Нейрофизиологические и молекулярно-ионные основы процессов возбуждения и торможения в центральной нервной системе

Фундаментальная роль возбуждения и торможения в ЦНС

Деятельность центральной нервной системы (ЦНС) — это сложнейший симфонический процесс, где сознание, движение, эмоции и память рождаются из непрерывного взаимодействия двух фундаментальных клеточных явлений: возбуждения и торможения. Нейроны, являясь базовыми структурными и функциональными единицами ЦНС, не существуют в состоянии изолированного покоя; они постоянно подвергаются бомбардировке тысячами синаптических сигналов, которые, в конечном счете, определяют судьбу клетки — генерировать ли потенциал действия (ПД) или оставаться неактивной. При этом важно понимать, что именно координация этих двух полярных сил обеспечивает анализ и синтез информации, формирование адекватных поведенческих реакций и, что критически важно, ограничивает чрезмерное возбуждение, предотвращая эпилептиформный хаос.

На клеточном уровне интегративная функция нейрона заключается в алгебраическом сложении поступающих сигналов. Эти сигналы представлены двумя противоположными типами локальных мембранных потенциалов:

1. Возбуждающий Постсинаптический Потенциал (ВПСП, EPSP): Локальное, кратковременное изменение электрических свойств постсинаптической мембраны, характеризующееся деполяризацией (смещением мембранного потенциала к нулю). ВПСП повышает возбудимость нейрона, приближая его к критическому уровню деполяризации (КУД) и увеличивая вероятность генерации ПД.
2. Тормозной Постсинаптический Потенциал (ТПСП, IPSP): Локальное изменение мембранного потенциала, которое приводит либо к гиперполяризации (смещению потенциала дальше от нуля), либо к стабилизации мембраны (шунтированию). ТПСП снижает возбудимость клетки, отдаляя потенциал от КУД и препятствуя возникновению ПД.

Патофизиологическое значение синаптического торможения

Роль торможения в нейрофизиологии не менее важна, чем роль возбуждения; оно служит не только «предохранителем», но и инструментом точной координации. Патофизиологические исследования убедительно доказывают, что нарушение синаптического торможения приводит к катастрофическим последствиям.

Например, столбнячный токсин, вырабатываемый Clostridium tetani, имеет высокую аффинность к синапсам тормозных интернейронов в спинном мозге. Он проникает в пресинаптическое окончание и расщепляет белки SNARE-комплекса (синаптобревин), блокируя высвобождение тормозных медиаторов — глицина и ГАМК. Снятие синаптического торможения приводит к неконтролируемой, широкой иррадиации возбуждения, что клинически проявляется генерализованными мышечными судорогами (тетанией). Аналогичный эффект, хотя и с другим механизмом действия, наблюдается при использовании бикукуллина — антагониста ГАМК_A-рецепторов, который напрямую блокирует ионотропный хлорный канал, тем самым устраняя ключевой механизм постсинаптического торможения. И что из этого следует? Подавление даже одного механизма торможения немедленно лишает нейронную сеть способности к саморегуляции, делая ее крайне уязвимой к патологическому гипервозбуждению.

Ионные механизмы генерации возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП)

Генерация ВПСП — это классический пример работы химического синапса. Процесс начинается, когда возбуждающий нейромедиатор (например, глутамат), высвобожденный из пресинаптического окончания, связывается со специфическими ионотропными рецепторами (лиганд-зависимыми ионными каналами) постсинаптической мембраны.

Связывание медиатора вызывает немедленное открытие этих каналов, которые в возбуждающих синапсах проницаемы для положительно заряженных ионов (катионов), в первую очередь для ионов натрия (Na⁺) и калия (K⁺). Это приводит к возникновению локального ионного тока, формирующего ВПСП.

Роль натрия, калия и равновесного потенциала ВПСП

Открывшиеся каналы позволяют ионам двигаться через мембрану в соответствии с их электрохимическими градиентами.

1. Движение Na⁺: Ионы натрия, обладающие сильным электрохимическим градиентом (как концентрационным — высокая внеклеточная концентрация, так и электрическим — отрицательный внутриклеточный потенциал), устремляются внутрь клетки. Входящий ток Na⁺ вызывает деполяризацию.
2. Движение K⁺: Ионы калия, напротив, выходят из клетки, стремясь к своему равновесному потенциалу (E_K ≈ -90 мВ). Выходящий ток K⁺ оказывает стабилизирующее или реполяризующее действие.

Несмотря на то, что каналы проницаемы для обоих ионов, чистый входящий ток Na⁺ преобладает. Это связано с тем, что при потенциале покоя нейрона (от -60 мВ до -80 мВ) движущая сила для Na⁺ (равновесный потенциал E_Na ≈ +55 мВ) значительно больше, чем движущая сила для K⁺. Эта разница в градиентах приводит к тому, что результирующий ток является входящим, вызывая локальную деполяризацию — ВПСП.

Ион	Концентрация	Равновесный потенциал (E)	Направление тока при -70 мВ	Влияние на мембрану
Na⁺	Высокая внешняя	≈ +55 мВ	Входящий	Деполяризация (возбуждение)
K⁺	Высокая внутренняя	≈ -90 мВ	Выходящий	Гиперполяризация (торможение)

Потенциал, при котором чистый ионный ток через синаптический канал равен нулю, называется потенциалом реверсии (E_rev). Для ВПСП, опосредованного смешанным током Na⁺ и K⁺, E_rev составляет приблизительно 0 мВ. Поскольку потенциал покоя нейрона (например, -70 мВ) находится значительно ниже этого потенциала реверсии, входящий ток преобладает, вызывая деполяризацию. Что, однако, важно для понимания интеграции, так это то, что сформированный ВПСП является локальным потенциалом: он распространяется к аксонному холмику электротонически (пассивно), с затуханием, и его амплитуда уменьшается по мере удаления от синапса. Если суммарная деполяризация достигнет КУД в триггерной зоне, генерируется распространяющийся ПД.

Ионные механизмы генерации тормозного постсинаптического потенциала (ТПСП)

Тормозной Постсинаптический Потенциал (ТПСП) — это результат действия тормозных медиаторов (ГАМК, глицин), которые, связываясь с рецепторами, увеличивают проницаемость мембраны для ионов, стабилизирующих или гиперполяризующих клетку. Существуют два основных ионных механизма формирования ТПСП: хлорный и калиевый.

Механизм, опосредованный ионами хлора (Cl⁻)

Это наиболее распространенный механизм постсинаптического торможения в ЦНС, опосредованный ионотропными рецепторами, такими как ГАМК_A (в головном мозге) и глициновые рецепторы (преимущественно в спинном мозге).

При связывании медиатора происходит немедленное открытие лиганд-зависимых Cl⁻-каналов. Поскольку внеклеточная концентрация Cl⁻ значительно выше внутриклеточной, ионы хлора поступают в клетку по концентрационному градиенту.

Эффект шунтирования: В зрелых нейронах равновесный потенциал для ионов Cl⁻ (E_Cl) составляет примерно -75 мВ, что очень близко к потенциалу покоя (например, -70 мВ). Входящий ток Cl⁻ не всегда вызывает заметную гиперполяризацию. Главный механизм торможения здесь — шунтирование (от англ. shunting). Увеличение проницаемости для Cl⁻ резко снижает сопротивление мембраны. Это эффективно «заземляет» мембрану, жестко фиксируя ее потенциал вблизи E_Cl, и тем самым снижает способность ВПСП деполяризовать клетку до КУД. Другими словами, тормозной сигнал «коротит» возбуждающий ток.

Механизм, опосредованный ионами калия (K⁺)

Этот механизм часто опосредуется метаботропными рецепторами (например, ГАМК_B) и приводит к четкой гиперполяризации.

Активация таких рецепторов запускает внутриклеточный каскад, который приводит к открытию K⁺-каналов. Поскольку концентрация K⁺ внутри клетки высока, а равновесный потенциал составляет ≈ -90 мВ, открытие каналов вызывает выход K⁺ из клетки. Выходящий ток положительно заряженных ионов приводит к увеличению отрицательного заряда внутри клетки, то есть к гиперполяризации. Это отдаляет мембранный потенциал от КУД, делая нейрон значительно менее возбудимым.

Основные нейромедиаторы и типы рецепторов, определяющие синаптический ответ

Химическая природа синаптической передачи определяется спецификой нейромедиаторов и их рецепторов. Главным возбуждающим медиатором в ЦНС является глутаминовая кислота (глутамат), а главными тормозными — гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и глицин.

Тип действия	Основные медиаторы	Ионотропные рецепторы	Метаботропные рецепторы	Ионный механизм
Возбуждение	Глутамат	AMPA, NMDA, Каинатные	mGluR	Na⁺ (вход), K⁺ (выход)
Торможение	ГАМК, Глицин	ГАМКA, Глициновые	ГАМКB	Cl⁻ (вход) или K⁺ (выход)

Ионотропные vs. Метаботропные рецепторы

Синаптические ответы классифицируются по скорости и механизму действия рецепторов:

1. Ионотропные рецепторы — это лиганд-зависимые ионные каналы. Они обеспечивают быстрый синаптический ответ, поскольку их открытие происходит немедленно после связывания медиатора. Примеры включают AMPA- и NMDA-рецепторы для глутамата (ВПСП) и ГАМК_A-рецепторы для ГАМК (ТПСП через Cl⁻-каналы).
2. Метаботропные рецепторы — не являются ионными каналами напрямую. Они связаны с G-белками и запускают внутриклеточные сигнальные каскады, которые могут опосредованно модулировать ионные каналы или клеточный метаболизм.

Глубинное раскрытие метаботропного торможения (ГАМК_B)

Метаботропные ГАМК_B-рецепторы играют ключевую роль в генерации медленного, длительного ТПСП. Они представляют собой гетеродимерные рецепторы, сопряженные с G-белками.

При активации ГАМК_B связыванием ГАМК, G-белок диссоциирует. βγ-субъединица этого G-белка перемещается и напрямую или опосредованно связывается с потенциал-независимыми K⁺-каналами. Открытие этих каналов приводит к выходу K⁺ из клетки и, как следствие, к генерации длительной гиперполяризации. Почему этот механизм важен? Потому что пролонгированное тормозное действие (до сотен миллисекунд), обеспечиваемое ГАМК_B, позволяет модулировать общую возбудимость целой нейронной сети, а не только мгновенный ответ.

Виды синаптического торможения: Постсинаптическое и Пресинаптическое

Нейронные цепи используют два принципиально разных способа для подавления активности:

Постсинаптическое торможение

Этот тип является наиболее распространенным. Тормозные интернейроны формируют синапсы непосредственно на соме или дендритах постсинаптической клетки. Механизм действия заключается в генерации ТПСП (через Cl⁻ или K⁺), который напрямую снижает возбудимость постсинаптической мембраны.

Ключевая особенность: Постсинаптическое торможение ослабляет возбудимость всего нейрона, независимо от того, по какому возбуждающему пути приходит сигнал. Оно является неселективным.

Механизм пресинаптического торможения и роль Ca²⁺-каналов

Пресинаптическое торможение осуществляется через аксо-аксональные синапсы, образованные тормозными вставочными нейронами на пресинаптических окончаниях возбуждающих нейронов.

Ключевая особенность: Пресинаптическое торможение является селективным, так как оно блокирует высвобождение медиатора только в одном, конкретном возбуждающем синапсе, оставляя другие входы к нейрону незатронутыми.

Молекулярный механизм: Тормозной медиатор (чаще всего ГАМК, действующий на ГАМК_B-рецепторы) выделяется в аксо-аксональный синапс. Активация ГАМК_B-рецепторов на мембране возбуждающего пресинаптического окончания запускает G-белковый каскад. Этот каскад приводит к прямому ингибированию (закрытию) потенциал-зависимых Ca²⁺-каналов.

В норме при приходе ПД вход Ca²⁺ в пресинаптическое окончание служит триггером для высвобождения возбуждающего медиатора. Блокирование Ca²⁺-каналов уменьшает или предотвращает приток Ca²⁺, что, в свою очередь, резко снижает количество высвобождаемого возбуждающего медиатора в синаптическую щель. Это явление называется Первичная Афферентная Деполяризация (ППА), поскольку активация ГАМК-рецепторов иногда вызывает небольшую деполяризацию пресинаптического окончания, но его главный эффект — подавление высвобождения медиатора — обусловлен именно ингибированием Ca²⁺-каналов. Разве не удивительно, что цепь может выборочно «отключить» один канал передачи, не затрагивая остальные?

Синаптическая интеграция: Пространственная и временная суммация

Интегративная функция нейрона — это процесс, посредством которого клетка «суммирует» все входящие возбуждающие (ВПСП) и тормозные (ТПСП) сигналы, чтобы принять решение: генерировать или не генерировать потенциал действия. Поскольку одиночный ВПСП, как правило, подпороговый (1–5 мВ, при необходимости деполяризации на 10–20 мВ для достижения КУД), для возбуждения нейрона необходима суммация.

Законы пространственной и временной суммации

Пространственная суммация (Spatial Summation) происходит, когда несколько подпороговых ВПСП (и/или ТПСП) приходят к нейрону одновременно по разным афферентным путям. Эти локальные потенциалы, распространяясь электротонически по соме и дендритам, достигают аксонного холмика и складываются. Если сумма этих одновременно пришедших сигналов превышает КУД, возникает ПД.

Временная суммация (Temporal Summation) возникает, когда серия подпороговых импульсов приходит по одному и тому же афферентному пути с высокой частотой. Для эффективности этого процесса важно, чтобы последующий импульс прибыл до того, как предшествующий ВПСП или ТПСП полностью затухнет.

Эффективность временной суммации напрямую зависит от постоянной времени ($\tau$) мембраны нейрона. Постоянная времени описывает, как быстро мембранный потенциал возвращается к потенциалу покоя после изменения. В большинстве нейронов $\tau$ составляет 5–10 мс. Если интервал между последовательными импульсами меньше $\tau$, ВПСП наслаиваются друг на друга, вызывая кумулятивную деполяризацию.

Итоговый потенциал на аксонном холмике, который определяет, будет ли сгенерирован ПД, может быть описан как алгебраическая сумма всех влияний:

Результирующий Потенциал = Потенциал Покоя + Σ(ВПСП) - Σ(ТПСП)

Аксонный холмик как триггерная зона

Критическим местом синаптической интеграции является аксонный холмик (зона инициации аксона), который функционирует как триггерная зона для генерации ПД. Это обусловлено двумя факторами:

1. Высокая плотность Na⁺-каналов: Мембрана аксонного холмика имеет самую высокую плотность потенциал-зависимых Na⁺-каналов по сравнению с сомой или дендритами.
2. Низкий КУД: Из-за высокой плотности каналов Критический Уровень Деполяризации (КУД) на аксонном холмике на 5–10 мВ ниже, чем на других участках нейрона. Это означает, что для запуска ПД требуется меньшая деполяризация.

Таким образом, даже если результирующий потенциал на соме недостаточен для возбуждения, он может быть достаточен для запуска ПД на более чувствительном аксонном холмике. Эффективность тормозных синапсов часто максимизируется их расположением на соме, близко к триггерной зоне, что позволяет им максимально эффективно противодействовать (шунтировать) возбуждающим сигналам, приходящим со всех дендритов.

Заключение

Нейрофизиологические процессы возбуждения и торможения в центральной нервной системе представляют собой неразрывное единство, лежащее в основе всей интегративной функции нейрона. Возбуждающие (ВПСП) и тормозные (ТПСП) потенциалы являются элементарными кирпичиками нейронной активности, а их алгебраическое сложение (пространственная и временная суммация) на уровне аксонного холмика определяет выходной сигнал клетки.

Понимание ионных механизмов, в частности, критической роли смешанного Na⁺/K⁺ тока, определяющего потенциал реверсии ВПСП (0 мВ), и двойного механизма ТПСП (через Cl⁻ для шунтирования и через K⁺ для гиперполяризации), а также специфики рецепторов (AMPA, NMDA, ГАМК_A, ГАМК_B), является обязательным для освоения физиологии ЦНС.

Детальный анализ механизмов синаптической интеграции, включая зависимость временной суммации от постоянной времени мембраны и селективное ингибирование выброса медиатора через пресинаптическое торможение (Ca²⁺-каналы), подтверждает высокую степень сложности и тонкости регуляции нейронных цепей. Нарушения в этом балансе, как показывает пример столбнячного токсина, могут приводить к тяжелым неврологическим расстройствам, что подчеркивает критическую важность процессов торможения для нормального функционирования организма и его способности к адаптации.

Список использованной литературы

1. Данилова Н.Н. Физиология высшей нервной деятельности : учебник / Н.Н. Данилова, А.Л. Крылова. — М.: Учебная литература, 1997. — 432 с.
2. Зайчик А.Ш. Основы общей патофизиологии. Т. 1 : учебник / А.Ш. Зайчик, Л.П. Чурилов. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2006. — 516 с.
3. Крутецкая З.И. Механизмы внутриклеточной сигнализации / З.И. Крутецкая, О.Е. Лебедев, Л.С. Курилова. – СПб: Изд-во С.-Петерб. гос. ун-та, 2003. – 383 с.
4. Покровский В.М. Физиология человека. Т. 1 : учебник / В.М. Покровский, Г.Ф. Коротько. — М.: Медицина, 1997. — 448 с.
5. Судаков К.В. Физиология: основы и функциональные системы. Курс лекций / К.В. Судаков. – М.: Медицина, 2000. – 421 с.
6. Ткаченко Б.И. Нормальная физиология человека : учебник / Б.И. Ткаченко. – М.: Медицина, 2005. – 928 с.
7. Физиология человека : в 3 т. Т. 1 / Р. Шмидт, Г. Тевс; пер. с англ. — 3-е изд. – М.: Мир, 2005. – 323 с.
8. Schmidt R.F. Presynaptic inhibition in the vertebrate central nervous system / R.F. Schmidt // Ergebn. Physiol. – Berlin – Heideberg – New York: Springer Verlag, 1971. – Vol. 63.
9. Смирнов В. М. Физиология центральной нервной системы : учеб. пособие / В. М. Смирнов, Д. С. Свешников, В. Н. Яковлев. – 4-е изд. – 2006.
10. Зерчанинова Е.И. Основы физиологии центральной нервной системы / Е.И. Зерчанинова, В.В. Евдокимов // II Медицинский Вестник. – 2010.
11. Тель Л.З. Нормальная физиология : учебник / Л.З. Тель, Н.А. Агаджанян. – 2021.
12. Учебное пособие ДГМУ (по физиологии ЦНС, включает механизмы ВПСП/ТПСП, ГАМК/Глицин).