Суммирование (нейрофизиология) - Summation (neurophysiology)
Суммирование , которое включает как пространственное суммирование, так и временное суммирование , - это процесс, который определяет, будет ли потенциал действия генерироваться комбинированными эффектами возбуждающих и тормозных сигналов, как от нескольких одновременных входов (пространственное суммирование), так и от повторяющихся входов ( временное суммирование). В зависимости от суммы многих отдельных входов, суммирование может достигать или не достигать порогового напряжения для запуска потенциала действия.
Медиаторы , высвобождаемые из терминалов одного пресинаптического нейрона подпадают под одну из двух категорий , в зависимости от ионных каналов закрытого типа или модулированных с помощью рецептора нейромедиатора . Возбуждающие нейротрансмиттеры вызывают деполяризацию постсинаптической клетки, тогда как гиперполяризация, производимая тормозным нейромедиатором, смягчает эффекты возбуждающего нейромедиатора. Эта деполяризация называется ВПСП, или возбуждающим постсинаптическим потенциалом , а гиперполяризация называется IPSP, или тормозящим постсинаптическим потенциалом .
Единственное влияние, которое нейроны могут оказывать друг на друга, - это возбуждение, торможение и - через модуляторные передатчики - смещение возбудимости друг друга. От такого небольшого набора базовых взаимодействий цепочка нейронов может дать лишь ограниченный ответ. Путь может быть облегчен за счет возбуждающего воздействия; удаление таких входных данных составляет дисфацилляцию . Путь также может быть заблокирован; устранение тормозящего входа составляет растормаживание , которое, если в тормозном входе присутствуют другие источники возбуждения, может усилить возбуждение.
Когда данный целевой нейрон получает входные данные из нескольких источников, эти входные данные могут быть пространственно суммированы, если входные данные прибывают достаточно близко по времени, чтобы влияние самых ранних поступающих входов еще не уменьшилось. Если нейрон-мишень получает входные данные от одного конца аксона, и этот вход происходит многократно с короткими интервалами, входные данные могут суммироваться во времени.
История
Нервная система впервые стала рассматриваться в рамках общих физиологических исследований в конце 1800-х годов, когда Чарльз Шеррингтон начал тестировать электрические свойства нейронов. Его основной вклад в нейрофизиологию включал изучение рефлекса коленного рефлекса и выводы, которые он сделал между двумя взаимными силами возбуждения и торможения. Он предположил, что место, где возникает этот модуляторный ответ, является межклеточным пространством однонаправленного пути нервных цепей. Он первым представил возможную роль эволюции и нервного торможения, предложив, что «высшие центры мозга подавляют возбуждающие функции низших центров».
Большая часть сегодняшних знаний о химической синаптической передаче была почерпнута из экспериментов, анализирующих эффекты высвобождения ацетилхолина в нервно-мышечных соединениях , также называемых концевыми пластинами . Пионерами в этой области были Бернард Кац и Алан Ходжкин, которые использовали гигантский аксон кальмара в качестве экспериментальной модели для изучения нервной системы. Относительно большой размер нейронов позволил использовать электроды с тонкими наконечниками для отслеживания электрофизиологических изменений, которые колеблются через мембрану. В 1941 году Кац ввел микроэлектроды в икроножный седалищный нерв лягушачьих лапок. Вскоре стало общепринятым, что только потенциал концевой пластинки (ПОП) запускает мышечный потенциал действия, который проявляется в сокращениях лягушачьих лапок.
Одно из основополагающих открытий Каца в исследованиях, проведенных с Полом Фаттом в 1951 году, заключалось в том, что спонтанные изменения потенциала мембраны мышечных клеток происходят даже без стимуляции пресинаптического двигательного нейрона. Эти всплески потенциала аналогичны потенциалам действия, за исключением того, что они намного меньше, обычно менее 1 мВ; поэтому их назвали миниатюрными потенциалами концевой пластинки (MEPP). В 1954 году появление первых электронно-микроскопических изображений постсинаптических окончаний показало, что эти MEPP были созданы синаптическими пузырьками, несущими нейротрансмиттеры. Спорадический характер высвобождения квантовых количеств нейротрансмиттера привел к «гипотезе пузырьков» Каца и дель Кастильо, которая объясняет квантование высвобождения медиатора его ассоциацией с синаптическими пузырьками. Это также показало Кацу, что генерация потенциала действия может быть запущена суммированием этих отдельных единиц, каждая из которых эквивалентна MEPP.
Типы
В любой момент нейрон может получать постсинаптические потенциалы от тысяч других нейронов. Достигнут ли порог и сгенерирован ли потенциал действия, зависит от пространственного (т.е. от нескольких нейронов) и временного (от одного нейрона) суммирования всех входных сигналов в этот момент. Традиционно считается, что чем ближе синапс к телу клетки нейрона, тем сильнее его влияние на окончательное суммирование. Это связано с тем, что постсинаптические потенциалы проходят через дендриты, которые содержат низкую концентрацию потенциалзависимых ионных каналов . Следовательно, постсинаптический потенциал ослабевает к тому времени, когда он достигает тела нейронной клетки. Тело клетки нейрона действует как компьютер, интегрируя (складывая или суммируя) входящие потенциалы. Чистый потенциал затем передается на бугорок аксона , где инициируется потенциал действия. Еще один фактор, который следует учитывать, - это сумма возбуждающих и тормозных синаптических входов. Пространственное суммирование тормозящего входа аннулирует возбуждающий вход. Этот широко наблюдаемый эффект называется ингибирующим «шунтированием» ВПСП.
Пространственное суммирование
Пространственное суммирование - это механизм выявления потенциала действия в нейроне с входом от нескольких пресинаптических клеток. Это алгебраическое суммирование потенциалов из разных областей ввода, обычно на дендритах . Суммирование возбуждающих постсинаптических потенциалов увеличивает вероятность того, что потенциал достигнет порогового значения и сгенерирует потенциал действия, тогда как суммирование тормозных постсинаптических потенциалов может помешать клетке достичь потенциала действия. Чем ближе вход дендритов к бугорку аксона, тем больше потенциал будет влиять на вероятность срабатывания потенциала действия в постсинаптической клетке.
Временное суммирование
Временное суммирование происходит, когда высокая частота потенциалов действия в пресинаптическом нейроне вызывает постсинаптические потенциалы, которые суммируются друг с другом. Продолжительность постсинаптического потенциала больше, чем интервал между входящими потенциалами действия. Если постоянная времени клеточной мембраны достаточно велика, как в случае тела клетки, то сумма суммирования увеличивается. Амплитуда одного постсинаптического потенциала в момент начала следующего будет алгебраически суммироваться с ним, генерируя больший потенциал, чем отдельные потенциалы. Это позволяет мембранному потенциалу достичь порогового значения для создания потенциала действия.
Механизм
Нейротрансмиттеры связываются с рецепторами, которые открывают или закрывают ионные каналы в постсинаптической клетке, создавая постсинаптические потенциалы (PSP). Эти потенциалы изменяют шансы возникновения потенциала действия в постсинаптическом нейроне. PSP считаются возбуждающими, если они увеличивают вероятность возникновения потенциала действия, и тормозящими, если они снижают вероятность.
Глутамат как возбуждающий пример
Например, глутамат нейротрансмиттера, как известно, в основном запускает возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) у позвоночных. Экспериментальные манипуляции могут вызвать высвобождение глутамата посредством нететанической стимуляции пресинаптического нейрона. Затем глутамат связывается с рецепторами AMPA, содержащимися в постсинаптической мембране, вызывая приток положительно заряженных атомов натрия. Этот приток натрия внутрь приводит к кратковременной деполяризации постсинаптического нейрона и ВПСП. В то время как одиночная деполяризация такого типа может не иметь большого эффекта на постсинаптический нейрон, повторяющиеся деполяризации, вызванные высокочастотной стимуляцией, могут привести к суммированию ВПСП и к превышению порогового потенциала.
ГАМК как ингибирующий пример
В отличие от глутамата, нейромедиатор ГАМК в основном запускает тормозящие постсинаптические потенциалы (IPSP) у позвоночных. Связывание ГАМК с постсинаптическим рецептором вызывает открытие ионных каналов, которые вызывают либо приток отрицательно заряженных ионов хлорида в клетку, либо отток положительно заряженных ионов калия из клетки. Эффект от этих двух вариантов - гиперполяризация постсинаптической клетки или IPSP. Суммирование с другими IPSP и контрастирующими EPSP определяет, достигнет ли постсинаптический потенциал порога и вызовет ли потенциал действия в постсинаптическом нейроне.
ВПСП и деполяризация
Пока мембранный потенциал ниже порогового значения для импульсов зажигания, мембранный потенциал может суммировать входные данные. То есть, если нейротрансмиттер в одном синапсе вызывает небольшую деполяризацию, одновременное высвобождение передатчика в другом синапсе, расположенном в другом месте того же тела клетки, вызовет большую деполяризацию. Это называется пространственным суммированием и дополняется временным суммированием, при котором последовательные выбросы передатчика из одного синапса вызывают прогрессирующее изменение поляризации, пока пресинаптические изменения происходят быстрее, чем скорость распада изменений мембранного потенциала в постсинаптическом нейроне. Эффекты нейротрансмиттеров длятся в несколько раз дольше, чем пресинаптические импульсы, и, таким образом, позволяют суммировать эффект. Таким образом, ВПСП отличается от потенциалов действия фундаментальным образом: он суммирует входные данные и выражает дифференцированный ответ, в отличие от реакции «все или ничего» при импульсном разряде.
IPSP и гиперполяризация
В то же время, когда данный постсинаптический нейрон получает и суммирует возбуждающий нейротрансмиттер, он также может получать противоречивые сообщения, которые говорят ему прекратить возбуждение. Эти тормозящие влияния (IPSP) опосредуются тормозными системами нейротрансмиттеров, которые вызывают гиперполяризацию постсинаптических мембран. Такие эффекты обычно связывают с открытием селективных ионных каналов, которые позволяют либо внутриклеточному калию покидать постсинаптическую клетку, либо позволяют проникать внеклеточным хлоридам. В любом случае чистый эффект - добавить к внутриклеточной негативности и сдвинуть мембранный потенциал дальше от порога генерации импульсов.
EPSP, IPSP и алгебраическая обработка
Когда EPSP и IPSP генерируются одновременно в одной и той же ячейке, выходной ответ будет определяться относительной силой возбуждающих и тормозных входов. Таким образом, выходные инструкции определяются этой алгебраической обработкой информации. Поскольку порог разряда через синапс является функцией пресинаптических залпов, которые действуют на него, и поскольку данный нейрон может получать ответвления от многих аксонов, прохождение импульсов в сети таких синапсов может сильно варьироваться. Универсальность синапса проистекает из его способности изменять информацию путем алгебраического суммирования входных сигналов. Последующее изменение порога стимуляции постсинаптической мембраны может быть усилено или подавлено, в зависимости от задействованного передающего химического вещества и ионной проницаемости. Таким образом, синапс действует как точка принятия решения, в которой информация сходится, и она модифицируется алгебраической обработкой EPSP и IPSP. В дополнение к механизму ингибирования IPSP существует пресинаптический тип ингибирования, который включает либо гиперполяризацию ингибированного аксона, либо стойкую деполяризацию; будет ли это первое или второе, зависит от конкретных вовлеченных нейронов.
Текущее исследование
Микроэлектроды, используемые Кацем и его современниками, бледнеют по сравнению с технологически продвинутыми методами записи, доступными сегодня. Пространственное суммирование стало привлекать большое внимание исследователей, когда были разработаны методы, позволяющие одновременно регистрировать несколько локусов на дендритном дереве. Во многих экспериментах используются сенсорные нейроны, особенно оптические нейроны, потому что они постоянно включают изменяющуюся частоту как тормозных, так и возбуждающих сигналов. Современные исследования нейронного суммирования сосредоточены на ослаблении постсинаптических потенциалов на дендритах и теле клетки нейрона. Эти взаимодействия называются нелинейными, потому что ответ меньше суммы индивидуальных ответов. Иногда это может быть связано с явлением, вызванным торможением, называемым шунтированием , которое представляет собой снижение проводимости возбуждающих постсинаптических потенциалов.
Ингибирование шунтирования продемонстрировано в работе Майкла Ариэля и Наоки Кого, которые экспериментировали с записью целых клеток на базальном ядре зрительного нерва черепахи. Их работа показала, что пространственное суммирование возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалов в большинстве случаев вызывает ослабление возбуждающего ответа во время тормозного ответа. Они также отметили временное усиление возбуждающего ответа, возникающее после затухания. В качестве контроля они проверили затухание, когда чувствительные к напряжению каналы были активированы током гиперполяризации. Они пришли к выводу, что ослабление вызвано не гиперполяризацией, а открытием каналов синаптических рецепторов, вызывающими вариации проводимости.
Возможные терапевтические применения
Что касается ноцицептивной стимуляции , пространственное суммирование - это способность интегрировать болезненный ввод из больших областей, в то время как временное суммирование относится к способности интеграции повторяющихся ноцицептивных стимулов. Распространенная и продолжительная боль характерна для многих хронических болевых синдромов. Это говорит о том, что как пространственные, так и временные суммирования важны при состояниях хронической боли. Действительно, с помощью экспериментов по стимуляции давлением было показано, что пространственное суммирование облегчает временное суммирование ноцицептивных сигналов, в частности боли от давления. Следовательно, одновременное воздействие на пространственные и временные механизмы суммирования может принести пользу при лечении хронических болевых состояний.