Синапс

Правда ли, что мозг человека работает как компьютер?

Основная статья: Мозг человека

Это не совсем так, ведь мозг человека гораздо мощнее. Компьютер работает последовательно, а мозг человека параллельно. Это связано с тем, что нейроны выполняют одновременно все функции компьютера — запоминание, воспроизведение, хранение.

Одна ячейка памяти компьютера может иметь только одно из двух значений, а мозг устроен гораздо сложнее в этом плане. У нейронов есть так называемые шипики — отростки, которые и отвечают за соединения и получение связей. Это прямой аналог нуля и единицы в ячейке данных памяти компьютера. Один нейрон может иметь более 20 соединений. Это говорит о том, что наш мозг настолько совершенен, что компьютеры не смогут приблизиться к нему по уровню производительности, скорее всего, никогда.

Особенности строения и функционирования электрических синапсов

Электрические синапсы широко распространены в нервной системе беспозвоночных, а у млекопитающих встречаются крайне редко. Вместе с тем электрические синапсы у высших животных широко распространены в сердечной мышце, гладкой мускулатуре, в печени, эпителиальной и железистых тканях.

Ширина синаптической щели в электрических синапсах составляет всего 2-4 нм, что значительно меньше, чем в химических синапсах

Важной особенностью электрических синапсов является наличие между пре- и постсинаптической мембранами своеобразных мостиков, образованных белковыми молекулами, — нексусов. Они представляют собой каналы шириной 1-2 нм (рис

5).

Свойства электрических синапсов

• Быстродействие (значительно превосходит в химических синапсах)
• Слабость следовых эффектов (практически отсутствует суммация последовательных сигналов)
• Высокая надежность передачи возбуждения
• Пластичность
• Одно- и двухсторонность передачи

Рис. 5. Структура электрического синапса. Характерные особенности: узкая (2-4 нм) синаптическая щель и наличие каналов, образованных белковыми молекулами

Благодаря наличию каналов, размеры которых позволяют переходить из клетки в клетку неорганическим ионам и даже небольшим молекулам, электрическое сопротивление такого синапса, получившего название щелевого или высокопроницаемого контакта, оказывается очень низким. Такие условия позволяют пресинаптическому току распространяться на постсинаптическую клетку практически без угасания.

Электрические синапсы обладают рядом специфических функциональных свойств:

• синаптическая задержка практически отсутствует, т.е. интервал между приходом импульса в пресинаптическое окончание и началом постсинаптического потенциала отсутствует;
• в электрических синапсах двустороннее проведение, хотя стереометрические особенности синапса делают проведение в одном направлении более эффективным;
• электрические синапсы, в отличие от химических, могут обеспечить передачу только одного процесса — возбуждения;
• электрические синапсы менее подвержены воздействию различных факторов (фармакологических, термических и т.д.).

Наряду с химическими и электрическими синапсами, у некоторых нейронов имеются так называемые смешанные синапсы. Их главная особенность заключается в том, что электрическая и химическая передача осуществляется параллельно, поскольку щель между пре- и постсинаптической мембранами имеет участки со структурой химического и электрического синапсов.

Синaпс – специализированный контакт между нервными клетками (или нервными и другими возбудимыми клетками), обеспечивающий передачу возбуждения с сохранением его информационной значимости. С помощью синапсов нервные клетки объединяются в нервные сети, которые осуществляют обработку информации. Взаимосвязь между нервной системой и периферическими органами и тканями также осуществляется при помощи синапсов.

Классификация синапсов

По морфологическому принципу синапсы подразделяют на:

нейро-мышечные (аксон нейрона контактирует с мышечной клеткой);

нейро-секреторные (аксон нейрона контактирует с секреторной клеткой);

нейро-нейрональные (аксон нейрона контактирует с другим нейроном):

По способу передачи возбуждения синапсы подразделяют на:

электрические (возбуждение передается при помощи электрического тока);

химические (возбуждение передается при помощи химического вещества):

По физиологическому эффекту синапсы подразделяют на:

возбуждающие (деполяризуют постсинаптическую мембрану и вызывают возбуждение постсинаптической клетки);

тормозные (гиперполяризуют постсинаптическую мембрану и вызывают торможение постсинаптической клетки).

Ультраструктура синапсов

Все синапсы имеют общий план строения (рис. 1).

Конечная часть аксона (синаптическое окончание), подходя к иннервируемой клетке, теряет миелиновую оболочку и образует на конце небольшое утолщение (синаптическую бляшку). Ту часть мембраны аксона, которая контактирует с иннервируемой клеткой, называют пресинаптической мембраной. Синаптическая щель – узкое пространство между пресинаптической мембраной и мембраной иннервируемой клетки, которое является непосредственным продолжением межклеточного пространства. Постсинаптическая мембрана – участок мембраны иннервируемой клетки, контактирующий с пресинаптической мембраной через синаптическую щель.

Рис. 1. Ультраструктура химического и электрического синапса.

Особенности ультраструктуры электрического синапса (см. рис. 1):

Скорость распространения нервных импульсов

В 1830 г. один из крупнейших физиологов XIX века Иоганн Мюллер заявил, что скорость распространения ПД измерить невозможно. По его мнению, поскольку ПД – это электрический импульс, он должен проводиться со скоростью, примерно равной скорости света (3–1010 см/с); учитывая небольшие размеры биологических объектов, даже с помощью лучших инструментов того времени измерить такую скорость было невозможно. Спустя 15 лет один из студентов Мюллера Герман фон Гельмгольц с помощью простого и изящного эксперимента, который легко воспроизвести на студенческом лабораторном практикуме (рис. 6–8), измерил скорость распространения импульсов в нерве лягушки. В своих опытах Гельмгольц раздражал нерв в двух участках, отстоящих друг от друга на 3 см, и измерял время от момента подачи стимула до максимума мышечного сокращения. Предположим, что при раздражении дистального (расположенного ближе к мышцам) участка это время уменьшается на 1 мс. Тогда скорость распространения импульсов V

равна

Эта величина оказалась на семь порядков меньше, чем скорость распространения электрического тока в медном проводнике или в растворе электролита. Отсюда Гельмгольц сделал совершенно правильный вывод, что проведение нервного импульса –это более сложный процесс, чем простое продольное распространение тока в нервном волокне.

Скорость распространения импульсов в различных аксонах варьирует от 120 м/с (в некоторых крупных волокнах) до нескольких сантиметров в секунду (в очень тонких аксонах). Эти различия между скоростью проведения в разных волокнах иллюстрируют табл. 6–1 и рис. 6–9.

Скорость распространения импульса в значительной степени зависит от того, как быстро участок мембраны, расположенный на определенном расстоянии от места подачи стимула, деполяризуется местными токами до порогового уровня. Чем выше постоянная длины волокна, тем дальше могут распространяться эти токи, тем быстрее происходит деполяризация мембраны впереди от места возбуждения и, следовательно, тем выше скорость распространения импульса. Влияние постоянной длины на эту скорость можно продемонстрировать, если поместить аксон в масло или в воздух. При этом на поверхности аксона остается лишь тонкая пленка солевого раствора, и постоянная длины уменьшается из–за увеличения наружного продольного сопротивления [в уравнении (6–2) –r

0]. В этих условиях скорость проведения возбуждения будет ниже чем при погружении аксона в солевой раствор.

Таблица 6–1. Классификация нервных волокон лягушки по их диаметру и скорости проведения возбуждения (Erlanger, Gasser, 1937)

В процессе эволюции живые организмы выработали два способа увеличения постоянной длины аксона и тем самым–скорости распространения импульса. Один из них (типичным примером могут быть гигантские аксоны кальмаров, членистоногих кольчатых червей, костистых рыб) – это увеличение диаметра аксона, т. е. уменьшение внутреннего продольного сопротивления [в уравнении (6–2) – r

i] Подробнее этот вопрос рассмотрен в дополнении 6–2. Гигантские аксоны развились в процессе эволюции у некоторых видов животных для того, чтобы обеспечивать быструю синхронную активацию двигательных рефлексов, например движений мантии у кальмара и рефлекса отдергивания либо избегания у некоторых членистоногих (раков, тараканов) и кольчатых червей (например, земляных).

Нейронные сети

Благодаря синаптическим связям нейроны объединены в функциональные единицы — нейронные сети. Нейронные сети могут быть образованы нейронами, расположенными на небольшом расстоянии.

Такую нейронную сеть называют локальной. Кроме того, в сеть могут быть объединены нейроны, удаленные друг от друга, из разных областей мозга. Самый высокий уровень организации связей нейронов отражает соединение нескольких областей центральной нервной системы.

Такую нервную сеть называют путем, или системой. Различают нисходящие и восходящие пути. По восходящим путям информация передается от нижележащих областей мозга к вышележащим (например, от спинного мозга к коре полушарий большого мозга).

Нисходящие пути связывают кору больших полушарий мозга со спинным мозгом.

Самые сложные сети называются распределительными системами. Они образуются нейронами разных отделов мозга, управляющих поведением, в которых участвует организм как единое целое.

Некоторые нервные сети обеспечивают конвергенцию (схождение) импульсов на ограниченном количестве нейронов. Нервные сети могут быть построены также по типу дивергенции (расхождение). Такие сети обусловливают передачу информации на значительные расстояния.

Кроме того, нервные сети обеспечивают интеграцию (суммирование или обобщение) различного рода информации (рис. 10).

Презентация на тему: » Cинаптическая передача нервного импульса. Место контакта, передачи нервного импульса Передача нервного возбуждения может осуществляться электрически (через.» — Транскрипт:

1

Cинаптическая передача нервного импульса

2

Место контакта, передачи нервного импульса Передача нервного возбуждения может осуществляться электрически (через электрический синапс) или с помощью химического посредника – медиатора (через химический синапс) Синапс – это место контакта между окончанием аксона и мембраной другой нервной или рабочей клетки.

3

Плотность расположения синапсов на нервной клетке 1 –тело нервной клетки 2 – синапсы на дендритах 3 – аксон 4 — дендриты

4

Классификация синапсов По локализации: центральные (головной и спинной мозг) и перифенические. По конечному эффекту: тормозные и возбуждающие По механизму передачи сигнала: электрические, химические, смешанные По природе медиатора: холинергические (медиатор ацетилхолин), адренергические (медиатор норадреналин), ГАМК-ергические (медиатор гамма-аминомасляная кислота) и др.

5

Химический синапс — место передачи нервного импульса Химические синапсы наиболее распространены в ЦНС. В химический синапс входят: синаптический холмик с пресинаптической мембраной, синаптическая щель, постсинаптическая мембрана. Медиатор (посредник) находится в пузырьках нервного окончания.

6

Выделение медиатора 1.ПД вызывает деполяризацию пресинаптической мембраны, что увеличивает вход в пресинаапс ионов кальция. 2.В ответ высвобождаются кванты медиатора. 3. Пройдя через синаптическую щель медиатор взаимодействует с рецептором на постсинаптической мембране. 4. Это сопровождается изменением ионной проводимости постсинаптической мембраны. 5. Если повышается проницаемость для ионов натрия – возникает деполяризация – возбуждающий синапс. 6. Если повышается проницаемость для калия – возникает гиперполяризация – тормозной синапс

7

Деполяризация постсинаптической мембраны синапса Каждый квант медиатора вызывает развитие миниатюрного потенциала. ПД возникает тогда, когда одновременно или последовательно с короткими промежутками времени выделяется несколько квантов медиатора и достигается критический уровень деполяризации.

9

Свойства химических синапсов 1. Обеспечивают одностороннюю передачу возбуждения 2.Имеется синаптическая задержка (0,2 – 0,5 мс) 3. Обеспечивают как возбуждение, так и торможение 4. Сохраняют следы предшествующей активности (имеет значение для формирования памяти) 5. Чувствительны к изменению температуры

10

Электрический синапс с щелевым контактом Протеиновые комплексы (коннексоны) образуют каналы, которые связывает цитоплазму соседних клеток и при помощи которых возможен обмен низкомолекулярных веществ, прежде всего ионов. Электрические синапсы не имеют временной задержки, обеспечивают двустороннюю передачу возбуждения, обеспечивают только возбуждение, плохо хранят следы предшествующей активности.

11

Виды активности нейронов Фоновая активность Вызванная активность

12

Химические посредники — медиаторы Основные медиаторы: Амины: :ацетилхолин (АХ), норадреналин (НА) или норэпинефрин, Дофамин, серотонин. Аминокислоты: глицин, глутамин, ГАМК – гамма- аминомасляная кислота и др. Пуриновые нуклеотиды – АТФ Нейропептиды: гипоталамические либерины и статины, опиоиды, субстанция Р и др.

13

Ацетилхолин-медиатор Ацетилхолин образуется из холина и ацетилхоэнзима А в цитоплазме окончаний холинергических нервов. Есть два вида холинорецепторов: М — мускариночувствительные (чувствительны к яду гриба мухомора) и Н –никотинчувствительные (к никотину). АХ после выделения разрушается почти мгновенно ферментом холинэстеразой. ЯДЫ: ботулин – блокирует синтез и выход АХ Кураре – блокирует холинорецепторы скелетных мышц ФОС (фосфорорганические соединенияч) блокируют активность холинэстеразы Атропин – блокирует М-холинорецепторы

14

Норадреналин-медиатор Образуется из дофамина. Выделяют несколько видов рецепторов: альфа (α 1, α 2 ) и несколько видов бета. После выделения разрушается ферментом моноаминооксидазой. Яды: резерпин – нарушает синтез НА Пирогаллол – угнетает активность МАО Эфедрин – усиливает выделение НА Обзидан – бета-адреноблокатор Кокаин – угнетение обратного захвапта НА

Строение синапса

Синапс состоит из трех основных элементов:

Пресинаптической мембраны, которая покрывает расширенное нервное окончание, представляющее собой нейросекреторный аппарат. В пресинаптической части находятся пузырьки и митохондрии, обеспечивающие синтез медиатора. Медиаторы депонируются в гранулах (пузырьках).
Постсинаптической мембраны – это утолщенная часть мембраны клетки, с которой контактирует пресинаптическая мембрана. Она имеет ионные каналы и способна к генерации потенциала действия. Кроме того, на ней расположены специальные белковые структуры — рецепторы, воспринимающие действие медиаторов.
Синаптической щели, она представляет собой пространство между пресинаптической и постсинаптической мембранами, заполненное жидкостью, близкой по составу к плазме крови.

Вот так строение синапса выглядит на рисунке.

Возможная роль в шизофрении

Было высказано предположение, что синаптическая обрезка играет роль в патологии нарушений развития нервной системы, таких как шизофрения , а также в расстройстве аутистического спектра .

Микроглия участвует в сокращении синапсов, поскольку они играют роль как в иммунном ответе в виде макрофагов, так и в поддержании нейронов и синаптической пластичности в ЦНС во время внутриутробного развития, раннего постнатального развития и подросткового возраста, когда они поглощают ненужные или избыточные синапсы. через фагоцитоз . Поглощение и захват синапсов микроглией, как было определено, повышено в изолированных синаптосомах пациентов мужского пола с шизофренией по сравнению со здоровым контролем, что указывает на усиление индуцированного микроглией синаптического отсечения у этих людей. Опосредованная микроглией синаптическая обрезка также активируется в позднем подростковом и раннем взрослом возрасте, что также может объяснять возраст начала шизофрении, о котором часто сообщают примерно в это время развития (от позднего подросткового возраста до начала 20-летнего возраста для мужчин и среднего возраста). до 20 лет для женщин). Было обнаружено, что лекарственный препарат миноциклин, полусинтетический проникающий в мозг тетрациклиновый антибиотик, в некоторой степени обращает вспять эти изменения, внесенные в синаптосомы пациента, путем подавления синаптической отсечения.

Гены в локусе компонента 4 комплемента (C4) главного комплекса гистосовместимости (MHC), которые кодируют факторы комплемента , также были связаны с риском шизофрении посредством исследований сцепления генов . Тот факт, что некоторые из этих факторов комплемента участвуют в передаче сигналов во время синаптической обрезки, также, по-видимому, предполагает, что риск шизофрении может быть связан с синаптической обрезкой. В частности, было обнаружено, что факторы комплемента C1q и C3 играют роль в опосредованном микроглией синаптическом сокращении. Носители вариантов риска C4 также были связаны с этим типом переполнения синапсов в микроглии. Предлагаемый механизм этого взаимодействия заключается в увеличении отложения фактора комплемента C3 на синаптосомы как следствие повышенной экспрессии C4A у этих носителей варианта риска.

Структурные основы обучаемости и памяти.

Каждый вид памяти (сенсорная, кратковременная и долговременная) с функциональной точки зрения обеспечивается мозговыми процессами разной сложности и механизмами, связанными с деятельностью различных систем мозга, которые в свою очередь связаны как структурно, так и функционально. Память выступает то как динамическая функция, развивающаяся во времени, то как сложно организованная материальная структура, локализованная в пространстве мозга. Характеристика функциональных систем («функциональных органов», по A.A. Ухтомскому), складывающихся из различных мозговых образований в процессе фиксации энграммы, реализации функции памяти, и составляет структурно-функциональную основу памяти и обучения.

Выявление топографии систем, реализующих энграмму, связано с большими трудностями из-за динамизма и широкой распределенности. Формирование энграммы есть сложная динамическая структура, в которой участвует обширный круг мозговых образований, но каждое из них играет особую роль в реализации тех или иных видов нервной деятельности, осуществляя свой временной и функциональный вклад . Предполагается, что в процессе обучения в корково-подкорковых структурах формируется модель пространственного распределения совозбужденных структур и при включении пускового стимула (условного, обстановочного, мотивационного, словесного и др.) воспроизводится энграмма совозбужденных пунктов, определяющая конечный специфический результат условнорефлекторной деятельности.

Энергосбережение для воспроизведения и прерывистых различий

Одна из теорий, объясняющих, почему многие мозги синаптически обрезаются, когда человек или другой примат вырастает, заключается в том, что для поддержания синапсов потребляются питательные вещества, которые могут потребоваться в других частях тела во время роста и полового созревания. Эта теория не предполагает психической функции синаптического отсечения. Эмпирическое наблюдение о том, что человеческий мозг делится на две отдельные категории: одна, которая снижает синаптическую плотность примерно на 41% во время взросления, и другая синаптически неотеническая форма, при которой наблюдается очень незначительное или полное отсутствие снижения синаптической плотности, но между ними нет континуума, объяснимо. Согласно этой теории, как адаптация к физиологии с различными потребностями в питании, при которых один тип должен высвободить питательные вещества для достижения полового созревания, в то время как другой может созревать половым путем за счет других перенаправлений питательных веществ, которые не связаны с уменьшением потребления питательных веществ мозгом. Ссылаясь на то, что большая часть затрат на питательные вещества в мозге приходится на поддержание клеток мозга и их синапсов, а не на саму активацию, эта теория объясняет наблюдение, что некоторые мозги, по-видимому, продолжают сокращаться спустя годы после полового созревания в результате того, что некоторые мозги имеют больше надежные синапсы, что позволяет им годами пренебрегать, прежде чем синаптические шипы окончательно распадутся. Другая гипотеза, которая может объяснить прерывность, — это гипотеза ограниченного функционального генетического пространства, ограниченного тем фактом, что большая часть генома человека нуждается в отсутствии функций, специфичных для последовательности, чтобы избежать слишком большого количества вредных мутаций, предсказывая, что эволюция происходит за счет нескольких мутаций, происходящих с имеют большие эффекты, в то время как большинство мутаций вообще не имеют никаких эффектов.

​​Роль нейронов в работе памяти

Физиологической основой памяти являются «следы» ранее бывших нервных процессов, сохраняющихся в мозге. Любой вызванный внешним раздражением нервный процесс (например, передача изображения какого-то рисунка в мозг), не проходит для нервной ткани бесследно, а оставляет в ней как бы «след» в виде определенных функциональных изменений. Таким образом, при восприятии определенной информации, между некоторыми группами нейронов образуется связь, которая и кодирует эту инфорамцию. И чем чаще данная информация поступает в мозг, тем чаще нервный импульс проходит по связи и тем больше связь «закрепляется».

Когда мы увидим, например, рисунок еще раз, то нервный импульс пройдет по знакомому пути и связь между определенными нейронами станет еще сильнее и так далее.

Согласно последним исследованиям, материальным носителем информации о разных событиях является не возбуждение разных нейронов, а различные комплексы нейронных сетей, которые и образуются в момент восприятия информации.

Ниже запись эксперимента на эту тему: здесь нейроны образуют между собой новые связи прямо в пробирке.