Нервный синапс: строение, типы и функции, роль в создании нейронной сети
Поскольку нейроны образуют сеть электрической активности, они каким-то образом должны быть связаны между собой. Эта связь не является простой частью цитоплазмы, каждый нейрон имеет электрическую связь со всеми другими, но связан не просто мембранными контактами. Передача информации осуществляется очень специализированными и сложными структурами, называемыми синапсами.
Синапс – это место, где два нейрона соединяются таким образом, что сигнал может передаваться от одной нервной клетки к другой.
Типичным и наиболее распространенным типом синапсов является тот, в котором аксон (длинный отросток) одного нейрона активирует второй нейрон, образуя синапс с одним из его дендритов или с телом клетки.
Что такое синапс: зачем они нейронам
Синапс – это место, где нейроны обмениваются информацией. Это не физический компонент клетки, а скорее название промежутка между двумя клетками:
- пресинаптической клеткой (отдающей сигнал)
- постсинаптической клеткой (принимающей сигнал).
В синапсе возможны два типа реакций – химическая или электрическая. Во время химической реакции биохимическое вещество, называемое нейротрансмиттером (передатчиком), выделяется из одной клетки в другую. В электрической реакции на заряд одной ячейки влияет заряд соседней ячейки. Электрический ответ нейрона распространяется на несколько синаптических входов, нейрон передает информацию окружающим.
Классификация синапсов
В межнейрональных синапсах возможны два типа реакций: химическая реакция или электрическая реакция. Соответственно, выделяют химические и электрические виды синапсов.
Во время химической реакции нейротрансмиттеры (например, ацетилхолин) помогают передавать информацию от клетки к клетке.
В электрической реакции на электрический заряд одной клетки влияет другая, соседняя, от которой поступает информация.
Хотя электрические синапсы вызывают более быстрые реакции, химические синапсы приводят к более сильным и сложным изменениям постсинаптической клетки. Например, холинергические синапсы помогают поддерживать когнитивные функции мозга (внимание, память).
Строение синапса
Все синапсы имеют несколько общих отделов:
специализированная область в аксоне дающей клетки, которая передает информацию дендриту принимающей клетки.
небольшое пространство в синапсе, которое принимает нейротрансмиттеры.
они воспринимают сигналы вне клетки и тем самым активируют работу самого нейрона.
рецепторы, которые открываются или закрываются в ответ на связывание нейротрансмиттера (например, ацетилхолина).
специализированная область в дендрите принимающей клетки, которая содержит рецепторы, предназначенные для обработки нейротрансмиттеров.
Механизм передачи информации: электрический синапс
Этапы электрической реакции в синапсе следующие:
Потенциал отдыха.
Если клетка не активна, с каждой стороны ее мембраны будет одинаковое количество отрицательных и положительных ионов. Причем, отрицательные (минусовые) ионы сконцентрированы внутри, положительные снаружи оболочки.
Деполяризация.
Поступающий сигнал приводит к изменению заряда на мембране, плюсовые ионы снаружи клетки через открывающиеся «дверцы» (ионные каналы) перетекают внутрь, из-за чего клетка возбуждается – меняется полярность – снаружи будет «минус», а внутри – «плюс». Этот процесс и передает сигнал от клетки к клетке.
Реполяризация.
Постепенно происходит обратный процесс – минусовые ионы возвращаются внутрь клетки, а плюсовые – на наружную часть.
Рефрактерная фаза.
Рефрактерная фаза - это короткий период времени после стадии реполяризации. Она нужна, чтобы клетка пришла в исходное состояние. Во время рефрактерной фазы конкретная область мембраны нервной клетки не может быть деполяризована; клетка не может быть возбуждена. Другими словами – она не передает новый сигнал.
Работа химического синапса
Особые свойства химических синапсов (например, ацетилхоинового) формируют другой принцип работы. Процесс химической реакции в синапсе имеет некоторые важные отличия от электрической реакции. Химические синапсы намного сложнее электрических, что делает их более медленными, но также позволяет им создавать более глобальные результаты. Так, они участвуют в двигательных актах, формировании когнитивных функциях.
Как и электрические реакции, работа химического синапса включают электрические модификации (смены плюса на минус и обратно) в области постсинаптической мембраны, но химические реакции также требуют для работы биохимических посредников, таких как нейротрансмиттеры. Разберем на примере ацетилхолинового синапса.
Основная химическая реакция в синапсе проходит несколько дополнительных этапов:
Потенциал действия (который возникает, как описано выше) проходит вдоль мембраны пресинаптической клетки, пока не достигнет синапса. Открываются специальные «дверцы», пропускающие только «плюсовые» ионы. Они проходят через пресинаптическую мембрану, быстро увеличивая свою концентрацию внутри.
Из-за накопления плюсовых ионов активируются белки, прикрепленные к везикулам (небольшие мембранные пузырьки, содержащие химический нейротрансмиттер – ацетилхолин). Эти белки изменяют форму, и открывают пузырьки, которые высвобождают ацетилхолин в синаптическую щель, узкое пространство между мембранами пре- и постсинаптических клеток.
Нейромедиатор проникает в щель. Он связывается с химическими рецепторными молекулами, расположенными на мембране постсинаптической клетки. Связывание нейромедиатора заставляет рецептор особым образом активироваться – возбуждаться (так как ацетилхолин возбуждающий медиатор).
Возможны несколько типов активации, в зависимости от того, какой нейромедиатор был выпущен. Бывают стимулирующие (возбуждающие) и тормозящие нейромедиаторы.
Глиатилин
После того, как ацетилхолин сделал свое дело, передал информацию к соседним клеткам, он либо всасывается обратно пресинаптической клеткой и переупаковывается для будущего высвобождения, либо метаболически расщепляется. То есть, с каждой передачей сигнала число ацетилхолина уменьшается. Чтобы синапсы работали без сбоев, организму нужно постоянное поступление холина. Если мозг работает усиленно, холина нужно еще больше. Поэтому, людям, которые испытывают большие умственные нагрузки, пережили инсульт или травмы мозга, стоит посоветовать препараты, которые пополняют запасы холина. Наиболее эффективным будет Глиатилин, он содержит. Это наиболее эффективный способ доставки холина в головной мозг.
Глиатилин - уникальный донатор ацетилхолина, который способен максимально сохранять ткань головного мозга в критический период. Это позволяет синапсам работать с максимальной отдачей.
Различия между электрическими и химическими синапсами
Электрические синапсы работают быстрее, чем химические, потому что рецепторам не нужно распознавать химические посланники. Синаптическая задержка для химического синапса обычно составляет около 2 миллисекунд, в то время как синаптическая задержка для электрического синапса может составлять около 0,2 миллисекунды. Поскольку электрические синапсы не связаны с нейротрансмиттерами, электрическая нейротрансмиссия меньше поддается модификации, чем химическая нейротрансмиссия. То есть, за счет электрических синапсов организм передает информацию быстро, но это самые простые данные. А за счет химических синапсов мозг обучается, формируется нейропластичность.
Нейронные сети
Нейронные сети состоят из ряда взаимосвязанных нейронов, образуют многочисленные синаптические связи и служат интерфейсом для нейронов, чтобы общаться друг с другом. Связи между нейронами образуют очень сложную сеть. Основными видами связи между нейронами являются химические синапсы и электрические щелевые соединения, посредством которых между нейронами передаются химические или электрические импульсы. Цепь, посредством которой нейроны взаимодействуют с соседними нейронами, обычно состоит из нескольких окончаний аксонов, соединяющихся через синапсы с дендритами других нейронов.
Если стимул создает достаточно сильный входной сигнал в нервной клетке, нейрон посылает потенциал действия и передает этот сигнал по своему аксону. Аксон нервной клетки отвечает за передачу информации на относительно большие расстояния, поэтому большинство нервных путей состоит из аксонов. Некоторые аксоны заключены в миелиновую оболочку, покрытую липидами, из-за чего они кажутся ярко-белыми; другие, у которых отсутствуют миелиновые оболочки (т.е. немиелинизированные), имеют более темный цвет, который обычно называют серым.
Нейроны взаимодействуют с другими нейронами, посылая сигнал или импульс вдоль своего аксона и через синапс к дендритам соседнего нейрона. Некоторые нейроны отвечают за передачу информации на большие расстояния.
Двигательные нейроны, которые перемещаются от спинного мозга к мышцам, у людей могут иметь аксоны длиной до метра. Самый длинный аксон в человеческом теле почти два метра в длину у высоких людей и проходит от большого пальца ноги до продолговатого мозга ствола мозга.
Сети, образованные взаимосвязанными группами нейронов, способны выполнять широкий спектр функций, включая обнаружение признаков, генерацию шаблонов и синхронизацию, запоминание, анализ и синтез информации. На самом деле сложно установить ограничения на типы обработки информации, которые могут выполняться нейронными сетями. Учитывая, что отдельные нейроны могут независимо генерировать сложные временные шаблоны активности, диапазон возможностей даже для небольших групп нейронов, находится за пределами нынешнего понимания. Однако мы знаем, что у нас есть нейронные сети, которые мы должны благодарить за большую часть наших когнитивных функций.
