Возбуждающие синапсы: механизмы и нейротрансмиттеры

Введение

Возбуждающий синапс

Возбуждающий синапс – это синапс, при котором потенциал действия в пресинаптическом нейроне увеличивает вероятность возникновения потенциала действия в постсинаптической клетке. Нейроны формируют сети, по которым распространяются нервные импульсы, и каждый нейрон часто устанавливает многочисленные связи с другими нейронами. Эти электрические сигналы могут быть возбуждающими или тормозными, и если общая сумма возбуждающих влияний превышает сумму тормозных влияний, нейрон генерирует новый потенциал действия в аксонном холмике, тем самым передавая информацию другой клетке. Это явление известно как возбуждающий постсинаптический потенциал (EPSP). Он может возникать при прямом контакте между клетками (то есть через щелевые контакты), как в электрическом синапсе, но чаще всего происходит посредством везикулярного высвобождения нейротрансмиттеров из пресинаптического аксона в синаптическую щель, как в химическом синапсе. Возбуждающие нейротрансмиттеры, наиболее распространенным из которых является глутамат, затем перемещаются посредством диффузии к дендритному шипику постсинаптического нейрона и связываются со специфическим трансмембранным рецепторным белком, который вызывает деполяризацию этой клетки. Щелевые контакты обеспечивают практически мгновенную передачу электрических сигналов посредством прямого пассивного потока ионов между нейронами (передача может быть двунаправленной). Основная функция электрических синапсов – синхронизировать электрическую активность между популяциями нейронов. Хотя рецепторы в возбуждающем синапсе стремятся приблизить мембранный потенциал к своему специфическому уровню равновесия (Erev), вероятность того, что одиночная стимуляция возбуждающего синапса повысит мембранный потенциал выше порога и вызовет потенциал действия, невелика. Поэтому, чтобы достичь порога и сгенерировать потенциал действия, постсинаптический нейрон способен суммировать все входящие EPSP посредством механизма суммации, который может происходить во времени и в пространстве. Временная суммация происходит, когда конкретный синапс стимулируется с высокой частотой, что заставляет постсинаптический нейрон суммировать входящие EPSP и тем самым увеличивает вероятность генерации нейроном потенциала действия. Аналогичным образом постсинаптический нейрон может суммировать EPSP от нескольких синапсов с другими нейронами в процессе, называемом пространственной суммацией.

An excitatory synapse is a synapse in which an action potential in a presynaptic neuron increases the probability of an action potential occurring in a postsynaptic cell. Neurons form networks through which nerve impulses travels, each neuron often making numerous connections with other cells of neurons. These electrical signals may be excitatory or inhibitory, and, if the total of excitatory influences exceeds that of the inhibitory influences, the neuron will generate a new action potential at its axon hillock, thus transmitting the information to yet another cell. This phenomenon is known as an excitatory postsynaptic potential (EPSP). It may occur via direct contact between cells (i. e., via gap junctions), as in an electrical synapse, but most commonly occurs via the vesicular release of neurotransmitters from the presynaptic axon terminal into the synaptic cleft, as in a chemical synapse. The excitatory neurotransmitters, the most common of which is glutamate, then migrate via diffusion to the dendritic spine of the postsynaptic neuron and bind a specific transmembrane receptor protein that triggers the depolarization of that cell. These gap junctions allow for virtually instantaneous transmission of electrical signals through direct passive flow of ions between neurons (transmission can be bidirectional). The main goal of electrical synapses is to synchronize electrical activity among populations of neurons. Although the receptors at an excitatory synapse strive to bring the membrane potential towards their own specific Erev, the probability that the single stimulation of an excitatory synapse will raise the membrane potential past threshold and produce an action potential is not very high. Therefore, in order to achieve threshold and generate an action potential, the postsynaptic neuron has the capacity to add up all of the incoming EPSPs based on the mechanism of summation, which can occur in time and space. Temporal summation occurs when a particular synapse is stimulated at a high frequency, which causes the postsynaptic neuron to sum the incoming EPSPs and thus increases the chance of the neuron firing an action potential. In a similar way, the postsynaptic neuron can sum together EPSPs from multiple synapses with other neurons in a process called spatial summation.

Глютамат

Глютамат — это небольшая аминокислотная молекула-нейротрансмиттер, являющаяся основным возбуждающим нейротрансмиттером почти во всех синапсах центральной нервной системы. Эта молекула связывается с различными постсинаптическими рецепторами, включая NMDA-рецептор, AMPA-рецептор и каинатные рецепторы. Все эти рецепторы представляют собой катионные каналы, которые обеспечивают поступление положительно заряженных ионов, таких как Na+, K+ и иногда Ca2+, в постсинаптическую клетку, вызывая деполяризацию и возбуждение нейрона.

Гистамин

Гистамин действует как возбуждающий нейромедиатор, связываясь с G-белок-связанными рецепторами в нейронах гипоталамуса. Эти нейроны проецируются во многие области мозга и спинного мозга, что позволяет гистамину модулировать внимание, бодрствование и аллергические реакции.

Болезнь

Возбуждающие синапсы играют фундаментальную роль в обработке информации в мозге и во всей периферической нервной системе. Обычно располагаясь на дендритных шипиках или выростах нейронной мембраны, где концентрируются глутаматные рецепторы и компоненты постсинаптической плотности, возбуждающие синапсы способствуют электрической передаче нейронных сигналов. Поддержание этого уровня обеспечивается за счет рециркуляции молекул глутамата в процессе, происходящем в нейронных глиальных клетках и известном как цикл глутамат-глутамин, в котором глутамат синтезируется из своего предшественника глутамина контролируемым образом для обеспечения адекватного запаса нейротрансмиттера.

Связанные нейродегенеративные заболевания

Болезнь Альцгеймера (БА) является наиболее распространенной формой нейродегенеративной деменции, или потери функций мозга, и впервые была описана немецким психиатром и нейропатологом Алоисом Альцгеймером в 1907 году. Диагноз заболевания часто ставится на основании клинических наблюдений, анализа семейного анамнеза и других факторов риска, и обычно включает такие симптомы, как нарушение памяти, проблемы с речью, принятием решений, суждениями и изменения личности. Основные неврологические механизмы, лежащие в основе этих симптомов, часто связаны с передачей сигналов в возбуждающих синапсах, нередко из-за экзитотоксичности, и обусловлены наличием амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков, а также гибелью нейронов и синаптическим прунингом. Основные лекарственные препараты, представленные на рынке, направлены на антагонизацию глутаматных (NMDA) рецепторов в нейронных синапсах и ингибирование активности ацетилхолинэстеразы. Цель этого лечения – ограничить апоптоз церебральных нейронов, вызванный различными путями, связанными с экзитотоксичностью, свободными радикалами и энергетическим истощением. В настоящее время ряд лабораторий сосредоточены на предотвращении образования амилоидных бляшек и других симптомов болезни Альцгеймера, часто посредством использования экспериментальных вакцин, хотя эта область исследований пока находится на ранней стадии. Хотя наиболее очевидные симптомы связаны с двигательными навыками, продолжительное прогрессирование заболевания может приводить к когнитивным и поведенческим нарушениям, а также к деменции. Хотя механизм апоптоза в мозге до конца не ясен, предполагается, что гибель клеток связана с аномальным накоплением убиквитинированных белков в клеточных включениях, известных как тельца Леви, а также с гиперстимуляцией нейронных NMDA-рецепторов избыточным глутаматом через вышеупомянутый путь.