Потенциал действия в аксоне Потенциал действия в

Потенциал действия в аксоне

Потенциал действия в нейроне возникает в результате суммации постсинаптических потенциалов при активации возбуждающих синапсов А и В

Постсинаптический потенциал в нейроне возникает в результате активации мембранных рецепторов

Постсинаптические потенциалы (ПСП) Определение: изменение разности потенциалов между цитоплазмой (саркоплазмой) и внешней средой, вызванное ионными токами, текущими через мембрану в результате открытия (или закрытия) лиганд-зависимых ионных каналов. ПСП подразделяют на кратковременные (быстрые, short-lasting) и продолжительные (медленные, long-lasting). Продолжительность ПСП зависит от механизма активации ионных каналов, по которым текут токи: - ионотропные рецепторы (комплексы рецептор-канал) обеспечивают быстрые ПСП. - метаботропные рецепторы запускают внутриклеточные каскады, и вызванная этими каскадами ионная проводимость обеспечивает медленные ПСП.

Постсинаптические потенциалы (ПСП) По физиологическому эффекту ПСП подразделяют на: - возбуждающие (ВПСП, EPSP) – деполяризация относительно текущего уровня ПП; - тормозные (ТПСП, IPSP) - гиперполяризация относительно текущего уровня ПП. !!! Однако деполяризационные сдвиги потенциала иногда представляют собой ТПСП (см. далее) Модуляция нервного импульса заключается в следующем: Деполяризация мембраны клетки в результате генерации ВПСП достигает порога активации потенциал-зависимых Na+(Са 2+)-каналов, повышая вероятность генерации ПД. Гиперполяризация мембраны клетки в результате генерации ТПСП удаляет потенциал мембраны от порога активации потенциал-зависимых Na+(Са 2+)каналов, уменьшая вероятность генерации ПД.

Химический синапс Краткая история (исправленная и дополненная) И. Г. Валидовым было доказано участие ионов Ca 2+ в механизме синаптической передачи. Ему также впервые удалось доказать участие внутриклеточных ионов Ca 2+ в механизме синаптической передачи, которые способствуют проведению возбуждения с нерва на мышцу. Результаты этих исследований были доложены на VII Всесоюзном физиологическом съезде в 1948 г. задолго до публикаций Б. Катца и Р. Миледи в середине 1960 -х г. г. , выполнивших аналогичные исследования.

ПСП в периферических синапсах. Немного истории. Из исследований Б. Катца (1960 -е г. г. ) синаптической передачи на нервномышечном препарате (концевой пластинке). Для активации постсинаптического мышечного волокна в нервно-мышечном синапсе необходим внеклеточный Са 2+. А – в отсутствии Са 2+ волокно не возбуждается (Н – момент электрической стимуляции); Б – при аппликации Са 2+ в области терминали электрическая стимуляция (Н) вызывает потенциал концевой пластинки (ПКП); В – только аппликация Са 2+ не вызывает ПКП; Г - при аппликации Са 2+ после электрической стимуляции (Н) ПКП не генерируется.

ПСП в периферических синапсах Во время стимуляции мотонейрона микроэлектрод, введенный в мышечное волокно в близости от концевой пластинки, регистрирует ПКП представляет собой быстро нарастающую деполяризацию, за которой следует возвращение мембранного потенциала к ПП с постоянной времени около 5 мс; эта константа примерно соответствует времени разряда мембранной емкости. При достижении некоторого порогового значения ПКП перерастает в мышечный импульс (ПД), который быстро и без затухания распространяется вдоль мышечного волокна (средняя запись).

ПСП в периферических синапсах По мере удаления регистрирующего электрода от области концевой пластинки амплитуда ПКП монотонно уменьшается, а время роста ПКП увеличивается. Такие свойства ПКП объясняются кабельными свойствами мышечного волокна. Это означает, что ПКП генерируется кратковременным импульсом тока, который входит в мышечное волокно в области концевой пластинки и вызывает быструю деполяризацию. Вызванный этим током потенциал спадает пассивно, распространяясь от концевой пластинки в обоих направлениях, и постепенно затухает.

ПСП в периферических синапсах По мере удаления места аппликации Ац. Х от области концевой пластинки амплитуда ПКП монотонно уменьшается. Это свидетельствует о том, что Ац. Х рецепторы сконцентрированы в области концевой пластинки.

ПСТ (токи) в периферических синапсах Методом фиксации потенциала в мышечном волокне были исследованы токи, проходящие через мембрану мышечной клетки во время развития ПКП. При изменении внеклеточной концентрации Na+ установили, что входящий ток, порождающий ПКП, переносится ионами Na+. Входящий Na+–ток частично компенсируется выходящим K+–током.

ПСТ в периферических синапсах Зависимость тока, протекающего через мембрану мышечной клетки при ее возбуждении, от уровня потенциала на мембране. Амплитуда входящего тока монотонно увеличивается по мере гиперполяризации мембраны. При приближении потенциала к отметке -3 м. В ток концевой пластинки уменьшается до нуля, а затем меняет направление. При дальнейшем увеличении потенциала в положительную область амплитуда выходящего тока монотонно увеличивается.

ПСТ в периферических синапсах Значение мембранного потенциала, при котором суммарный ток равен нулю (IK+ = INa+, т. е. входящий ток компенсируется выходящим) называют потенциалом реверсии тока.

ПСТ в отдельных каналах При регистрации активности отдельных каналов мембраны (методом пэтчкламп) при аппликации Ац. Х на рецептор зарегистрированы токи, протекающие через один канал ионотропного Ац. Х-рецептора.

ПСТ в отдельных каналах Токи отдельных каналов, зарегистрированных методом пэтч -кламп, при аппликации АХ на мембрану мышечной клетки (вверху) и суммарный ток концевой пластинки (внизу). Токи отдельных каналов синхронизированы от момента аппликации АХ. Ток концевой пластинки является результатом сложения токов, протекающих через одиночные каналы.

ПСТ в отдельных каналах При регистрации активности отдельных каналов мембраны (методом пэтчкламп) при фиксации потенциала мышечной клетки на разном уровне также была выявлена инверсия тока при потенциале близком к нулю. sc – single channel conductance (проводимость отдельного канала).

ПСТ в отдельных каналах При регистрации активности отдельных каналов мембраны (методом пэтч-кламп) при фиксации потенциала нервной клетки на разном уровне также была выявлена инверсия тока при потенциале близком к нулю.

ПСТ в отдельных каналах Макроток мембраны складывается из токов отдельных каналов. Макроток (EPC, excitatory postsynaptic current) вызывает изменение потенциала на мембране постсинаптический потенциал (EPP, excitatory postsynaptic potential).

ПСП в мотонейронах Исследование ВПСП и ТПСП в мотонейронах спинного мозга кошки (работы Дж. Экклса 1960 -х г. г. ) Нейронная сеть, обеспечивающая рефлекс растяжения. Extensor – мышца-разгибатель, E – мотонейрон, иннервирующий Extensor Flexor – мышца-сгибатель, F – мотонейрон, иннервирующий Flexor

ПСП в мотонейронах Исследование ВПСП и ТПСП в мотонейронах спинного мозга кошки (работы Дж. Экклса 1960 -х г. г. ) Электрические сигналы в нейронной сети рефлекса растяжения.

Intracellular Recording Block Diagram of a preamplifier for intracellular recording of membrane potential in balanced bridge mode. Circuit diagram illustrates components of a contemporary intracellular preamplifier.

ПСП в мотонейронах Исследование ВПСП и ТПСП в мотонейронах спинного мозга кошки (работы Дж. Экклса 1960 -х г. г. ) Электрические сигналы в нейронной сети рефлекса растяжения. B St - the hind limb biceps semitendinosis muscle – двуглавая (бицепс) полусухожильная мышца задней конечности (сгибатель) Quadr. – Quadriceps – четырехглавая мышца (разгибатель)

Возбуждающие ПСП (ВПСП, EPSP) в мотонейронах Мембранный потенциал нейрона можно изменять в широком диапазоне, используя метод фиксации тока, когда через внутриклеточный электрод в нейрон подают постоянный ток.

ВПСП в мотонейронах В мотонейроне при разных уровнях мембранного потенциала были зарегистрированы ВПСП, вызываемые стимуляцией возбуждающих входов. При ПП (-66 м. В) и гиперполяризации (-84 и -102 м. В) в ответ на стимуляцию в нейроне развивается ВПСП. Мотонейрон B St Mn (сгибателя) возбуждается в результате стимуляции афферентов от сенсорных волокон нерва (от рецепторов растяжения).

ВПСП в мотонейронах В диапазоне от -60 до -40 м. В ВПСП переходит в ПД, поскольку деполяризация достигает порога активации потенциал-зависимых Na+-каналов, ответственных за ПД. Дальнейшая деполяризация (от -32 м. В) вызывает уменьшение амплитуды ВПСП, а при потенциале, близком к нулю (+3 м. В), ВПСП не возникает. Еще большая деполяризация приводит к инверсии знака потенциала.

Реверсия ВПСТ в концевой пластинке и ВПСП в мотонейронах ВПСТ = g. ACh(Vm – Erev) - закон Ома I=U/R Знак ВПСТ и ВПСП зависит от разности Vm – Erev

Реверсия ВПСП в клетке симпатического ганглия лягушки При потенциале от +62 до -4 м. В - ВПСП негативный, от -18 до -170 м. В - ВПСП позитивный, при -10 м. В – амплитуда нулевая. При потенциале от -22 до -70 м. В генерируются ПД. Erev Калибровка – синусоида с периодом 1 мс

Реверсия ВПСТ в концевой пластинке Изменяли концентрацию Na+ (уменьшали) и К+ (увеличивали) во внеклеточной среде.

Реверсия ВПСТ в концевой пластинке Если ПСП определяется токами Na+, К+ или Cl-, то теоретически при исключительно Na+, К+ или Cl- -проводимости потенциал реверсии ПСП будет равен равновесным потенциалам для этих ионов в мышечной клетке. EK+ = -100 м. В ENa+ = +70 м. В ECl- = -50 м. В

Реверсия ВПСТ в концевой пластинке Лиганд-зависимые ионные каналы, примерно одинаково проницаемые для Na+ и К+, имеют равновесный потенциал около 0 м. В.

Реверсия ВПСТ в концевой пластинке Постсинаптические ионные токи (EPCs) Na+ и К+, протекающие через Ац. Х-активируемые рецепторы и вызванные ими постсинаптические потенциалы (EPPs) при различных уровнях МП. Амплитуда суммарного тока (аддитивная сумма Na+- и К+-токов) зависит от потенциала мембраны.

Эквивалентная электрическая схема возбуждающего синапса Активация возбуждающего синапса (замыкание ключа на электрической схеме) при связывании медиатора с ионоптропным рецептором включает э. д. с. равновесного потенциала ВПСП (ЕВПСП). RВПСП – сопротивление (обратное от проводимости) ионотропного катионного канала.

Линейная и нелинейная вольт-амперная характеристика ВПСТ Для лиганд-зависимых ионных каналов, проводимость которых не зависит от мембранного потенциала, вольт-амперная (I-V) характеристика ВПСТ линейная. Такая I-V характеристика свойственна Ац. Х (никотиновым) и глутаматным (АМРА и каиновым) ионотропным каналам. gsyn – макропроводимость синапса складывается из множества проводимостей одиночных каналов ( sc)

Линейная и нелинейная вольт-амперная характеристика ВПСТ Для лиганд-зависимых ионных каналов, проводимость которых зависит от мембранного потенциала, вольт-амперная (I-V) характеристика ВПСТ нелинейная. Такая I-V характеристика свойственна глутаматным ионотропным NMDAрецепторам. g. NMDA – макропроводимость глутаматэргического синапса с NMDA-рецепторами, которая зависит от мембранного потенциала.

Линейная и нелинейная вольт-амперная характеристика ВПСТ АМРА-рецепторы (Non-NMDA) открывают каналы при связывании с глютаматом; для NMDA-рецепторов необходима деполяризация для снятия Mg 2+-блока.

Нелинейная вольт-амперная характеристика ВПСТ NMDA-рецептора Если удалить из среды Mg 2+ (это эквивалентно деполяризации), нелинейность I-V характеристики почти устраняется (светлые кружки). При добавлении Mg 2+ возникает нелинейность I-V характеристики (темные квадраты).

+40 м. В -60 м. В Voltage-dependent magnesium block of NMDA receptors. a) Glutamate- evoked current-voltage relationship in the presence (dashed line) and absence (solid line) of extracellular Mg 2+. b) top, Single-channel activity evoked at positive membrane potentials is insensitive to extracellular Mg 2+ concentration. Bottom, Single-channel currents at negative membrane potential are sensitive to extracellular Mg 2+. Receptor block is observed as short closures within the openings. (Figure from Nowak et al. [9])

Разнообразие форм ВПСП

Тормозные ПСП (ТПСП, IPSP) В синапсах, обеспечивающих синаптическое торможение с активацией ионотропных каналов, лежат те же механизмы, что и в основе работы возбуждающих синапсов с активирующими ионотропными рецепторами. Гиперполяризация, вызываемая тормозным медиатором в нейроне, называется тормозным постсинаптическим потенциалом (ТПСП). По своему функциональному значению в механизмах межнейронной сигнализации ТПСП является событием, снижающим вероятность генерации ПД и, соответственно, прекращающим (или затрудняющим) распространение возбуждения по нейронным сетям. Ток, который вызывает смещение потенциала на мембране в сторону гиперполяризации (ТПСП), называют тормозным постсинаптическим током (ТПСТ).

Тормозные ПСП (ТПСП, IPSP) По своему функциональному значению в механизмах межнейронной сигнализации ТПСП является событием, снижающим вероятность генерации ПД и, соответственно, прекращающим (или затрудняющим) распространение возбуждения по нейронным сетям.

Ионный механизм ТПСП Прямое синаптическое торможение вызывается активацией тормозными медиаторами ионотропных каналов, проводящих ионы Cl- : у позвоночных только - ГАМК (рецепторы А- и С-типов); - глицином; а у беспозвоночных еще - Ац. Х; - гистамином; - серотонином; - глютаматом.

Ионный механизм ТПСП Непрямое синаптическое торможение Многие медиаторы вызывают увеличение K+-проводимости при активации внутриклеточных каскадов метаботропными рецепторами, например: - ГАМК (рецепторы В-типа); - Ац. Х (М 2 -рецепторы в парасимпатической системе замедляют и ослабляют сокращение сердечной мышцы) - и еще многими другими каскадами. Во многих нейронах ионы Cl- и К+ имеют равновесный потенциал, близкий к ПП, поэтому эти ионные токи препятствуют достижению порога активации потенциал-зависимых Na+-каналов и, соответственно, генерации ПД.

ТПСП у беспозвоночных Первые исследования прямого синаптического торможения у беспозвоночных были проведены на нервно-мышечном соединении членистоногих и рецепторе растяжения рака. При стимуляции тормозных входов с частотой ½ с-1 каждый импульс вызывает сдвиги мембранного потенциала, амплитуда и полярность которых зависит от потенциала мембраны: в диапазоне от -80 до -72 м. В – деполяризация (ниже пунктира) и в диапазоне от -72 до -61 м. В – гиперполяризация (выше пунктира). Потенциал реверсии составил -72 м. В. (с модификациями по Dudel, Kuffler, 1961)

ТПСП у беспозвоночных Первые исследования прямого синаптического торможения у беспозвоночных были проведены на нервно-мышечном соединении членистоногих и рецепторе растяжения рака. Мембранный потенциал изменяли путем растяжения мышечного волокна, при этом растягивали и дендриты рецептора. Электрическими импульсами стимулировали тормозный вход рецептора. Потенциал реверсии находился между -67 и -70 м. В. (с модификациями по Kuffler, Eyzaguirre, 1955)

ТПСП в мотонейронах Исследование ВПСП и ТПСП в мотонейронах спинного мозга кошки (работы Дж. Экклса 1960 -х г. г. ) Электрические сигналы в нейронной сети рефлекса растяжения.

ТПСП в мотонейронах Исследование ВПСП и ТПСП в мотонейронах спинного мозга кошки (работы Дж. Экклса 1960 -х г. г. ) Электрические сигналы в нейронной сети рефлекса растяжения Мотонейрон B St Mn (сгибателя) тормозится в результате стимуляции афферентов от четырехглавой мышцы Quadr (разгибателя)

ТПСП в мотонейронах А-Е - ТПСП (I) в ответ на стимуляцию тормозных входов (II, амплитуда артефакта пропорциональна силе раздражения). С увеличением интенсивности стимуляции амплитуда ТПСП возрастает. Латентный период ТПСП мотонейрона (Ж) в ответ на стимуляцию тормозных входов всегда больше, чем латентный период ВПСП (З) в ответ на стимуляцию возбудительных входов из-за дополнительного синаптического переключения через тормозный интернейрон.

ТПСП в мотонейронах В мотонейроне при разных уровнях мембранного потенциала были зарегистрированы ТПСП, вызываемые стимуляцией тормозных входов. При ПП (-74 м. В) стимуляция тормозных входов вызывает небольшой по амплитуде ТПСП. При деполяризации мембраны (-64 м. В и выше) амплитуда ТПСП монотонно увеличивается. При гиперполяризации клетки до -82 м. В амплитуда ТПСП снижается почти до нуля и при этом меняет полярность (реверсия потенциала). При гиперполяризации мембраны более -82 м. В амплитуда инвертированного (положительного по знаку) ТПСП монотонно увеличивается. Таким образом, потенциал реверсии ТПСП в мотонейроне составляет около -80 м. В.

ТПСТ в нейронах Методом фиксации потенциала измерены токи, текущие через мембрану мотонейрона, при стимуляции его тормозных входов. При деполяризации мембраны выше -70 м. В, регистрировали выходящие токи увеличивающейся амплитуды, отражающие вход анионов Cl- в нейрон. При гиперполяризации мембраны ниже -70 м. В направление тока менялось (входящий ток соответствует выходу Cl- из клетки), а его амплитуда увеличивалась с гиперполяризацией. Таким образом, уровень потенциала -70 м. В является для данного нейрона точкой реверсии Cl--тока (ТПСТ), и, соответственно, ТПСП.

ТПСТ в нейронах A - Методом фиксации потенциала измерены токи, текущие через мембрану нейрона, при аппликации ГАМК на мембрану. При деполяризации мембраны выше -58 м. В, регистрировали выходящие токи увеличивающейся амплитуды, отражающие вход анионов Cl- в нейрон. При гиперполяризации мембраны ниже -58 м. В направление тока менялось (входящий ток соответствует выходу Cl- из клетки), а его амплитуда увеличивалась с гиперполяризацией. B - Уровень потенциала -58 м. В является для данного нейрона точкой реверсии Cl--тока (ТПСТ), и, соответственно, ТПСП.

ТПСТ в нейронах (равновесный потенциал для Cl- варьирует в разных нейронах) A - Токи, текущие через мембрану нейрона, при аппликации агониста ГАМКрецепторов (isoguvacine) на мембрану. CNQX, APV – антагонисты AMPA, NMDA рецепторов. При деполяризации мембраны выше -40 м. В, регистрировали выходящие токи увеличивающейся амплитуды, отражающие вход анионов Cl- в нейрон. При гиперполяризации мембраны ниже -40 м. В направление тока менялось, а его амплитуда увеличивалась с гиперполяризацией. B - Уровень потенциала около -40 м. В является для данного нейрона точкой реверсии Cl--тока.

Эффект ГАМК меняется при развитии организма A – Во время развития концентрация Clвнутри нейронов увеличена из-за преобладания работы Na-K-Cl котранспортера (NKCC 1, В) (Cl- внутрь) над симтранспортером K-Cl (KCC 2, В) (Cl- наружу), и равновесный потенциал для Cl-смещается в сторону деполяризации. У взрослых нейронов эффект транспортеров меняется наоборот, и равновесный потенциал для Cl-смещается в сторону гиперполяризации. B - При активации ГАМК-рецепторов незрелых нейронов (слева) Cl- выходит из клетки (деполяризация, ВПСП); при активации ГАМК-рецепторов зрелых нейронов (справа) Cl- входит в клетку (гиперполяризация, ТПСП).

Реверсия ТПСТ в отдельных Cl--каналах (patch clamp) A и B – токи одиночных глициновых и ГАМКрецепторов (через Cl--каналы) при потенциале на мембране ниже ( «негативнее» ) равновесного потенциала для Cl- (-60 м. В). Входящий анионный ток эквивалентен выходу Cl- из нейрона. D – при поляризации мембраны выше -60 м. В (потенциал реверсии для Cl- ) токи инвертируются, а их амплитуда монотонно увеличивается с деполяризацией.

Реверсия ТПСТ в отдельных Cl--каналах (patch clamp) Токи одиночных ГАМК-рецепторов через Cl--каналы при потенциале на мембране выше ( «позитивнее» ) равновесного потенциала для Cl- (красный пунктир) имеют выходящее направление и увеличиваются с удалением потенциала от равновесного. Токи при потенциале ниже ( «негативнее» ) равновесного имеют входящее направление и уменьшаются с приближением потенциала к равновесному.

Эквивалентная электрическая схема тормозного синапса Активация тормозного синапса (замыкание ключа на электрической схеме) при связывании медиатора с ионоптропным рецептором включает э. д. с. равновесного потенциала ТПСП (ЕТПСП). RТПСП – сопротивление (обратное от проводимости) ионотропного анионного канала.

Реверсия ТПСП в нейроне подглоточного ганглия улитки I – ПД и низкоамплитудные ТПСП в норме (МП около -50 м. В) и негативный ТПСП при аппликации Ац. Х. II – влияние гиперполяризации различного уровня (последовательные ступеньки) на спонтанные (без аппликации Ац. Х) низкоамплитудные позитивные ТПСП III – при гиперполяризации клетки до -120 м. В при аппликации Ац. Х регистрируется позитивный ТПСП. Потенциал реверсии Ац. Х-вызванного ТПСП равен – 72 м. В (пересечение ТПСП на I и III). I Стрелкой отмечен момент аппликации Ац. Х (10 -5 м. М). (По Kerkut, Thomas, 1963).

Доказательство хлорного механизма ТПСП В естественных условиях при действии Ац. Х на некоторые нейроны улитки (Hклетки) в их мембранах увеличивается Cl--проводимость, что вызывает гиперполяризацию (ТПСП) и прекращение импульсной активности (вверху). (По Kerkut, Thomas, 1963)

Доказательство хлорного механизма ТПСП При замене во внеклеточной среде Cl- на SO 42 - Ац. Х вызывает в Н-нейронах ток противоположного направления из-за того, что равновесный потенциал для Cl- сместился к более положительному уровню (см. далее). В результате при действии Ац. Х вместо ТПСП в нейроне генерируется ВПСП (деполяризация, из-за выхода Cl- из клетки) что приводит к учащению разрядов нейрона. (По Kerkut, Thomas, 1963).

Доказательство хлорного механизма ТПСП В D-клетках Ац. Х вызывает деполяризацию (По Kerkut, Thomas, 1963). Ответы Н-клетки на Ац. Х в норме (вверху) и в среде без Cl- (внизу) Ответы D-клетки и Н-клетки Нижние записи - то же при действии антагониста Ац. Х d-TK: как возбуждающее, так и тормозное действие Ац. Х устраняется

Эффект медиатора определяется свойствами рецептора Caenorhabditis elegans Рецептор EXP-1 круглого червя С. elegans связывается с ГАМК, но вызывает ВПСП. Этот рецептор напоминает по структуре никотиновый Ац. Х-рецептор позвоночных.

ВПСП могут иметь более одного компонента Ответ нейрона на глутамат имеет два компонента: быстрый и медленный. Медленный компонент блокируется при действии APV (2 amino-5 -phosphopentatonic acid - антагонист NMDA-рецепторов). Медленный компонент (более продолжительная деполяризация) обеспечивается током катионов через ионные каналы, управляемые NMDA-рецепторами.

ВПСП могут иметь более одного компонента А - Пиковые токи (ранние ВПСТ) и поздние ВПСТ, измеренные спустя 25 мс после стимуляции (отмечено пунктирной линией). B – вольтамперные характеристики ранних (▲) и поздних (●) ВПСТ.

ВПСП могут иметь более одного компонента Разделение глютаматных токов в нейроне с использованием APV: быстрый ток остается при устранении медленного. При -80 м. В активируется только быстрый ток, и при использовании блокатора APV медленный ток не регистрируется. NMDA-рецептор, проводящий медленный ток, при -80 м. В заблокирован ионами Mg 2+.

ВПСП могут иметь более одного компонента I-V характеристики на фрагменте В: Пиковые токи (отражают ранние ВПСТ) до (▲) и во время (∆) аппликации АРV. Поздние ВПСТ, измеренные спустя 25 мс после стимуляции (отмечено пунктирной линией), до (●) и во время (○) аппликации АРV.

Медленные ТПСП, опосредуемые метаботропными рецепторами Многие медиаторы активируют метаботропные рецепторы, которые увеличивают К+проводимость в мембранах нейронов. Стимуляция тормозных интернейронов в коре мозга через возбудительные афференты вызывает выделение ГАМК в синапсе на пирамидном нейроне. Сразу после стимуляции в пирамидном нейроне регистрируется ранний ВПСП, поскольку коллатераль возбудительного входа активирует и пирамидный нейрон. (А) Конфигурация возбудительных (светлые) и тормозных (темные) синапсов на тормозном и пирамидном нейронах.

Медленные ТПСП, опосредуемые метаботропными рецепторами Тормозный эффект ГАМК в пирамидном нейроне представлен ранним и поздним ТПСП, которые обеспечиваются, соответственно, ГАМКА- и ГАМКВ-рецепторами. Ионотропный ГАМКА рецептор вызывает ранний и непродолжительный ТПСП, регистрируемый сразу после ВПСП, который успевает развиться из-за дополнительной синаптической задержки на интернейроне. После раннего ТПСП генерируется поздний ТПСП. Локальное применение антагониста ГАМКВ-рецепторов факлофена устраняет поздний ТПСП, подтверждая К+-природу позднего ТПСП, обусловленного активацией ГАМКВ-рецептора. Удаление факлофена приводит к восстановлению позднего ТПСП.

Медленные ТПСП, опосредуемые метаботропными рецепторами Внутриклеточная регистрация пирамидной клетки поля СА 3 в гиппокампе крысы в ответ на стимуляцию афферентов от мшистых волокон (mossy fibers). При ПП (-66 м. В) регистрируются ранний (E) и поздний (L) ТПСП. При поляризации около -78 м. В ранний компонент инвертируется (на рисунке его амплитуда равна 0). Ранний ТПСП обеспечивается Cl--проводимостью через ионотропные ГАМКА-рецепторы (с потенциалом реверсии около -78 м. В).

Медленные ТПСП, опосредуемые метаботропными рецепторами Внутриклеточная регистрация пирамидной клетки поля СА 3 в гиппокампе крысы в ответ на стимуляцию афферентов от мшистых волокон (mossy fibers). При ПП (-66 м. В) регистрируются ранний (E) и поздний (L) ТПСП. Поздний компонент инвертируется при поляризации ниже -100 м. В. Поздний ТПСП обеспечивается – К+-проводимостью, активируемую ГАМКВ-рецептором (с потенциалом реверсии около -102 м. В).

Двойственный холинергический возбудительно-тормозный ответ Нейрон моллюска аплизии (Aplysia) В нормальных условиях (А) при аппликации Ац. Х в нейроне генерируется быстрый возбудительный и последующий медленный тормозный ответ. В отсутствие Na+ остается только тормозный ответ (В), в отсутствие Cl- остается (С) только возбудительный ответ.

Сравнительная динамика ионотропных (быстрых) и метаботропных (медленных) ВПСП Селективные К+-каналы обеспечивают поддержание потенциала вблизи ПП. При активации метаботропных рецепторов активируются внутриклеточные каскады, приводящие к фосфорилированию каналов. При фосфорилировании К+-канал закрывается, и устранение выходящего тока деполяризует мембрану. Такой ВПСП продолжается значительно более долгое время (!!! разная калибровка по оси времени).

От чего зависит постсинаптический эффект? В нейроне регистрируется ВПСП, если в его мембране активируются каналы, пропускающие токи с потенциалом реверсии более положительным, чем порог ПД. Напротив, в нейроне регистрируется ТПСП, если в его мембране активируются каналы, пропускающие токи с потенциалом реверсии более отрицательным, чем порог ПД.

От чего зависит постсинаптический эффект медиатора? Если медиатор активирует каналы, которые пропускают ионные токи с потенциалом реверсии ниже порога активации потенциал-зависимых Na+(Са 2+)-каналов, медиатор является тормозным. Если медиатор активирует каналы, которые пропускают ионные токи с потенциалом реверсии выше порога активации потенциал-зависимых Na+(Са 2+)-каналов, медиатор является возбуждающим. Во многих нейронах ионы Cl- и К+ имеют равновесный потенциал, близкий к ПП, поэтому эти ионные токи препятствуют достижению порога активации потенциал-зависимых Na+(Са 2+)-каналов и, соответственно, генерации ПД.

От чего зависит постсинаптический эффект медиатора? Шунтирующее действие К+-проводимости Тормозный ответ (!!!) не обязательно должен быть гиперполяризующим. Например, синаптическое торможение часто заключается в увеличении К+проводимости. Равновесный потенциал для К+ (Vrev) примерно равен ПП (Vm), и при активации К+-проводимости обычно не происходит изменений величины мембранного потенциала (справа). Однако этот эффект действительно является тормозным и значительно ослабляет возбуждающие воздействия на нейрон. В этом заключается шунтирующее действие К+-проводимости.

От чего зависит постсинаптический эффект медиатора? Шунтирующее действие К+-проводимости При активации К+-каналов не регистрируются какие-либо выходящие токи, но открытие К+-каналов приводит к существенному падению сопротивления мембраны, и, в соответствии с законом Ома, требуются существенно большие входящие токи, чтобы сместить потенциал мембраны к порогу генерации ПД. Эффективность синаптического воздействия может меняться и при изменениях равновесных потенциалов для ионов. В свою очередь равновесные потенциалы зависят от градиента концентрации для ионов по обе стороны мембраны, которые могут варьировать по многим причинам (см. эксперимент на Н-нейронах улитки).

От чего зависит постсинаптический эффект медиатора? Шунтирование В покое (Resting state) проводимость мембраны Sm=SR=1/RR Шунтирующий ответ (Shunt) увеличивает проводимость мембраны на SS (1/RS), и Sm=SR+SS Если добавлена шунтирующая проводимость по закону Ома деполяризация будет меньше в ответ на возбуждающий синаптический ток: Vsyn=Isyn/(SR+SS) < Vsyn=Isyn/SR Таким образом, шунтирующий ответ является тормозным. При этом уменьшится также константа затухания тока в соответствии с уменьшением постоянной времени мембраны (t. R=Cm/SR > t. R+S=Cm/(SR+SS) ), и синаптические потенциалы будут затухать быстрее.

Пресинаптическое торможение в мотонейронах спинного мозга кошки GASSER, H. S. & GRAHAM, H. T. (1933). Potentials produced in the spinal cord by stimulation of the dorsal roots. Amer. J. Physiol. 103, 303 -320. Еще в 1930 -х г. г. Gasser & Graham (1933) установили, что раздражение заднего корешка спинного мозга вызывает положительный заднекорешковый потенциал (ЗКП). Развитие этого потенциала во времени приблизительно соответствовало развитию торможения сгибательных рефлексов, вызываемых стимуляцией другого корешка. Они поставили вопрос: «Не связан ли позитивный потенциал с процессом, ответственным за торможение? » .

Пресинаптическое торможение в мотонейронах спинного мозга кошки В 1950 -х г. г. Frank & Fourtes (1959) показали, что импульсы, идущие по афферентным волокнам от мышц, вызывают торможение, уменьшая величину моносинаптических ВПСП мотонейронов, и не оказывают никакого другого влияния на эти мотонейроны (в частности, не вызывают гиперполяризации). с2 с1 10 мс

Пресинаптическое торможение в мотонейронах спинного мозга кошки При стимуляции (с1, частота 200 -300 Гц) волокон группы I от мышцы-сгибателя коленного сустава (задней двуглавой-полусухожильной мышцы) в мотонейроне мышцы-разгибателя коленного сустава (подошвенной мышцы), отмечается подавление моносинаптических ВПСП (А, внизу) при активации возбудительных входов (с2, А, вверху). 1 -я запись – без стимуляции с1. (с модификациями по Eccles et al. , 1961). с2 с1 10 мс

Пресинаптическое торможение в мотонейронах спинного мозга кошки Степень подавления ВПСП (на графике в % от нормы - без с1) зависит от интервала между с1 и с2 (красная стрелка) и максимальна при интервале 20 мс. С увеличением интервала подавление ослабевает. (с модификациями по Eccles et al. , 1961). с2 с1 10 мс

J. Physiol. (1962), 161, pp. 237 -257 CENTRAL PATHWAYS RESPONSIBLE FOR DEPOLARIZATION OF PRIMARY AFFERENT FIBRES BY J. C. ECCLES, P. G. KOSTYUK* AND R. F. SCHMIDT tjp 19621612237. pdf

Пресинаптическое торможение в мотонейронах спинного мозга кошки Степень подавления ВПСП. I – норма; при тетанической (22 стимула) стимуляции афферентов волокон гр. I: II – за 5 мс перед моносинаптической стимуляцией; III – за 83 мс перед моносинаптической стимуляцией. (с модификациями по Eccles et al. , 1961).

Пресинаптическое торможение в мотонейронах спинного мозга кошки Подавление моносинаптических ВПСП (при активации возбудительных входов) в мотонейроне подошвенной мышцы (разгибателя коленного сустава ) путем стимуляции волокон группы I от задней двуглавой-полусухожильной мышцы (сгибателя коленного сустава). (с модификациями по Eccles et al. , 1962). А – контрольные ВПСП (в отсутствие пресинаптического торможения) всегда перерастают в ПД (I, отмечено стрелкой), при пресинаптическом торможении ПД или не генерируется (II), или запаздывает (III). Б и В – ослабление ВПСП при малых интервалах после пресинаптической тетанической стимуляции и увеличение ВПСП с интервалом (II-IV). I – ВПСП без пресинаптической тетанизации (контроль).

Пресинаптическое торможение в мотонейронах спинного мозга кошки А – схема эксперимента. Регистрирующий электрод введен в афферентное волокно гр. Iа камбаловидной мышцы (разгибатель). Стимуляция волокон гр. I нерва задней двуглавой-полусухожильной мышцы (сгибатель) (по Eccles, 1963). Б – Изменения деполяризации первичных афферентов (PAD, primary afferent depolarization) при 1, 2 и 4 раздражениях волокон гр. Iа (I –внутриклеточная, II – внеклеточная регистрация). В – разность кривых I и II на фрагменте Б соответствует деполяризации пресинаптического волокна. Г – динамика возбудимости (декремент потенциала со временем) пресинаптического волокна от длительности тестинтервала. Динамика возбудимости пресинаптического волокна гр. Iа совпадает с динамикой подавления моносинаптических ВПСП мотонейронов (по Eccles et al. , 1962). Г

Пресинаптическое торможение в мотонейронах спинного мозга кошки Динамика возбудимости пресинаптического волокна гр. Iа (снизу) совпадает с динамикой подавления моносинаптических ВПСП мотонейронов (сверху)

Механизм пресинаптического торможения в мотонейронах спинного мозга кошки Деполяризация первичных афферентов (primary afferent fiber, 1) мотонейронов (motoneuron, 3) возникает в результате активации аксо-аксональных ГАМК-эргических синапсов пресинаптических тормозных интернейронов (presynaptic inhibitory axon, 2). Интернейроны получают входы от мышечных веретен в составе волокон гр. I мышцантагонистов. ГАМК вызывает (!? ) деполяризацию через ГАМКА-рецепторы, которая обусловлена Cl--током из терминали. Поскольку Na+/K+/2 Cl- обменник поддерживает потенциал реверсии для Cl- на уровне менее отрицательном, чем ПП, анионы Cl- выходят из терминали, деполяризуя ее. Увеличение проводимости мембраны терминали шунтирует активационные мембранные токи, препятствуя деполяризации от приходящих ПД, активации Са 2+-каналов и, в конечном счете, выделению глютамата из первичных афферентов. 3 1 2

Механизмы пресинаптического торможения Увеличение К+-проводимости Пресинаптические мускариновые (M 2 или M 4) и α 2 -рецепторы (выступают как ауторецепторы) увеличивают К+-проводимость и гиперполяризуют мембрану, уменьшая высвобождение медиатора.

Механизмы пресинаптического торможения Уменьшение Ca 2+-проводимости Ац. Х, норадреналин, серотонин и ГАМК (через ауторецепторы) могут уменьшать Ca 2+-ток в пресинаптических мембранах. Уменьшение этого тока рассматривается как отрицательная обратная связь, которая регулирует уровень выделившегося в синаптическую щель медиатора. Поскольку выделение медиатора обеспечивается входом Ca 2+ в аксонную терминаль, уменьшение входящего Ca 2+тока уменьшает количество выделившегося медиатора.

Механизмы пресинаптического торможения Ретроградная регуляция выделения медиатора Обеспечивается молекулами, которые диффундируют в пресинаптическую терминаль, а синтезируются в постсинаптической клетке: - NO, - CO, - арахидоновая кислота, - эндоканнабиноиды (анандамид и 2 -арахидонил-глицерол). Например, пресинаптические СВ 1 снижают высвобождение глютамата, Ац. Х и ГАМК через активацию G / -димера, который блокирует Са 2+-каналы и активирует K+каналы.

Интеграция ПСП При растяжении связки активируется много рецепторов растяжения. Чем сильнее растяжение, тем больше рецепторов активируется. По принципу частотного кодирования чем сильнее раздражение, тем выше частота импульсных разрядов сенсорного нейрона и тем больше ВПСП генерируется в мотонейроне (E), поскольку в ответ на каждый спайк генерируется ВПСП. На одном мотонейроне суммируются ВПСП от многих рецепторов (пространственная суммация), а также суммируются последовательные ВПСП в ответ на последовательные спайки одного рецептора (временная суммация).

Интеграция ПСП (А) - Регистрация активности двух гипотетических сенсорных нейронов (SN 1 и SN 2) и одного мотонейрона (MN). (В) – Временная суммация. Каждый спайк от SN 1 вызывает в MN ВПСП амплитудой 1 м. В. Два последовательных спайка с высокой частотой вызывают двухкомпонентный ВПСП с амплитудой около 2 м. В. Временное окно суммации определяется пассивными свойствами мембраны (синаптической проводимостью и емкостью) и, следовательно, продолжительностью ВПСП. (С) – Пространственная суммация. Переменная спайковая активность SN 1 и SN 2 вызывает в MN ВПСП амплитудой 1 м. В. Совпадение во времени двух спайков от двух SN производит суммарный ВПСП амплитудой около 2 м. В.

Интеграция ПСП Временная суммация Временное окно суммации определяется пассивными свойствами мембраны (синаптической проводимостью и емкостью), что, в свою очередь, определяет продолжительность ВПСП суммируются неаддитивно, т. к. последующий ВПСП зависит от предшествующего: изменяется проводимость и электрохимический градиент ионов. Пространственная суммация зависит от постоянной длины мембраны клетки, т. е. от особенностей пассивного распространения потенциалов от места их генерации в другую часть клетки.

Интеграция ПСП Результирующая реакция клетки зависит также от суммации с тормозными входами (во времени и пространстве) и с потенциал-зависимыми токами в соме и дендритах нейрона. Например, низкопороговая К+-проводимость А-типа препятствует достижению порога генерации спайка при суммации ВПСП. Напротив, низкопророговые Na+ и Са 2+-токи повышают эффективность ВПСП, добавляя свою «порцию» деполяризации. Распределение потенциал-зависимых каналов и лиганд-зависимых (ионотропных и метаботропных) рецепторов в мембране нейрона неравномерно. Каждый сегмент мембраны может выполнять высоко селективные интегративные функции, которые представлены огромным объемом вариаций. Некоторые модели пакета Simulator for Neuronal Networks and Action Potentials (SNNAP) представлены на http: //snnap. uth. tmc. edu.

Моделирование интегративных свойств нейрона (A)Partial geometry of a neuron in the CNS revealing the cell body and pattern of dendritic branching. (B) The neuron modeled as a sphere connected to a series of cylinders, each of which represents the specific electrical properties of a dendritic segment. (C) Segments linked with resistors representing the intracellular resistance between segments, with each segment represented by the parallel combination of the membrane capacitance and the total membrane conductance. (D) Electrical circuit equivalent of the membrane of a segment of a neuron. The segment has a membrane potential V and a membrane capacitance Cm. Currents arise from three sources: (1) m voltage-dependent conductances (gvd 1– gvdm), (2) n conductances due to electrical synapses (ges 1–gesn), and (3) n times o timedependent conductances due to chemical synapses with each of the n presynaptic neurons (gcs 1, 1–gcsn, o). Evd and Ecs are constants and represent the values of the equilibrium potential for currents due to voltage-dependent conductances and chemical synapses, respectively. V 1–Vn represent the value of the membrane potential of the coupled cells. Reprinted with permission from Ziv et al. (1994).

Моделирование интегративных свойств нейрона Electrical circuit equivalent of the membrane of a segment of a neuron. The segment has a membrane potential V and a membrane capacitance Cm. Currents arise from three sources: 1) m voltage-dependent conductances (gvd 1–gvdm), 2) n conductances due to electrical synapses (ges 1–gesn) 3) n times o time-dependent conductances due to chemical synapses with each of the n presynaptic neurons (gcs 1, 1–gcsn, o). Evd and Ecs are constants and represent the values of the equilibrium potential for currents due to voltage-dependent conductances and chemical synapses, respectively. V 1–Vn represent the value of the membrane potential of the coupled cells.

Пример взаимодействия различный токов на активность таламокортикального нейрона Во время сна (sleep, в «норме» ) нейрон генерирует пачки импульсов (осцилляции, burst firing) на фоне низкопорогового (при гиперполяризации) продолжительного Са 2+спайка. Такая активность нейрона сопровождает сонные веретена в стадии сна II (см. след. слайд). При деполяризации вследствие активации ретикулярных влияний нейрон демонстрирует тоническую активность, сопровождающую ЭЭГ при бодрствовании.

Сонные веретена в стадии сна II сопровождаются осцилляциями таламокортикальных нейронов

Пример взаимодействия различный токов на активность таламокортикального нейрона В «норме» нейрон генерирует пачки импульсов (burst firing) на фоне низкопорогового продолжительного Са 2+-спайка. При действии некоторых медиаторов (например, через М 1 -, Н 1 -рецепторы) уменьшается К+-ток утечки (IK, leak). Возникающая при этом деполяризация устраняет низкопороговый Са 2+-ток (быстро инактивируется), и ритмическая пачечная активность блокируется. Снижение порога для активации «классических» (Na+/K+) спайков приводит к продолжительной тонической импульсации (tonic firing). Действие медиаторов обратимо.

Быстрые ВПСП Ацетилхолиновые (АХ) ВПСП вызываются активацией никотинового АХрецептора, который открывает канал для катионов Na+, K+ и Ca 2+. Потенциал реверсии этого тока около – 5 м. В. Эти ВПСП регистрируются в нейронах ЦНС, спинном мозге (в клетках Реншоу), вегетативной нервной системе (в постганглионарных нейронах), скелетных мышцах. Глютаматные ВПСП вызываются активацией трех типов глютаматных рецепторов, имеющих свои специфические агонисты: (1) AMPA, (2) каиновая кислота и (3) NMDA. AMPA- и каиновые рецепторы открывают каналы для катионов Na+, K+ и иногда Ca 2+. Потенциал реверсии этого тока около – 0 м. В. При ПП (-75 м. В) NMDA-рецептор блокирован ионами Mg 2+; при деполяризации блок снимается, и через канал течет Na+/K+/Ca 2+-ток, вызывающий продолжительную деполяризацию. Активация NMDA-рецептора может вызвать продолжительный ток, лежащий в основе долговременной потенциации.

Быстрые ТПСП ГАМК-ТПСП вызываются активацией ГАМКA-рецепторов, которые открывают канал для Cl-. Потенциал реверсии Cl--тока составляет около – 75 м. В. Cl‑‑ток обеспечивает быстрое торможение, например, пирамидных клеток коры и гиппокампа, вызываемое тормозными интернейронами через коллатеральные тормозные пути. ГАМКA- и ГАМКС-рецепторы управляют Cl--проводимостью в дендритах колбочковых и палочковых биполяров сетчатки позвоночных, соответственно. Глициновые ТПСП вызываются активацией глициновых рецепторов, которые, также как ГАМКА(С)-рецепторы, открывают канал для Cl-.

Медленные тормозные эффекты Увеличение К+-проводимости обеспечивается действием многих медиаторов, например, ацетилхолина, норадреналина, серотонина, ГАМК, дофамина, аденозина, соматостатина, энкефалинов. Пирамидные клетки гиппокампа отвечают на (1) серотонин, (2) ГАМК (при участии метаботропных ГАМКВ-рецепторов) и (3) аденозин увеличением К+-проводимости. Функциональное значение увеличения К+проводимости состоит в торможении, в результате которого вероятность генерации ПД в нейроне уменьшается.

Медленные тормозные эффекты Уменьшение Ca 2+-проводимости Ац. Х, норадреналин, серотонин, глутамат и ГАМК (через ауторецепторы) могут уменьшать Ca 2+-ток в пресинаптических мембранах. Уменьшение этого тока рассматривается как отрицательная обратная связь, которая регулирует уровень выделившегося в синаптическую щель медиатора. Поскольку выделение медиатора обеспечивается входом Ca 2+ в аксонную терминаль, уменьшение входящего Ca 2+тока уменьшает количество выделившегося медиатора.

Медленные возбудительные эффекты (уменьшение К+-проводимости) В мембранах нейронов обнаружены потенциал-зависимые К+-токи, которые блокируются рядом медиаторов. Уменьшение IAHP (К+-ток следовой гиперполяризации) показано при действии ряда медиаторов - норадреналина, ацетилхолина, серотонина, гистамина, глютамата. Этот ток регулируется через систему вторичных посредников при участии ц. АМФ и обеспечивает адаптацию частоты спайковых разрядов, т. е. постепенное ее уменьшение до устранения ПД. При уменьшении IAHP адаптация устраняется (ослабевает), что приводит к продолжительной импульсации нейронов в течение всего времени действия стимула. Функциональное значение этого тока состоит в увеличении отношения «сигнал -шум» в ответе нейрона на стимул. Норма

Медленные возбудительные эффекты (уменьшение К+-проводимости) В мембранах нейронов обнаружены потенциал-зависимые К+-токи, которые блокируются рядом медиаторов. Уменьшение IМ и Is (мускарин- и серотонин-зависимые К+-токи) обеспечивается мускариновыми Ац. Х- и серотониновыми рецепторами. Эти токи, также как и IAHP, участвуют в адаптации спайковых разрядов, активируются при деполяризации выше – 65 м. В и, в отличие от IAHP, не проявляются при ПП. Эти токи уменьшаются при активации различных рецепторов, включая серотонинэргические, глутаматэргические, а также некоторые пептидные рецепторы. Норма

Интеграция синаптических эффектов - ВПСП и ТПСП ( «аналоговые» сигналы) суммируются, - результирующий потенциал распространяется по мембране нейрона, - достигает аксонного холмика, - где происходит генерация ПД ( «цифровой» сигнал).