В нервной системе синапс [1] представляет собой структуру, которая позволяет нейрону (или нервной клетке) передавать электрический или химический сигнал другому нейрону или целевой эффекторной клетке. Синапсы можно классифицировать как химические или электрические, в зависимости от механизма передачи сигнала между нейронами. В случае электрических синапсов нейроны двунаправленно связаны друг с другом через щелевые контакты и имеют связанную цитоплазматическую среду. [2] [3] [4] Известно, что эти типы синапсов производят синхронную сетевую активность в мозге, [5] но также могут приводить к сложной, хаотичной динамике сетевого уровня. [6] [7] Следовательно, направленность сигнала не всегда может быть определена через электрические синапсы. [8]
Химические синапсы , с другой стороны, общаются посредством нейротрансмиттеров, высвобождаемых из пресинаптического нейрона в синаптическую щель. После высвобождения эти нейротрансмиттеры связываются со специфическими рецепторами на постсинаптической мембране, вызывая электрическую или химическую реакцию в целевом нейроне. Этот механизм позволяет осуществлять более сложную модуляцию нейронной активности по сравнению с электрическими синапсами, внося значительный вклад в пластичность и адаптивную природу нейронных цепей. [9]
Синапсы необходимы для передачи нейронных импульсов от одного нейрона к другому, [10] играя ключевую роль в обеспечении быстрой и прямой связи путем создания цепей. Кроме того, синапс служит узлом, где происходит как передача, так и обработка информации, что делает его жизненно важным средством связи между нейронами. [11]
В синапсе плазматическая мембрана нейрона, передающего сигнал ( пресинаптический нейрон), входит в тесное соприкосновение с мембраной целевой ( постсинаптической ) клетки. Как пресинаптические, так и постсинаптические участки содержат обширные массивы молекулярных механизмов , которые связывают две мембраны вместе и осуществляют процесс сигнализации. Во многих синапсах пресинаптическая часть расположена на окончаниях аксонов , 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 . [ 10] Синапсы (по крайней мере, химические синапсы) стабилизируются в положении с помощью молекул синаптической адгезии (SAM)[1], выступающих как из пре-, так и из постсинаптического нейрона и склеивающихся там, где они перекрываются; SAM также могут помогать в образовании и функционировании синапсов. [12] Более того, SAM координируют формирование синапсов, при этом различные типы работают вместе, достигая замечательной специфичности синапсов. [11] [13] По сути, SAM функционируют как в возбуждающих , так и в тормозных синапсах , вероятно, выступая в качестве посредника для передачи сигнала. [11]
Сантьяго Рамон-и-Кахаль предположил, что нейроны не являются непрерывными по всему телу, но при этом все еще взаимодействуют друг с другом, идея, известная как нейронная доктрина . [14] Слово «синапс» было введено в 1897 году английским нейрофизиологом Чарльзом Шеррингтоном в «Учебнике физиологии» Майкла Фостера . [ 1] Шеррингтон изо всех сил пытался найти хороший термин, который подчеркивал бы связь между двумя отдельными элементами, и фактический термин «синапс» был предложен английским классиком Артуром Вулгаром Верраллом , другом Фостера. [15] [16] Слово произошло от греческого синапсиса ( σύναψις ), что означает «соединение», которое, в свою очередь, происходит от синаптеина ( συνάπτειν ), от син ( σύν ) «вместе» и гаптеина ( ἅπτειν ) «скреплять». [15] [17]
Однако, пока синаптическая щель оставалась теоретической конструкцией и иногда сообщалась как разрыв между смежными аксональными окончаниями и дендритами или клеточными телами, гистологические методы, использующие лучшие световые микроскопы того времени, не могли визуально разрешить их разделение, которое, как теперь 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. [18] [19] [20]
Химические и электрические синапсы — это два способа синаптической передачи.
Формирование нейронных цепей в нервной системе, по-видимому, в значительной степени зависит от решающих взаимодействий между химическими и электрическими синапсами. Таким образом, эти взаимодействия управляют генерацией синаптической передачи. [22] Синаптическая коммуникация отличается от эфаптической связи , при которой связь между нейронами происходит через непрямые электрические поля. Аутапс — это химический или электрический синапс, который образуется, когда аксон одного нейрона синапсирует на дендриты того же нейрона.
Приток Na+, вызванный возбуждающими нейротрансмиттерами, открывает катионные каналы, деполяризуя постсинаптическую мембрану в направлении порога потенциала действия. Напротив, ингибирующие нейротрансмиттеры вызывают меньшую деполяризацию постсинаптической мембраны, открывая либо каналы Cl-, либо K+, снижая активность. В зависимости от места их высвобождения, рецепторов, с которыми они связываются, и ионных обстоятельств, с которыми они сталкиваются, различные трансмиттеры могут быть либо возбуждающими, либо ингибирующими. Например, ацетилхолин может либо возбуждать, либо ингибировать в зависимости от типа рецепторов, с которыми он связывается. [26] Например, глутамат служит возбуждающим нейротрансмиттером, в отличие от ГАМК, которая действует как ингибирующий нейротрансмиттер. Кроме того, дофамин является нейротрансмиттером, который оказывает двойное действие, проявляя как возбуждающее, так и ингибирующее воздействие посредством связывания с различными рецепторами. [27]
Мембранный потенциал препятствует проникновению Cl- в клетку, даже если его концентрация снаружи намного выше, чем внутри. Обратный потенциал для Cl- во многих нейронах довольно отрицательный, почти равный потенциалу покоя . Открытие каналов Cl- имеет тенденцию буферизировать мембранный потенциал, но этот эффект нейтрализуется, когда мембрана начинает деполяризоваться, позволяя большему количеству отрицательно заряженных ионов Cl- проникать в клетку. Следовательно, становится сложнее деполяризовать мембрану и возбудить клетку, когда каналы Cl- открыты. Аналогичные эффекты возникают при открытии каналов K+. Значимость ингибирующих нейротрансмиттеров очевидна из эффектов токсинов, которые препятствуют их активности. Например, стрихнин связывается с глициновыми рецепторами, блокируя действие глицина и приводя к мышечным спазмам, судорогам и смерти. [26]
Синапсы можно классифицировать по типу клеточных структур, служащих пре- и постсинаптическими компонентами. Подавляющее большинство синапсов в нервной системе млекопитающих являются классическими аксо-дендритными синапсами (аксон, синапсирующий на дендрите), однако существует множество других расположений. Они включают, но не ограничиваются [ необходимо уточнение ] аксо-аксональными , дендро-дендритными , аксо-секреторными, аксо-цилиарными, [28] сомато-дендритными, дендро-соматическими и сомато-соматические синапсы. [ необходима цитата ]
Фактически, аксон может образовывать синапсы с дендритом, с телом клетки или с другим аксоном или окончанием аксона, а также с кровотоком или диффузно в соседнюю нервную ткань.
Нейротрансмиттеры — это крошечные сигнальные молекулы, хранящиеся в синаптических пузырьках, заключенных в мембрану, и высвобождаемые посредством экзоцитоза. Действительно, изменение электрического потенциала в пресинаптической клетке запускает высвобождение этих молекул. Присоединяясь к ионным каналам, управляемым трансмиттером, нейротрансмиттер вызывает электрическое изменение в постсинаптической клетке и быстро диффундирует через синаптическую щель. После высвобождения нейротрансмиттер быстро устраняется, либо поглощаясь нервным окончанием, которое его произвело, либо поглощаясь близлежащими глиальными клетками, либо расщепляясь специфическими ферментами в синаптической щели. Многочисленные Na+-зависимые белки-переносчики нейротрансмиттеров перерабатывают нейротрансмиттеры и позволяют клеткам поддерживать высокие скорости высвобождения.
В химических синапсах ионные каналы, управляемые трансмиттером, играют жизненно важную роль в быстром преобразовании внеклеточных химических импульсов в электрические сигналы. Эти каналы расположены в плазматической мембране постсинаптической клетки в области синапса и временно открываются в ответ на связывание молекулы нейротрансмиттера, вызывая кратковременное изменение проницаемости мембраны. Кроме того, каналы, управляемые трансмиттером, сравнительно менее чувствительны к мембранному потенциалу, чем потенциалзависимые каналы, поэтому они не способны генерировать самоусиливающееся возбуждение самостоятельно. Однако они приводят к градуированным изменениям мембранного потенциала из-за локальной проницаемости, на которую влияет количество и продолжительность высвобождения нейротрансмиттера в синапсе. [26]
Недавно было обнаружено, что для активации нейронов гиппокампа необходимо механическое напряжение — явление, которое никогда не считалось связанным с функцией синапса. [29]
Нейротрансмиттеры связываются с ионотропными рецепторами на постсинаптических нейронах, вызывая их открытие или закрытие. [27] Изменения в количестве нейротрансмиттеров, высвобождаемых из пресинаптических нейронов, могут играть роль в регуляции эффективности синаптической передачи. Фактически, концентрация цитоплазматического кальция участвует в регуляции высвобождения нейротрансмиттеров из пресинаптических нейронов. [30]
Химическая передача включает несколько последовательных процессов:
Функция нейронов зависит от полярности клетки . Отличительная структура нервных клеток позволяет потенциалам действия перемещаться направленно (от дендритов к телу клетки по аксону), а затем эти сигналы принимаются и переносятся постсинаптическими нейронами или принимаются эффекторными клетками. Нервные клетки давно используются в качестве моделей для клеточной поляризации, и особый интерес представляют механизмы, лежащие в основе поляризованной локализации синаптических молекул. Сигнализация PIP2 , регулируемая IMPase, играет неотъемлемую роль в синаптической полярности.
Фосфоинозитиды ( PIP , PIP2 и PIP3 ) — это молекулы, которые, как было показано, влияют на нейронную полярность. [32] Ген ( ttx-7 ) был идентифицирован в Caenorhabditis elegans , который кодирует мио -инозитолмонофосфатазу (ИМФазу), фермент, который производит инозитол путем дефосфорилирования инозитолфосфата . Организмы с мутантными генами ttx-7 демонстрировали поведенческие и локализационные дефекты, которые были устранены экспрессией ИМФазы. Это привело к выводу, что ИМФаза необходима для правильной локализации компонентов синаптического белка. [33] [34] Ген egl-8 кодирует гомолог фосфолипазы C β (PLCβ), фермента, который расщепляет PIP2. Когда мутанты ttx-7 также имели мутантный ген egl-8 , дефекты, вызванные дефектным геном ttx-7, были в значительной степени устранены. Эти результаты предполагают, что сигнализация PIP2 устанавливает поляризованную локализацию синаптических компонентов в живых нейронах. [33]
Модуляция высвобождения нейротрансмиттера рецепторами, сопряженными с G-белком (GPCR), является важным пресинаптическим механизмом регуляции синаптической передачи . Активация GPCR, расположенных в пресинаптическом окончании, может снизить вероятность высвобождения нейротрансмиттера. Эта пресинаптическая депрессия включает активацию G-белков типа Gi/o , которые опосредуют различные ингибирующие механизмы, включая ингибирование потенциалзависимых кальциевых каналов , активацию калиевых каналов и прямое ингибирование процесса слияния везикул .
Эндоканнабиноиды , синтезируемые и высвобождаемые из постсинаптических нейронных элементов и их родственных рецепторов , включая рецептор CB1 (GPCR) , расположенный в пресинаптическом окончании, участвуют в этой модуляции посредством ретроградного сигнального процесса, в котором эти соединения синтезируются и высвобождаются из постсинаптических нейронных элементов и возвращаются в пресинаптическое окончание, чтобы воздействовать на рецептор CB1 для кратковременной или долгосрочной синаптической депрессии, которая вызывает кратковременное или длительное снижение высвобождения нейротрансмиттера. [35]
Лекарства долгое время считались важнейшими целями для трансмиттер-зависимых ионных каналов. Большинство лекарств, используемых для лечения шизофрении, тревожности, депрессии и бессонницы, работают в химических синапсах, и многие из этих фармацевтических препаратов функционируют, связываясь с трансмиттер-зависимыми каналами. Например, некоторые лекарства, такие как барбитураты и транквилизаторы, связываются с рецепторами ГАМК и усиливают ингибирующий эффект нейротрансмиттера ГАМК. Таким образом, снижение концентрации ГАМК позволяет открывать каналы Cl-.
Кроме того, психоактивные препараты потенциально могут воздействовать на многие другие компоненты синаптической сигнальной системы. Высвобождение нейротрансмиттеров — сложный процесс, включающий различные типы транспортеров и механизмов удаления нейротрансмиттеров из синаптической щели. Хотя Na+-управляемые переносчики играют свою роль, другие механизмы также задействованы в зависимости от конкретной нейротрансмиттерной системы. [36] Ингибирование транспортеров нейротрансмиттеров может изменить синаптическую передачу, но эффект может варьироваться в зависимости от конкретного транспортера, нейротрансмиттера и других факторов. В некоторых случаях ингибирование может усилить передачу, в то время как в других — ослабить или нарушить ее. [37] Например, Прозак — это антидепрессант, который действует, предотвращая всасывание нейротрансмиттера серотонина. Кроме того, другие антидепрессанты действуют, ингибируя реабсорбцию как серотонина, так и норадреналина. [26]
В нервных окончаниях синаптические везикулы быстро производятся, чтобы компенсировать их быстрое истощение во время высвобождения нейротрансмиттера. Их биогенез включает в себя отделение белков мембраны синаптических везикул от других клеточных белков и упаковку этих отдельных белков в везикулы соответствующего размера. Кроме того, это влечет за собой эндоцитоз белков мембраны синаптических везикул от плазматической мембраны. [38]
Синаптобластический и синаптокластический относятся к синапсообразующим и синапсоудаляющим действиям в биохимической сигнальной цепи. Эта терминология связана с протоколом Бредесена 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 структуры контроля получено мало результатов.
Широко признано, что синапс играет ключевую роль в формировании памяти . [39] Стабильность долговременной памяти может сохраняться в течение многих лет; тем не менее, синапсы, неврологическая основа памяти, очень динамичны. [40] Формирование синаптических связей в значительной степени зависит от синаптической пластичности, зависящей от активности, 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 усиливается, когда оба нейрона активны одновременно, в результате сигнальных механизмов рецептора. Формирование памяти включает в себя сложные взаимодействия между нейронными путями, включая усиление и ослабление синаптических связей, которые способствуют хранению информации. [41] Этот процесс синаптического усиления известен как долговременная потенциация (LTP) . [39]
Изменяя высвобождение нейротрансмиттеров, можно контролировать пластичность синапсов в пресинаптической клетке. Постсинаптическую клетку можно регулировать, изменяя функцию и количество ее рецепторов. Изменения в постсинаптической сигнализации чаще всего связаны с зависимой от рецептора N-метил-d-аспарагиновой кислоты (NMDAR) LTP и длительной депрессией (LTD) из-за притока кальция в постсинаптическую клетку, которые являются наиболее анализируемыми формами пластичности в возбуждающих синапсах. [42]
Более того, Ca2+/кальмодулин (CaM)-зависимая протеинкиназа II (CaMKII) лучше всего известна по ее роли в мозге, особенно в неокортексе и гиппокампе, поскольку она служит вездесущим медиатором клеточных сигналов Ca2+. CaMKII в изобилии присутствует в нервной системе, в основном концентрируясь в синапсах нервных клеток. Действительно, CaMKII был окончательно идентифицирован как ключевой регулятор когнитивных процессов, таких как обучение и нейронная пластичность. Было продемонстрировано первое конкретное экспериментальное доказательство давно предполагаемой функции CaMKII в хранении памяти
В то время как связывание Ca2+/CaM стимулирует активность CaMKII, Ca2+-независимая автономная активность CaMKII может также быть вызвана рядом других процессов. CaMKII становится активным путем аутофосфорилирования себя при связывании Ca2+/кальмодулина. CaMKII все еще активен и фосфорилирует себя даже после расщепления Ca2+; в результате мозг сохраняет долгосрочные воспоминания, используя этот механизм. Тем не менее, когда фермент CaMKII дефосфорилируется ферментом фосфатазой, он становится неактивным, и воспоминания теряются. Следовательно, CaMKII играет жизненно важную роль как в индукции, так и в поддержании LTP. [43]
По техническим причинам синаптическая структура и функция исторически изучались на необычно больших модельных синапсах, например:
Синапсы функционируют как ансамбли в определенных мозговых сетях для контроля количества нейронной активности, что необходимо для памяти, обучения и поведения. Синаптические нарушения могут привести к различным негативным эффектам, включая нарушение обучения, памяти и когнитивных функций. [45] Фактически, изменения во внутренних молекулярных системах клеток или модификации экологических биохимических процессов могут привести к синаптической дисфункции. Синапс является основной единицей передачи информации в нервной системе, и правильное создание синаптических контактов во время развития необходимо для нормальной работы мозга. Генетические мутации могут нарушать формирование и функционирование синапсов, способствуя развитию нейродегенеративных и нейроразвивающихся расстройств. [46] Однако точная связь между конкретными мутациями и фенотипами заболеваний сложна и требует дальнейшего изучения.
Синаптические дефекты причинно связаны с ранними неврологическими заболеваниями, включая расстройства аутистического спектра (РАС), шизофрению (ШЦ) и биполярное расстройство (БР). Синаптическая дисфункция, или синаптопатия, часто связана с поздними нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона, но точные механизмы, способствующие этому явлению, до конца не изучены. [47] Эти заболевания определяются постепенной потерей когнитивных и поведенческих функций и устойчивой потерей мозговой ткани. Более того, эти ухудшения в основном связаны с постепенным накоплением белковых агрегатов в нейронах, состав которых может варьироваться в зависимости от патологии; все они оказывают одинаковое пагубное воздействие на нейронную целостность. Кроме того, большое количество мутаций, связанных со структурой и функцией синапсов, а также изменения дендритных шипиков в посмертной ткани, привело к связи между синаптическими дефектами и нарушениями развития нервной системы, такими как РАС и шизофрения, характеризующимися аномальными 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 животных, было трудно полностью понять происхождение и роль синаптической дисфункции в неврологических расстройствах. [48]
Слово синапс впервые появилось в 1897 году в седьмом издании «
Учебника физиологии»
Майкла Фостера .