Введение

Структура, соединяющая нейроны в нервной системе синапсы нервной системы В нервной системе синапса - это структура, которая позволяет нейрону (или нервной клетке) передавать электрический или химический сигнал другому нейрону или целевой эффекторной клетке. Синапсы необходимы для передачи нервных импульсов от одного нейрона к другому. Нейроны специализируются на передаче сигналов отдельным клеткам-мишеням, а синапсы являются средством, с помощью которого они это делают. При синапсе плазменная мембрана передающего сигнал нейрона (пресинаптический нейрон) вступает в близкое положение с мембраной целевой (постиннаптической) клетки. Как пресинаптические, так и постсинаптические участки содержат обширные массивы молекулярных механизмов, которые связывают две мембраны вместе и осуществляют процесс передачи сигналов. Во многих синапсах пресинаптическая часть расположена на аксоне, а постсинаптическая часть расположена на дендрите или соме. Астроциты также обмениваются информацией с синаптическими нейронами, реагируя на синаптическую активность и, в свою очередь, регулируя нейротрансмиссию. Синапсы (по крайней мере, химические синапсы) стабилизируются в положении молекулами синаптической адгезии (САМ), выходящими как из пре-синаптического, так и пост-синаптического нейрона и прилипающими друг к другу, где они перекрываются; САМ также могут помочь в генерации и функционировании синапсов. Кроме того, SAM координируют формирование синапсов, причем различные типы работают вместе, чтобы достичь замечательной специфичности синапсов. По сути, SAM функционируют как в возбуждающих, так и в ингибирующих синапсах, вероятно, служа устройствами для передачи сигналов. Слово "синапс" было введено в 1897 году английским нейрофизиологом Чарльзом Шеррингтоном в учебнике физиологии Майкла Фостера. Слово было получено от греческого synapsis (σύναψις), что означает "соединение", которое, в свою очередь, происходит от synaptein (συνάπτειν), от syn (σύν) "вместе" и haptein (πτειν) "скрепить". Однако, хотя синаптический разрыв оставался теоретической конструкцией, и иногда сообщалось о неразрыве между смежными аксоновыми окончаниями и дендритами или клеточными телами, гистологические методы, использующие лучшие световые микроскопы того времени, не могли визуально разрешить их разделение, которое, как известно, составляет около 20 нм. В 1950-х годах потребовался электронный микроскоп, чтобы показать более тонкую структуру синапса с его отдельными, параллельными пре- и постсинаптическими мембранами и процессами, а также щель между ними.

Типы

Химические и электрические синапсы - два способа синаптической передачи. В химическом синапсе электрическая активность в пресинаптическом нейроне преобразуется (через активацию кальциевых каналов с закрытыми напряжением) в выброс химического вещества, называемого нейротрансмиттером, который связывается с рецепторами, расположенными в плазменной мембране постсинаптической клетки. Нейротрансмиттер может инициировать электрический ответ или вторичный канал передачи информации, который может либо возбуждать, либо ингибировать постсинаптический нейрон. Химические синапсы можно классифицировать в соответствии с высвобождаемым нейротрансмиттером: глутаматергические (часто возбуждающие), ГАМК-ергические (часто ингибирующие), холинергические (например, нервно-мышечные соединения позвоночных) и адренергические (выпускающие норэпинефрин). Из-за сложности трансдукции рецепторного сигнала химические синапсы могут оказывать сложное воздействие на постсинаптическую клетку. В электрическом синапсе пресинаптические и постсинаптические клеточные мембраны соединены специальными каналами, называемыми промежуточными стыками, которые способны пропускать электрический ток, вызывая изменения напряжения в пресинаптической клетке, чтобы вызвать изменения напряжения в постсинаптической клетке. Фактически, разрывные стыки облегчают прямой поток электрического тока без необходимости в нейротрансмиттерах, а также небольших молекулах, таких как кальций. Таким образом, главное преимущество электрического синапса заключается в быстрой передаче сигналов от одной клетки к другой. Смешанные химические электрические синапсы - это синаптические участки, которые характеризуются как разрывным стыком, так и высвобождением нейротрансмиттеров. Эта комбинация позволяет сигналу иметь как быстрый компонент (электрический), так и медленный компонент (химический). Формирование нейронных цепей в нервной системе, по-видимому, в значительной степени зависит от важнейших взаимодействий между химическими и электрическими синапсами. Таким образом, эти взаимодействия управляют генерацией синаптической передачи. Соматодендритные, дендросоматические и соматосоматические синапсы. Фактически, аксон может синаптически соединяться с дендритом, клеточным телом или другим аксоном или терминалом аксона, а также в кровоток или диффузно в соседнюю нервную ткань.

Преобразование химических веществ в электрические сигналы

Нейротрансмиттеры - это крошечные сигнальные молекулы, хранящиеся в мембранно-закрытых синаптических везикулах и высвобождаемые посредством экзоцитоза. Действительно, изменение электрического потенциала в пресинаптической клетке запускает высвобождение этих молекул. Присоединяясь к ионным каналам, невротрансмиттер вызывает электрические изменения в постсинаптической клетке и быстро диффундирует через синаптическую щель. После выпуска нейротрансмиттер быстро выводится, либо поглощается нервным окончанием, которое его произвело, или принимается близлежащими глиальными клетками, или расщепляется специфическими ферментами в синаптической щеле. Многочисленные зависимые от Na+ белки-носители нейротрансмиттеров перерабатывают нейротрансмиттеры и позволяют клеткам поддерживать быстрые темпы высвобождения. В химических синапсах ионные каналы с трансляторными воротами играют жизненно важную роль в быстром преобразовании внеклеточных химических импульсов в электрические сигналы. Эти каналы расположены в плазменной мембране постсинаптической клетки в области синапса, и они временно открываются в ответ на связывание молекулы нейротрансмиттера, вызывая мгновенное изменение проницаемости мембраны. Кроме того, каналы с закрытыми передатчиками относительно менее чувствительны к потенциалу мембраны, чем каналы с закрытыми напряжениями, поэтому они не могут генерировать самоусиливающее возбуждение самостоятельно. Однако они приводят к постепенным изменениям потенциала мембраны из-за местной проницаемости, на которую влияет количество и продолжительность выпуска нейротрансмиттера в синапсе.

Синаптическая поляризация

Функция нейронов зависит от полярности клеток. Отличительная структура нервных клеток позволяет потенциалам действия перемещаться направленно (от дендритов к телу клетки вниз по аксону), а затем эти сигналы принимаются и переносятся постсинаптическими нейронами или принимаются эффекторными клетками. Нервные клетки уже давно используются в качестве моделей клеточной поляризации, и особенно интересны механизмы, лежащие в основе поляризованной локализации синаптических молекул. Сигнализация PIP2, регулируемая IMPазой, играет важную роль в синаптической полярности. Фосфоинозиты (PIP, PIP2 и PIP3) - это молекулы, которые, как было показано, влияют на полярность нейронов. В Caenorhabditis elegans был идентифицирован ген (ttx 7), кодирующий миоинозитолмонофосфатазу (IMPase), фермент, который производит инозитол путем дефосфорилирования инозитолфосфата. Организмы с мутантными генами ttx 7 продемонстрировали поведенческие и локализационные дефекты, которые были спасены экспрессией IMPase. Это привело к выводу, что IMPase необходим для правильной локализации компонентов синаптического белка. Ген egl 8 кодирует гомолог фосфолипазы Cβ (PLCβ), фермента, который расщепляет PIP2. Когда у мутантов ttx 7 также был мутантный ген egl 8, дефекты, вызванные дефектным геном ttx 7, были в значительной степени обращены вспять. Эти результаты свидетельствуют о том, что сигнализация PIP2 устанавливает поляризованную локализацию синаптических компонентов в живых нейронах.

Влияние лекарственных средств на лигандо-открытые ионные каналы

Наркотики давно считаются важнейшими целями для ионных каналов с закрытыми шлюзами. Большинство лекарств, используемых для лечения шизофрении, тревоги, депрессии и бессонницы, действуют на химические синапсы, и многие из этих лекарственных средств функционируют путем связывания с трансляторами закрытых каналов. Например, некоторые лекарства, такие как барбитураты и транквилизаторы, связываются с рецепторами ГАМК и усиливают ингибирующее действие нейротрансмиттера ГАМК. Таким образом, снижение концентрации ГАМК позволяет открыть каналы Кл. Кроме того, психоактивные препараты могут потенциально нацеливаться на многие другие компоненты синаптического сигнального механизма. Фактически, многочисленные нейротрансмиттеры высвобождаются носителями, управляемыми Na+, и впоследствии удаляются из синаптической щели. Ингибируя такие носители, синаптическая передача усиливается, поскольку действие передатчика продлевается. Например, Прозак - один из антидепрессантов, который действует, препятствуя абсорбции серотонина, нейротрансмиттера. Кроме того, другие антидепрессанты действуют путем ингибирования реабсорбции серотонина и норэпинефрина.

Биогенез

В нервных окончаниях синаптические пузырьки быстро образуются, чтобы компенсировать их быстрое истощение во время высвобождения нейротрансмиттеров. Их биогенез включает в себя выделение белков мембраны синаптических везикулов от других клеточных белков и упаковку этих различных белков в везикулы соответствующего размера. Кроме того, он влечет за собой эндоцитоз белков мембраны синаптических везикулов из плазменной мембраны. Синаптопластические и синаптокластические относятся к производству синапсов и устранению синапсов в рамках биохимической сигнальной цепи. Эта терминология связана с протоколом Брэдзена для лечения болезни Альцгеймера, который концептуализирует болезнь Альцгеймера как дисбаланс между этими процессами. По состоянию на октябрь 2023 года исследования, касающиеся этого протокола, остаются небольшими, и в рамках стандартизированной системы контроля получено мало результатов.

Потенциация и депрессия

Широко распространено мнение, что синапсы играют ключевую роль в формировании памяти. Формирование синаптических связей в значительной степени зависит от зависимой от активности синаптической пластичности, наблюдаемой в различных синаптических путях. Действительно, связь между формированием памяти и изменениями в синаптической эффективности позволяет усиливать нейронные взаимодействия между нейронами. Поскольку нейротрансмиттеры активируют рецепторы через синаптическую щель, связь между двумя нейронами укрепляется, когда оба нейрона активны одновременно, в результате сигнальных механизмов рецептора. Считается, что сила двух связанных нейронных путей способствует хранению информации, что приводит к памяти. Этот процесс усиления синаптических связей известен как долгосрочная потенцияция (LTP). Изменяя высвобождение нейротрансмиттеров, пластичность синапсов может контролироваться в пресинаптической клетке. Постсинаптическая клетка может регулироваться путем изменения функции и количества ее рецепторов. Изменения в постсинаптической сигнализации чаще всего связаны с N метил-d аспарагиновой кислотой (NMDAR) зависимой от LTP и долгосрочной депрессии (LTD) из-за притока кальция в постсинаптическую клетку, которые являются наиболее анализируемыми формами пластичности в возбуждающих синапсах.

Механизм протеинкиназы

Кроме того, Ca2+/calmodulin (CaM) зависимая белковая киназа II (CaMKII) наиболее хорошо известна своей ролью в мозге, особенно в неокортексе и гиппокампальных областях, поскольку она служит вездесущим медиатором клеточных сигналов Ca2+. CaMKII в изобилии присутствует в нервной системе, в основном концентрируется в синапсах в нервных клетках. Действительно, CaMKII был определенно идентифицирован как ключевой регулятор когнитивных процессов, таких как обучение, и нейронная пластичность. Было продемонстрировано первое конкретное экспериментальное доказательство долго предполагаемой функции CaMKII в хранении памяти. В то время как связывание Ca2+/CaM стимулирует активность CaMKII, независимая от Ca2+ автономная активность CaMKII также может быть произведена рядом других процессов. CaMKII активизируется путем аутофосфорилирования при связывании Ca2+/кальмодулина. CaMKII все еще активен и фосфорилируется даже после расщепления Ca2+; в результате мозг хранит долгосрочные воспоминания, используя этот механизм. Тем не менее, когда фермент CaMKII дефосфорилируется ферментом фосфатазы, он становится неактивным, и воспоминания теряются. Таким образом, CaMKII играет жизненно важную роль как в индукции, так и в поддержании LTP.

Синапсы и болезни

Синапсы функционируют как ансамбли в определенных сетях мозга, чтобы контролировать количество нейронной активности, которая необходима для памяти, обучения и поведения. Следовательно, нарушения синаптического взаимодействия могут иметь негативные последствия. Фактически, изменения в клеточных молекулярных системах или изменения в биохимических процессах окружающей среды могут привести к синаптической дисфункции. Синапс является основным элементом передачи информации в нервной системе, и правильное создание синаптических контактов во время развития имеет важное значение для нормальной работы мозга. Кроме того, несколько мутаций были связаны с нарушениями нейроразвития, и эта нарушенная функция в разных местах синапсов является отличительной чертой нейродегенеративных заболеваний. Синаптические дефекты причинно-следственно связаны с ранними появлениями неврологических заболеваний, включая расстройства аутистического спектра (АСП), шизофрению (ССЗ) и биполярное расстройство (БП). С другой стороны, при поздних дегенеративных патологиях, таких как болезнь Альцгеймера (АД), болезнь Паркинсона (ПД) и болезнь Хантингтона (ВД), считается, что синаптопатия является неизбежным конечным результатом продолжающегося патофизиологического каскада. Эти заболевания характеризуются постепенной потерей когнитивных и поведенческих функций и устойчивой потерей мозговой ткани. Кроме того, эти ухудшения в основном связаны с постепенным накоплением белковых агрегатов в нейронах, состав которых может варьироваться в зависимости от патологии; все они оказывают одинаково пагубное воздействие на целостность нейронов. Кроме того, высокое количество мутаций, связанных с синаптической структурой и функцией, а также дендритными изменениями позвоночника в послесмертной ткани, привело к ассоциации между синаптическими дефектами и расстройствами нейроразвития, такими как РАС и СКЗ, характеризующимися ненормальными поведенческими или когнитивными фенотипами. Тем не менее, из-за ограниченного доступа к тканям человека на поздних стадиях и отсутствия тщательной оценки основных компонентов заболеваний человека в доступных экспериментальных моделях на животных, было трудно полностью понять происхождение и роль синаптической дисфункции в неврологических расстройствах.