If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Synapsy

Artykuł traktuje o tym, jak neurony komunikują się między sobą dzięki synapsom. Synapsy chemiczne vs. elektryczne. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.

Kluczowe informacje

  • Neurony komunikują się między sobą dzięki połączeniom nazywanym synapsami. W synapsie jeden neuron wysyła wiadomość do docelowego neuronu, czyli innej komórki.
  • Większość synaps jest chemiczna. Te synapsy komunikują się dzięki neuroprzekaźnikom. Inne synapsy są elektryczne, to w nich jony przepływają bezpośrednio między komórkami.
  • Potencjał czynnościowy uruchamia neuron presynaptyczny w synapsie chemicznej do wydzielenia neurotransmiterów. Te cząsteczki łączą się z receptorami komórki postsynaptycznej i sprawiają, że jest ona bardziej lub mniej podatna na wzbudzenie potencjału czynnościowego.

Wprowadzenie

Pojedynczy neuron, czyli komórka nerwowa, może wiele zrobić! Może utrzymać potencjał spoczynkowy - napięcie w poprzek błony. Może wzbudzić impuls nerwowy, czyli potencjał czynnościowy. Także może przeprowadzać reakcje metaboliczne niezbędne do pozostania komórki przy życiu.
Przekaźnictwo neuronu jest jednak znacznie bardziej ekscytujące, kiedy weźmiemy pod uwagę jego interakcje z innymi neuronami. Pojedyncze neurony tworzą połączenia z docelowymi neuronami i pobudzają lub hamują ich aktywność tworząc obwód, który przetwarza otrzymywane informacje i generuje odpowiedź.
Jak neurony "rozmawiają" ze sobą? Dzieje się to w synapsie, miejscu komunikacji między dwoma neuronami lub neuronem a komórką docelową, taką jak mięśniowa lub gruczołowa. Wzbudzenie potencjału czynnościowego w jednym neuronie w synapsie (neuronie presynaptycznym, "nadawczym"), powoduje przekazanie sygnału do drugiej komórki - postsynaptycznej, "odbierającej". Wtedy neuron postsynaptyczny staje się albo mniej albo bardziej podatny na wzbudzenie potencjału czynnościowego przez siebie samego.
Schemat przekaźnictwa synaptycznego. Potencjał czynnościowy wędruje wzdłuż aksonu komórki presynaptycznej (nadawczej) i dociera do końca aksonu. Jego koniec sąsiaduje z dendrytem komórki postsynaptycznej (odbiorczej). To miejsce bliskiego połączenia pomiędzy aksonem i dendrytem nazywamy synapsą.
W tym artykule przyjrzymy się bliżej synapsie i mechanizmom neuronów, które wykorzystują do wysyłania sygnałów właśnie przez nią. Aby wyciągnąć jak najwięcej z tego artykułu, możesz najpierw pouczyć się o budowie neuronu i potencjale czynnościowym.

Przekaźnictwo elektryczne czy chemiczne?

Pod koniec XIX i na początku XX wieku było wiele kontrowersji na temat tego, czy przekaźnictwo synaptyczne jest elektryczne czy chemiczne.
  • Niektórzy ludzie myśleli, że przekaźnictwo przez synapsę obejmuje przepływ jonów bezpośrednio z jednego neuronu do drugiego, czyli przekaźnictwo elektryczne.
  • Inni ludzie myśleli, że zależy ono od uwolnienia substancji chemicznej z jednego neuronu, powodując odpowiedź w docelowym neuronie, co obrazuje przekaźnictwo chemiczne.
Wiemy obecnie, że przekaźnictwo synaptyczne może być albo elektryczne albo chemiczne a w niektórych przypadkach te dwa typy występują w tej samej synapsie!
Przekaźnictwo chemiczne jest bardziej rozpowszechnione i bardziej skomplikowane niż przekaźnictwo elektryczne. Zatem spójrzmy najpierw na przekaźnictwo chemiczne.

Omówienie przekaźnictwa w synapsach chemicznych

Przekaźnictwo chemiczne obejmuje uwolnienie przekaźników chemicznych znanych jako neuroprzekaźniki/neurotransmitery. Neuroprzekaźniki przenoszą informację z neuronu presynaptycznego (wysyłającego) do komórki postsynaptycznej (odbierającej).
Jak już może pamiętasz z artykułu o budowie i funkcjach neuronu, synapsy zwykle tworzą się pomiędzy końcami nerwów - końcem aksonu neuronu presynaptycznego a ciałem komórki lub dendrytem neuronu postsynaptycznego.
Schemat przekaźnictwa synaptycznego. Potencjał czynnościowy wędruje wzdłuż aksonu komórki presynaptycznej (nadawczej) i dociera wieloma rozgałęzieniami do zakończeń aksonów. Zakończenie aksonu sąsiaduje z dendrytem komórki postsynaptycznej (odbiorczej). To miejsce bliskiego połączenia pomiędzy aksonem i dendrytem nazywamy synapsą.
Pojedynczy akson jest bardzo rozgałęziony, co pozwala mu na tworzenie synaps na różnych komórkach postsynaptycznych. Podobnie pojedynczy neuron może otrzymywać tysiące bodźców od wielu różnych neuronów presynaptycznych.
Wewnątrz zakończenia aksonu neuronu presynaptycznego występują pęcherzyki presynaptyczne. Te obłonione kule są wypełnione neuroprzekaźnikami. Istnieje mała przerwa pomiędzy zakończeniem aksonu neuronu presynaptycznego a błoną komórki postsynaptycznej. Tą przerwę nazywamy szczeliną synaptyczną.
Obraz przedstawiający zakończenie aksonu komórki presynaptycznej z obecnymi pęcherzykami zawierającymi neuroprzekaźniki. Kanały wapniowe zależne od potencjału błonowego znajdują się na zewnętrznej błonie zakończenia aksonu. Po drugiej stronie szczeliny synaptycznej obecna jest powierzchnia komórki postsynaptycznej pokryta receptorami jonotropowymi danych neuroprzekaźników.
Kiedy potencjał czynnościowy, czyli impuls nerwowy, osiąga zakończenie aksonu, aktywuje kanały wapniowe w błonie komórkowej. Ca2+, których stężenie jest znacznie wyższe poza neuronem niż wewnątrz niego, wpływają do komórki. Ca2+ umożliwia łączenie się pęcherzyków synaptycznych z błoną komórkową w miejscu zakończenia aksonów, tym samym uwalniając neuroprzekaźniki do szczeliny synaptycznej.
Obraz przedstawia, co dzieje się, kiedy potencjał czynnościowy osiąga zakończenie aksonu, powodując tym samym przepływ jonów i depolaryzację docelowej komórki. Po kolei: 1. Potencjał czynnościowy osiąga zakończenie aksonu i błona ulega depolaryzacji. 2. Kanały wapniowe zależne od potencjału błonowego otwierają się jony wpływają do neuronu presynaptycznego. 3. Napływ jonów wapniowych powoduje uwolnienie neuroprzekaźników z pęcherzyków synaptycznych do szczeliny synaptycznej. 4. Neuroprzekaźniki łączą się z receptorami na komórce docelowej (w tym przypadku powodując wpływ jonów dodatnich do komórki postsynaptycznej).
Cząsteczki neuroprzekaźników dyfundują przez szczelinę synaptyczną i łączą się z białkami receptorowymi komórki postsynaptycznej. Aktywacja receptorów postsynaptycznych prowadzi do otwarcia lub zamknięcia się kanałów jonowych w błonie komórkowej. Może zajść depolaryzacja - nadając ładunek dodani komórce lub hiperpolaryzacja - wnętrze komórki uzyskuje ładunek ujemny. Wszystko zależy od zaangażowanych w ten proces jonów.
W niektórych przypadkach wpływ na zachowanie się kanałów jonowych jest bezpośredni: receptor jest kanałem jonotropowym, jak ten pokazany na powyższym schemacie. W innych przypadkach receptor sam nie jest kanałem jonowym, ale aktywuje kanały jonowe przy pomocy z wykorzystaniem ścieżki sygnałowej. Zajrzyj do artykułu o receptorach i neuroprzekaźnikach, aby dowiedzieć się więcej.

Pobudzający i hamujący potencjał postsynaptyczny

Kiedy neuroprzekaźnik łączy się ze swoim receptorem na komórce docelowej, powoduje otwarcie lub zamknięcie się kanałów jonowych. Może to powodować miejscowe zmiany potencjału błonowego (napięcia) w poprzek błony komórki docelowej.
  • W niektórych przypadkach, zmiana ta sprawia, że komórka docelowa jest bardziej podatna na wzbudzenie potencjału czynnościowego. W tym przypadku zmiana potencjału błonowego jest nazywana pobudzającym potencjałem postsynaptycznym, czyli EPSP.
  • W innych przypadkach, zmiana ta sprawia, że komórka docelowa staje się mniej podatna na wzbudzenie potencjału czynnościowego. Ten stan jest nazywany hamującym potencjałem postsynaptycznym, czyli IPSP.
EPSP jest depolaryzujący. Sprawia, że wnętrze komórki ma ładunek dodatni, co doprowadza potencjał błonowy do osiągnięcia progu pobudniwości. Czasami pojedynczy EPSP nie jest wystarczająco silny, aby doprowadzić neuron do progu pobudliwości, ale może się połączyć z innym EPSP i tym samym wzbudzić potencjał czynnościowy.
IPSP ma odwrotny skutek. Mianowicie utrzymuje potencjał błonowy neuronu poniżej progu pobudliwości. IPSP jest ważny, ponieważ może przeciwdziałać a nawet znosić pobudzające działanie EPSP.

Sumowanie przestrzenne i czasowe

Jak EPSP i IPSP oddziałują na siebie wzajemnie? Zasadniczo neuron postsynaptyczny łączy (integruje) wszystkie otrzymywane sygnały pobudzające i hamujące i ostatecznie "decyduje", czy zostanie wzbudzony potencjał czynnościowy.
  • Łączenie potencjałów postsynaptycznych, które pojawiają się w różnych miejscach - ale w tym samym czasie nazywany sumowaniem przestrzennym.
  • Integracja potencjałów postsynaptycznych, które pojawiają się w tym samym miejscu, ale w nieco różnym czasie, nazywamy sumowaniem czasowym.
Przypuśćmy, że pobudzające synapsy są na końcach dwóch różnych dendrytów tego samego neuronu postsynaptycznego, jak pokazano poniżej. Żadna z synaps nie jest w stanie wytworzyć wystarczająco silnego EPSP, aby doprowadzić potencjał błonowy do progu pobudliwości we wzgórku aksonu - miejscu, gdzie powstaje potencjał czynnościowy (pokazano poniżej). Jeśli oba podprogowe EPSP występują w tym samym czasie, mogą jednak się sumować (dodać), aby ostatecznie doprowadzić potencjał błonowy do progu pobudliwości.
Obraz przedstawia sumowanie przestrzenne. Neuron posiada dwie synapsy na dwóch różnych dendrytach i obie są pobudzające. Żadna z synaps nie wytwarza wystarczająco dużego potencjału pobudzającego, EPSP, kiedy sygnalizuje generowanie potencjału czynnościowego we wzgórku aksonu - miejscu, gdzie akson łączy się z ciałem komórki i gdzie potencjał czynnościowy jest wzbudzany. Jednakże, kiedy synapsa wzbudza się prawie w tym samym czasie, EPSP sumuje się, aby wytworzyć depolaryzację powyżej progu pobudliwości, i tak powstaje potencjał czynnościowy.
Proces ten pokazano na wykresie napięcia (na osi Y - napięcie (mV) a na osi X - czas (ms). Wykres opisuje potencjał błonowy (napięcie) we wzgórku aksonu. Początkowo wynosi ono -70 mV, czyli potencjał spoczynkowy. Później, jedna z synaps ulega wzbudzeniu, co powoduje niewielką depolaryzację do -60 mV. Nie jest to wystarczające do przekroczenia progu -55 mV. Jednakże chwilkę później inna synapsa ulega pobudzeniu i "dołącza się" do pierwszej depolaryzacji, co skutkuje łączną depolaryzacją osiągającą -55 mV i osiągnięciem potencjału czynnościowego - depolaryzacji do +40 mV a następnie repolaryzacji i hiperpolaryzacji do -90 mV i stopniowemu powrotowi do -70 mV, czyli potencjału spoczynkowego.
Obraz na podstawie: Komunikacja między neuronami: ryc. 2 OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0 i Potencjał czynnościowy autorstwa tiZom, CC BY-SA 3.0; zmieniony obraz jest na licencji CC BY-SA 3.0.
Z drugiej strony, jeśli IPSP zachodzi razem z dwoma EPSP, może on przeciwdziałać osiągnięciu progu pobudliwości przez potencjał błonowy i zapobiec wzbudzeniu potencjału czynnościowego w neuronie. Są to przykłady sumowania przestrzennego.
A co z sumowaniem czasowym? Kluczowym punktem jest to, że potencjały postsynaptyczne nie są chwilowe: natomiast mogą trwać przez chwilę zanim ulegną rozproszeniu. Jeśli neuron presynaptyczny zostanie szybko dwukrotnie wzbudzony, dając dwa EPSP, drugi EPSP może nastąpić zanim pierwszy zostanie rozproszony, podbijając potencjał błonowy powyżej progu pobudliwości. Jest to przykład sumowania czasowego.

Zakończenie sygnału

Synapsa może tylko działać skutecznie, jeśli istnieje sposób na "wyłączenie" sygnału, kiedy został wysłany. Zakończenie sygnału pozwala komórce postsynaptycznej na uzyskanie prawidłowego potencjału spoczynkowego i komórka staje się gotowa na nadejście kolejnego sygnału.
Kiedy sygnał się kończy, szczelina synaptyczna musi zostać oczyszczona z neuroprzekaźników. Istnieje na to kilka różnych sposobów. Neuroprzekaźniki mogą być zinaktywowane przez enzym, wychwycone zwrotnie przez neuron presynaptyczny lub mogą po prostu dyfundować. W niektórych przypadkach neuroprzekaźnik może także zostać "wymyty" przez okoliczne komórki glejowe - nie pokazano na poniższym schemacie.
Wychwyt zwrotny przez neuron presynaptyczny, rozkład enzymatyczny i wydyfundowanie z synapsy zmniejsza stężenie neuroprzekaźnika, kończąc sygnał.
Obraz na podstawie: Układ nerwowy, ryc. 9 OpenStax College, Biology, dostosowany przez Roberta Bear'a i Davida Rintoul'a, CC BY 4.0
Cokolwiek, co nakłada się z procesami, które kończą sygnał synaptyczny, może mieć ważny wpływ na fizjologię. Na przykład niektóre insektycydy zabijają owady poprzez blokadę enzymu, który rozkłada neuroprzekaźnik acetylocholinę. Z bardziej pozytywnej strony, leki, które zakłócają wychwyt zwrotny serotoniny (neuroprzekaźnik) w ludzkim mózgu , są wykorzystywane jeko antydepresanty, np. Prozac.1

Synapsy chemiczne są elastyczne

Jeśli przyswoiłeś informacje o potencjale czynnościowym, możesz pamiętać, że potencjał czynnościowy działa na zasadzie wszystko albo nic. To znaczy, że pojawia się albo na 100% swojej możliwości albo nie ma go w ogóle.
Z drugiej strony sygnalizacja synaptyczna jest dużo bardziej elastyczna. Na przykład neuron presynaptyczny może zwiększać lub zmniejszać ilość neuroprzekaźników, które uwalnia w odpowiedzi na pojawienie się potencjału czynnościowego. Podobnie komórka postsynaptyczna może zmieniać ilość receptorów na swojej błonie i to jak szybko odpowie na aktywację tych receptorów. Te zmiany mogą umacniać lub osłabiać komunikację w tej synapsie.
Komórki presynaptyczne i postsynaptyczne mogą dynamicznie zmieniać swoje zachowanie na podstawie ich wewnętrznego stanu lub wskazówek, które otrzymują od innych komórek. Ten rodzaj plastyczności, czyli zdolności do zmiany, sprawia, że synapsa jest kluczowym miejscem w regulacji połączeń neuronowych i odgrywa rolę w uczeniu się i pamięci. Plastyczność synaptyczna jest także obecna w uzależnieniach.
Co więcej, różne presynaptyczne i postsynaptyczne komórki wytwarzają różne neuroprzekaźniki i receptory dla nich, z różnymi interakcjami i różnie wpływają na komórkę postsynaptyczną. Po więcej informacji zajrzyj do artykułu o neuroprzekaźnikach i ich receptorach.

Synapsy elektryczne

U synaps elektrycznych, w przeciwieństwie do synaps chemicznych, jest bezpośrednie fizyczne połączenie pomiędzy neuronem presynaptycznym a postsynaptycznym. To połączenie ma formę kanału nazywanego połączeniem szczelinowym, która pozwala prądowi - jonom - płynąć bezpośrednio z jednej komórki do innej.
Synapsa elektryczna pokazująca komórkę presynaptyczną, szczelinę synaptyczną, komórkę postsynaptyczną i przepływ jonów dodatnich z komórki presynaptycznej do komórki postsynaptycznej.
Obraz na podstawie: Pereda2, Ryc. 1
Synapsy elektryczne przekazują sygnały szybciej niż synapsy chemiczne. Niektóre synapsy są i elektryczne i chemiczne. W tych synapsach, odpowiedzi elektryczne pojawiają się szybciej niż chemiczne.
Jakie są plusy synaps elektrycznych? Po pierwsze, są szybkie - co może być ważne, powiedzmy, w połączeniach neuronowych, które pomagają organizować ucieczkę przed drapieżnikiem. Także synapsy elektryczne pozwalają na zsynchronizowane działanie grup komórek. W wielu przypadkach mogą przewodzić w obu kierunkach, więc depolaryzacja neuronu postsynaptycznego prowadzi do depolaryzacji neuronu presynaptycznego. Ten fakt zmienia znaczenie słów presynaptyczny i postsynaptyczny!
Jakie są minusy synaps elektrycznych? W przeciwieństwie do synaps chemicznych, synapsy elektryczne nie mogą zmienić sygnału pobudzającego w jednym neuronie na hamujący w innym. Szerzej - nie mają wszechstronności, elastyczności i zdolności modulowania sygnału, jaką możemy obserwować u synaps chemicznych.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.