Тормозной постсинаптический потенциал - Inhibitory postsynaptic potential

Ингибирующий постсинаптический потенциал ( ТПСП ) является своим родом синаптического потенциала , что делает постсинаптической нейрон менее вероятно , чтобы генерировать потенциал действия . Впервые IPSP были исследованы на моторных нейронах Дэвидом П.К. Ллойдом, Джоном Экклсом и Родольфо Ллинасом в 1950-х и 1960-х годах. Противоположность тормозного постсинаптического потенциала является возбуждающим постсинаптическим потенциалом (ВПСП), который представляет собой синаптический потенциал , который делает постсинаптический нейрон более вероятно , чтобы генерировать потенциал действия. IPSP могут иметь место во всех химических синапсах, которые используют секрецию нейротрансмиттеров для создания межклеточной передачи сигналов. Тормозящие пресинаптические нейроны высвобождают нейротрансмиттеры, которые затем связываются с постсинаптическими рецепторами ; это вызывает изменение проницаемости постсинаптической нейрональной мембраны для определенных ионов. Генерируется электрический ток, который изменяет потенциал постсинаптической мембраны, чтобы создать более отрицательный постсинаптический потенциал , то есть потенциал постсинаптической мембраны становится более отрицательным, чем потенциал мембраны покоя, и это называется гиперполяризацией . Чтобы генерировать потенциал действия, постсинаптическая мембрана должна деполяризоваться - мембранный потенциал должен достигать порогового значения напряжения, более положительного, чем мембранный потенциал покоя. Следовательно, гиперполяризация постсинаптической мембраны снижает вероятность того, что деполяризация произойдет в достаточной степени, чтобы генерировать потенциал действия в постсинаптическом нейроне.

Деполяризация также может происходить из-за IPSP, если обратный потенциал находится между порогом покоя и порогом потенциала действия . Другой способ взглянуть на тормозящие постсинаптические потенциалы состоит в том, что они также представляют собой изменение хлоридной проводимости в нейрональной клетке, поскольку это снижает движущую силу. Это связано с тем, что если нейротрансмиттер, высвобождаемый в синаптическую щель, вызывает увеличение проницаемости постсинаптической мембраны для ионов хлорида , связываясь с лиганд-управляемыми ионными каналами хлорида и заставляя их открываться, то ионы хлора, которые находятся в большей концентрации в синаптическая щель, диффундирует в постсинаптический нейрон. Поскольку это отрицательно заряженные ионы, возникает гиперполяризация, что снижает вероятность генерации потенциала действия в постсинаптическом нейроне. Микроэлектроды можно использовать для измерения постсинаптических потенциалов возбуждающих или тормозных синапсов.

В общем, постсинаптический потенциал зависит от типа и комбинации рецепторного канала, обратного потенциала постсинаптического потенциала, порогового напряжения потенциала действия , ионной проницаемости ионного канала, а также от концентраций ионов внутри и вне клетки. ; это определяет, является ли он возбуждающим или тормозящим. IPSP всегда хотят, чтобы мембранный потенциал был более отрицательным, чем порог потенциала действия, и это можно рассматривать как «переходную гиперполяризацию».

ВПСП и IPSP конкурируют друг с другом в многочисленных синапсах нейрона. Это определяет, регенерирует ли потенциал действия на пресинаптическом окончании на постсинаптической мембране. Некоторыми распространенными нейротрансмиттерами, участвующими в IPSP, являются ГАМК и глицин .

Блок-схема, описывающая, как тормозящий постсинаптический потенциал работает от высвобождения нейромедиатора до суммирования

Компоненты

Типы

Эти системные IPSP могут быть временно суммированы с подпороговыми или надпороговыми EPSP для уменьшения амплитуды результирующего постсинаптического потенциала. Эквивалентные EPSP (положительные) и IPSP (отрицательные) при суммировании могут нейтрализовать друг друга. Баланс между EPSP и IPSP очень важен для интеграции электрической информации, производимой тормозными и возбуждающими синапсами.

График, отображающий EPSP, IPSP и сумму EPSP и IPSP. Когда эти два значения суммируются, потенциал все еще ниже порогового значения потенциала действия.

Факторы

Размер нейрона также может влиять на тормозной постсинаптический потенциал. Простое временное суммирование постсинаптических потенциалов происходит в меньших нейронах, тогда как в более крупных нейронах большее количество синапсов и ионотропных рецепторов, а также большее расстояние от синапса до сомы позволяет продлить взаимодействия между нейронами.

Тормозящие молекулы

ГАМК - очень распространенный нейротрансмиттер, используемый в IPSP в мозге и сетчатке взрослых млекопитающих. Рецепторы ГАМК представляют собой пентамеры, обычно состоящие из трех различных субъединиц (α, β, γ), хотя существуют несколько других субъединиц (δ, ε, θ, π, ρ) и конформации. Открытые каналы избирательно проницаемы для ионов хлора или калия (в зависимости от типа рецептора) и позволяют этим ионам проходить через мембрану. Если электрохимический потенциал иона более отрицательный, чем у порога потенциала действия, то результирующее изменение проводимости, которое происходит из-за связывания ГАМК с его рецепторами, сохраняет постсинаптический потенциал более отрицательным, чем порог, и снижает вероятность постсинаптического нейрона. завершение потенциала действия. Молекулы и рецепторы глицина работают во многом одинаково в спинном мозге, головном мозге и сетчатке.

Тормозящие рецепторы

Есть два типа тормозных рецепторов:

Ионотропные рецепторы

Ионотропные рецепторы (также известные как ионные каналы, управляемые лигандами) играют важную роль в подавлении постсинаптических потенциалов. Нейромедиатор связывается с внеклеточным сайтом и открывает ионный канал, состоящий из домена, охватывающего мембрану, который позволяет ионам проходить через мембрану внутри постсинаптической клетки. Этот тип рецептора производит очень быстрые постсинаптические действия в течение нескольких миллисекунд после того, как пресинаптический терминал получает потенциал действия. Эти каналы влияют на амплитуду и ход постсинаптических потенциалов в целом. Ионотропные рецепторы ГАМК используются для связывания различных лекарств, таких как барбитураты ( фенобарбитал , пентобарбитал ), стероиды и пикротоксин . Бензодиазепины (валиум) связываются с α- и γ-субъединицами рецепторов ГАМК, улучшая передачу сигналов ГАМК. Алкоголь также модулирует ионотропные рецепторы ГАМК.

Метаботропные рецепторы

Метаботропные рецепторы , часто рецепторы , связанные с G-белком, не используют ионные каналы в своей структуре; вместо этого они состоят из внеклеточного домена, который связывается с нейротрансмиттером, и внутриклеточного домена, который связывается с G-белком . Это начинает активацию G-белка, который затем освобождается от рецептора и взаимодействует с ионными каналами и другими белками, открывая или закрывая ионные каналы через внутриклеточные мессенджеры. Они вызывают медленные постсинаптические ответы (от миллисекунд до минут) и могут быть активированы вместе с ионотропными рецепторами для создания как быстрых, так и медленных постсинаптических потенциалов в одном конкретном синапсе. Метаботропные рецепторы ГАМК, гетеродимеры субъединиц R1 и R2, используют калиевые каналы вместо хлорида. Они также могут блокировать каналы ионов кальция, чтобы гиперполяризовать постсинаптические клетки.

Значение

Есть много применений тормозных постсинаптических потенциалов в реальном мире. Лекарства, влияющие на действие нейромедиатора, могут лечить неврологические и психологические расстройства с помощью различных комбинаций типов рецепторов, G-белков и ионных каналов в постсинаптических нейронах.

Например, проводятся исследования по снижению чувствительности опиоидных рецепторов к опосредованным рецепторам и перемещению в голубое пятно головного мозга. Когда высокая концентрация агониста применяется в течение длительного времени (пятнадцать минут или более), гиперполяризация достигает пика, а затем уменьшается. Это важно, потому что это прелюдия к толерантности; Чем больше опиоидов необходимо для снятия боли, тем выше переносимость пациента. Эти исследования важны, потому что они помогают нам больше узнать о том, как мы справляемся с болью и о нашей реакции на различные вещества, которые помогают лечить боль. Изучая нашу терпимость к боли, мы можем разработать более эффективные лекарства для лечения боли.

Кроме того, проводятся исследования в области дофаминовых нейронов вентральной тегментальной области, которая связана с вознаграждением, и черной субстанции, которая связана с движением и мотивацией. Метаботропные реакции возникают в дофаминовых нейронах за счет регуляции возбудимости клеток. Опиоиды подавляют высвобождение ГАМК; это уменьшает степень торможения и позволяет им самопроизвольно срабатывать. Морфин и опиоиды относятся к тормозящим постсинаптическим потенциалам, потому что они вызывают растормаживание в дофаминовых нейронах.

IPSP также можно использовать для изучения характеристик ввода-вывода тормозящего синапса переднего мозга, используемых для дальнейшего изучения усвоенного поведения - например, в исследовании обучения пению птиц в Вашингтонском университете. Пуассоновские последовательности унитарных IPSP индуцировались с высокой частотой для воспроизведения постсинаптического всплеска в медиальной части дорсалатерального таламического ядра без каких-либо дополнительных возбуждающих сигналов. Это показывает избыток таламической ГАМКергической активации. Это важно, потому что время пиков необходимо для правильной локализации звука в восходящих слуховых путях. Певчие птицы используют ГАМКергические синаптические окончания чашечек и кальциклоподобный синапс, так что каждая клетка в дорсалатеральном таламическом ядре получает не более двух окончаний аксонов от базальных ганглиев для создания больших постсинаптических потоков.

Тормозящие постсинаптические потенциалы также используются для изучения базальных ганглиев амфибий, чтобы увидеть, как двигательная функция модулируется посредством ее тормозных выходов из полосатого тела в тектум и покрышку. Визуально управляемое поведение можно регулировать посредством тормозящего стриато-тегментального пути, обнаруженного у земноводных в исследовании, проведенном в Медицинском колледже Бейлора и Китайской академии наук. Базальные ганглии у земноводных очень важны для получения визуальных, слуховых, обонятельных и механических сенсорных сигналов; растормаживающий стриато-протектотектальный путь важен для ловли добычи у амфибий. Когда ипсилатеральное полосатое тело взрослой жабы электрически стимулировалось, в бинокулярных тегментальных нейронах индуцировались тормозные постсинаптические потенциалы, что влияло на зрительную систему жабы.

Исследования

Тормозящие постсинаптические потенциалы могут подавляться сами по себе посредством процесса передачи сигналов, называемого « деполяризованно-индуцированное подавление ингибирования (DSI)» в пирамидных клетках CA1 и клетках Пуркинье мозжечка. В лабораторных условиях ступенчатая деполяризация сомы использовалась для создания DSI, но это также может быть достигнуто за счет синаптической деполяризации дендритов. DSI могут блокироваться антагонистами ионных каналов ионотропных рецепторов на соматах и ​​проксимальных апикальных дендритах пирамидных клеток CA1. Постсинаптические потенциалы торможения дендритов могут быть сильно уменьшены с помощью DSI посредством прямой деполяризации.

Таким образом, тормозящие постсинаптические потенциалы полезны в передаче сигналов от обонятельной луковицы к обонятельной коре . ВПСП усиливаются за счет постоянной проводимости ионов натрия во внешних тафтинговых клетках . Низковольтная проводимость активированных ионов кальция увеличивает даже большие EPSP. Гиперполяризации активированных неселективная катиона проводимости уменьшается ВПСП суммирования и продолжительность , и они также изменяют ингибирующие входы в постсинаптическое возбуждение. IPSP вступают в игру, когда мембраны тафтинговых клеток деполяризованы, и IPSP затем вызывают ингибирование. На пороге покоя IPSP индуцируют потенциалы действия. ГАМК отвечает за большую часть работы IPSP во внешних тафтинговых ячейках.

Другое интересное исследование тормозных постсинаптических потенциалов рассматривает колебания тета-ритма нейронов, которые можно использовать для представления электрофизиологических явлений и различных форм поведения. Тета-ритмы обнаруживаются в гиппокампе, и ГАМКергическое синаптическое торможение помогает их модулировать. Они зависят от IPSP и запускаются либо в CA3 мускариновыми рецепторами ацетилхолина, либо в пределах C1 путем активации метаботропных рецепторов глутамата группы I. Когда интернейроны активируются метаботропными рецепторами ацетилхолина в области CA1 срезов гиппокампа крысы, тета-паттерн IPSP в пирамидных клетках возникает независимо от входного сигнала. Это исследование также изучает DSI, показывая, что DSI прерывают метаботропный ритм , инициированный ацетилхолином, посредством высвобождения эндоканнабиноидов. Эндоканнабиноид-зависимый механизм может нарушать тета-IPSP за счет потенциалов действия, доставляемых в виде импульсной последовательности или короткой последовательности. Кроме того, активация метаботропных рецепторов глутамата устраняет любую активность тета-IPSP через G-белок, независимый от ионов кальция путь.

Тормозящие постсинаптические потенциалы также изучались в клетке Пуркинье посредством дендритной амплификации. Исследование было сосредоточено на распространении IPSP вдоль дендритов и его зависимости от ионотропных рецепторов путем измерения амплитуды и динамики тормозящего постсинаптического потенциала. Результаты показали, что как комплексные, так и единичные ингибирующие постсинаптические потенциалы усиливаются дендритными ионными кальциевыми каналами. Ширина соматического IPSP не зависит от расстояния между сомой и синапсом, тогда как время подъема увеличивается с этим расстоянием. Эти IPSP также регулируют тета-ритмы в пирамидных клетках. С другой стороны, тормозящие постсинаптические потенциалы деполяризуют и иногда возбуждают незрелые спинномозговые нейроны млекопитающих из-за высоких концентраций внутриклеточного хлорида через ионотропные каналы ГАМК или хлорида глицина. Эти деполяризации активируют зависимые от напряжения кальциевые каналы. Позже по мере взросления млекопитающего они становятся гиперполяризованными. В частности, у крыс это созревание происходит в перинатальный период, когда проекты ствола мозга достигают поясничного расширения. Нисходящие модулирующие входы необходимы для перехода от деполяризующих к гиперполяризующим тормозным постсинаптическим потенциалам. Это было изучено с помощью полных пересечений спинного мозга при рождении крыс и регистрации IPSP из мотонейронов поясницы в конце первой недели после рождения.

Глутамат , возбуждающий нейромедиатор, обычно связан с возбуждающими постсинаптическими потенциалами при синаптической передаче. Однако исследование, проведенное в Институте Воллума при Орегонском университете медицинских наук, показывает, что глутамат также может использоваться для индукции тормозных постсинаптических потенциалов в нейронах. Это исследование объясняет, что метаботропные рецепторы глутамата содержат активированные G-белки в дофаминовых нейронах, которые вызывают гидролиз фосфоинозитида. Полученные продукты связываются с рецепторами инозитолтрифосфата (IP3) через каналы ионов кальция. Кальций поступает из запасов и активирует калиевую проводимость, что вызывает полное торможение дофаминовых клеток. Изменяющиеся уровни синаптически высвобождаемого глутамата создают возбуждение за счет активации ионотропных рецепторов с последующим ингибированием метаботропных рецепторов глутамата.

Смотрите также

использованная литература