Клеточная нейронаука — это раздел нейронауки , занимающийся изучением нейронов на клеточном уровне. Сюда входит морфология и физиологические свойства отдельных нейронов. Для изучения активности на клеточном уровне использовались несколько методов, таких как внутриклеточная запись, метод патч-кламп и метод вольт-кламп, фармакология , конфокальная визуализация, молекулярная биология , двухфотонная лазерная сканирующая микроскопия и визуализация Ca 2+. Клеточная нейронаука изучает различные типы нейронов, функции различных нейронов, влияние нейронов друг на друга и то, как нейроны работают вместе.
Нейроны — это клетки, которые специализируются на приеме, распространении и передаче электрохимических импульсов. Только в человеческом мозге насчитывается более восьмидесяти миллиардов нейронов. [1] Нейроны разнообразны по морфологии и функциям. Таким образом, не все нейроны соответствуют стереотипному двигательному нейрону с дендритами и миелинизированными аксонами, которые проводят потенциалы действия. Некоторые нейроны, такие как фоторецепторные клетки , например, не имеют миелинизированных аксонов, которые проводят потенциалы действия. Другие униполярные нейроны, обнаруженные у беспозвоночных, даже не имеют отличительных отростков, таких как дендриты. Более того, различия, основанные на функции между нейронами и другими клетками, такими как сердечные и мышечные клетки, бесполезны. Таким образом, фундаментальное различие между нейроном и ненейрональной клеткой — это вопрос степени.
Другим крупным классом клеток, обнаруженных в нервной системе, являются глиальные клетки . Эти клетки только недавно начали привлекать внимание нейробиологов, поскольку они участвуют не только в питании и поддержке нейронов, но и в модуляции синапсов. Например, клетки Шванна , которые являются типом глиальных клеток, обнаруженных в периферической нервной системе, модулируют синаптические связи между пресинаптическими окончаниями концевых пластинок двигательных нейронов и мышечными волокнами в нервно-мышечных соединениях.
Одной из важных характеристик многих нейронов является возбудимость. Нейроны генерируют электрические импульсы или изменения напряжения двух типов: градуированные потенциалы и потенциалы действия. Градуированные потенциалы возникают, когда мембранный потенциал деполяризуется и гиперполяризуется градуированным образом относительно величины стимула, который прикладывается к нейрону. С другой стороны, потенциал действия является электрическим импульсом «все или ничего». Несмотря на то, что потенциалы действия медленнее градуированных потенциалов, они имеют преимущество в том, что проходят большие расстояния в аксонах с небольшим или нулевым декрементом. Большая часть современных знаний о потенциалах действия получена из экспериментов с аксонами кальмаров, проведенных сэром Аланом Ллойдом Ходжкиным и сэром Эндрю Хаксли .
Модель Ходжкина-Хаксли потенциала действия в гигантском аксоне кальмара стала основой для большей части современного понимания ионных основ потенциалов действия. Вкратце, модель утверждает, что генерация потенциала действия определяется двумя ионами: Na + и K + . Потенциал действия можно разделить на несколько последовательных фаз: порог, фаза роста, фаза падения, фаза недостижения и восстановление. После нескольких локальных градуированных деполяризаций мембранного потенциала достигается порог возбуждения, активируются потенциалзависимые натриевые каналы, что приводит к притоку ионов Na + . По мере того как ионы Na + поступают в клетку, мембранный потенциал еще больше деполяризуется, и активируется больше потенциалзависимых натриевых каналов. Такой процесс также известен как петля положительной обратной связи . Когда восходящая фаза достигает своего пика, потенциалзависимые Na + каналы инактивируются, тогда как потенциалзависимые K + каналы активируются, что приводит к чистому движению ионов K + наружу , что повторно поляризует мембранный потенциал в направлении мембранного потенциала покоя. Реполяризация мембранного потенциала продолжается, что приводит к фазе отрицательного выброса или абсолютному рефрактерному периоду. Фаза отрицательного выброса возникает, поскольку, в отличие от потенциалзависимых натриевых каналов, потенциалзависимые калиевые каналы инактивируются гораздо медленнее. Тем не менее, по мере того, как все больше потенциалзависимых каналов K + инактивируются, мембранный потенциал восстанавливается до своего нормального состояния покоя.
Нейроны общаются друг с другом через синапсы . Синапсы — это специализированные соединения между двумя клетками, находящимися в близком расположении друг к другу. В синапсе нейрон, который посылает сигнал, является пресинаптическим нейроном, а целевая клетка, получающая этот сигнал, является постсинаптическим нейроном или клеткой. Синапсы могут быть как электрическими, так и химическими. Электрические синапсы характеризуются образованием щелевых контактов, которые позволяют ионам и другим органическим соединениям мгновенно переходить от одной клетки к другой. [2] Химические синапсы характеризуются пресинаптическим высвобождением нейротрансмиттеров, которые диффундируют через синаптическую щель, чтобы связаться с постсинаптическими рецепторами. Нейротрансмиттер — это химический мессенджер, который синтезируется внутри самих нейронов и высвобождается этими же нейронами для связи со своими постсинаптическими целевыми клетками. Рецептор — это трансмембранная белковая молекула, которую связывает нейротрансмиттер или лекарство. Химические синапсы медленнее электрических синапсов.
После синтеза нейротрансмиттеров они упаковываются и хранятся в везикулах. Эти везикулы объединяются в терминальных бутоне пресинаптического нейрона. Когда в терминальном бутоне происходит изменение напряжения, активируются потенциалзависимые кальциевые каналы, встроенные в мембраны этих бутонов. Они позволяют ионам Ca2 + диффундировать через эти каналы и связываться с синаптическими везикулами внутри терминальных бутонов. После связывания с Ca2 + везикулы стыкуются и сливаются с пресинаптической мембраной и высвобождают нейротрансмиттеры в синаптическую щель с помощью процесса, известного как экзоцитоз . Затем нейротрансмиттеры диффундируют через синаптическую щель и связываются с постсинаптическими рецепторами, встроенными в постсинаптическую мембрану другого нейрона. Существует два семейства рецепторов: ионотропные и метаботропные рецепторы. Ионотропные рецепторы представляют собой комбинацию рецептора и ионного канала. Когда активируются ионотропные рецепторы, определенные виды ионов, такие как Na +, поступают в постсинаптический нейрон, который деполяризует постсинаптическую мембрану. Если активируется больше одного и того же типа постсинаптических рецепторов, то больше Na + поступит в постсинаптическую мембрану и деполяризует клетку. Метаботропные рецепторы, с другой стороны, активируют каскадные системы вторичных мессенджеров, что приводит к открытию ионного канала, расположенного в другом месте на той же постсинаптической мембране. Хотя метаботропные рецепторы медленнее ионотропных рецепторов, которые функционируют как переключатели «включено-выключено», у метаботропных рецепторов есть преимущество в том, что они изменяют реакцию клетки на ионы и другие метаболиты, например, гамма-аминомасляную кислоту (тормозной медиатор), глутаминовую кислоту (возбуждающий медиатор), дофамин , норадреналин , адреналин , меланин , серотонин , мелатонин , эндорфины , динорфины , ноцицептин и вещество P.
Постсинаптические деполяризации могут передавать возбуждающие или тормозные нейротрансмиттеры. Те, которые высвобождают возбуждающие везикулы, называются возбуждающими постсинаптическими потенциалами ( ВПСП ). С другой стороны, тормозные везикулы стимулируют постсинаптические рецепторы, позволяя ионам Cl− проникать в клетку или ионам K + покидать клетку, что приводит к тормозному постсинаптическому потенциалу ( ИПСП ). Если доминирует ВПСП, может быть достигнут порог возбуждения в постсинаптическом нейроне, что приводит к генерации потенциала действия в нейроне(ах), в свою очередь, постсинаптическом по отношению к нему, распространяя сигнал.
Синаптическая пластичность — это процесс, при котором изменяется прочность синаптических связей. Например, долгосрочные изменения в синаптической связи могут привести к тому, что больше постсинаптических рецепторов будут встроены в постсинаптическую мембрану, что приведет к усилению синапса. Синаптическая пластичность также считается нейронным механизмом, который лежит в основе обучения и памяти. [3] Основные свойства, активность и регуляция мембранных токов, синаптическая передача и синаптическая пластичность, нейротрансмиссия, нейрорегенезис, синаптогенез и ионные каналы клеток — это еще несколько областей, изучаемых клеточными нейробиологами. [4] [5] Тканевая, клеточная и субклеточная анатомия изучаются для получения информации об умственной отсталости в Исследовательском центре умственной отсталости MRRC Cellular Neuroscience Core. [6] Такие журналы, как Frontiers in Cellular Neuroscience и Molecular and Cellular Neuroscience, публикуются по клеточным нейробиологическим темам. [ требуется ссылка ]