6.1 Transmisia sinaptică într-un circuit reflex simplu
Unul dintre cele mai simple comportamente mediate de sistemul nervos central este reflexul de întindere a genunchiului sau reflexul de întindere. Ca răspuns la ciocanul unui neurolog la tendonul rotulei, se produce o extensie reflexă a piciorului. Figura 6.1 ilustrează neurocircuitele care controlează acest răspuns reflex. Întinderea tendonului rotulei întinde mușchiul extensor. Mai precis, aceasta întinde un grup de receptori specifici cunoscuți sub numele de receptori ai fusului muscular sau pur și simplu receptori de întindere.
Figura 6.1
Întinderea provoacă potențiale de acțiune în receptorii de întindere care apoi se propagă prin fibrele aferente de tip 1A, ale căror somate sunt situate în ganglionul rădăcinii dorsale. Procesele acestor neuroni senzoriali intră apoi în măduva spinării și realizează conexiuni sinaptice cu două tipuri de celule. În primul rând, se formează o conexiune sinaptică cu neuronul motor extensor situat în cornul ventral al măduvei spinării. Ca urmare a activării sinaptice a acestui neuron motor, potențialele de acțiune sunt declanșate în neuronul motor și se propagă în afara rădăcinilor ventrale, invadând în cele din urmă regiunile terminale ale axonului motor (adică joncțiunea neuromusculară), provocând eliberarea de acetilcolină, depolarizarea celulei musculare, formarea unui potențial de acțiune în celula musculară și o contracție ulterioară a mușchiului.
Neuronii senzoriali fac, de asemenea, conexiuni sinaptice cu un alt tip de neuron din măduva spinării numit interneuron. Interneuronii sunt numiți astfel deoarece sunt interpuse între un tip de neuron și altul. Interneuronul particular prezentat este un interneuron inhibitor. Ca urmare a activării sale prin procesul de transmitere sinaptică, în interneuron sunt declanșate potențiale de acțiune. Un potențial de acțiune în neuronii inhibitori duce la eliberarea unei substanțe chimice transmițătoare care inhibă neuronii motori flexori, împiedicând astfel apariția unei mișcări necorespunzătoare. Acest reflex special este cunoscut sub numele de reflexul de întindere monosinaptic, deoarece acest reflex este mediat de un singur releu sinaptic excitator în sistemul nervos central.
6.2 Mecanisme ionice ale EPSP-urilor
Potențiali sinaptici
Figura 6.2
Figura din dreapta ilustrează modul în care este posibilă examinarea experimentală a unora dintre componentele transmisiei sinaptice în calea reflexă care mediază reflexul de întindere. În mod normal, neuronul senzorial este activat de o întindere la nivelul receptorului de întindere, dar acest proces poate fi ocolit prin injectarea unui curent de depolarizare în neuronul senzorial. Acest stimul inițiază un potențial de acțiune în neuronii senzoriali, ceea ce duce la o modificare a potențialului neuronului motor. Acest potențial este cunoscut sub numele de potențial postsinaptic excitator (EPSP); excitator deoarece tinde să depolarizeze celula, având astfel tendința de a crește probabilitatea de declanșare a unui potențial de acțiune în neuronii motori și postsinaptic deoarece este un potențial înregistrat pe partea postsinaptică a sinapsei.
Mecanismele ionice pentru EPSP în neuron motor spinal sunt în esență identice cu mecanismele ionice pentru EPSP la joncțiunea neuromusculară. Mai exact, substanța transmițătoare difuzează prin fanta sinaptică și se leagă de receptorii ionotropi specifici de pe membrana postsinaptică, ceea ce duce la o creștere simultană a permeabilității sodiului și potasiului (vezi figura 4.10). Mecanismele de eliberare sunt, de asemenea, identice cu cele de la nivelul joncțiunii neuromusculare. Un potențial de acțiune în terminalul presinaptic duce la deschiderea canalelor de Ca2+ dependente de tensiune, iar afluxul de Ca2+ determină eliberarea substanței transmițătoare.
6.3 Diferențe între EPSP la nivelul joncțiunii neuromusculare scheletice și EPSP în SNC
Există două diferențe fundamentale între procesul de transmitere sinaptică la nivelul sinapsei senzorio-motorii din măduva spinării și procesul de transmitere sinaptică la nivelul joncțiunii neuromusculare. În primul rând, substanța transmițătoare eliberată de neuronii senzoriali nu este ACh, ci mai degrabă aminoacidul glutamat. Într-adevăr, există mulți transmițători diferiți în sistemul nervos central – până la 50 sau mai mulți, iar lista crește în fiecare an. Din fericire, aceste 50 sau mai multe substanțe transmițătoare pot fi grupate în mod convenabil în patru categorii de bază: acetilcolina, monoaminele, peptidele și aminoacizii. În al doilea rând, spre deosebire de amplitudinea de 50 mV a potențialului sinaptic de la joncțiunea neuromusculară, amplitudinea potențialului sinaptic într-un neuron motor spinal, ca urmare a unui potențial de acțiune într-o fibră aferentă 1A, este de numai aproximativ 1 mV.
6.4 Sumarea temporală și spațială
Dacă amplitudinea potențialului postsinaptic este de numai 1 mV, cum poate fi declanșat un potențial de acțiune în neuron motor și cum poate funcționa reflexul? Rețineți că este puțin probabil ca un EPSP de 1 mV să fie suficient pentru a conduce potențialul de membrană al neuronului motor la prag pentru a declanșa un vârf. Dacă nu există un vârf, nu va exista nicio contracție a mușchiului. Răspunsul este că întinderea mușchiului declanșează mai multe potențiale de acțiune în mai mulți receptori de întindere diferiți. De fapt, cu cât întinderea este mai mare, cu atât mai mare este probabilitatea de a activa mai mulți receptori de întindere. Acest proces se numește recrutare. Prin urmare, mai multe aferențe 1A vor converge către neuronul motor spinal și vor participa la activarea acestuia. Totuși, acesta nu este întregul răspuns. Reamintim că, cu cât intensitatea stimulului este mai mare, cu atât mai mare este numărul de potențiale de acțiune declanșate la un receptor senzorial. Cu cât mai mare este întinderea, cu atât mai mare este numărul de potențiale de acțiune declanșate într-un singur neuron senzorial și cu atât mai mare este numărul de EPSP-uri produse în neuronii motori din acel tren de potențiale de acțiune din celula senzorială. Procesele prin care multiplele EPSP de la neuronii presinaptici se însumează în spațiu și timp se numesc însumare temporală și spațială.
Figura 6.3
Sumarea temporală. Un singur potențial de acțiune în neuronii senzoriali 1 produce un EPSP de 1-mV în neuronii motori. Luați acum în considerare consecințele declanșării a două potențiale de acțiune în succesiune rapidă (vezi figura de mai sus). Sunt declanșate două EPP, dintre care cel de-al doilea se însumează pe frontul descendent al primului. Ca rezultat al celor două potențiale de acțiune, apare un potențial însumat cu o amplitudine de aproximativ 2 mV. Dacă ar exista trei potențiale de acțiune presinaptice și acestea s-ar produce suficient de rapid, potențialul total ar fi de aproximativ 3 mV, și așa mai departe. Însumarea temporală este strict o proprietate pasivă a celulelor nervoase. Nu sunt necesare mecanisme conductive ionice speciale pentru a o explica. Potențialele se însumează datorită proprietăților pasive ale membranei celulelor nervoase, în special datorită capacității membranelor de a stoca sarcini. Membrana stochează temporar sarcina primului PSP și apoi i se adaugă sarcina celui de-al doilea PSP pentru a produce un potențial de două ori mai mare decât cel inițial. Acest proces de însumare temporală depinde foarte mult de durata potențialului sinaptic. Însumarea temporală are loc atunci când potențialele de acțiune presinaptice se produc într-o succesiune rapidă. Intervalul de timp depinde de proprietățile pasive ale membranei, în special de constanta de timp.
Somația spațială. Să considerăm acum un neuron motor care primește două intrări. Un potențial de acțiune produs în neuronul senzorial 1 produce un EPSP de 1 mV și un singur potențial de acțiune în neuronul senzorial 2 produce, de asemenea, un EPSP de 1 mV. Dacă potențialele de acțiune sunt produse simultan în neuronul senzorial 1 și în neuronul senzorial 2, EPSP-urile se însumează pentru a produce un EPSP însumat care este de două ori mai mare decât EPSP-urile individuale. Sumarea spațială în celulele nervoase are loc datorită constantei spațiale, capacitatea unei sarcini produse într-o regiune a celulei de a se răspândi în alte regiuni ale celulei.
6.5 IPSPs
Faptul că un neuron se declanșează ca răspuns la o intrare sinaptică depinde de câte potențiale de acțiune sunt declanșate în orice intrare aferentă, precum și de câte căi aferente individuale sunt activate.
Decizia de a se declanșa depinde, de asemenea, de prezența intrărilor sinaptice inhibitorii. Depolarizarea artificială a interneuronului pentru a iniția un potențial de acțiune produce o hiperpolarizare tranzitorie a potențialului de membrană al neuronului motor (vezi figura 6.2). Evoluția în timp a acestei hiperpolarizări arată foarte asemănător cu cea a unui EPSP, dar are semnul inversat. Potențialul sinaptic al neuronului motor se numește potențial postsinaptic inhibitor (IPSP) deoarece tinde să îndepărteze potențialul de membrană de prag, scăzând astfel probabilitatea ca acest neuron să inițieze un potențial de acțiune.
6.6 Mecanisme ionice pentru IPSPs
Potențialul de membrană al neuronului motor flexor este de aproximativ -65 mV, astfel încât s-ar putea prezice că IPSP s-ar datora unei creșteri a permeabilității sau a conductanței unui ion al cărui potențial de echilibru este mai negativ decât -65 mV. O posibilitate este potasiul. Potasiul mediază unele potențiale sinaptice inhibitorii în sistemul nervos central, dar nu la sinapsa particulară dintre un interneuron spinal și un neuron motor spinal. La această sinapsă particulară, IPSP se datorează unei creșteri selective a permeabilității clorurilor. Rețineți că potențialul de echilibru pentru clorură este de aproximativ -70 mV. Transmițătorul eliberat de interneuronul spinal se leagă de o clasă specială de receptori ionotropi care în mod normal sunt închiși, dar care se deschid și devin permeabili selectiv la ionii de clorură ca urmare a legării transmițătorului. Ca urmare a creșterii permeabilității la Cl-, potențialul de membrană se deplasează de la valoarea sa de repaus de -65 mV către potențialul de echilibru al Cl-. (Rețineți că, în principiu, scăderea conductanței de repaus a Na+ ar putea produce, de asemenea, o IPSP).
6.7 Substanța transmițătoare a neuronului inhibitor spinal
Ce ne puteți spune despre substanța transmițătoare care este eliberată de interneuronul inhibitor din măduva spinării? Substanța transmițătoare este glicina, un aminoacid care este utilizat frecvent în sistemul nervos central ca transmițător care produce acțiuni inhibitorii. Cu toate acestea, nu este cel mai frecvent. Cel mai frecvent transmițător cu acțiuni inhibitoare este acidul gama-amino-butiric (GABA).
6.8 Răspunsuri sinaptice metabotropice
În plus față de răspunsurile mediate de receptorii ionotropi, există o clasă complet separată de potențiale sinaptice care au durate cu ordine de mărime mai mari decât duratele EPSP-urilor clasice. Acestea sunt așa-numitele potențiale sinaptice lente și sunt mediate de receptorii metabotropi. Potențialele sinaptice lente nu sunt observate la fiecare neuron postsinaptic, dar cu siguranță sunt observate la mulți dintre ei. Figura de mai jos ilustrează un neuron postsinaptic care primește două intrări. Un potențial de acțiune în neuron 1 produce un potențial postsinaptic excitator sau EPSP în celula postsinaptică a cărui durată este de aproximativ 20 msec. Neuronul 2 poate produce, de asemenea, un potențial postsinaptic, dar durata acestuia este cu peste trei ordine de mărime mai mare decât cea a potențialului sinaptic de tip convențional. Mecanismul acestor răspunsuri sinaptice lente implică modificări ale metabolismului celulei.
Figura 6.4
Figura 6.5
Un mecanism pentru un potențial sinaptic lent este prezentat în ilustrația din stânga (figura 6.5) și în figura 11.11. Spre deosebire de receptorii ionotropi pentru care receptorii fac de fapt parte din complexul de canale, canalele care produc potențialele sinaptice lente nu sunt cuplate direct la receptorii emițătorului. Mai degrabă, receptorii sunt separați de canal. Acești receptori sunt cunoscuți sub denumirea de metabotropici, deoarece implică modificări ale metabolismului celulei și, în general, modificări ale activării unor sisteme specifice de mesageri secundari. Figura din stânga ilustrează un exemplu al unui tip de răspuns care implică cascada AMP ciclic. PSP lente sunt, în unele cazuri, mediate de AMP ciclic, dar sunt, de asemenea, mediate de alte proteine kinaze. În cazul răspunsului din figura 6.5, transmițătorul activează proteinele G care duc la creșterea sintezei AMP ciclic. AMP ciclic conduce apoi la activarea kinazei dependente de AMP ciclic (PKA), care fosforilează o proteină a canalului sau o componentă a canalului și apoi produce o modificare de conformație a canalului și o modificare a permeabilității sale ionice. Spre deosebire de o modificare conformațională directă produsă de legarea unui emițător la complexul canalului receptor (observată în răspunsurile mediate de receptorii ionotropi), modificarea conformațională este produsă prin fosforilare. Canalul în cauză este unul care este permeabil selectiv la K+ și este în mod normal deschis. Ca urmare a fosforilării canalului de către PKA, canalul se închide și devine mai puțin permeabil la K+. Deoarece potențialul normal de repaus se datorează unui echilibru între Na+ și K+, scăderea conductanței K+ favorizează efectele conductanței Na+ și se produce o depolarizare.
Este interesant de subliniat faptul că activarea receptorilor metabotropi poate produce efecte care sunt mult mai lungi de câteva sute de secunde. De exemplu, proteina kinaza A poate difuza în nucleu unde poate fosforila proteine (de exemplu, factori de transcripție) care reglează expresia genelor.
6.9 Tipuri de transmisie sinaptică
Acest capitol și cele două precedente s-au axat pe transmisia sinaptică chimică. Așa cum ați văzut pentru sinapsele chimice, există o discontinuitate citoplasmatică distinctă care separă membranele presinaptică și postsinaptică (Fig. 6.6A).
Figura 6.6A
Figura 6.6B
Această discontinuitate este cunoscută sub numele de fantă sinaptică. Terminalul presinaptic al sinapselor chimice conține o concentrație mare de mitocondrii și vezicule sinaptice și există o îngroșare caracteristică a membranei postsinaptice. Ca urmare a unei depolarizări sau a unui potențial de acțiune în terminalul presinaptic, din terminalul presinaptic sunt eliberați emițători chimici, care difuzează prin fanta sinaptică și se leagă de situsurile receptorilor de pe membrana postsinaptică. Acest lucru duce la o modificare a permeabilității care produce potențialul postsinaptic. În cazul sinapselor chimice, există o întârziere (de obicei, aproximativ 0.5-1 ms) între inițierea unui potențial de acțiune în terminalul presinaptic și o schimbare de potențial în celula postsinaptică. Întârzierea sinaptică se datorează timpului necesar pentru ca transmițătorul să fie eliberat, să se difuzeze prin fantă și să se lege de receptorii de pe membrana postsinaptică. Transmisia sinaptică chimică este, în general, unidirecțională. O modificare a potențialului în celula presinaptică eliberează transmițător care produce un potențial postsinaptic, dar o depolarizare în celula postsinaptică nu produce niciun efect în celula presinaptică, deoarece niciun transmițător nu este eliberat din celula postsinaptică în regiunea sinaptică. Cel mai predominant tip de sinapsă este sinapsa chimică și, din acest motiv, acestea au fost subiectul principal al acestui capitol și al capitolelor anterioare.
Cu toate acestea, o altă categorie de sinapse sunt cele asociate cu transmisia sinaptică electrică. Transmisia sinaptică electrică este mediată de structuri specializate cunoscute sub numele de joncțiuni gap (Fig. 6.6B), care asigură o cale de continuitate citoplasmatică între celulele presinaptice și cele postsinaptice. În consecință, o depolarizare (sau o hiperpolarizare) produsă în terminalul presinaptic produce o modificare a potențialului terminalului postsinaptic, care se datorează căii ionice directe dintre celule. În cazul sinapselor electrice, există o întârziere sinaptică minimă; de îndată ce se produce o modificare de potențial în terminalul presinaptic, o reflectare a acestei modificări de potențial este produsă în celula postsinaptică. Joncțiunile electrice se găsesc atât în sistemul nervos, cât și între alte membrane excitabile, cum ar fi celulele musculare netede și cardiace. În aceste celule musculare, ele oferă o cale importantă de propagare a potențialelor de acțiune de la o celulă musculară la alta.
6.10 Neurotoxine
Descoperirea anumitor toxine a facilitat foarte mult analiza canalelor cu porți de tensiune și a celor cu porți chimice, precum și a procesului de transmitere sinaptică. Tabelul următor ilustrează unele care au fost deosebit de utile.
| Câteva neurotoxine importante | |
| tetrodotoxină (TTX) | Toxină de pește care blochează porul canalelor Na+ voltaj-dependente. |
| μ-conotoxină (μ-CTX) | Toxină de melc conic de vânătoare de pești cu proprietăți similare cu TTX. |
| saxitoxină (STX) | Toxină din dinoflagelate marine cu proprietăți similare cu TTX. STX este cunoscută și sub denumirea de otravă paralitică a moluștelor. |
| ω-conotoxină (ω-CTX) | Toxină de melc conic de vânătoare de pești care blochează anumite tipuri de canale de Ca2+ dependente de tensiune. |
| Toxina păianjenului cu pânză de pâine de pâine (ω-Aga) | Toxină de la păianjenul cu pânză de pâine de pâine care blochează anumite tipuri de canale Ca2+ dependente de voltaj. |
| apamin | Toxină din venin de albine care blochează anumite tipuri de canale K+ activate de Ca2+. |
| charybdotoxină (ChTX) | Toxina veninului de scorpion care blochează porii unor canale K+ activate de Ca2+ și a unor canale K+ dependente de voltaj. |
| curare (d-tubocurarină) | Toxină vegetală care este un inhibitor competitiv al receptorilor ACh nicotinici. |
| α-bungarotoxină | Toxină de șarpe care este un inhibitor competitiv și foarte ireversibil al receptorilor ACh nicotinici. |
| picrotoxină | Blocant al receptorilor GABAA izolat din semințele de Anamirta cocculus. |
| stricnină | Blocant al receptorilor de glicină izolat din semințele arborelui Strychnos nux-vomica din India de Est. |
| toxina tetanică | Neurotoxină clostridială cu activitate proteazică dependentă de zinc; clivează proteinele veziculelor sinaptice din SNC și astfel blochează eliberarea de neurotransmițători. |
| Toxina botulinică | Nurotoxină clostridială cu activitate proteazică dependentă de zinc; Descompune proteinele veziculelor sinaptice la nivelul joncțiunii neuromusculare și astfel blochează eliberarea de ACh. |