Возбуждающий синапс - Excitatory synapse

Схема типового Центральная нервная система синапс. Сферы, расположенные в верхнем нейроне, содержат нейротрансмиттеры это слияние с пресинаптическая мембрана и высвободить нейротрансмиттеры в синаптическая щель. Эти нейротрансмиттеры связываются с рецепторами, расположенными на постсинаптическая мембрана нижнего нейрона и, в случае возбуждающего синапса, может привести к деполяризация постсинаптической клетки.

An возбуждающий синапс это синапс в котором потенциал действия в пресинаптический нейрон увеличивает вероятность потенциал действия происходящие в постсинаптической клетке. Нейроны образуют сети, по которым проходят нервные импульсы, каждый нейрон часто устанавливает многочисленные связи с другими клетками. Эти электрические сигналы могут быть возбуждающими или тормозящими, и, если общее количество возбуждающих влияний превышает количество тормозящих влияний, нейрон будет генерировать новый потенциал действия на своем аксональный бугорок, таким образом передавая информацию в еще одну ячейку.^[1]

Это явление известно как возбуждающий постсинаптический потенциал (EPSP). Это может происходить через прямой контакт между ячейками (т. Е. Через щелевые соединения ), как в электрический синапс, но чаще всего происходит через везикулярный релиз нейротрансмиттеры от пресинаптический аксонный терминал в синаптическая щель, как в химический синапс.^[2]

Возбуждающие нейротрансмиттеры, наиболее распространенным из которых является глутамат, а затем перейти через распространение к дендритный позвоночник постсинаптического нейрона и связываются со специфическим трансмембранный рецептор белок, который запускает деполяризация этой ячейки.^[1] Деполяризация, отклонение от нейронного мембранный потенциал покоя к его пороговый потенциал, увеличивает вероятность потенциала действия и обычно возникает с притоком положительно заряженных натрий (Na⁺) ионов в постсинаптическую клетку через ионные каналы активируется связыванием нейротрансмиттера.

Химические против электрических синапсов

Анимация, показывающая функцию химического синапса.

В человеческом мозгу присутствуют два разных типа синапсов: химические и электрические. Химические синапсы, безусловно, наиболее распространены и являются основным игроком, участвующим в возбуждающих синапсах. Электрические синапсы, меньшинство, обеспечивают прямой, пассивный поток электрического тока через специальные межклеточные соединения, называемые щелевыми соединениями.^[3] Эти щелевые соединения позволяют практически мгновенно передавать электрические сигналы через прямой пассивный поток ионов между нейронами (передача может быть двунаправленной). Основная цель электрических синапсов - синхронизировать электрическую активность между популяциями нейронов.^[3] Первый электрический синапс был обнаружен в рак нервная система.^[3]

Химическая синаптическая передача - это передача нейротрансмиттеров или нейропептиды от пресинаптического аксона до постсинаптического дендрита.^[3] В отличие от электрического синапса, химические синапсы разделены пространством, называемым синаптическая щель, обычно измеряемый между 15 и 25 нм. Передача возбуждающего сигнала включает несколько этапов, описанных ниже.

Синаптическая передача

В нейронах, участвующих в химической синаптической передаче, нейротрансмиттеры синтезируются либо в теле нейрональной клетки, либо в пресинаптическом окончании, в зависимости от типа синтезируемого нейромедиатора и расположения ферментов, участвующих в его синтезе. Эти нейротрансмиттеры хранятся в синаптические везикулы которые остаются связанными около мембраны белки под влиянием кальция.
Чтобы запустить процесс химической синаптической передачи, восходящая активность заставляет потенциал действия вторгаться в пресинаптический терминал.
Этот деполяризующий ток достигает пресинаптического терминала, и вызванная им деполяризация мембраны инициирует открытие потенциалзависимые кальциевые каналы присутствует на пресинаптической мембране.
Высокая концентрация кальций в синаптической щели между двумя участвующими нейронами (пресинаптическим и постсинаптическим). Эта разница в концентрации кальция между синаптической щелью и внутренней частью пресинаптического терминала создает сильный градиент концентрации, который направляет кальций в пресинаптический терминал при открытии этих потенциалзависимых кальциевых каналов. Этот приток кальция в пресинаптический терминал необходим для высвобождения нейромедиатора.
Попадая в пресинаптический терминал, кальций связывает белок, называемый синаптотагмин, который расположен на мембране синаптических везикул. Этот белок взаимодействует с другими белками, называемыми SNAREs чтобы вызвать слияние везикул с пресинаптической мембраной. В результате этого слияния везикул нейротрансмиттеры, которые были упакованы в синаптическую везикулу, высвобождаются в синапс, где они диффундируют через синаптическую щель.
Эти нейротрансмиттеры связываются с множеством рецепторов на постсинаптической клеточной мембране. В ответ на связывание нейротрансмиттера эти постсинаптические рецепторы могут претерпевать конформационные изменения, которые могут открывать субъединицу трансмембранного канала либо прямо, либо косвенно через сигнальный путь G-белка. Избирательная проницаемость этих каналов позволяет некоторым ионам перемещаться по своим электрохимическим градиентам, индуцируя ток через постсинаптическую мембрану, который определяет возбуждающую или тормозную реакцию.

^[3]

Ответы постсинаптического нейрона

Когда нейротрансмиттеры достигают постсинаптического нейрона возбуждающего синапса, эти молекулы могут связываться с двумя возможными типами рецепторов, которые сгруппированы в богатой белком части постсинаптического синапса. цитоскелет называется Постсинаптическая плотность (PSD).^[2] Ионотропные рецепторы, которые также называют ионные каналы, управляемые лигандами, содержат трансмембранный домен, который действует как ионный канал и может открываться непосредственно после связывания нейротрансмиттера. Метаботропные рецепторы, которые также называют Рецепторы, связанные с G-белком, воздействуют на ионный канал посредством внутриклеточной передачи сигналов молекулы, называемой G протеин. У каждого из этих каналов есть свой обратный потенциал, E_rev, и каждый рецептор избирательно проницаем для определенных ионов, которые втекают либо в клетку, либо из нее, чтобы довести общий мембранный потенциал до этого обратного потенциала.^[3] Если нейротрансмиттер связывается с рецептором с реверсивным потенциалом, превышающим пороговый потенциал для постсинаптического нейрона, постсинаптическая клетка с большей вероятностью будет генерировать потенциал действия, и возникнет возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП). С другой стороны, если обратный потенциал рецептора, с которым связывается нейромедиатор, ниже, чем пороговый потенциал, тормозящий постсинаптический потенциал произойдет (IPSP).^[4]

Хотя рецепторы в возбуждающем синапсе стремятся приблизить мембранный потенциал к их собственному специфическому E_revвероятность того, что однократная стимуляция возбуждающего синапса повысит мембранный потенциал выше порогового значения и создаст потенциал действия, не очень высока. Следовательно, чтобы достичь порога и создать потенциал действия, постсинаптический нейрон имеет способность суммировать все входящие ВПСП на основе механизма суммирование, которое может происходить во времени и пространстве. Временное суммирование происходит, когда конкретный синапс стимулируется с высокой частотой, что заставляет постсинаптический нейрон суммировать входящие ВПСП и, таким образом, увеличивает вероятность того, что нейрон активирует потенциал действия. Подобным образом постсинаптический нейрон может суммировать EPSP из нескольких синапсов с другими нейронами в процессе, называемом пространственным суммированием.^[3]

Типы возбуждающих нейромедиаторов

Ацетилхолин

Ацетилхолин (ACh) - возбуждающий низкомолекулярный нейромедиатор, участвующий в синаптической передаче в нервно-мышечные соединения контроль над блуждающий нерв и сердечная мышца волокна, а также в скелетных и висцеральных двигательные системы и различные участки центральной нервной системы.^[3] Этот нейротрансмиттер пересекает синаптическую щель и связывается с различными постсинаптическими рецепторами в зависимости от разновидность, но все эти рецепторы деполяризуют постсинаптическую мембрану и, таким образом, классифицируют ACh как возбуждающий нейромедиатор.^[5]

Глутамат

Глутамат представляет собой небольшой аминокислотный нейромедиатор и является основным возбуждающим нейромедиатором почти во всех синапсах центральной нервной системы. Эта молекула связывает несколько постсинаптических рецепторов, включая Рецептор NMDA, Рецептор AMPA, и каинатные рецепторы. Все эти рецепторы катион каналы которые позволяют положительно заряженным ионам, таким как Na⁺, К⁺, а иногда и Ca²⁺ в постсинаптическую клетку, вызывая деполяризацию, которая возбуждает нейрон.^[3]

Катехоламины

В катехоламины, который включает в себя Адреналин, Норэпинефрин, и Дофамин, являются возбуждающим биогенным амином нейромодуляторы которые получены из аминокислоты тирозин и служат возбуждающими нейротрансмиттерами в различных частях центральной нервной системы, а также периферическая нервная система. Адреналин и норэпинефрин, также называемые адреналин и норадреналин, соответственно, связывают ряд рецепторов, связанных с G-белком, которые вызывают их деполяризующие эффекты на постсинаптическую клетку различными способами, включая активацию и инактивацию определенных K⁺ каналы. Адреналин содержится в латеральная тегментальная система, мозговое вещество, гипоталамус, и таламус центральной нервной системы, но их функция до конца не изучена. Норэпинефрин содержится в мозговой ствол и участвует в сне и бодрствовании, питании и внимании. Дофамин связывается с рецепторами, связанными с G-белком, во многих областях мозга, особенно в полосатое тело где он обеспечивает синаптическую передачу, которая лежит в основе координации движений тела.^[3]

Серотонин

Серотонин является возбуждающим нейротрансмиттером, который регулирует сон и бодрствование, и находится в нейронах раф области моста и верхнего ствола головного мозга, которые простираются в передний мозг. Серотонин связывает ряд рецепторов, включая 5-HT₃ рецепторы, которые представляют собой ионные каналы, управляемые лигандами, которые позволяют катионам проходить с целью деполяризации мембранного потенциала постсинаптического нейрона, на котором они находятся.^[3] Уровни активности серотонина ниже нормального были связаны с множеством симптомов, особенно депрессия, поэтому многие антидепрессанты действуют для увеличения активности серотонина.^[6]

Гистамин

Гистамин действует как возбуждающий нейромедиатор, связывая рецепторы, связанные с G-белком, в нейронах гипоталамуса. Эти нейроны проецируются во многие области головного и спинного мозга, позволяя гистамину опосредовать внимание, возбуждение и аллергические реакции.^[3] Из четырех типов гистаминовых рецепторов (H₁ - H₄), H₃ находится в центральной нервной системе и отвечает за регулирование воздействия гистамина на нейротрансмиссию.^[7]

Болезнь

Возбуждающие синапсы играют фундаментальную роль в обработке информации в головном мозге и во всей периферической нервной системе. Обычно расположенные на дендритных шипах или выступах мембран нейронов, на которых сконцентрированы рецепторы глутамата и компоненты постсинаптической плотности, возбуждающие синапсы помогают в электрической передаче нейронных сигналов.^[1] Физическая морфология синапсов имеет решающее значение для понимания их функции, и хорошо документировано, что несоответствующая потеря синаптической стабильности приводит к нарушению нейронных цепей и, как следствие, неврологическим заболеваниям. Хотя существует бесчисленное множество причин для разных нейродегенеративный болезни, такие как генетическая предрасположенность или мутации, нормальный процесс старения, паразитический и популярный причины или употребление наркотиков, многие из них могут быть связаны с дисфункциональной передачей сигналов между самими нейронами, часто в синапсах.^[3]

Эксайтотоксичность

Патофизиология

Поскольку глутамат является наиболее распространенным возбуждающим нейротрансмиттером, участвующим в синаптической нейрональной передаче, из этого следует, что нарушения нормального функционирования этих путей могут иметь серьезные пагубные последствия для нервной системы. Основной источник клеточного стресса связан с глутаминергической гиперстимуляцией постсинаптического нейрона из-за чрезмерной активации рецепторов глутамата (т. Е. NMDA и AMPA рецепторы), процесс, известный как эксайтотоксичность, который впервые был случайно обнаружен Д. Р. Лукасом и Дж. П. Ньюхаусом в 1957 году во время экспериментов на лабораторных мышах, получавших натрий.^[3]

В нормальных условиях уровни внеклеточного глутамата находятся под строгим контролем окружающих нейронов и нейронов. глиальная клетка мембранные транспортеры, повышаясь до концентрации около 1 мМ и быстро снижаясь до уровня покоя.^[8] Эти уровни поддерживаются за счет рециркуляции молекул глутамата в нейронально-глиальном клеточном процессе, известном как процесс глутамат-глутаминовый цикл, в котором глутамат синтезированный от его предшественника глутамин контролируемым образом, чтобы поддерживать адекватную поставку нейромедиатора.^[3] Однако, когда молекулы глутамата в синаптической щели не могут быть разложены или повторно использованы, часто из-за дисфункции цикла глутамат-глутамин, нейрон становится значительно сверхстимулированным, что приводит к пути гибели нейрональных клеток, известному как апоптоз. Апоптоз происходит в первую очередь за счет увеличения внутриклеточной концентрации ионов кальция, которые попадают в цитозоль через активированные рецепторы глутамата и приводят к активации фосфолипазы, эндонуклеазы, протеазы, и, следовательно, апоптотический каскад. Дополнительные источники гибели нейронных клеток, связанные с эксайтотоксичностью, включают уменьшение энергии в митохондрии и повышенные концентрации реактивного кислород и азот виды внутри клетки.^[3]

Уход

Эксайтотоксические механизмы часто участвуют в других состояниях, ведущих к повреждению нейронов, в том числе: гипогликемия, травма, Инсульт, припадки, и многие нейродегенеративные заболевания, и, таким образом, имеют важное значение для лечения заболеваний. Недавние исследования были выполнены, чтобы включить глутамат антагонисты рецепторов и разрушители эксайтотоксического каскада для уменьшения стимуляции постсинаптических нейронов, хотя эти методы лечения все еще активно исследуются.^[9]

Сопутствующие нейродегенеративные заболевания

Болезнь Альцгеймера (БА) - наиболее распространенная форма нейродегенеративного слабоумие, или потеря функции мозга, и впервые была описана немецким психиатром и невропатологом Алоисом Альцгеймером в 1907 году. 9.^[10] Диагноз заболевания часто ставится на основании клинических наблюдений, а также анализа семейного анамнеза и других факторов риска и часто включает такие симптомы, как ухудшение памяти и проблемы с языком, принятием решений, суждениями и личностью.^[11] Первичные неврологические явления, которые приводят к вышеуказанным симптомам, часто связаны с передачей сигналов в возбуждающих синапсах, часто из-за эксайтотоксичности, и происходят из-за наличия амилоидные бляшки и нейрофибриллярные сплетения, а также гибель нейрональных клеток и сокращение синапсов. Основные лекарственные средства, представленные на рынке, связаны с антагонистическим воздействием на рецепторы глутамата (NMDA) в синапсах нейронов и ингибированием активности ацетилхолинэстераза. Это лечение направлено на ограничение апоптоза церебральных нейронов, вызванного различными путями, связанными с эксайтотоксичностью, свободными радикалами и ограничением энергии. Ряд лабораторий в настоящее время сосредоточены на профилактике образования амилоидных бляшек и других симптомов БА, часто с помощью экспериментальных вакцина, хотя эта область исследований все еще находится в зачаточном состоянии.^[10]

Гистологический образец мозга черной субстанции при болезни Паркинсона, показывающий наличие телец Леви и других признаков нейродегенерации.

болезнь Паркинсона (PD) - нейродегенеративное заболевание, возникающее в результате апоптоза дофаминергические нейроны в центральной нервной системе, особенно черная субстанция, а также усиленный ответ на возбуждающий нейромедиатор глутамат (т.е. эксайтотоксичность).^[12] Хотя наиболее очевидные симптомы связаны с моторикой, длительное прогрессирование заболевания может привести к когнитивным и поведенческим проблемам, а также к деменции. Хотя механизм апоптоза в головном мозге не совсем ясен, предположения связывают гибель клеток с аномальным накоплением убиквитинированный белки в клеточной окклюзии, известные как Тела Леви, а также гиперстимуляция нейрональных рецепторов NMDA избыточным глутаматным нейромедиатором по вышеупомянутому пути.^[12] Как и болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона не лечится. Следовательно, помимо изменения образа жизни и хирургического вмешательства, цель фармацевтических препаратов, используемых при лечении пациентов с БП, состоит в том, чтобы контролировать симптомы и, по возможности, ограничивать прогрессирование заболевания. Леводопа (L-ДОПА), наиболее широко используемое лечение БП, в организме преобразуется в дофамин и помогает ослабить эффект снижения дофаминергических нейронов в центральной нервной системе. Другой дофамин агонисты вводили пациентам, чтобы имитировать действие дофамина на возбуждающие синапсы, связывая его рецепторы и вызывая желаемый постсинаптический ответ.^[13]