При достижении критического порога возбуждения мембрана стремительно деполяризуется, потенциал достигает положительных значений (+30–40 мВ), после чего следуют инактивация натриевых каналов и активация калиевых (K⁺) каналов, вызывающая реполяризацию мембраны.

Потенциал действия распространяется вдоль аксона до пресинаптического терминала, вызывая каскад физиологических изменений, запускающих экзоцитоз нейромедиаторов в синаптическую щель.

Кальциевый триггер экзоцитоза нейромедиаторов

В терминали аксона ключевую роль играет вход ионов кальция (Ca²⁺) через потенциал-зависимые кальциевые каналы (P/Q- и N-типа), открывающиеся в ответ на деполяризацию. Плотность этих каналов высока в активных зонах — специализированных участках пресинаптической мембраны, ориентированных на выделение медиаторов.

Повышение локальной концентрации Ca²⁺ (до 100 μM вблизи каналов) активирует сенсорный белок синаптотагмин, встроенный в мембрану синаптического пузырька. Это приводит к конформационным изменениям в комплексе белков слияния — SNARE-комплексе (включающем синтаксин, SNAP-25 и везикулярный везикулин/VAMP), обеспечивающем быстрый слип пузырька с пресинаптической мембраной.

Экзоцитоз завершается слиянием липидных мембран и выбросом медиатора в синаптическую щель за время менее 1 мс.

Типы нейромедиаторов и их высвобождение

Существует две основные категории медиаторов:

Низкомолекулярные нейромедиаторы (например, ацетилхолин, глутамат, ГАМК, дофамин, серотонин), синтезируемые в терминалях и упакованные в малые прозрачные везикулы (~40–60 нм).
Нейропептиды (например, энкефалины, нейропептид Y), синтезируемые в теле нейрона и транспортируемые в крупных плотных везикулах (~90–250 нм).

Высвобождение может происходить как одиночными везикулами (квантовая передача), так и в виде множественного, часто кодируемого высокочастотными поездами потенциалов действия.

Диффузия и взаимодействие медиатора с постсинаптической мембраной

После выхода из везикулы молекулы медиатора диффундируют через синаптическую щель (шириной ~20–30 нм) и взаимодействуют с рецепторами на постсинаптической мембране. Это взаимодействие осуществляется двумя основными классами рецепторов:

Ионотропные рецепторы — это лиганд-зависимые ионные каналы (например, рецепторы глутамата AMPA, NMDA; никотиновый ацетилхолиновый рецептор). Их активация вызывает быстрые изменения мембранной проницаемости, приводящие к возбуждающим или тормозным постсинаптическим потенциалам (EPSP/IPSP).
Метаботропные рецепторы — связаны с G-белками и активируют вторичные мессенджерные системы (например, аденилатциклазу, фосфолипазу C), опосредуя медленные и долгосрочные эффекты.

Постсинаптический ответ зависит от природы медиатора, типа рецепторов и ионных градиентов. Например, открытие Na⁺-каналов вызывает деполяризацию (EPSP), а Cl⁻-каналов — гиперполяризацию (IPSP).

Терминация синаптической передачи

Остановка действия медиатора в синапсе осуществляется тремя основными механизмами:

Реаптейк — активный захват медиатора обратно в пресинаптическую клетку или глиальные элементы (например, транспорт глутамата и ГАМК).
Ферментативный распад — деградация медиатора (например, ацетилхолинэстераза расщепляет ацетилхолин).
Диффузия — пассивное удаление медиатора из зоны действия.

Эффективная терминация обеспечивает высокую временную и пространственную разрешающую способность синаптической передачи.

Электрофизиология синаптического тока

Синаптический ток можно зарегистрировать с помощью метода цельноклеточной регистрации (patch-clamp) в режиме фиксированного потенциала. Он отражает сумму ионных токов, индуцированных активацией постсинаптических рецепторов. Амплитуда единичного квантового тока (~10 пА) зависит от числа открытых каналов, их проводимости и разности потенциалов.

Квантовая природа передачи подтверждается наблюдением миниатюрных постсинаптических потенциалов даже в отсутствие стимуляции, что указывает на спонтанное слияние отдельных везикул.

Пластичность синаптической передачи

Синапсы обладают способностью изменять свою эффективность. Основные формы пластичности:

Краткосрочная: посттетаническая потенциация, депрессия, облегчение — обусловлены накоплением Ca²⁺ и изменениями вероятности экзоцитоза.
Долгосрочная:
- LTP (long-term potentiation) — стойкое усиление передачи при высокочастотной стимуляции, часто связано с рецепторами NMDA и изменением экспрессии AMPA-рецепторов.
- LTD (long-term depression) — стойкое ослабление передачи при определённых шаблонах активности, в том числе при медленной стимуляции.

Механизмы пластичности включают в себя как постсинаптические, так и пресинаптические изменения, а также участие сигнальных каскадов (PKA, CaMKII, MAP-киназы).

Энергетическое обеспечение синаптической активности

Синаптическая передача — энергозатратный процесс. Основные статьи потребления энергии:

Поддержание ионных градиентов (Na⁺/K⁺-АТФаза, Ca²⁺-АТФаза).
Рецикл везикул (эндоцитоз, реацидификация пузырьков).
Синтез медиаторов и белков.

Митохондрии локализованы вблизи активных зон, обеспечивая АТФ. В условиях гипоксии синаптическая передача нарушается раньше, чем генерация потенциала действия.

Модуляция синаптической передачи

Синапсы регулируются множеством внешних и внутренних факторов:

Ауторецепторы — рецепторы на пресинаптической мембране, регулирующие выделение медиатора (например, α2-адренорецепторы, тормозящие выброс норадреналина).
Глиальные клетки — астроциты могут контролировать концентрацию медиаторов, выделять глиотрансмиттеры.
Нейромодуляторы — вещества (например, дофамин, серотонин), изменяющие возбудимость и эффективность передачи без прямой генерации ПСП.

Модуляция может изменять вероятность высвобождения везикул, чувствительность рецепторов, состав и плотность рецепторных комплексов.

Особенности химических и электрических синапсов

Хотя подавляющее большинство синапсов в ЦНС — химические, также существуют электрические синапсы, образованные щелевыми контактами (gap junctions). Их особенности:

Почти мгновенная передача (мкс).
Двусторонний ток ионов и мелких молекул.
Высокая синхронизация активности нейронов (например, в интернейронных сетях).

Однако они не обеспечивают гибкость и модуляцию, присущую химическим синапсам.

Законы и уравнения, описывающие синаптическую передачу

Для количественного анализа синаптической передачи применяются следующие физико-математические модели:

Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца — описывает ионные токи через мембрану.
Уравнение Нернста — определяет равновесный потенциал иона.
Уравнение синаптического тока:

I_syn = g_syn(V_m − E_rev)

где g_syn — проводимость, зависящая от числа открытых каналов; V_m — мембранный потенциал; E_rev — обратный потенциал для данного рецептора.

Временная зависимость проводимости может моделироваться функциями типа α-функции или экспоненциальных разрядов, описывая динамику подъема и спада синаптического тока.

Роль синапсов в интеграции сигналов нейронной сетью

Синапсы являются структурной и функциональной единицей обработки информации в нейронных сетях. Через пространственную и временную сумму потенциалов нейрон принимает решение о генерации потенциала действия.

Возбуждающие синапсы (например, глутаматергические) способствуют достижению порога.
Тормозные синапсы (например, ГАМКергические) предотвращают возбуждение.

Взаимодействие возбуждающих и тормозных сигналов, локализация синапсов на дендритном дереве, нелинейные свойства дендритов — всё это определяет вычислительную способность нейрона.