6.1 Synaptic Transmission in a Simple Reflex Circuit
En af de enkleste adfærdsmekanismer, der formidles af centralnervesystemet, er knæ- eller strækrefleksen. Som reaktion på en neurologs hammer til patellasenen sker der en refleksudstrækning af benet. Figur 6.1 illustrerer de neurokredsløb, der styrer denne refleksreaktion. Strækningen af patellasenen strækker ekstensormusklen. Mere specifikt strækker det en gruppe af specifikke receptorer, der er kendt som muskelspindelreceptorer eller blot strækreceptorer.
Figur 6.1
Strækket udløser aktionspotentialer i strækreceptorerne, som derefter forplanter sig over afferente fibre af type 1A, hvis somata er placeret i dorsalrodsganglionen. Processer af disse sensoriske neuroner kommer derefter ind i rygmarven og laver synaptiske forbindelser med to typer celler. For det første dannes der en synaptisk forbindelse med det extensormotoriske neuron, der er placeret i rygmarvens ventralhorn. Som følge af synaptisk aktivering af dette motorneuron udløses aktionspotentialer i motorneuronet og forplanter sig ud i de ventrale rødder, hvor de i sidste ende trænger ind i motoraxonets terminale områder (dvs. det neuromuskulære knudepunkt) og forårsager frigivelse af acetylcholin, depolarisering af muskelcellen, dannelse af et aktionspotentiale i muskelcellen og en efterfølgende kontraktion af musklen.
De sensoriske neuroner skaber også synaptiske forbindelser med en anden type neuron i rygmarven kaldet et interneuron. Interneuroner har fået dette navn, fordi de er placeret mellem en type neuron og en anden type neuron. Det viste interneuron er et inhiberende interneuron. Som følge af dets aktivering gennem den synaptiske transmissionsproces udløses aktionspotentialer i interneuronen. Et aktionspotentiale i det inhiberende neuron fører til frigivelse af et kemisk transmitterstof, der hæmmer bøjemotorneuronet og derved forhindrer, at der opstår en forkert bevægelse. Denne særlige refleks er kendt som den monosynaptiske strækrefleks, fordi denne refleks formidles af et enkelt excitatorisk synaptisk relæ i centralnervesystemet.
6.2 Ioniske mekanismer for EPSPs
Synaptiske potentialer
Figur 6.2
Figuren til højre illustrerer, hvordan det er muligt eksperimentelt at undersøge nogle af komponenterne i den synaptiske transmission i den refleksbane, der medierer strækrefleksen. Normalt aktiveres det sensoriske neuron af et stræk til strækreceptoren, men denne proces kan omgås ved at injicere en depolariserende strøm i det sensoriske neuron. Denne stimulus udløser et aktionspotentiale i det sensoriske neuron, som fører til en ændring i potentialet i det motoriske neuron. Dette potentiale er kendt som et excitatorisk postsynaptisk potentiale (EPSP); excitatorisk, fordi det har en tendens til at depolarisere cellen og derved øge sandsynligheden for at udløse et aktionspotentiale i motorneuronen, og postsynaptisk, fordi det er et potentiale, der registreres på den postsynaptiske side af synapsen.
De ioniske mekanismer for EPSP’et i det spinale motorneuron er i det væsentlige identiske med de ioniske mekanismer for EPSP’et ved det neuromuskulære knudepunkt. Nærmere bestemt diffunderer transmitterstoffet gennem den synaptiske kløft og binder sig til specifikke ionotrope receptorer på den postsynaptiske membran, hvilket fører til en samtidig stigning i natrium- og kaliumpermeabiliteten (se figur 4.10). Mekanismerne for frigivelse er også identiske med dem ved det neuromuskulære knudepunkt. Et aktionspotentiale i den præsynaptiske terminal fører til åbning af spændingsafhængige Ca2+-kanaler, og Ca2+-tilstrømningen medfører, at transmitterstoffet frigives.
6.3 Forskelle mellem EPSP’en ved det skeletale neuromuskulære kryds og EPSP’er i CNS
Der er to grundlæggende forskelle mellem processen for synaptisk transmission ved den sensomotoriske synapse i rygmarven og processen for synaptisk transmission ved det neuromuskulære kryds. For det første er det transmitterstof, der frigives af det sensoriske neuron, ikke ACh, men derimod aminosyren glutamat. Der findes faktisk mange forskellige transmitterstoffer i centralnervesystemet – op til 50 eller flere, og listen vokser hvert år. Heldigvis kan disse 50 eller flere transmitterstoffer praktisk talt inddeles i fire grundlæggende kategorier: acetylcholin, monoaminer, peptider og aminosyrer. For det andet er amplituden af det synaptiske potentiale ved det neuromuskulære knudepunkt på 50 mV i modsætning til amplituden af det synaptiske potentiale i et rygmarvsmotorneuron som følge af et aktionspotentiale i en 1A afferent fiber kun ca. 1 mV.
6.4 Temporal og rumlig summation
Hvis amplituden af det postsynaptiske potentiale kun er 1 mV, hvordan kan et aktionspotentiale i motorneuronet så udløses og refleksen fungere? Bemærk, at et EPSP på 1 mV sandsynligvis ikke er tilstrækkeligt til at drive membranpotentialet i motorneuronet til tærskelværdien for at udløse en spike. Hvis der ikke er nogen spike, vil der ikke ske nogen sammentrækning af musklen. Svaret er, at strækningen af musklen udløser flere aktionspotentialer i mange forskellige strækreceptorer. Jo større strækningen er, jo større er sandsynligheden for, at der aktiveres flere strækreceptorer. Denne proces kaldes rekruttering. Derfor vil flere 1A-afferenter konvergere mod det spinale motorneuron og deltage i dets aktivering. Dette er dog ikke hele svaret. Husk på, at jo større intensiteten af stimulus er, jo større er antallet af aktionspotentialer, der udløses i en sensorisk receptor. Jo større strækningen er, jo større er antallet af aktionspotentialer, der udløses i et enkelt sensorisk neuron, og jo større er antallet af EPSP’er, der produceres i motorneuronet ud fra denne række af aktionspotentialer i den sensoriske celle. De processer, hvorved de mange EPSP’er fra præsynaptiske neuroner summeres over rum og tid, kaldes tidsmæssig og rumlig summation.
Figur 6.3
Temporel summation. Et enkelt aktionspotentiale i sensorisk neuron 1 frembringer et EPSP på 1 mV i motorneuronet. Overvej nu konsekvenserne af at affyre to aktionspotentialer i hurtig rækkefølge (se ovenstående figur). Der udløses to EPSP’er, hvoraf den anden summeres på den faldende flanke af den første. Som følge af to aktionspotentialer opstår der et summeret potentiale med en amplitude på ca. 2 mV. Hvis der var tre præsynaptiske aktionspotentialer, og de opstod hurtigt nok, ville det samlede potentiale være på ca. 3 mV osv. Temporal summation er udelukkende en passiv egenskab ved nerveceller. Der er ikke behov for særlige ioniske ledningsmekanismer for at forklare den. Potentialerne summeres på grund af nervecellemembranens passive egenskaber, navnlig membranernes evne til at lagre ladninger. Membranen lagrer midlertidigt ladningen fra den første PSP, og derefter lægges ladningen fra den anden PSP til den for at skabe et potentiale, der er dobbelt så stort som det første. Denne proces med tidsmæssig summation er i høj grad afhængig af det synaptiske potentiales varighed. Den tidsmæssige summation opstår, når de præsynaptiske aktionspotentialer opstår i hurtig rækkefølge. Tidsrammen er afhængig af membranens passive egenskaber, nærmere bestemt af tidskonstanten.
Spatial summation. Betragt nu et motorisk neuron, der modtager to input. Et aktionspotentiale produceret i sensorisk neuron 1 frembringer et EPSP på 1 mV, og et enkelt aktionspotentiale i sensorisk neuron 2 frembringer også et EPSP på 1 mV. Hvis der samtidig produceres aktionspotentialer i sensorisk neuron 1 og i sensorisk neuron 2, summeres EPSP’erne til et summeret EPSP, der er dobbelt så stort som de individuelle EPSP’er. Den rumlige summation i nerveceller sker på grund af rumkonstanten, dvs. den evne, som en ladning, der produceres i et område af cellen, har til at sprede sig til andre områder af cellen.
6.5 IPSP’er
Hvorvidt en neuron affyres som reaktion på et synaptisk input afhænger af, hvor mange aktionspotentialer der affyres i et hvilket som helst afferent input, samt hvor mange individuelle afferente veje der aktiveres.
Beslutningen om at affyre afhænger også af tilstedeværelsen af hæmmende synaptiske input. Artificielt depolarisering af interneuronen for at initiere et aktionspotentiale producerer en forbigående hyperpolarisering af motorneuronets membranpotentiale (se figur 6.2). Tidsforløbet for denne hyperpolarisering ligner meget det samme som for et EPSP, men det er omvendt fortegn. Det synaptiske potentiale i motorneuronet kaldes et inhibitorisk postsynaptisk potentiale (IPSP), fordi det har en tendens til at flytte membranpotentialet væk fra tærskelværdien og dermed mindske sandsynligheden for, at dette neuron initierer et aktionspotentiale.
6.6 Ioniske mekanismer for IPSP’er
Membranpotentialet i det bøjelige motorneuron er ca. -65 mV, så man kunne forudsige, at IPSP’en ville skyldes en stigning i permeabiliteten eller konduktansen for en ion, hvis ligevægtspotentiale er mere negativt end -65 mV. En mulighed er kalium. Kalium formidler nogle hæmmende synaptiske potentialer i centralnervesystemet, men ikke ved den pågældende synapse mellem et interneuron i rygmarven og et motorisk neuron i rygmarven. Ved denne synapse skyldes IPSP en selektiv stigning i chloridpermeabiliteten. Bemærk, at ligevægtspotentialet for klorid er ca. -70 mV. Den transmitter, der frigives af det spinale interneuron, binder sig til en særlig klasse af ionotrope receptorer, som normalt er lukkede, men som åbner sig og bliver selektivt permeable for kloridioner som følge af transmitterens binding. Som følge af den øgede Cl-permeabilitet bevæger membranpotentialet sig fra sin hvileværdi på -65 mV i retning af Cl-ligevægtspotentialet. (Bemærk, at en nedsættelse af hvilekonduktansen for Na+ i princippet også kunne give en IPSP).
6.7 Transmitterstof fra det rygmarvsinhibitoriske neuron
Hvad med det transmitterstof, der frigives af det inhibitoriske interneuron i rygmarven? Transmittersubstansen er glycin, en aminosyre, der ofte anvendes i centralnervesystemet som en transmitter, der giver hæmmende virkninger. Det er dog ikke den mest almindelige. Den mest almindelige transmitter med hæmmende virkninger er gammaaminosmørsyre (GABA).
6.8 Metabotrope synaptiske reaktioner
Ud over de reaktioner, der formidles af ionotrope receptorer, findes der en helt separat klasse af synaptiske potentialer, der har varigheder med størrelsesordener, der er større end varighederne af de klassiske EPSP’er. Disse er såkaldte langsomme synaptiske potentialer, og de formidles af metabotrope receptorer. Langsomme synaptiske potentialer observeres ikke ved alle postsynaptiske neuroner, men de observeres helt sikkert ved mange. Figuren nedenfor illustrerer en postsynaptisk neuron, som modtager to input. Et aktionspotentiale i neuron 1 frembringer et excitatorisk postsynaptisk potentiale eller EPSP i den postsynaptiske celle, hvis varighed er ca. 20 msec. Neuron 2 kan også frembringe et postsynaptisk potentiale, men dets varighed er mere end tre størrelsesordener længere end det synaptiske potentiale af konventionel type. Mekanismen for disse langsomme synaptiske reaktioner involverer ændringer i cellens metabolisme.
Figur 6.4
Figur 6.5
En mekanisme for et langsomt synaptisk potentiale er vist i illustrationen til venstre (figur 6.5) og i figur 11.11. I modsætning til den ionotrope receptor, for hvilken receptorerne faktisk er en del af kanalkomplekset, er de kanaler, der producerer de langsomme synaptiske potentialer, ikke direkte koblet til transmitterreceptorerne. Receptorerne er snarere adskilt fra kanalen. Disse receptorer er kendt som metabotrope, fordi de indebærer ændringer i cellens stofskifte og generelt ændringer i aktiveringen af specifikke second messenger-systemer. Figuren til venstre illustrerer et eksempel på en type respons, der involverer den cykliske AMP-kaskade. Langsomme PSP’er er i nogle tilfælde medieret af cyklisk AMP, men de er også medieret af andre proteinkinaser. For responset i figur 6.5 aktiverer transmitteren G-proteiner, som fører til øget syntese af cyklisk AMP. Cyklisk AMP fører derefter til aktivering af cyklisk AMP-afhængig kinase (PKA), som fosforylerer et kanalprotein eller en komponent i kanalen og derefter frembringer en konformationsændring i kanalen og en ændring i dens ioniske permeabilitet. I modsætning til en direkte konformationsændring som følge af bindingen af en transmitter til receptorkanalkomplekset (som ses i responser, der formidles af ionotrope receptorer), produceres konformationsændringen ved fosforylering. Den pågældende kanal er en kanal, der er selektivt permeabel for K+ og normalt er åben. Som følge af kanalens fosforylering af PKA lukker kanalen og bliver mindre permeabel for K+. Da det normale hvilepotentiale skyldes en balance mellem Na+ og K+, vil en nedsættelse af K+-ledningskapaciteten favorisere virkningerne af Na+-ledningskapaciteten, og der vil opstå en depolarisering.
Det er interessant at påpege, at aktivering af metabotrope receptorer kan give virkninger, der er meget længerevarende end flere hundrede sekunder. F.eks. kan proteinkinase A diffundere i kernen, hvor den kan fosforylerer proteiner (dvs. transkriptionsfaktorer), der regulerer genekspressionen.
6.9 Typer af synaptisk transmission
Dette kapitel og de to foregående har fokuseret på kemisk synaptisk transmission. Som du har set for kemiske synapser, er der en tydelig cytoplasmatisk diskontinuitet, der adskiller den præsynaptiske og den postsynaptiske membran (fig. 6.6A).
Figur 6.6A
Figur 6.6B
Denne diskontinuitet er kendt som den synaptiske kløft. Den præsynaptiske terminal i kemiske synapser indeholder en høj koncentration af mitokondrier og synaptiske vesikler, og der er en karakteristisk fortykkelse af den postsynaptiske membran. Som følge af en depolarisering eller et aktionspotentiale i den præsynaptiske terminal frigives der kemiske transmitterstoffer fra den præsynaptiske terminal, som diffunderer gennem den synaptiske kløft og binder sig til receptorpladser på den postsynaptiske membran. Dette fører til en permeabilitetsændring, som frembringer det postsynaptiske potentiale. For kemiske synapser er der en forsinkelse (normalt ca. 0.5-1 ms varighed) mellem initieringen af et aktionspotentiale i den præsynaptiske terminal og en potentialændring i den postsynaptiske celle. Den synaptiske forsinkelse skyldes den tid, det tager for transmitteren at blive frigivet, diffundere gennem kløften og binde sig til receptorer på den postsynaptiske membran. Kemisk synaptisk transmission er generelt ensrettet. En potentialeændring i den præsynaptiske celle frigiver transmitter, der frembringer et postsynaptisk potentiale, men en depolarisering i den postsynaptiske celle har ingen virkning i den præsynaptiske celle, fordi der ikke frigives nogen transmitter fra den postsynaptiske celle i det synaptiske område. Den mest fremherskende synapsetype er den kemiske synapse, og derfor har de været i fokus i dette og de foregående kapitler.
En anden kategori af synapser er imidlertid de synapser, der er forbundet med elektrisk synaptisk transmission. Elektrisk synaptisk transmission formidles af specialiserede strukturer, der er kendt som gap junctions (Fig. 6.6B), som giver en vej for cytoplasmatisk kontinuitet mellem den præsynaptiske og den postsynaptiske celle. Følgelig medfører en depolarisering (eller en hyperpolarisering), der produceres i den præsynaptiske terminal, en ændring i potentialet i den postsynaptiske terminal, hvilket skyldes den direkte ioniske vej mellem cellerne. For elektriske synapser er der tale om en minimal synaptisk forsinkelse; så snart der sker en potentialeændring i den præsynaptiske terminal, sker der en afspejling af denne potentialeændring i den postsynaptiske celle. Elektriske forbindelser findes både i nervesystemet og mellem andre exciterbare membraner, som f.eks. glatte muskel- og hjertemuskelceller. I disse muskelceller udgør de en vigtig vej for udbredelsen af aktionspotentialer fra en muskelcelle til en anden.
6.10 Neurotoksiner
Opdagelsen af visse toksiner har i høj grad gjort det lettere at analysere spændings- og kemisk gated kanaler samt processen med synaptisk transmission. Nedenstående tabel illustrerer nogle, der har været særligt nyttige.
| Nogle vigtige neurotoksiner | ||
| tetrodotoxin (TTX) | Fisketoksin, der blokerer porerne i spændingsafhængige Na+-kanaler. | |
| μ-conotoxin (μ-CTX) | Fiskejagende keglesnegle-toksin med egenskaber svarende til TTX. | |
| saxitoxin (STX) | Toksin fra marine dinoflagellater med egenskaber svarende til TTX. STX er også kendt som paralytisk skaldyrsgift. | |
| ω-conotoxin (ω-CTX) | Fiskjagende keglesnegle-toksin, der blokerer visse typer af spændingsafhængige Ca2+-kanaler. | |
| funnel web spider toxin (ω-Aga) | Toksin fra funnel web spider, der blokerer visse typer af spændingsafhængige Ca2+-kanaler. | |
| apamin | Gifttoksin fra bi-gift, der blokerer visse typer af Ca2+-aktiverede K+-kanaler. | |
| charybdotoxin (ChTX) | Skorpiongifttoksin, der blokerer porerne i visse Ca2+-aktiverede K+-kanaler og spændingsafhængige K+-kanaler. | |
| curare (d-tubocurarine) | Plantetoksin, der er en kompetitiv hæmmer af nikotiniske ACh-receptorer. | |
| α-bungarotoxin | Slangetoksin, der er en kompetitiv og meget irreversibel inhibitor af nikotiniske ACh-receptorer. | |
| picrotoksin | GABAA-receptorblokker isoleret fra frø af Anamirta cocculus. | |
| stryknin | Glycinreceptorblokker isoleret fra frø af det østindiske træ Strychnos nux-vomica. | |
| tetanustoksin | Clostridiernes neurotoksin med zinkafhængig proteaseaktivitet; spalter synaptiske vesikelproteiner i CNS og blokerer derved frigivelsen af neurotransmittere. | |
| botulinumtoksin | Clostridiumneurotoksin med zinkafhængig proteaseaktivitet; Spalter synaptiske vesikelproteiner ved det neuromuskulære knudepunkt og blokerer derved for frigivelse af ACh. | |