Синапсы - это контакты между нервными клетками, по которым передается возбуждение. Без них невозможна работа нервной системы и мозга. Как устроен синапс? Как в нем передается сигнал от одного нейрона к другому? В этой статье мы разберем строение синапса пошагово - от пресинаптической мембраны до постсинаптической.
Что такое синапс и из каких частей он состоит
Синапс - это область контакта между двумя нервными клетками. Традиционный химический синапс состоит из трех основных частей:
- Пресинаптическая мембрана - часть окончания аксона передающего сигнал нейрона;
- Синаптическая щель - узкий (20-30 нм) промежуток между мембранами;
- Постсинаптическая мембрана - участок мембраны принимающего сигнал нейрона или эффекторной клетки.
Давайте подробнее разберем каждый из этих компонентов.
Типы синапсов: электрические и химические
Существует два основных типа синапсов:
-
Электрические синапсы. В таких синапсах нервный импульс передается напрямую из одной клетки в другую через специальные контакты. Они встречаются редко, чаще в нервных системах беспозвоночных. У млекопитающих преобладают химические синапсы.
-
Химические синапсы. Здесь передача сигнала происходит при помощи химических веществ - медиаторов. Именно этот тип синапсов мы сейчас и рассмотрим более подробно.
Строение химического синапса на рисунке
На рисунке ниже представлено строение типичного химического синапса между двумя нервными клетками - до и после прихода нервного импульса:
Как видно, основные части синапса: пре- и постсинаптические мембраны, синаптическая щель, пузырьки с медиатором. Давайте разберем каждый компонент отдельно.
Пресинаптическая мембрана и ее компоненты
Пресинаптическая мембрана - это часть мембраны нервного окончания, примыкающая к синаптической щели. На ней располагаются потенциал-зависимые Ca2+-каналы, которые открываются при деполяризации мембраны и впускают ионы кальция внутрь клетки. Также здесь находятся синаптические пузырьки - мембранные структуры диаметром 30-100 нм, содержащие медиатор.
Синаптические пузырьки и их содержимое
Ключевым компонентом синаптических пузырьков являются молекулы медиатора - вещества, которое участвует в передаче нервных импульсов. Как правило, это либо ацетилхолин, либо аминокислоты глутамат или ГАМК. Помимо самих медиаторов, в пузырьках содержатся белки-транспортеры, ответственные за поглощение "отработанного" медиатора из синаптической щели.
Когда нервный импульс доходит до окончания аксона, происходит выброс содержимого пузырьков в щель. Этот процесс называется экзоцитозом.
Синаптическая щель между мембранами
Синаптическая щель - это узкий зазор шириной около 20 нм между пре- и постсинаптической мембранами. Через нее медиаторы из пузырьков диффундируют к рецепторам на постсинаптической мембране. В щели также присутствуют структурные белки, которые как бы "скрепляют" мембраны, не давая им слишком сильно расходиться.
Постсинаптическая мембрана и рецепторы
Постсинаптическая мембрана - участок клеточной мембраны принимающего сигнал нейрона, примыкающий к синаптической щели. На ней располагаются рецепторы - белки, с которыми связываются молекулы медиатора.
Различают два типа рецепторов:
- ионотропные - связаны с ионными каналами в мембране;
- метаботропные - запускают передачу сигнала внутри клетки через вторичные посредники.
Активация рецепторов медиатором и дальнейшая передача сигнала вглубь клетки-мишени - очень важный этап работы всего синапса.
Этапы передачи нервного импульса через синапс
Итак, давайте еще раз в двух словах повторим, как происходит передача сигнала через химический синапс рисунок:
- Приход нервного импульса → деполяризация пресинаптической мембраны → открытие Ca2+-каналов → вход ионов Ca2+ в клетку.
- Повышение концентрации Ca2+ в окончании аксона запускает слияние синаптических пузырьков с мембраной (экзоцитоз) и выброс медиатора в щель.
- Медиатор диффундирует к постсинаптической мембране и активирует ее рецепторы.
- Происходит изменение активности постсинаптической клетки: возбуждение или торможение в зависимости от типа медиатора и рецептора.
Теперь давайте более детально поговорим о разных типах медиаторов.
Медиаторы возбуждающих и тормозных синапсов
Основные медиаторы нервной системы млекопитающих:
| Тип медиатора | Название | Действие |
| Возбуждающие | Глутамат | Деполяризует постсинаптическую мембрану, возбуждает клетку |
| Тормозные | ГАМК | Гиперполяризует мембрану, тормозит активность клетки |
После активации рецепторов "отработанный" медиатор удаляется из синаптической щели при помощи специальных механизмов.
Механизмы обратного захвата медиаторов
Существует два основных способа удаления медиатора из синаптической щели:
- Распад ферментами (для ацетилхолина - ацетилхолинэстераза).
- Обратный захват транспортерами на пресинаптической мембране.
Эти процессы нужны, чтобы прекратить действие медиатора на постсинаптическую клетку сразу после прохождения нервного импульса.
Патологии работы синапсов и их лечение
Нарушения в работе синапсов лежат в основе многих неврологических и психических заболеваний. Например:
- Болезнь Альцгеймера - накопление бета-амилоида нарушает высвобождение медиаторов;
- Болезнь Паркинсона - недостаток дофамина из-за гибели нейронов;
- Депрессия - нарушение серотонинергических синапсов.
Для лечения часто используются препараты, которые восполняют нехватку медиаторов или блокируют избыточную активность их рецепторов. Таким образом, понимание работы синапсов помогает разрабатывать новые лекарства.
Значение изучения строения синапсов для медицины
Почему так важно знать тонкости устройства синапсов? Во-первых, это позволяет лучше понять принципы работы нервной системы и механизмы многих заболеваний. А во-вторых, дает возможность целенаправленно воздействовать на синаптическую передачу с помощью лекарств.
Например, блокаторы ГАМК-рецепторов используют как седативные средства, а ингибиторы ацетилхолинэстеразы - для лечения болезни Альцгеймера. Так что знания о синапсах - это ключи к новым методам терапии!м
Открытые вопросы о работе синапсов
Несмотря на многолетние исследования, в работе синапсов остается еще много загадок. Вот лишь некоторые из открытых вопросов:
Как регулируется выброс разных медиаторов из одного нейрона?
Известно, что один нейрон может вырабатывать и выбрасывать в синапс сразу несколько разных медиаторов. Но как именно регулируется их соотношение, пока неясно.
Как происходит долговременная потенциация синапсов?
Этот механизм усиления синаптической связи при многократной стимуляции лежит в основе обучения и памяти. Однако детали процесса до конца не раскрыты.
Почему скорость синаптической передачи так сильно варьирует?
В разных типах синапсов она может отличаться на порядки: от 0,1 мс до 100 мс. От чего зависят эти различия - пока непонятно.
Как меняются синапсы при нейродегенеративных заболеваниях?
При болезнях вроде Альцгеймера и Паркинсона происходит массовая гибель нейронов и синапсов. Но почему они становятся нежизнеспособными - неясно.
Могут ли синапсы восстанавливаться после повреждений?
Ограниченная регенерация синапсов, вероятно, возможна. Но механизмы этого процесса слабо изучены и требуют дальнейших исследований.
Какова роль глиальных клеток в работе синапсов?
Помимо нейронов, важную роль в функционировании синапсов играют глиальные клетки (астроциты, олигодендроциты). Они регулируют концентрацию ионов, уровень нейромедиаторов, воспалительные процессы. Но конкретные механизмы этого взаимодействия по большей части неясны.
Какие факторы запускают синаптогенез?
Этот процесс образования новых синаптических контактов активируется, в частности, при обучении. Известно, что в роли триггеров выступают некоторые белки и нейротрофические факторы. Но полной картины пока нет.
Каковы механизмы синаптической пластичности?
Это удивительное свойство нервной системы - изменять силу синаптических соединений в ответ на активность - лежит в основе обучения и памяти. Однако молекулярные основы такой гибкости синапсов по-прежнему малоизучены.
Какие новые лекарства можно создать на основе знаний о синапсах?
Понимание тонких механизмов работы синапсов открывает новые возможности для разработки препаратов, влияющих на передачу нервных импульсов. Это касается многих заболеваний - от депрессии до болезни Альцгеймера. И здесь еще многое предстоит открыть.
Могут ли синапсы стать основой для нейроинтерфейсов?
Поскольку синапсы лежат в основе передачи информации в нервной системе, возможно, в будущем удастся создать технологии, позволяющие напрямую подключать электронные устройства к мозгу через искусственные синаптические соединения. Это открыло бы новую эру "нейрокомпьютеров". Пока такие разработки в зачаточном состоянии, но потенциал огромен.
Возможно ли моделирование работы синапсов?
Создание математических и компьютерных моделей синаптической передачи необходимо для проверки гипотез о работе синапсов. Уже предпринимаются такие попытки, например, моделирование процессов синаптической пластичности. Но предстоит проделать еще большую работу в этом направлении.
Какие альтернативные гипотезы есть о работе синапсов?
Некоторые данные указывают на возможность существования неизвестных ранее механизмов передачи сигнала в синапсах, альтернативных классическим представлениям. Например, обсуждается гипотеза о наличии пока не идентифицированных электрических синапсов в мозге млекопитающих. Требуются дополнительные экспериментальные исследования для проверки таких идей.
