НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ЛЕКЦИЯ 6 Синаптические потенциалы и

НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ЛЕКЦИЯ 6 • Синаптические потенциалы и токи • Синаптическая пластичность Гайдуков Александр Евгеньевич ФФМ МГУ 2012

Последовательность событий синаптической передачи • Приходящий по аксону ПД деполяризует пресинаптическую мембрану синапса; • Вследствие деполяризации в активной зоне открываются потенциалозависимые Са 2+‑каналы пресинаптической мембраны, ионы Са 2+ входят в терминаль вблизи прикрепленных к мембране везикул, заполненных медиатором и готовых к экзоцитозу; • Входящий Са 2+-ток повышает уровень внутриклеточного [Са 2+] вблизи везикул и запускает экзоцитоз – слияние везикул с пресинаптической мембраной и выброс молекул медиатора в синаптическую щель; • Медиатор, оказываясь в синаптической щели, диффундирует к постсинаптической мембране и воздействует на специфичные для данного медиатора рецепторы постсинаптической мембраны; • При связывании молекул медиатора рецепторные молекулы активируются. Это приводит к появлению ионных токов и сдвигу потенциала постсинаптической мембраны (благодаря поступлению ионов через каналы ионотропных рецепторов либо опосредованно - благодаря активации метаботропных рецепторов, запуску каскада внутриклеточных реакций с участием G‑белков и ферментов, приводящих к открыванию ионных каналов); • Сразу после связывания медиатора происходит его отсоединение от рецепторов и быстрое удаление – либо путём расщепления специальными ферментами в щели, либо – путем обратного захвата молекул медиатора из щели назад в терминаль и прилежащие глиальные клетки с помощью специальных молекул транспортеров медиатора.

НИКОТИНОВЫЙ ХОЛИНОРЕЦЕПТОР МЫШЕЧНОГО ТИПА

Зависимость синаптического тока (и сдвига потенциала) от МП Равновесным называется такой потенциал на мембране, при котором сила концентрационного градиента, двигающая ионный ток в одном направлении через мембрану равна силе электрического потенциала, направляющего ионный ток в противоположном направлении. Другими словами, при МП = Еравн выровнены потоки иона в обе стороны, и синаптический ток через мембрану не идет даже при открытых каналах для данного иона. Однако если Еравн ≠ МП, то синаптический ток всегда двигается в направлении приближения потенциала на мембране в равновесному.

Измерение потенциала реверсии (Еr) ТКП в нервно-мышечном синапсе методом фиксации напряжения Еr @ 0 м. В , т. к. ЕNa = +50 м. В, ЕК = -100 м. В, При том, что g Na+/ g K+ = 1. 29 При Еr натриевая компонента постсинаптического тока равна калиевой компоненте, т. е переносимый ток равен нулю Еr

Эквивалентная электрическая схема постсинаптических токов и сдвигов МП, называемых постсинаптическими потенциалами «ключ» разомкнут В покое CМ VМ = ПП – – RМ Еравн. син Rсин Ток по каналам холинорецепторов (Rсин) не течет (они закрыты) «ключ» замкнут VМ = ПП – CМ Ток течет по каналам холинорецепторов (Rсин) (они открыты) При активации холинорецепторов RМ – Еравн. син Rсин

В покое ТОКА НЕТ При действии медиатора и открывании холинорецепторов Ключ замкнут! Iсин Идет ТОК ключ разомкнут В покое ключ разомкнут и синаптического тока нет, но можно рассчитать Еравн для синаптического тока

При действии медиатора и открывании холинорецепторов в цепи клетки идет входящий синаптический ток Ключ замкнут Рассчитаем синаптический ток, который входит в клетку ПКП -15 м. В Амплитуда ПКП синаптический ток ВПСП ток утечки

Эквивалентная электрич. схема постсинаптич. мембраны В покое - ключ разомкнут, и синаптического тока нет. ключ разомкнут В покое ППо Са ТОКА НЕТ Но! при открывании АЦХ рецептора, (что эквивалентно замыканию ключа на схеме) через каналы АЦХР (то есть некую новую проводимость (или Rсин) будут течь одновременно ТРИ тока, в соответствии с индивидуальной проводимостью канала для каждого из токов и электродвижущей силой(Еравн. ) для каждого тока. Для каждого тока (натриевого, калиевого и кальциевого) можно рассчитать Е равн. по ур-нию Нернста (концентрации вам даны). Зная их, и соотношение проводимостей для токов можно вычислить искомый суммарный Еравн. син, который определяется по закону Ома как потенциал между клеммами 1 и 2 по формуле, представленной ниже. При действии медиатора и открывании холинорецепторов Ключ замкнут! 1 1 Еравн. син Идет ТОК Са Iсин 2 Через канал АХР (Rсин) текут сразу три тока – калиевый, натриевый и кальциевый. Их можно представить отдельно в виде дополнительной эквивалентной электрич. схемы. 2

Время нарастания синаптического тока это время открывания каналов постсинаптической мембраны Время спада синаптического тока это среднее время закрытия хемоактивируемых каналов Время спада синаптического потенциала – это время разрядки мембраны до потенциала покоя через Rm Время нарастания синаптического потенциала это время зарядки емкости мембраны (Cm) и сдвига потенциала входящим синаптическим током

Ионотропные рецепторы Метаботропные рецепторы медиаторы Na+/Ca 2+ Cl─ Na+/Ca 2+ ТПСП -70 -75 -80 -85 МП Медленная деполяризация (ВПСП) ─ K+ Cl Na+ -65 α Медленная гиперполяризация (ТПСП) ВПСП -60 K+ 100 мс 3 мс -55 ɣ β К+ -70 ПД МП Один медиатор может активировать сразу два типа рецепторов – ионотропные и метаботропные -75 порог ВПСП мс 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -85 ТПСП мс 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 НО!!! С разной скоростью и кинетикой генерации ВПСП

Потенциалы концевой пластинки (ПКП), внутриклеточно регистрируемые в нервно-мышечном синапсе Если амплитуда ПКП превышает порог, то возникает ПД Амплитуда ПКП определяется, в основном, числом освобождающихся одновременно квантов. В нервно-мышечном синапсе освобождается ~100 -300 квантов, поэтому ПКП намного превышает уровень порога ПД – высокий фактор надежности нервно-мышечной передачи

Пространственная суммация Сумма ВПСП 1+2+3 ВПСП 1+2 ВПСП 1 Суммарный ВПСП аксон 1 аксон 2 аксон 3 ПД ВПСП аксон дендриты тело (сома) нейрона аксонный холмик миелиновая оболочка

Пространственная суммация I II ВПСП II I+II ВПСП I+ВПСП II ПД ВПСП 1+2 порог генерации ПД ВПСП 2 ВПСП 1 ПП 0 1 2 3 4 5 мс

пресинаптический нейрон Временная суммация постсинаптический нейрон м. В ПД пресинаптические ПД 0 временная суммация ВПСП 0 порог генерации ПД -70 -60 -70 порог генерации ПД ВПСП 1+2 постсинаптические ВПСП 2 мс ВПСП ПП одиночная стимуляция ритмическая стимуляция

ВПСП ТПСП возбуждающий синапс тормозный синапс аксонный холмик В каждый момент времени – комбинация пространственных и временных суммаций возбуждающих и тормозных потенциалов (и вызывающих их токов) Результат зависит от того, где находятся возбуждающие и тормозные синапсы, и в какой последовательности они работают

Пластичность химической синаптической передачи подразумевает возможность модулировать : • Амплитуду одиночных ПСП - в одном и том же синапсе - в широких пределах (в 10 -100 раз) за счет изменений: ü квантового состава; ü плотности постсинаптических рецепторов; ü размера кванта. • Амплитуду ПСП в ходе ритмического залпа ПСП за счет: ü депрессии передачи; ü облегчения передачи. • Временной ход ПСП: ü формировать быстрые ВПСП и медленные ВПСП, различающиеся по длительности на 1 -2 порядка. • Осуществлять синаптическое торможение нейронов и других возбудимых клеток: ü постсинаптическое торможение ü пресинаптическое торможение

Факторы, влияющие на амплитуду ОДИНОЧНОГО постсинаптического потенциала (АВПСП или АПКП) На постсинаптическом уровне Входное сопротивление постсинаптической мембраны Rвх – от 500 к. Ом до 10 -100 Мом На пресинаптическом уровне : Квантовый состав ВПСП или ПКП • Равновесный потенциал для синаптического тока зависит от интенсивности входа Са в терминаль • от пула готовых к экзоцитозу везикул Плотность постсинаптических рецепторов • от числа активных зон терминали Амплитуда одноквантового ВПСП может различаться в 20 раз! в зависимости от плотности постсинаптических рецепторов синапса!! Амплитуда и длительность пресинаптического ПД 1 квант АХ может воздействовать на мембрану с разной плотностью рецепторов Плотность постсинаптических рецепторов : 100 н. ХР/мкм 2 (ганглий млекопитающих) 500 н. ХР/мкм 2 (нейрон моллюска) 2000 н. ХР/мкм 2 (мышечная мембрана) Размер кванта? (обычно = сonst) : возможны модуляции размера кванта и содержимого везикулы

Вариации амплитуды ВПСП в одном и том же синапсе при ритмической высокочастотной передаче МОНОСИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ Вариации одиночных ВПСП ПРЕсинаптические ПД терминали – одинаковы по амплитуде ПД ПРЕ- Амплитуда ПД = сonst ВПСП – вариабелен по амплитуде ПОСТ- Постсинаптические ВПСП: амплитуда варьирует ВЫВОД Постсинаптический потенциал – вариабелен! г р а д у а л е н по своей природе Его амплитуда колеблется по статистическим законам и кратна числу высвободившихся квантов медиатора Р - вероятность выброса n - число высвобождаемых квантов Квантовый состав ВПСП m=P·n

При ритмической активности синапса Амплитуда ВПСП закономерно меняется по ходу залпа Усиление и/или подавление постсинаптических сигналов Депрессия Облегчение 50 м. В 5 мс ВОПРОС: в чем причина закономерных изменений амплитуды ВПСП в ходе ритмической активности синапса ? Природа закономерных изменений амплитуды ВПСП или ПКП по ходу короткого залпа - пресинаптическая, отражает изменения вероятность (P) и числа (n) высвобождаемых квантов – то есть квантового состава ВПСП или ПКП (m) : m = P ·n

Механизмы депрессии передачи и закономерного снижения амплитуды ВПСП (или ПКП). • Подавление амплитуды пресинаптического ПД • Инактивация кальциевых каналов • Скорость мобилизации везикул из резервного пула (RP) или уровень эндоцитоза недостаточны для восполнения уменьшающегося пула везикул, готовых к выбросу (RRP) • Снижение чувствительности мембраны к медиатору (из-за изменений плотности или чувствительности постсинаптических рецепторов к медиатору (десенситизация)

Механизмы облегчения передачи и закономерного увеличения амплитуды ВПСП (или ПКП). • «Кальциевая гипотеза» . В ходе ритмической активности накапливается кальций в терминали и это усиливает выброс медиатора • Выброс медиатора запускается пресинаптическим ПД, поэтому возможно, в терминали в ходе ее ритмической активности происходят изменения амплитуды пресинаптического ПД по ходу залпа (расширяется фаза реполяризации ПД и тем самым пролонгируется вход Са 2+!!!).

ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ Основные тормозные медиаторы: ГАМК и глицин Открывание хлорных каналов при генерации ТПСП равносильно резкому снижению Rвх клетки Постсинаптическое торможение нейрона происходит, если генерация ТПСП в тормозном синапсе возникает одновременно либо с небольшим опережением по сравнению с генерацией ВПСП в возбуждающем синапсе того же нейрона

ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ АУТОИНГИБИРОВАНИЕ мотонейрона на выходе Суммация ТПСП при ритмической активности тормозного нейрона (клетки Реншоу) Клетка Реншоу высвобождает на мотонейрон ГАМК, вызывая на соме мотонейрона ГИПЕРПОЛЯРИЗУЮЩИЙ ТПСП

м. В ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ ПД -50 порог генерации ПД -65 ВПСП+ТПСП ВПСП -70 -75 ВПСП+ТПСП (гиперполяризационный) ECl равн -80 ВПСП+ТПСП (нулевой) ТПСП (деполяризационный) Торможение с помощью гиперполяризующего ТПСП, гиперполяризуя мембрану клетки, «уводит» мембранный потенциал от порога генерации ПД. Однако, это наблюдается лишь в клетках с высоким значением потенциала покоя (когда МП меньше Еравн Cl-).

м. В ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ ПД -50 порог генерации ПД -65 ВПСП+ТПСП ВПСП -70 -75 ВПСП+ТПСП (гиперполяризационный) ECl равн -80 ВПСП+ТПСП (нулевой) ТПСП (деполяризационный) Торможение при ТПСП = 0, (что бывает в случае, если МП = Еравн Cl-). При действии ГАМК и открывании хлорных каналов ТПСП не возникает (потенциал мембраны не меняется), но открытые хлорные каналы увеличивают проводимость мембраны. В этом заключается их шунтирующее или закорачивающее действие на входящие возбуждающие Na+- или Са 2+-токи. Такое шунтирующее действие всегда имеет место при действии ГАМК на постсинаптическую мембрану (независимо от того, как выглядит ТПСП).

м. В ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ ПД -50 порог генерации ПД -65 ВПСП+ТПСП ВПСП -70 -75 ВПСП+ТПСП (гиперполяризационный) ECl равн -80 ВПСП+ТПСП (нулевой) ТПСП (деполяризационный) Торможение с помощью деполяризующего ТПСП Тормозное действие ГАМК, приводя к открытию Cl--каналов, может выглядеть как деполяризация клетки (деполяризующий ТПСП!) (если МП больше Еравн Cl ). Но даже в случаях, когда действие ГАМК и хлорный ток не гиперполяризует, а деполяризует мембрану, развитие такого ТПСП препятствует развитию возбуждения (генерации ВПСП входящими Na+- или Са 2+-токами) - за счет фиксации мембранного потенциала на уровне Еравн Cl-.

Метаботропное постсинаптическое торможение Метаботропное постинаптическое торможение – может быть опосредовано GABAВ рецепторами или другими G-белок сцепленными рецепторами Тормозящий эффект дофамина на возбуждающее действие глутамата (стриатум) D 1 и D 2 дофаминовые рецепторы – метаботропные, Запускают активность протеинкиназ, фосфорилирующих изнутри NMDA- и AMPAтип рецепторов, приводя к их инактивации, снижая амплитуду ВПСП

Механизмы постсинаптического торможения и его значение для работы нейрона Зависимость амплитуды постсинаптических потенциалов от природы ионных токов и соотношения ППо и Еравн ПСП Гиперполяризующий ПСП – за счет выходящего калиевого тока Для синаптического Na+/K+-тока ПСП – деполяризующий ! за счет входа Na (Na/Kток) ПСП (хлорный ток) IК Еравнов. син. для Na/К тока 0 тока! Еравнов. син. =ЕClравн при ППо в диапазоне от -90 до -20 м. В Na/К ток Cl- ток

ПОСТСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ Временная суммация ВПСП и ТПСП на постсинаптической мембране Разные временные комбинации ВПСП (b и c) и ТПСП (a) порождают разные паттерны залповой активности (генерацию серий ПД в аксонном холмике)

ПРЕСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ Одна терминаль образует синапс на другой терминали

ПРЕСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ м. В ПД ПД порог генерации ПД возрастает! Cl--каналы ПП

ПРЕСИНАПТИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ м. В ПД ПД порог генерации ПД возрастает! Cl--каналы ПП Пресинаптическое торможение имеет в своей основе предварительную деполяризацию мембраны нервного проводника за счет выхода хлорного тока Деполяризация мембраны аксона усиливает инактивацию Na+-проводимости и увеличивает порог для запуска ПД. Тем самым уменьшается амплитуда пресинаптического ПД - а при таких низкоамплитудных пресинаптических ПД - СНИЖАЕТСЯ выброс медиатора к постсинаптическому нейрону.

ПРЕСИНАПТИЧЕСКОЕ ОБЛЕГЧЕНИЕ Серотонин тормозит К+–ток пресинаптического ПД пролонгируется вторая фаза ПД пролонгируется деполяризация терминали и длительность работы потенциалзависимых Са 2+-каналов, а значит - входящего в терминаль кальция Пролонгируется высвобождение и действие медиатора в щели Увеличивается и пролонгируется ток и ВПСП постсинаптического нейрона

КРАТКОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПД ПД Ca 2+ NMDA-рецептор AMPAрецептор дендритные шипики кальмодулин аденилатциклаза (фермент) +℗ встраивание новых рецепторов синтез рецепторных белков +℗ ℗+CREB АТФ ц. АМФ Сa/Ca. M-зависимые киназы ℗CREB + ДНК протеинкиназа А (регуляция транскрипции)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ АКТИВНОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СИНАПСА И СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА МОЖЕТ РАЗНООБРАЗНО МОДУЛИРОВАТЬСЯ И НА ПРЕИ НА ПОСТ-СИНАПТИЧЕСКОМ УРОВНЕ

ЖЕЛАЮ УСПЕХОВ В ИЗУЧЕНИИ ФИЗИОЛОГИИ! Спасибо за внимание… Вопросы? ? ?