Wewnątrz sinapsy:-vesy, receptorzy i EPSP/IPSP

Od impulsu elektrycznego do chemicznego komunikatu

Neuron komunikuje się z kolejnym komórką przez sinapsę — cienkim przepustnikiem, synapticzne pole, około 20 nanometrów szerokie, przez które nie może przechodzić bezpośrednio prąd. Gdy potencjał akcyzyjny — krótki impuls napięcia, który propaguje się po axonie, a w którym jest albo całe albo nic — dotrze do końcowka axonu, depolarizuje membranę końcowka i otwiera kanały jonowe zależne od potencjału. Wynikający przepływ Ca²⁺ to sygnał, który konwertuje sygnał elektryczny na chemiczny.

Ten przepływ jonów kalika spowoduje fuzję sinapsowych zwojów — małych saczek opakowanych membraną, wypełnionych neurotransmiterem i dockowanych do membrany presynaptycznej — z membraną i wydzielenie ich zawartości do cewka przez ekocytozę, co zajmuje około pół milisekundy od sygnału spowodowanego jonami kalika. Neurotransmiter następnie rozprzestrzeni się krótkim dystansem po cewku i skleja się z proteiny receptorów na membrance postsynaptycznej, gdzie komunikat ponownie staje się elektryczny.

Dwa mechanizmy receptorów, dwa skaleny czasu

Receptorzy ionotropowe są sami w sobie kanałami jonowymi otwieranymi na komendę: połączenie się neurotransmiterów bezpośrednio otwiera kanał, powodując szybką przepływność jonową postysynapsową w okolicy milisekundy i trwającą kilka do kilkudziesięciu milisekund — to ścieżka dla szybkiego, chwilowego przekazywania informacji jak większość podsycających glutamat (receptor AMPA) i inhibujących GABA (receptor GABA-A). Receptorzy metabotropowe nie tworzą sami kanałów jonowych; połączenie się z neurotransmiterem aktywuje szereg ścieżek sygnałowych wewnątrzkomórkowych, które mogą otworzyć osobne kanały jonowe indyktycznie lub zmieniać metabolizm komórki, co zajmuje znacznie dłuższy skalen czas od setek milisekund do sekund lub nawet dłużej — to ścieżka podstawia się neuromodulacji, przekazywaniu informacji związanej z nastrojem i długotrwałym zmianom w podsycalności komórki, a nie szybkim przekazywaniu momenta informacji.

EPSP i IPSP: naciskanie ku prógowi lub od niego oddalanie

Czy dana sinapsa będzie excitacyjna czy inhibicja zależy od tego, które kanały jonowe otwierają się, a nie od neurotransmiteru w absolutnym sensie — taki sam neurotransmiter może w teorii wywoływać różne efekty na różnych typach receptorów. Przyrost potencjału membranowego excitacyjny (EPSP) otwiera kanały (zazwyczaj dla Na⁺ i/lub Ca²⁺), które pozwalają na przepływ ładunku dodatniego do komórki postsynapticznej, depolaryzując ją — podnosząc jej potencjał membranowy ku próg potrzebny do wywołania własnego potencjału akcyzyjnego. Przyrost potencjału membranowego inhibicjalny (IPSP) otwiera kanały (zazwyczaj dla Cl⁻ lub K⁺), które depolaryzują lub stabilizują membranę, oddalając ją od prógu i sprawiając, że komórka jest trudniejsza do wywołania potencjału akcyzyjnego.

EPSP: neurotransmiter → otwarcie kanałów Na⁺/Ca²⁺ → depolaryzacja → bliższe do prógu IPSP: neurotransmiter → otwarcie kanałów Cl⁻/K⁺ → hiperpolarizacja → dalej od prógu komórka nerwową wywołuje tylko, jeśli: Σ(EPSP) - Σ(IPSP), przeliczona na przestrzeń i czas, przekracza próg Normalnie żadna pojedyncza sinapsa nie wywołuje celu komórkowego indywidualnie — typowa komórka nerwową integruje tysiące jednoczesnych wpływu sinaptycznego pośród swoich dendrytów, a wywołanie zależy od sumowania: EPSP i IPSP dotykające się w czasie (sumowanie czasowe) lub na bliskich miejscach drzewa dendrytanicznego (sumowanie przestrzennym) dodają się do siebie, i komórka wywołuje potencjał akcyzyjny tylko wtedy, gdy ich netto, pomiarowe w obszarze spustu akcyzyjnego na włóknie akcyzyjnym, przekracza próg wywoływania. Jeden silny IPSP dotykający odpowiedniego momentu może zdecydować przeciwko wielu jednoczesnym EPSP, co dokładnie jak to, jak sieci inhibicjalne kształtują i regulują przepływ informacji w rzeczywistych siatkach neuronowych.

EPSP:  neurotransmitter → Na+/Ca2+ channels open → depolarisation  → closer to threshold
IPSP:  neurotransmitter → Cl-/K+ channels open   → hyperpolarisation → further from threshold
neuron fires only if:  Σ(EPSPs) - Σ(IPSPs), summed over space & time, exceeds threshold

Oczywistość sygnału: dlaczego sinapsy nie pozostają w stanie 'aktywnym'

Aby sinapsa była przydatna do szybkiego, powtarzającego się komunikowania się, neurotransmiter musi być szybko usuwany z przestrzeni międzyneuronowej po wydzielaniu — w przeciwnym razie odbiorcy by pozostawały aktywne i komórka postsynapsyczna nie mogłaby wykryć kolejnego, oddzielnego sygnału. Usuwanie następuje poprzez reuptakcję (proteiny transportowe na terminalu presynaptycznym lub bliskich komórkach glialnych pomagają przewidzieć neurotransmiter z przestrzeni międzyneuronowej — mechanizm, w którym SSRIs interferują dla serotoniny), degradację enzymatyczna (klasowy przykład to acetylcholinesteraza rozkładająca acetylcholine na łącznik neuromuskularnym) i proste dyfuzje z przestrzeni międzyneuronowej. Jakie zjawisko dominuje i jak szybko działa decyduje o efektywnym czasie trwania sygnału sinapsy — jest to wybór projektowy tak ważny, jak typ odbiorcy sam w sobie.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Synapse — Neurotransmitter & EPSP/IPSP i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.