Пластичность синаптических соединений и их роль в осуществлении центральной нервной системой трофической функции

В предыдущих главах мы детально разобрали, каким образом осуществляется передача возбуждения с одного нейрона на другой посредством электрических и химических синапсов. Однако, рассматривая эти процессы, мы для пущей простоты изложения избрали схему передачи, при которой к каждому синаптическому соединению между нейронами приходит только один импульс, запускающий соответствующие процессы в постсинаптической клетке. В реальных условиях центральная нервная система функционирует иначе. Ее активность строится в основном на проведении по нервным путям не одиночных импульсов, а ритмических импульсных последовательностей, обладающих теми или иными частотными характеристиками.

Мы позволили себе такую вольность в отношении «святая святых» нервной системы — механизмов синаптической передачи — только потому, что основные принципы их работы остаются неизменными, независимо от того, запускаются ли они одиночным импульсом или серией импульсов. Другое дело, что последствия от воздействия на синаптическое окончание отдельного импульса и серии нервных импульсов могут значительно различаться. При длительной активизации синапса сериями нервных импульсов изменяется эффективность передачи через него возбуждающих и тормозящих влияний. Такая способность нервных элементов к перестройке функциональных свойств под влиянием длительных внешних воздействий называется пластичностью. В более широком смысле под пластичностью понимают изменение эффективности или направленности связей между нервными клетками.

Активность синапсов при ритмических раздражениях

Пластичность синаптических процессов в большей степени зависит от пресинаптической части синапса, поскольку именно ее функциональные свойства значительнее изменяются при изменении характера поступающей к ней импульсации. А проявляются эти изменения на уровне постсинаптической части в виде уменьшения или увеличения амплитуды постсинаптических потенциалов. Степень увеличения или уменьшения постсинаптической реакции зависит от частоты ритмической импульсации и от типа синапса. В целом, это выглядит следующим образом. При редкой частоте поступления пресинаптических импульсов (10—30 имп./с) первый постсинаптический эффект оказывается большим, а последующие начинают уменьшаться. Иными словами, первый постсинаптический потенциал возникает с амплитудой, характерной для клетки в условиях раздражения одиночным стимулом. С приходом последующих импульсов амплитуда каждого вновь возникающего постсинаптического потенциала становится все меньше и меньше до тех пор, пока не установится некое стационарное состояние, при котором все последующие постсинаптические потенциалы на приход новых импульсов будут возникать с одинаковой амплитудой. Если частота поступающей к синапсу импульсации увеличивается более чем до 40 импульсов в секунду, то и амплитуда постсинаптических потенциалов может начать увеличиваться до тех пор, пока не установится на каком-то более высоком уровне (рис. 25).

На рисунке приведены осциллограммы из работы Д. Кертиса и Дж. Экклса 1960 года, иллюстрирующие эффект уменьшения амплитуды моносинаптических ВПСП мотонейрона спинного мозга кошки при ритмических раздражениях афферентных волокон с различной частотой. Частота раздражения указана слева возле каждой осциллограммы. Справа от первой осциллограммы — отметка амплитуды (10 мВ), ниже последней осциллограммы — шкала времени с ценой деления 100 мс.

Хорошо видно, что при частоте стимуляции 14 импульсов в секунду амплитуда первого возбуждающего постсинаптического потенциала значительно (почти в полтора раза) превышает величину десятимилливольтной отметки. Амплитуда следующего за ним потенциала, возникшего на приход второго импульса, уже несколько ниже, а амплитуда третьего потенциала приблизительно равна 10 мВ. При частоте стимуляции 20 импульсов в секунду снижение амплитуды каждого последующего возбуждающего постсинаптического потенциала уже не так заметно, хотя и вполне очевидно. При частоте стимуляции 30 импульсов в секунду устанавливается стационарное состояние, и вершины возбуждающих постсинаптических потенциалов образуют некое, почти ровное плато. При увеличении частоты стимуляции афферентного нерва до 45 импульсов в секунду можно видеть, что это плато как бы несколько «прогнулось» в своей средней части и последний на этой осциллограмме постсинаптический потенциал возник с амплитудой, несколько более высокой, чем потенциалы, возникавшие до него. Дальнейшее увеличение частоты стимуляции уже мало что меняет в динамике изменения амплитудных характеристик постсинаптических потенциалов. Заметна только тенденция к общему уменьшению их амплитуды.

С чем связано такое изменение амплитудных характеристик постсинаптических потенциалов в ответ на приход серий нервных импульсов? По мнению П. Г. Костюка (1977 г.), изменения амплитуды постсинаптических потенциалов могут быть связаны с изменением количества медиатора, выделяемого клеткой с приходом каждого нового импульса.

Рис. 25. Изменение амплитуды ВПСП мотонейрона при ритмических раздражениях афферентных волокон¹

На этих осциллограммах ВПСП мотонейронов спинного мозга кошки выглядят не очень привычно и скорее напоминают серии импульсов, но это только потому, что временная развертка очень сжата. В противном случае для демонстрации процесса потребовалось бы очень много места. На самом же деле каждый потенциал, развернутый во времени, выглядит так же, как на рисунке 12. Зато при таком показе хорошо видно, что с увеличением частоты электрической стимуляции волокна амплитуда каждого следующего потенциала уменьшается, но до определенного предела. Уже при стимуляции с частотой 66 имп./с почти все потенциалы имеют одинаковую амплитуду.

Д. Кертис, Дж. Экклс, 1960.

П. Г. Костюк предположил, что в синаптических окончаниях происходят два типа изменений процесса выделения медиатора. При низких частотах импульсации после прохождения каждого нового импульса количество медиатора в синапсе постепенно истощается. В результате каждый последующий импульс, приходящий к синаптическому окончанию, «получает в свое распоряжение» все меньшее и меньшее количество медиатора. Соответственно, «химическое обеспечение» постсинаптической реакции, которую эти импульсы должны вызвать, становится все менее достаточным. Высокие частоты импульсации активизируют процессы синтеза медиатора, и поэтому при высоких частотах возникает его «мобилизация», то есть увеличение того запаса, который может быть выделен каждым последующим импульсом.

К сожалению, экспериментальных подтверждений этому предположению пока не существует, поскольку исследователи пока не располагают такими методами, которые позволили бы не косвенно, а прямо определить количество и распределение медиатора в отдельном синаптическом окончании. Тем не менее в качестве гипотезы такой взгляд на эту проблему кажется наиболее приемлемым.

Те процессы, которые мы описали выше, протекают очень быстро, поскольку они кратковременны. После поступления в нервное окончание всего нескольких импульсов эффективность синаптической передачи значительно снижается или, напротив, заметно повышается. Однако изменения функций пресинаптических окончаний могут быть не только кратковременными, но и длительными. Если в пресинаптическое окончание направить длительную серию ритмических импульсов, а затем оттестировать получившийся результат одиночным импульсом, то можно обнаружить удивительный эффект. Заключаться он будет вот в чем. Обычно одиночные импульсы, приходящие к пресинаптическому окончанию, вызывают в постсинапсе потенциалы с характерными для каждой конкретной клетки параметрами. И сколько бы раз эти импульсы ни приходили, если они подаются с небольшой частотой, эффект будет одинаковым. Но если эти же одиночные импульсы поступят в пресинаптическое окончание после длительной серии ритмических импульсов, то они в течение достаточно длительного времени будут вызывать в постсинаптической клетке эффекты, значительно большие, чем те, которые они вызывали до прохождения этой серии. То есть на протяжении многих минут после окончания ритмического раздражения эффективность синаптической передачи будет повышена. Это явление впервые было описано в 1949 году Д. Ллойдом, который назвал его посттетанической потенциацией. Попробуем разобраться в том, что это такое.