Впсп физиология. Возбуждающий постсинаптический потенциал

Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) возникает в случае сильного входящего тока ионов Na + и более слабого выходящего тока ионов К + в результате открытия неспецифических каналов при взаимодействии медиатора с соответствующим рецептором на постсинаптической мембране.

Ионные токи, участвующие в возникновении ВПСП, ведут себя иначе, чем токи Na + и К + во время генерации потенциала действия. Это связано с тем, что в механизме возникновения ВПСП участвуют другие ионные каналы с другими свойствами. При образовании потенциала действия активируются потенциалуправляемые ионные каналы, которые с увеличивающейся деполяризацией открывают следующие каналы, так что процесс деполяризации усиливает сам себя. Проводимость ионных каналов на постсинаптической мембране зависит только от количества молекул медиатора, связавшихся с молекулами рецептора и, следовательно, от числа открытых ионных каналов (трансмиттеруправляемые или лигандуправляемые каналы). Амплитуда ВПСП лежит в диапазоне от 100 мкВ до 10 мВ. В зависимости от вида синапса общая продолжительность ВПСП находится в диапазоне от 5 до 100 мс. В зоне синапса локально образовавшийся ВПСП пассивно (электротонически) распространяется по всей постсинаптической мембране клетки. Это распространение не подчиняется закону «все или ничего». Если большое число синапсов возбуждается одновременно или почти одновременно, то возникает явление суммации, которое проявляется в виде возникновения ВПСП существенно большей амплитуды, что может деполяризовать мембрану всей постсинаптической клетки. Если величина этой деполяризации достигает в области постсинаптической мембраны определенного порога (10 мВ и выше), то на аксонном холмике нервной клетки очень быстро открываются потенциалуправляемые Na + -каналы и она генерирует потенциал действия, который распространяется вдоль ее аксона. В случае моторной концевой пластинки это приводит к мышечному сокращению. От начала ВПСП до образования потенциала действия проходит еще около 0,3 мс. При обильном освобождении трансмиттера (медиатора) постсинаптический потенциал может появиться уже через 0,5-0,6 мс после пришедшего в пресинаптическую область потенциала действия. Время синаптической задержки (время между возникновением пре- и постсинаптического потенциала действия) всегда зависит от типа синапса.

Некоторые другие вещества, влияющие на передачу в синапсе.
К рецепторному белку могут иметь высокое сродство и другие соединения. Если их связывание с рецептором приводит к одинаковому с медиатором эффекту, они называются агонистами, если же эти соединения путем связывания, напротив, препятствуют действию медиаторов – антагонистами. Для большинства синапсов установлен целый ряд эндогенных и экзогенных соединений, способных к взаимодействию со связывающим участком постсинаптической мембраны. Многие из них являются лекарствами. Например, для холинергического синапса (медиатор – Ach) агонистом является сукцинилхолин, он так же как и Ach, способствует возникновению ВПСП. Наряду с этим d-тубокурарин (содержится в яде кураре) относится к антагонистам. Он является конкурентным блокатором для никотиновых рецепторов.

2.6. Механизм открытия ионного канала у метаботропных
рецепторов

В противоположность синапсам (например никотиновым), в которых трансмиттер открывает ионный канал, существуют другие рецепторные белки, не являющиеся ионными каналами. Примером может служить холинергический синапс мускаринового типа. Название синапс приобрел по действию агониста – яда мухомора мускарина. В этом синапсе Ach-рецеп-
тором является белок. Этот белок обладает большим химическим сходством со светочувствительным пигментом родопсином, α- и β- адренергическими и другими рецепторами. Ионные каналы, необходимые для возникновения ВПСП, открываются там только благодаря обменным процессам. Поэтому их функция включает процессы метаболизма, а эти рецепторы называют метаботропными. Процесс передачи возбуждения в этом синапсе происходит следующим образом (рис. 1.5, 1.8). Как только медиатор связывается с рецептором, G-белок, имеющий три субъединицы, образует с рецептором комплекс. В этом родопсин, мускариновый рецептор, и все другие рецепторы, связанные с G-белками, похожи друг на друга. ГДФ, связанный с G-белком, заменяется на ГТФ. При этом образуется активированный G-белок, состоящий из ГТФ и α-субъединицы, который и открывает калиевый ионный канал.

У вторичных мессенджеров есть много возможностей для осуществления влияния на ионные каналы. С помощью вторичных мессенджеров определенные ионные каналы могут открываться или закрываться. Наряду с описанным выше механизмом открытия каналов, у многих синапсов при помощи ГТФ могут также активироваться β- и γ-субъединицы, например, в сердце. В других синапсах могут участвовать иные вторичные мессенджеры. Так, ионные каналы могут открываться при помощи цАМФ/IP 3 или фосфорилирования протеинкиназы С. Этот процесс опять связан с G-бел-
ком, который активирует фосфолипазу С, что ведет к образованию IP 3 . Дополнительно увеличивается образование диацилглицерина (ДАG) и протеинкиназы. У мускариновых синапсов и место связывания с медиатором, и ионный канал локализуются не в самом трансмембранном белке. Эти рецепторы связаны непосредственно с G-белком, что дает дополнительные возможности для влияния на функцию синапсов. С одной стороны, для таких рецепторов также существуют конкурентные блокаторы. У мускариновых синапсов это, например, атропин – алкалоид, содержащийся в растениях семейства пасленовых. С другой стороны, известны соединения, которые сами блокируют ионный канал. Они не конкурируют за места связывания и являются так называемыми неконкурентными блокаторами. Известно также, что некоторые бактериальные токсины, такие как холеротоксин или токсин возбудителя коклюша, на уровне синаптического аппарата осуществляют специфические воздействия на систему G-белка. Холеротоксин препятствует гидролизу α-G s -ГТФ в α-G s -ГДФ и повышает тем самым активность аденилатциклазы. Пертуситоксин препятствует связыванию ГТФ с α-G i -субъединицей G-белка и блокирует ингибирующий эффект α-G i . Такое опосредованное действие повышает в цитозоле концентрацию цАМФ. Передача является очень медленной. Время передачи лежит в диапазоне от 100 мс. К мускариновым синапсам относятся постганглионарные, парасимпатические и ауторецепторы ЦНС. Мускариновые рецепторы, образованные от аксонов маунтеровских клеток nucleus basalis (Meyner cells), управляют особыми процессами обучения. При болезни Альцгеймера (деменция) количество маунтеровских клеток в ядре убывает. В таблице 1.3 представлены некоторые вещества, влияющие на передачу в синапсах.

Действие медиатора на постсинаптическую мембрану химического синапса приводит к возникновению в ней постсинаптического потенциала. Постсинаптические потенциалы могут быть двух типов: деполяризующие (возбуждающие) и гиперполяризующие (тормозные) (рис. 5.5).

Возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) обусловлены суммарным входящим током положительных зарядов внутрь клетки. Такой ток может возникнуть в результате повышения проводимости мембраны для натрия, калия и, возможно, других ионов (например, кальция).

Рис. 5.5.

а - активация только возбуждающего синапса; б - активация только тормозного синапса; в - активация и возбуждающего, и тормозного синапсов

В результате мембранный потенциал смещается по направлению к нулю (становится менее отрицательным). Фактически величина ВИСИ зависит от того, какие ионы переместились через мембрану и каково соотношение проницаемостей для этих ионов. Перемещения различных ионов происходят одновременно, и их интенсивность зависит от количества выделившегося медиатора.

Таким образом, постсинаптические потенциалы представляют собой градуальные реакции (их амплитуда зависит от количества выделившегося медиатора или силы стимула). Этим они отличаются от потенциала действия, который подчиняется закону «все или ничего».

ВИСИ необходим для генерации нервного импульса (ИД). Это происходит в том случае, если ВИСИ достигнет порового значения. После этого процессы становятся необратимыми, и возникает ПД. Итак, возбуждение в клетках может возникать по разным причинам (рис. 5.6), но в любом случае для его развития должно произойти изменение проницаемости мембраны для ионов. По аналогичным механизмам развивается и торможение.

Рис. 5.6.

Если в мембране открываются каналы, обеспечивающие суммарный выходящий ток положительных зарядов (ионов калия) или входящий ток отрицательных зарядов (ионов хлора), то в клетке развивается тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП). Такие токи приведут к удержанию мембранного потенциала на уровне потенциала покоя или к некоторой гиперполяризации.

Прямое химическое синаптическое торможение происходит при активации каналов для отрицательно заряженных ионов хлора. Стимуляция тормозных входов вызывает небольшую гиперполяризацию клетки - тормозный постсинаптический потенциал. В качестве медиаторов, вызывающих ТГТСП, обнаружены глицин и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК); их рецепторы связаны с каналами для хлора, и при взаимодействии этих медиаторов со своими рецепторами происходит движение ионов хлора внутрь клетки и увеличение мембранного потенциала (до -90 или -100 мВ). Этот процесс называется постсинаптическое торможение.

Однако в ряде случаев торможение не может быть объяснено только в рамках постсинаптического изменения проводимости. Дж. Экклсом и его сотрудниками был открыт дополнительный механизм торможения в спинном мозге млекопитающих: пресинаптическое торможение. В результате пресинаптического торможения происходит уменьшение высвобождения медиатора из возбуждающих окончаний. При пресинаитическом торможении тормозные аксоны устанавливают синаптический контакт с окончаниями возбуждающих аксонов. В качестве медиатора пресинаптического торможения чаще всего встречается ГАМК. В результате действия ГАМК на пресинаптическое окончание также происходит значительное увеличение проводимости для хлора и в результате - снижение амплитуды ПД в пресинаптическом окончании.

Функциональное значение этих двух видов торможений в ЦНС сильно различается. Постсинаптическое торможение уменьшает возбудимость всей клетки в целом, делая ее менее чувствительной ко всем возбуждающим входам. Пресинаптическое торможение гораздо более специфично и избирательно. Оно направлено на определенный вход, давая возможность клетке интегрировать информацию из других входов.

n1.doc

постсинаптическое торможение .

пресинаптическое торможение .

1. 
   Функции таламуса.

Таламус представляет собой массивное парное образование, содержащее около 120 ядер серого вещества.

Деятельность таламуса тесно связана с анализом афферентных сигналов, с регуляцией функционального состояния организма. Он взаимодействует с корой б.п.

Таламус включает в себя собственно зрительный бугор, затем метаталамус (медиальные и латеральные коленчатые тела) и подушку.

По морфологическим критериям все ядра таламуса объединяют в 6 групп:

1. 
   передняя группа;
2. 
   ядра средней линии (паравентрикулярное ядро, центральное серое вещество);
3. 
   медиальная группа;
4. 
   латеральная группа (ретикулярное ядро);
5. 
   задняя группа (латеральное и медиальное коленчатые тела, подушка);
6. 
   претектальная группа.

• 
  специфические;
• 
  неспецифические;
• 
  ассоциативные.

В каждом ядре выражена топическая организация, т.е. каждому участку кожи, сетчатки и т.д. соответствует определенная зона таламуса.

Слуховая система проецируется в медиальные коленчатые тела, которые являются предкорковым уровнем анализа слуховых сигналов. На одни и те же нейроны медиального коленчатого тела могут конвергировать возбуждения от многих нейронов заднего двухолмия среднего мозга.

Зрительная сенсорная система на уровне таламуса представлена латеральными коленчатыми телами. Они считаются наиболее сложно организованными из специфических ядер таламуса. От них волокна идут в 17-е и 18-е поля коры (затылочная область).

Помимо сенсорных, к релейным ядрам таламуса относятся еще моторные ядра и ядра передней группы. Это единый комплекс. В моторных ядрах переключается афферентация, идущая от ядер мозжечка, бледного шара, вестибулярных и проприорецепторов к моторной коре.

Релейная функция ядер передней группы заключается в переключении импульсов от маммилярных тел гипоталамуса к лимбической системе. Иногда ядра передней группы относят к лимбической системе (круг Папеца).

Таким образом, специфические ядра представляют собой важнейшую часть основных сенсорных и моторных систем, а разрушение релейных ядер приводит к полной и необратимой потере соответствующей чувствительности или нарушениям движений (Физиология центральной…, 2000).

Неспецифические ядра таламуса. Они не относятся к определенной сенсорной или моторной системе, морфологически и функционально они связаны со многими системами и участвуют вместе с РФ в осуществлении неспецифических функций. Нейронные сети этих ядер имеют ретикулярное строение: густая сеть нейронов с длинными слабо ветвящимися дендритами.

Связь у неспецифических ядер с корой в основном полисинаптическая, волокна идут ко всем слоям коры. Проецируются они в кору более диффузно, чем специфические. Афферентная информация поступает к ним в основном из РФ, а также из гипоталамуса, лимбической системы, базальных ганглиев, специфических ядер таламуса. Неспецифические ядра получают сигналы и от специфических ядер.

Как правило, одиночное электрическое раздражение этих ядер не вызывает одиночной ответной реакции коры. Ритмическая низкочастотная стимуляция приводит к реакции синхронизации биоэлектрической активности головного мозга, а высокочастотная – к десинхронизации (реакция активации коры). Эта реакция регистрируется в неспецифических зонах коры, т.к. в специфических она подавляется специфической импульсацией.

Неспецифические ядра таламуса оказывают на кору модулирующее влияние, т.е. регулируют ее функциональное состояние. Они меняют ее реактивность к специфическим сигналам. Так же как и в случае с РФ, деятельность неспецифической таламической системы тесно связана с механизмами развития сна, саморегуляции функционального состояния и ВНД.

Специфическая и неспецифическая системы таламуса находятся во взаимодействии друг с другом. Так оказалось, что если неспецифическая система усиливает специфическую, то специфическая подавляет неспецифическую (Физиология центральной…, 2000).

Ассоциативные ядра таламуса. Это наиболее поздно дифференцирующиеся в эволюции отделы таламуса, но и наиболее активно развивающиеся.

Волокна от этих ядер направляются в основном к ассоциативным областям коры и, частично, к специфическим проекционным областям. Связи с корой в основном моносинаптические. Основные афферентные сигналы поступают от других ядер таламуса, а не с периферии.

Электрическое раздражение ассоциативных ядер таламуса вызывает ответные реакции в ассоциативных областях коры. Многие из этих ядер способны реагировать на раздражение разных сенсорных входов, некоторые вообще реагируют только на комплексные раздражения. В них могут взаимодействовать возбуждения разных сенсорных систем, т.е. они осуществляют интеграцию импульсации от всех сенсорных систем.

Кроме передачи проекционных влияний на кору, нейроны таламуса сами могут осуществлять замыкание рефлекторных путей без участия коры и таким образом осуществлять самостоятельно сложные рефлекторные функции (Физиология центральной…, 2000).

Другие особенности таламуса . В нейронах таламуса зарегистрированы довольно длительные (около 100 мс) ТПСП. Торможение способствует созданию пространственного контраста вокруг возбужденного очага, а также обеспечивает синхронизацию нейронной активности за счет того, что на возбудимость многих нейронов сразу влияют тормозные процессы.

Таламус является высшим центром болевой чувствительности. Он осуществляет анализ болевых сигналов и организует болевые ответные реакции. Импульсы, идущие к нейронам таламуса от поврежденных участков тела, активируют эти нейроны и вызывают болевые ощущения. Таким образом, болевые ощущения связаны с возбуждением неспецифических нейронов таламуса, для этого не обязательно участие коры. В коре формируется уже субъективное отношение к болевому стимулу (Физиология человека, 1996) (Хрестомат. 10.1).

1. 
   Функции гипоталамуса.

Это довольно древняя структура, поэтому у всех наземных позвоночных его строение примерно одинаково. Четких границ он не имеет. Является центральным отделом промежуточного мозга. В гипоталамусе различают три зоны: перивентрикулярную (тонкая полоска, прилежащая к третьему желудочку), медиальную (в ней расположена гипофизотропная область, преоптическая область), латеральную (нет четких ядерных образований).

Гипоталамус регулирует все процессы, необходимые для поддержания гомеостаза. Он служит важным интегративным центром для соматических, вегетативных и эндокринных функций.

Латеральный гипоталамус образует двусторонние связи с таламусом, лимбической системой и лимбической областью среднего мозга. Сигналы от рецепторов и поверхности тела попадают в гипоталамус через спиноретикулярные пути, которые идут к нему через таламус или лимбическую область среднего мозга. Нисходящие (эфферентные) пути гипоталамуса образованы полисинаптическими путями, идущими в составе ретикулярной формации.

Медиальный гипоталамус связан с латеральным, а также получает сигналы от многих других частей головного мозга, от крови и спинномозговой жидкости и передает сигналы к гипофизу.

В медиальной части гипоталамуса располагаются особые нейроны, которые реагируют на состав крови и спинномозговой жидкости и образуют несколько важнейших центров (Физиология человека, 1996).

1. 
   Центр голода и насыщения. Эта область (наружные и средние ядра) регулирует сложное пищевое поведение. Нейроны центра голода представляют собой глюкорецепторы, которые активизируются при снижении в крови концентрации глюкозы и других питательных веществ (аминокислот, жирных кислот), а нейроны центра насыщения – наоборот, активируются при повышении содержания этих веществ в крови.
2. 
   Центр жажды и ее удовлетворения. Центр питьевого поведения организован аналогичным образом. Стимуляция структур, расположенных кнаружи от супраоптического ядра, ведет к резкому увеличению потребления жидкости, а разрушение этих структур – к полному отказу от воды. Нейроны центра жажды реагируют на изменение осмотического давления (при недостатке воды осмотическое давление крови повышается, что вызывает активацию нейронов гипоталамуса). Этот процесс запускает целый ряд сложных поведенческих реакций, направленных на поиск воды, снижение выведения жидкости из организма, что должно привести к снижению осмотического давления.
3. 
   Центр терморегуляции. Нейроны этого центра гипоталамуса являются терморецепторами, реагирующими на температуру омывающей их крови. Раздражение задней группы ядер приводит к повышению температуры тела в результате повышения теплопродукции за счет усиления обменных процессов и дрожания скелетной мускулатуры (дрожательный термогенез). Стимуляция паравентрикулярных ядер приводит к снижению температуры за счет усиления потоотделения, расширения просвета кожных сосудов, а также торможения дрожания мускулатуры.
4. 
   Центр полового поведения. Этот центр участвует в регуляции комплекса функций, связанных с размножением. Изолированное разрушение области серого бугра ведет к атрофии половых желез, а при опухоли этой зоны часто наблюдается ускоренное половое созревание. Описаны случаи превращения мужских половых признаков в женские при повреждениях средних областей гипоталамуса. Примерно у половины больных с патологией гипоталамуса наблюдались нарушения функций половой системы. В экспериментах показано, что структуры передних отделов гипоталамуса оказывают ускоряющее действие на половое развитие, а задних – тормозящее.
5. 
   Центр агрессии, ярости и центр удовольствия. Опыты с животными на самораздражение, когда им предоставлялась возможность самим посылать электрические импульсы в определенные участки гипоталамуса, показали, что там имеются центры, раздражение которых вызывало приятные ощущения. Центр удовольствия, локализованный в заднем гипоталамусе, взаимодействуя с другими структурами лимбической системы, участвует в организации эмоциональной сферы и полового поведения.

1. 
   Центр регуляции цикла сон-бодрствование. В гипоталамусе имеются структуры, принимающие участие в регуляции чередования бодрствования и сна. Так, раздражение латеральной части базальной преоптической области у животных вызывает сон и сопутствующие ему изменения биоэлектрической активности головного мозга. У людей поражения гипоталамуса часто сопровождается нарушениями сна и изменениями ЭЭГ, характерными для сна. Супрахиазматическое ядро гипоталамуса – важнейшее звено в организации биоритмов, центрального механизма «биологических часов», организующих суточные циклы (Физиология центральной..., 2000).

Посредством нервных механизмов медиальная часть гипоталамуса управляет нейрогипофизом, а при помощи гуморальных – аденогипофизом. Таким образом, эта область является промежуточным звеном между нервной и эндокринной системами, играющий важнейшую роль в нейрогуморальной регуляции всех функций организма

1. 
   Серотонин: места синтеза и функции.

1. 
   Постсинаптическое и пресинаптическое торможение.

Действие медиатора на постсинаптическую мембрану химического синапса приводит к возникновению в ней постсинаптического потенциала. Постсинаптические потенциалы могут быть двух типов:

• 
  деполяризующие (возбуждающие);
• 
  гиперполяризующие (тормозные).

В результате мембранный потенциал смещается по направлению к нулю (становится менее отрицательным). Фактически величина ВПСП зависит от того, какие ионы переместились через мембрану и каково соотношение проницаемостей для этих ионов. Перемещения различных ионов происходят одновременно, и их интенсивность зависит от количества выделившегося медиатора.

Таким образом, постсинаптические потенциалы представляют собой градуальные реакции (их амплитуда зависит от количества выделившегося медиатора или силы стимула). Этим они отличаются от потенциала действия, который подчиняется закону «все или ничего».

ВПСП необходим для генерации нервного импульса (ПД). Это происходит в том случае, если ВПСП достигнет порового значения. После этого процессы становятся необратимыми, и возникает ПД.

Если в мембране открываются каналы, обеспечивающие суммарный выходящий ток положительных зарядов (ионов калия) или входящий ток отрицательных зарядов (ионов хлора), то в клетке развивается тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) . Такие токи приведут к удержанию мембранного потенциала на уровне потенциала покоя или к некоторой гиперполяризации (Шеперд Г., 1987).

Прямое химическое синаптическое торможение происходит при активации каналов для отрицательно заряженных ионов хлора. Стимуляция тормозных входов вызывает небольшую гиперполяризацию клетки – тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП). В качестве медиаторов, вызывающих ТПСП, обнаружены глицин и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК); их рецепторы связаны с каналами для хлора, и при взаимодействии этих медиаторов со своими рецепторами происходит движение ионов хлора внутрь клетки и увеличение мембранного потенциала (до -90 или -100 мВ). Этот процесс называется постсинаптическое торможение .

Однако в ряде случаев торможение не может быть объяснено только в рамках постсинаптического изменения проводимости. Дж. Экклсом и его сотрудниками был открыт дополнительный механизм торможения в спинном мозге млекопитающих – пресинаптическое торможение . В результате пресинаптического торможения происходит уменьшение высвобождения медиатора из возбуждающих окончаний. При пресинаптическом торможении тормозные аксоны устанавливают синаптический контакт с окончаниями возбуждающих аксонов. В качестве медиатора пресинаптического торможения чаще всего встречается ГАМК. В результате действия ГАМК на пресинаптическое окончание также происходит значительное увеличение проводимости для хлора и в результате снижение амплитуды ПД в пресинаптическом окончании.

Функциональное значение этих двух видов торможений в ЦНС сильно различается. Постсинаптическое торможение уменьшает возбудимость всей клетки в целом, делая ее менее чувствительной ко всем возбуждающим входам. Пресинаптическое торможение гораздо более специфично и избирательно. Оно направлено на определенный вход, давая возможность клетке интегрировать информацию из других входов (Физиология человека, 1996).

1. 
   Критерии (признаки) медиатора.

1. Критерии медиатора:

• 
  вещество должно присутствовать в теле нейрона и в более высокой концентрации – в синаптическом окончании;
• 
  в теле или в синаптическом окончании должна существовать система синтеза и распада этого вещества;
• 
  это вещество должно выделяться из синаптического окончания в синаптическую щель при естественном возбуждении или при искусственной стимуляции;
• 
  при введении в синаптическую щель это вещество должно оказывать точно такие же эффекты, как и при естественном высвобождении из окончания;
• 
  на постсинаптической мембране должны существовать специфические рецепторы для данного вещества.

2. Особенности нейромодуляторов :

• 
  нейромодуляторы не обладают самостоятельным физиологическим эффектом, они только модифицируют эффект медиатора;
• 
  действие модулятора развивается медленнее, чем действие медиатора, но сохраняется дольше;
• 
  нейромодуляторы образуются не только в нейроне, но могут также освобождаться из глиальных клеток;
• 
  действие модулятора не обязательно приурочено к появлению нервного стимула;
• 
  мишенью модулятора могут быть не только постсинаптические рецепторы, он может действовать на различные участки нейрона, а также влиять на внутриклеточные процессы (Хрестомат. 5.1).

1. 
   Функции спинного мозга.

Спинной мозг – наиболее просто организованный отдел центральной нервной системы, осуществляющий рефлекторную и проводниковую функции. Проводниковая функция заключается в проведении сигналов от рецепторов и мышц вверх, к высшим отделам головного мозга, а рефлекторная – в осуществлении рефлексов. Помимо этих двух функций, в спинном мозге расположены центры вегетативной (автономной) нервной системы. В грудном, верхнепоясничном и крестцовом отделах спинного мозга серое вещество образует боковые рога, в которых располагаются тела первых (преганглионарных) вегетативных нейронов.

Рефлекс – это стереотипная ответная реакция организма на любое (внешнее или внутреннее) воздействие. Анатомическим субстратом рефлекса является рефлекторная дуга. Общая схема строения рефлекторной дуги: рецепторы?афферентный путь?ЦНС?эфферентный путь?эффектор (скелетная мускулатура, гладкомышечные клетки, железистые клетки).

Рефлекс характеризуется временем рефлекса – время от момента действия стимула до появления ответной реакции, которое складывается из следующих процессов:

• 
  время проведения по афферентным и эфферентным волокнам;
• 
  время преобразования стимула в рецепторе;
• 
  время передачи информации в синапсах в ЦНС (синаптическая задержка);
• 
  время передачи сигнала от эфферентных путей к эффектору (генерация ПКП);
• 
  активация эффектора (электромеханическое сопряжение).

По особенностям строения рефлекторной дуги рефлексы бывают моносинаптические и полисинаптические (несколько вставочных нейронов в ЦНС) (Физиология человека, 1996).

Примеры моносинаптических и полисинаптических рефлексов

Определение понятия

Локальный потенциал (ЛП) - это местное нераспространяющееся подпороговое возбуждение, существующее в пределах от потенциала покоя (-70 мВ в среднем) до критического уровня деполяризации (-50 мВ в среднем). Его длительность может быть от нескольких миллисекунд до десятков минут.

В случае превышения критического уровня деполяризации локальный потенциал переходит в потенциал действия и порождает .

Критический уровень деполяризации (КУД) - это такой уровень электрического потенциала мембраны возбудимой клетки, от которого локальный потенциал переходит в потенциал действия. В основе перехода локального потенциала в потенщиал действия лежит самонарастающее открытие потенциал-управляемых ионных каналов для натрия, которое происходит под действием нарастающей деполяризации. Таким образом, КУД раскрывает в дополнение к ранее открытым ионным каналам ещё одну группу натриевых ионных каналов - потенциал управляемых.

КУД обычно составляет -50 мВ, но бывает разным у разных нейронов и может меняться при изменении возбудимости нейрона. Чем ближе КУД к потенциалу покоя (-70 мВ) и, наоборот, чем ближе потенциал покоя к КУД, тем более возбудимым является нейрон.

Важно понять то, что процесс рождения локального потенциала начинается с открытия ионных каналов . Открытие ионных каналов - это самое главное! Их нужно открыть для того, чтобы в клетку пошёл поток ионов и принёс в неё электрические заряды. Эти ионные электрические заряды как раз и вызывают смещение электрического потенциала мембраны вверх или вниз, т.е. локальный потенциал.

натрия (Na+) , то в клетку вместе с ионами натрия попадают положительные заряды, и её потенциал смещается вверх в сторону нуля. Это - деполяризация, и так рождается возбуждающий локальный потенциал . Можно сказать, что возбуждающие локальные потенциалы порождаются натриевыми ионными каналами, когда они открываются.

Образно можно сказать и так: "Каналы открываются - потенциал рождается".

Если открываются ионные каналы для хлора (Cl-) , то в клетку вместе с ионами хлора попадают отрицательные заряды, и её потенциал смещается вниз ниже потенциала покоя. Это гиперполяризация, и таким способом рождается тормозный локальный потенциал . Можно сказать, что тормозные локальные потенциалы порождаются хлорными ионными каналами .

Существует также ещё один механизм формирования тормозных локальных потенциалов - за счёт открытия дополнительных ионных каналов для калия (К+) . В этом случае из клетки через них начинают выходить "лишние" порции ионов калия, они выносят положительные заряды и увеличивают электроотрицательность клетки, т.е. вызывают её гиперполяризацию. Таким образом, можно сказать, что тормозные локальные потенциалы порождаются дополнительными калиевыми ионными каналами .

Как видите, всё очень просто, главное - открыть нужные ионные каналы . Стимул-управляемые ионные каналы открываются раздражителем (стимулом). Хемо-управляемые ионные каналы открываются медиатором (возбуждающим или тормозным). Точнее, в зависимости от того на какие каналы (натриевые, калиевые или хлорные) будет действовать медиатор, таков будет и локальный потенциал - возбуждающий или тормозный. А медиатор как для возбуждающих локальных потенциалов, так и для тормозных, может быть одним и тем же, тут важно, какие ионные каналы будут связываться с ним своими молекулярными рецепторами - натриевые, калиевые или хлорные.

Виды ЛП:

1. Рецепторный. Возникает на рецепторных клетках (сенсорных рецепторах) или рецепторных окончаниях нейронов под действием стимула (раздражителя). Механизм возникновения такого рецепторного локального потенциала детально рассмотрен на примере восприятия звука слуховыми рецепторами - Молекулярные механизмы рецепции (трансдукции) звука по пунктам Этот процесс называется "трансдукция", то есть преобразование раздражения в нервное возбуждение. Сенсорные рецепторы вторичного типа не умеют порождять нервный импульс, поэтому их возбуждение остаётся локальным и от его амплитуды зависит то, сколько рецепторная клетка выбросит медиатора.

2. Генераторный . Возникает на сенсорных афферентных нейронах (на их дендритных окончаниях, перехватах Ранвье и/или аксонных холмиках) под действием медиаторов, которые выделили сенсорные клеточные рецепторы вторичного типа. Генераторный потенциал превращается в потенциал действия и нервный импульс при достижении им критического уровня деполяризации, т.е. он генерирует (порождает) нервный импульс. Потому он и назван генераторным.

3. Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) . Возникает на постсинаптической мембране синапса, т.е. он отражает передачу возбуждения от одного нейрона к другому. Обычно он составляет +4 мВ. Важно отметить, что возбуждение передаётся от одного нейрона другому именно в виде ВПСП, а не готового нервного импульса. ВПСП вызывает деполяризацию мембраны, но подпороговую, не достигающую КУД и не способную породить нервный импульс. Поэтому обычно требуется целая серия ВПСП для того, чтобы родился нервный импульс, т.к. величина единичного ВПСП совершенно недостаточна для того, чтобы достичь критического уровня деполяризации. Вы можете сами подсчитать, сколько требуется одновременно действующих ВПСП, чтобы родился нервный импульс. (Ответ: 5-6.)

4. Тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП) . Возникает на постсинаптической мембране синапса, но только не возбуждает её, а, наоборот, тормозит. Соотвтетственно, эта постсинаптическая мембрана входит в состав тормозного синапса , а не возбуждающего. ТПСП вызывает гиперполяризацию мембраны, т.е. сдвигает потенциал покоя вниз, подальше от нуля. Обычно он составляет -0,2 мВ. Используются два механизма создания ТПСП: 1) "хлорный" - происходит открытие ионных каналов для хлора (Cl-), через них в клетку входят ионы хлора и увеличивают её электроотрицательность, 2) "калиевый" - происходит открытие ионных каналов для калия (К+), через них выходят ионы калия, уносят из клетки положительные заряды, что увеличивает электроотрицательность в клетке.

5. Пейсмекерные потенциалы - это эндогенные близкие к синусоидальным периодические колебания мембранного потенциала с частотой 0,1-10 Гц и амплитудой 5-10 мВ. Их генерируют у себя специальные нейроны-пейсмекеры (водителями ритма) самостоятельно, без внешнего воздействия. Пейсмекерные локальные потенциалы обеспечивают периодическое достижение нейроном-пейсмекером критического уровня деполяризации и спонтанную (т.е. самопроизвольную) генерацию им потенциалов действия и, соответственно, нервных импульсов.

Где возникают локальные потенциалы (ЛП)?

Ответ прост: на сенсорных рецепторах, на дендритных рецепторных окончаниях нейронов и на постсинаптических мембранах синапсов. Не надо забывать и аксонный холмик, где интегрируются локальные потенциалы и создают генераторный потенциал, порождающий нервны импульс. Там их и надо искать, чтобы привести примеры ЛП.

Места возникновения локальных потенциалов :

1. Сенсорные клеточные рецепторы (напримр, слуховые волосковые клетки, вкусовые рецепторы и т,д,).

2. Рецепторные окончания чувствительных (афферентных) нейронов (например, ноцицепторы болевых нейронов)..

3. Постсинаптические мембраны синаптических контактов.

4. Генераторный потенциал формируется на аксонном холмике.

Характеристики мембранных потенциалов

Свойства локальных потенциалов

1. Локальный потенциал прямо пропорционален силе раздражителя , который его вызывает.

2. Локальные потенциалы ограничены во времени (долго не живут), величине (большими не растут) и пространстве (никуда не бегут).

3. Локальные потенциалы способны к суммации ., т.е. они объединяются и дают повышенную величину (амплитуду).

4. Амплитуда локального потенциала убывает прямо пропорционально квадрату расстояния. Это означает, что ЛП не охватывает всю мембрану нейрона, а ограничен тем участком, где он возник. Хотя, тем не менее, множество отдельных ЛП суммируются и совокупно воздействуют на аксонный холмик, создавая генераторный потенциал.

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?