Всередині Синапсу: Везикули, Рецептори та ЕСП/ІСП

Від електричного імпульсу до хімічної інформації

Нейрон спілкується з наступною клітиною через синапс — вузький простір, синаптичну щілину, завдовжки приблизно 20 нанометрів, який електричний струм не може подолати безпосередньо. Коли досягається потенційне дзеркальне відображення — короткий, або-все-таки сигнал, що передає напругу вниз по аксону — він деполяризує термінальну мембрану та відкриває потенційно-захищені кальцієві канали. Виниклий приплив Ca²⁺ є тригером, який перетворює електричний сигнал на хімічний.

Цей приплив кальцію змушує синаптичні везикули — невеликі мембранно-зв'язані мішки, попередньо завантажені нейротрансмітером та закріплені на пресинаптичній мембрані — зливатися з мембраною та випускати їх вміст у щілину шляхом екзоцитозу, все приблизно протягом півмільсіеконди в часі після тригера кальцію. Нейротрансмітер потім поширюється короткою відстанню через щілину та зв'язується з рецепторними білками, що увінчують постсинаптичну мембрану, де повідомлення стає електричним знову.

Два механізми рецепторів, два часові масштаби

Іонночутливі рецептори самі по собі є рецепторами, що зв’язуються з лігандами та відкривають канали іонів: зв’язування нейротрансферу безпосередньо відкриває канал, створюючи швидкий постсинаптичний струм приблизно за мілісекунду та тривалість від кількох до десятків мілісекунд — це шлях для швидкого, моментного передачі інформації, як більшість екзитаторних глутаматерів (рецептор AMPA) та інгібуючих GABA (рецептор GABA-A). Метаботропні рецептори не утворюють каналів самі по собі; вони активують сигнальний каскад G-білка, який може опосередковано відкривати окремі канали іонів або змінювати метаболізм клітин протягом набагато повільнішого часового масштабу від сотень мілісекунд до секунд або довше — цей шлях лежить в основі нейромодуляції, сигналів, пов’язаних з настроями, та тривалих змін у збудливості клітин, а не швидкого передачі інформації момент за моментом.

EPSP і IPSP: наближаються чи віддаляються від порогу

Чи є ефект певного синапсу збуджуючим чи гальмуючим, залежить від того, який канал іонів відкривається, а не від нейротрансмітера в абсолютних термінах — один й той самий нейротрансмітер може теоретично давати різні ефекти на різних типах рецепторів. Збуджуючий постсинаптичний потенціал (EPSP) відкриває канали (зазвичай для Na⁺ і/або Ca²⁺), які дозволяють позивному заряду входити в постсинаптичну клітину, деполяризуючи її — нахиляючи її мембранний потенціал догори, ближче до порогу, необхідного для генерації власного дії. Гальмуючій постсинаптичний потенціал (IPSP) відкриває канали (зазвичай для Cl⁻ або K⁺), які гіперполяризують або стабілізують мембрану, віддаляючи її від порогу та ускладнюючи клітині генерацію дії.

EPSP: нейротрансмітер → відкриття каналів Na+/Ca2+ → деполяризація → ближче до порогу IPSP: нейротрансмітер → відкриття каналів Cl-/K+ → гіперполяризація → далі від порогу нейрон генерує дію лише тоді, коли: Σ(EPSPs) - Σ(IPSPs), підсумовано в просторі та часі, перевищує поріг. Один синапс зазвичай не генерує дію на свою цільову клітину окремо — типовий нейрон інтегрує тисячі одночасних синаптичних входів у своїх дендритах, а генерація дії залежить від підсумовування: EPSP та IPSP, що прибувають близько один до одного в часі (часове підсумування) або в близьких місцях на дендритному дереві (просторове підсумування), додаються разом, і клітина генерує дію лише тоді, коли їх сума, виміряна біля тригера аксона, перетинає поріг генерації дії. Одинокий сильний IPSP, що прибуває у потрібний момент, може заперечити кілька одночасних EPSP, що є точно тим, як гальмуючі кола генерують та фільтрують інформацію в реальних нейронних мережах.

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

Очищення сигналу: чому синапси не просто залишаються ‘увімкненими’

Для того, щоб синапс був корисним для швидкого та повторного сигналізування, нейротрансмітер повинен бути швидко видалений з щілини після вивільнення — інакше рецептори залишалися б активними, і постсинаптична клітина не змогла б відчути наступний чіткий сигнал. Очищення відбувається шляхом реінгаляції (транспортерні білки на пресинаптичній терміналі або поблизу гліальних клітин повертають нейротрансмітер назад з щілини — механізм, який порушують SSRІ для серотоніну), ферментативного розкладання (ацетилхолінстераза руйнує ацетилхолін у нервно-м’язовій щели є класичним прикладом) та простого дифузії від щілини. Який механізм домінує і наскільки швидко він діє, встановлює ефективну тривалість сигналу цього синапсу — функціональний вибір, який має таку ж важливість, як і тип рецептора.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Synapse — Neurotransmitter & EPSP/IPSP і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.