Химические синапсы представляют собой биологические соединения, через которые сигналы нейронов могут передаваться друг другу и ненейронным клеткам, например, клеткам мышц или желез . Химические синапсы позволяют нейронам образовывать цепи внутри центральной нервной системы . Они имеют решающее значение для биологических вычислений , лежащих в основе восприятия и мышления . Они позволяют нервной системе подключаться к другим системам организма и управлять ими.
В химическом синапсе один нейрон высвобождает молекулы нейромедиатора в небольшое пространство (синаптическую щель), прилегающее к другому нейрону. Нейромедиаторы содержатся в небольших мешочках, называемых синаптическими пузырьками , и высвобождаются в синаптическую щель путем экзоцитоза . Эти молекулы затем связываются с рецепторами нейромедиаторов на постсинаптической клетке. Наконец, нейротрансмиттеры выводятся из синапса посредством одного из нескольких потенциальных механизмов , включая ферментативную деградацию или повторный захват специфическими переносчиками либо на пресинаптической клетке, либо на какой-либо другой нейроглии , чтобы прекратить действие нейромедиатора.
По оценкам , мозг взрослого человека содержит от 10 14 до 5 × 10 14 (100–500 триллионов) синапсов. [1] Каждый кубический миллиметр коры головного мозга содержит примерно миллиард ( короткий масштаб , т.е. 10 9 ) из них. [2] Количество синапсов в коре головного мозга человека по отдельности оценивается в 0,15 квадриллиона (150 триллионов) [3]
Слово «синапс» было введено сэром Чарльзом Скоттом Шеррингтоном в 1897 году. [4] Химические синапсы — не единственный тип биологического синапса : существуют также электрические и иммунологические синапсы . Однако без уточнения «синапс» обычно относится к химическим синапсам.
Синапсы — это функциональные связи между нейронами или между нейронами и другими типами клеток. [5] [6] Типичный нейрон дает несколько тысяч синапсов, хотя есть некоторые типы, которые образуют гораздо меньше синапсов. [7] Большинство синапсов соединяют аксоны с дендритами , [8] [9] но существуют и другие типы соединений, в том числе соединения аксон-клетка, [10] [11] аксон-аксон, [10] [ 11] и дендрит-дендрит . [9] Синапсы, как правило, слишком малы, чтобы их можно было распознать с помощью светового микроскопа , за исключением точек, где кажется, что мембраны двух клеток соприкасаются, но их клеточные элементы можно четко визуализировать с помощью электронного микроскопа .
Химические синапсы передают информацию направленно от пресинаптической клетки к постсинаптической и поэтому асимметричны по структуре и функциям. Пресинаптическое окончание аксона , или синаптическоебутон — специализированная область внутри аксона пресинаптической клетки, содержащая нейромедиаторы , заключенные в небольшие мембраносвязанные сферы, называемые синаптическими пузырьками (а также ряд других поддерживающих структур и органелл, таких как митохондрии и эндоплазматическая сеть ). Синаптические пузырьки прикрепляются к пресинаптической плазматической мембране в областях, называемых активными зонами .
Непосредственно напротив находится область постсинаптической клетки, содержащая рецепторы нейромедиаторов ; для синапсов между двумя нейронами постсинаптическая область может быть обнаружена на дендритах или теле клетки. Сразу за постсинаптической мембраной находится сложный комплекс взаимосвязанных белков, называемый постсинаптической плотностью (PSD).
Белки PSD участвуют в закреплении и транспортировке рецепторов нейромедиаторов, а также в модуляции активности этих рецепторов. Рецепторы и PSD часто обнаруживаются в специализированных выступах главного дендритного стержня, называемых дендритными шипами .
Синапсы можно описать как симметричные и асимметричные. При исследовании под электронным микроскопом асимметричные синапсы характеризуются округлыми пузырьками в пресинаптической клетке и выраженной постсинаптической плотностью. Асимметричные синапсы обычно являются возбуждающими. Симметричные синапсы, напротив, имеют уплощенные или удлиненные везикулы и не содержат заметной постсинаптической плотности. Симметричные синапсы обычно являются тормозными.
Синаптическая щель , также называемая синаптической щелью , представляет собой щель между пре- и постсинаптическими клетками шириной около 20 нм (0,02 мкм). [12] Небольшой объем расщелины позволяет быстро повышать и понижать концентрацию нейромедиаторов. [13]
Аутапсом называют химический (или электрический) синапс , образующийся при синапсах аксона одного нейрона с собственными дендритами.
Вот краткое изложение последовательности событий, которые происходят при синаптической передаче от пресинаптического нейрона к постсинаптической клетке. Каждый шаг описан более подробно ниже. Обратите внимание, что, за исключением последнего этапа, весь процесс может длиться всего несколько сотен микросекунд в самых быстрых синапсах. [14]
Высвобождение нейромедиатора запускается при поступлении нервного импульса (или потенциала действия ) и происходит посредством необычайно быстрого процесса клеточной секреции ( экзоцитоза ). Внутри пресинаптического нервного окончания везикулы , содержащие нейромедиатор, локализуются вблизи синаптической мембраны. Приходящий потенциал действия вызывает приток ионов кальция через потенциал-зависимые, кальций-селективные ионные каналы при движении вниз потенциала действия (хвостовой ток). [15] Ионы кальция затем связываются с белками синаптотагмина , обнаруженными в мембранах синаптических везикул, позволяя везикулам сливаться с пресинаптической мембраной. [16] Слияние пузырька — стохастический процесс, приводящий к частому сбою синаптической передачи в очень маленьких синапсах, типичных для центральной нервной системы . С другой стороны, большие химические синапсы (например, нервно-мышечные соединения ) имеют вероятность синаптического высвобождения, по сути, равную 1. Слияние пузырьков управляется действием набора белков в пресинаптическом терминале, известных как SNARE . В целом белковый комплекс или структура, которая обеспечивает стыковку и слияние пресинаптических везикул, называется активной зоной. [17] Мембрана, добавленная в процессе слияния, позже извлекается путем эндоцитоза и перерабатывается для образования свежих везикул, заполненных нейротрансмиттерами.
Исключение из общей тенденции высвобождения нейромедиаторов путем слияния везикул обнаружено в рецепторных клетках типа II вкусовых рецепторов млекопитающих . Здесь нейротрансмиттер АТФ высвобождается непосредственно из цитоплазмы в синаптическую щель через потенциалзависимые каналы. [18]
Рецепторы на противоположной стороне синаптической щели связывают молекулы нейромедиаторов. Рецепторы могут реагировать одним из двух основных способов. Во-первых, рецепторы могут напрямую открывать лиганд-управляемые ионные каналы в постсинаптической клеточной мембране, заставляя ионы проникать в клетку или выходить из нее и изменять локальный трансмембранный потенциал . [14] Результирующее изменение напряжения называется постсинаптическим потенциалом . В общем случае результат является возбуждающим в случае деполяризующих токов и тормозящим в случае гиперполяризующих токов. Является ли синапс возбуждающим или тормозящим, зависит от того, какой тип ионных каналов проводит постсинаптический ток (токи), что, в свою очередь, зависит от типа рецепторов и нейромедиатора, используемых в синапсе. Второй способ, которым рецептор может влиять на мембранный потенциал, — это модуляция производства химических медиаторов внутри постсинаптического нейрона. Эти вторичные мессенджеры могут затем усиливать тормозящую или возбуждающую реакцию на нейротрансмиттеры. [14]
После того, как молекула нейромедиатора связывается с молекулой рецептора, ее необходимо удалить, чтобы постсинаптическая мембрана могла продолжать передавать последующие ВПСП и/или ТПСП . Это удаление может произойти посредством одного или нескольких процессов:
Сила синапса была определена Бернардом Кацем как произведение вероятности (пресинаптического) высвобождения pr , размера квантов q (постсинаптический ответ на высвобождение одного пузырька нейромедиатора, «кванта») и n , числа сайты релизов. «Унитарное соединение» обычно относится к неизвестному количеству отдельных синапсов, соединяющих пресинаптический нейрон с постсинаптическим нейроном. Амплитуда постсинаптических потенциалов (ПСП) может составлять от 0,4 мВ до 20 мВ. [20] Амплитуда ПСП может модулироваться нейромодуляторами или изменяться в результате предыдущей активности. Изменения синаптической силы могут быть кратковременными, продолжающимися от нескольких секунд до минут, или долгосрочными ( долговременная потенциация , или ДП), продолжающимися часами. Считается, что обучение и память являются результатом долгосрочных изменений синаптической силы посредством механизма, известного как синаптическая пластичность .
Десенсибилизация постсинаптических рецепторов – это снижение реакции на один и тот же нейромедиаторный стимул. Это означает, что сила синапса может фактически уменьшаться по мере того, как серия потенциалов действия приходит в быстрой последовательности – явление, которое приводит к так называемой частотной зависимости синапсов. Нервная система использует это свойство в вычислительных целях и может настраивать свои синапсы с помощью таких средств, как фосфорилирование задействованных белков.
Синаптическая передача может быть изменена предыдущей деятельностью. Эти изменения называются синаптической пластичностью и могут привести либо к снижению эффективности синапса, называемому депрессией, либо к увеличению эффективности, называемому потенциацией. Эти изменения могут быть как долгосрочными, так и краткосрочными. Формы краткосрочной пластичности включают синаптическое утомление или депрессию и увеличение синапсов . Формы долгосрочной пластичности включают долговременную депрессию и долговременную потенциацию . Синаптическая пластичность может быть либо гомосинаптической (происходящей в одном синапсе), либо гетеросинаптической (происходящей в нескольких синапсах).
Гомосинаптическая пластичность (или также гомотропная модуляция) — это изменение синаптической силы, возникающее в результате истории активности конкретного синапса. Это может быть результатом изменений в пресинаптическом кальции, а также обратной связи с пресинаптическими рецепторами, т.е. формой аутокринной передачи сигналов . Гомосинаптическая пластичность может влиять на количество и скорость пополнения везикул или на взаимосвязь между высвобождением кальция и везикул. Гомосинаптическая пластичность может иметь и постсинаптическую природу. Это может привести как к увеличению, так и к уменьшению синаптической силы.
Одним из примеров являются нейроны симпатической нервной системы (СНС), выделяющие норадреналин , который, помимо воздействия на постсинаптические рецепторы, влияет и на пресинаптические α2-адренорецепторы , подавляя дальнейшее высвобождение норадреналина. [21] Этот эффект используется в сочетании с клонидином для оказания ингибирующего воздействия на СНС.
Гетеросинаптическая пластичность (или также гетеротропная модуляция) — это изменение синаптической силы, возникающее в результате активности других нейронов. Опять же, пластичность может изменять количество везикул или скорость их пополнения, а также взаимосвязь между высвобождением кальция и везикул. Кроме того, это может напрямую влиять на приток кальция. Гетеросинаптическая пластичность может иметь и постсинаптический характер, влияя на чувствительность рецепторов.
Одним из примеров снова являются нейроны симпатической нервной системы , выделяющие норадреналин , который, кроме того, оказывает тормозящее воздействие на пресинаптические окончания нейронов парасимпатической нервной системы . [21]
В общем, если возбуждающий синапс достаточно силен, потенциал действия в пресинаптическом нейроне вызовет потенциал действия в постсинаптической клетке. Во многих случаях возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) не достигает порога возникновения потенциала действия. Когда потенциалы действия от нескольких пресинаптических нейронов срабатывают одновременно или если один пресинаптический нейрон срабатывает с достаточно высокой частотой, ВПСП могут перекрываться и суммироваться. Если перекрывается достаточное количество ВПСП, суммарное ВПСП может достичь порога инициации потенциала действия. Этот процесс известен как суммирование и может служить фильтром верхних частот для нейронов. [22]
С другой стороны, пресинаптический нейрон, высвобождающий тормозной нейромедиатор, такой как ГАМК , может вызвать тормозящий постсинаптический потенциал (ТПСП) в постсинаптическом нейроне, отодвигая мембранный потенциал дальше от порога, уменьшая его возбудимость и затрудняя его работу. нейрон инициирует потенциал действия. Если ТПСП перекрывается с ВПСП, то ТПСП во многих случаях может помешать нейрону запустить потенциал действия. Таким образом, выходной сигнал нейрона может зависеть от входного сигнала множества разных нейронов, каждый из которых может иметь разную степень влияния, в зависимости от силы и типа синапса с этим нейроном. Джон Кэрью Эклс выполнил некоторые важные ранние эксперименты по синаптической интеграции, за которые он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1963 году.
Когда нейромедиатор высвобождается в синапсе, он достигает своей максимальной концентрации внутри узкого пространства синаптической щели, но некоторая часть его обязательно диффундирует, прежде чем реабсорбируется или разрушается. Если он диффундирует, он может активировать рецепторы, расположенные либо в других синапсах, либо на мембране вдали от синапсов. Внесинаптическая активность нейромедиатора известна как объемная передача . [23] Хорошо известно, что такие эффекты происходят в некоторой степени, но их функциональное значение уже давно является предметом споров. [24]
Недавние работы показывают, что передача объема может быть преобладающим способом взаимодействия для некоторых особых типов нейронов. В коре головного мозга млекопитающих класс нейронов, называемых нейроглиаформными клетками, может ингибировать другие близлежащие кортикальные нейроны, высвобождая нейротрансмиттер ГАМК во внеклеточное пространство. [25] По тому же принципу ГАМК, высвобождаемая из нейроглиаформных клеток во внеклеточное пространство, также действует на окружающие астроциты , отводя роль объемной передаче в контроле гомеостаза ионов и нейромедиаторов. [26] Примерно 78% бутонов нейроглиаформных клеток не образуют классических синапсов. Это может быть первый окончательный пример химического взаимодействия нейронов там, где отсутствуют классические синапсы. [25]
Электрический синапс — это электропроводящая связь между двумя прилегающими нейронами , которая образуется в узком промежутке между пре- и постсинаптическими клетками , известном как щелевое соединение . В щелевых соединениях клетки приближаются друг к другу на расстояние примерно 3,5 нм , а не на расстояние от 20 до 40 нм, которое разделяет клетки в химических синапсах. [27] [28] В отличие от химических синапсов, постсинаптический потенциал в электрических синапсах вызван не открытием ионных каналов химическими передатчиками, а скорее прямой электрической связью между обоими нейронами. Электрические синапсы работают быстрее, чем химические. [13] Электрические синапсы встречаются по всей нервной системе, в том числе в сетчатке , ретикулярном ядре таламуса , неокортексе и в гиппокампе . [29] Хотя химические синапсы обнаруживаются как между возбуждающими, так и тормозными нейронами, электрические синапсы чаще всего обнаруживаются между более мелкими локальными тормозными нейронами. Электрические синапсы могут существовать между двумя аксонами, двумя дендритами или между аксоном и дендритом. [30] [31] У некоторых рыб и амфибий электрические синапсы можно обнаружить в пределах того же терминала химического синапса, что и в клетках Маутнера . [32]
Одной из важнейших особенностей химических синапсов является то, что они являются местом действия большинства психоактивных веществ . На синапсы влияют такие наркотики, как кураре, стрихнин, кокаин, морфин, алкоголь, ЛСД и многие другие. Эти препараты по-разному влияют на синаптическую функцию и часто ограничиваются синапсами, которые используют определенный нейромедиатор. Например, кураре — это яд, который не дает ацетилхолину деполяризовать постсинаптическую мембрану, вызывая паралич . Стрихнин блокирует тормозящее действие нейромедиатора глицина , который заставляет организм улавливать и реагировать на более слабые и ранее игнорированные раздражители, что приводит к неконтролируемым мышечным спазмам . Морфин действует на синапсы, которые используют нейротрансмиттеры эндорфины , а алкоголь усиливает тормозящее действие нейромедиатора ГАМК . ЛСД влияет на синапсы, которые используют нейромедиатор серотонин . Кокаин блокирует обратный захват дофамина и, следовательно, усиливает его действие.
В 1950-е годы Бернард Кац и Пол Фатт наблюдали спонтанные миниатюрные синаптические токи в нервно-мышечных соединениях лягушки . [33] На основе этих наблюдений они разработали «квантовую гипотезу», которая является основой нашего нынешнего понимания высвобождения нейромедиаторов как экзоцитоза и за которую Кац получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1970 году . [34] В конце 1960-х годов Рикардо Миледи и Кац выдвинули гипотезу о том, что вызванный деполяризацией приток ионов кальция запускает экзоцитоз .
Сэр Чарльз Скотт Шеррингтон придумал слово «синапс», а историю этого слова Шеррингтон изложил в письме, которое он написал Джону Фултону:
«Я чувствовал потребность в каком-то имени, чтобы назвать соединение между нервной клеткой и нервной клеткой... Я предложил использовать слово «синдесм»... Он [ сэр Майкл Фостер ] посоветовался по этому поводу со своим другом по Троице Верраллом , ученым -еврипидом . и Верралл предложил «синапс» (от греческого «застежка»).' – Чарльз Скотт Шеррингтон [4]
синапсы соединяют аксоны с телом клетки.
