Суммирование (нейрофизиология) - Summation (neurophysiology)

Основные способы взаимодействия нейронов друг с другом при преобразовании ввода в вывод

Суммирование, который включает в себя как пространственное, так и временное суммирование, - это процесс, который определяет, является ли потенциал действия будет генерироваться комбинированным воздействием возбуждающий и тормозящий сигналы, как от нескольких одновременных входов (пространственное суммирование), так и от повторяющихся входов (временное суммирование). В зависимости от суммы многих отдельных входов суммирование может достигать или не достигать пороговое напряжение вызвать потенциал действия.[1]

Нейротрансмиттеры освобожден от терминалы из пресинаптический нейрон подпадать под один из две категории, в зависимости от ионные каналы стробируется или модулируется рецептор нейромедиатора. Возбуждающие нейротрансмиттеры производят деполяризация постсинаптической клетки, тогда как гиперполяризация продуцируемый тормозным нейротрансмиттером будет смягчать эффекты возбуждающего нейромедиатора.[2] Эта деполяризация называется ВПСП, или возбуждающий постсинаптический потенциал, а гиперполяризация называется IPSP, или тормозящий постсинаптический потенциал.

Единственное влияние, которое нейроны могут оказывать друг на друга, - это возбуждение, торможение и - через модуляторные передатчики - смещение возбудимости друг друга. От такого небольшого набора базовых взаимодействий цепочка нейронов может дать лишь ограниченный ответ. Путь может быть облегчен посредством возбуждающего воздействия; удаление такого ввода составляет дезинфекция. Путь также может быть заблокирован; устранение тормозящего входа составляет растормаживание, которые, если на тормозном входе присутствуют другие источники возбуждения, могут усилить возбуждение.

Когда данный целевой нейрон получает входные данные из нескольких источников, эти входные данные могут быть пространственно суммированы, если входные данные поступают достаточно близко по времени, чтобы влияние самых ранних поступающих входных данных еще не уменьшилось. Если нейрон-мишень получает входные данные от одного конца аксона, и этот вход происходит неоднократно с короткими интервалами, входные данные могут суммироваться во времени.

История

Впервые нервная система стала рассматриваться в рамках общих физиологических исследований в конце 1800-х годов, когда Чарльз Шеррингтон начали проверять электрические свойства нейронов. Его основной вклад в нейрофизиологию включал изучение коленный рефлекс рефлекс и выводы, которые он сделал между двумя взаимными силами возбуждения и торможения. Он предположил, что место, где возникает этот модуляторный ответ, является межклеточным пространством однонаправленного пути нервных цепей. Он первым представил возможную роль эволюции и нервного торможения, предложив, чтобы «высшие центры мозга подавляли возбуждающие функции низших центров».[1]

Большая часть сегодняшних знаний о химической синаптической передаче почерпнута из экспериментов, анализирующих эффекты ацетилхолин выпуск в нервно-мышечные соединения, также называется концевые пластины. Пионерами в этой области были Бернард Кац и Алан Ходжкин, который использовал гигантский аксон кальмара как экспериментальная модель для изучения нервной системы. Относительно большой размер нейронов позволил использовать электроды с тонкими наконечниками для контроля электрофизиологический изменения, которые колеблются по мембране. В 1941 году Кац внедрил микроэлектроды в икроножный седалищный нерв лягушачьих лапок. Вскоре стало общепринятым, что потенциал концевой пластины Только (EPP) запускает потенциал мышечного действия, который проявляется в сокращениях лягушачьих лапок.[3]

Одно из основополагающих открытий Каца в исследованиях, проведенных с Пол Фатт в 1951 г. было установлено, что спонтанные изменения потенциала мембраны мышечных клеток происходят даже без стимуляции пресинаптического двигательного нейрона. Эти всплески потенциала аналогичны потенциалам действия, за исключением того, что они намного меньше, обычно менее 1 мВ; поэтому их назвали миниатюрными потенциалами концевой пластинки (MEPP). В 1954 г. появился первый электронно-микроскопический изображения постсинаптических терминалов показали, что эти MEPP были созданы синаптические везикулы несущие нейротрансмиттеры. Спорадический характер высвобождения квантовых количеств нейротрансмиттера привел к «гипотезе везикул» Каца и дель Кастильо, которая объясняет квантование высвобождения медиатора его ассоциацией с синаптическими везикулами.[3] Это также показало Кацу, что генерация потенциала действия может быть инициирована суммированием этих отдельных единиц, каждая из которых эквивалентна MEPP.[4]

Типы

Схема временного суммирования.

В любой момент нейрон может получать постсинаптические потенциалы от тысяч других нейронов. Достигнут ли порог и сгенерирован ли потенциал действия, зависит от пространственного (т.е. от нескольких нейронов) и временного (от одного нейрона) суммирования всех входных сигналов в этот момент. Традиционно считается, что чем ближе синапс к телу клетки нейрона, тем сильнее его влияние на окончательное суммирование. Это потому, что постсинаптические потенциалы проходят через дендриты которые содержат низкую концентрацию потенциалзависимые ионные каналы.[5] Следовательно, постсинаптический потенциал ослабевает к тому времени, когда он достигает тела клетки нейрона. Тело клетки нейрона действует как компьютер, интегрируя (складывая или суммируя) входящие потенциалы. Чистый потенциал затем передается в аксонный бугорок, где инициируется потенциал действия. Еще один фактор, который следует учитывать, - это сумма возбуждающих и тормозных синаптических входов. Пространственное суммирование тормозящего входа аннулирует возбуждающий вход. Этот широко наблюдаемый эффект называется ингибирующим «шунтированием» ВПСП.[5]

Пространственное суммирование

Пространственное суммирование - это механизм выявления потенциал действия в нейрон с входом от нескольких пресинаптических клеток. Это алгебраическое суммирование потенциалов из разных областей ввода, обычно на дендриты. Суммирование возбуждающие постсинаптические потенциалы увеличивает вероятность того, что потенциал достигнет пороговый потенциал и генерируют потенциал действия, тогда как суммирование тормозящие постсинаптические потенциалы может помешать клетке достичь потенциала действия. Чем ближе вход дендрита к бугорку аксона, тем больше потенциал будет влиять на вероятность срабатывания потенциала действия в постсинаптической клетке.[6]

Временное суммирование

Временное суммирование происходит, когда высокая частота потенциалов действия в пресинаптическом нейроне вызывает постсинаптические потенциалы, которые суммируются друг с другом. Продолжительность постсинаптического потенциала больше, чем интервал между потенциалами действия. Если постоянная времени клеточной мембраны достаточно длинная, как в случае тела клетки, то сумма суммирования увеличивается.[6] Амплитуда одного постсинаптического потенциала в момент начала следующего будет алгебраически суммироваться с ним, генерируя больший потенциал, чем отдельные потенциалы. Это позволяет мембранному потенциалу достигать порог для создания потенциала действия.[7]

Механизм

Нейротрансмиттеры связываются с рецепторами, которые открывают или закрывают ионные каналы в постсинаптической клетке, создавая постсинаптические потенциалы (PSP). Эти потенциалы изменяют шансы возникновения потенциала действия в постсинаптическом нейроне. PSP считаются возбуждающими, если они увеличивают вероятность возникновения потенциала действия, и тормозящими, если они уменьшают вероятность.[4]

Глутамат как возбуждающий пример

Например, глутамат нейротрансмиттера, как известно, в основном запускает возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) у позвоночных. Экспериментальные манипуляции могут вызвать высвобождение глутамата за счет нететанической стимуляции пресинаптического нейрона. Затем глутамат связывается с рецепторами AMPA, содержащимися в постсинаптической мембране, вызывая приток положительно заряженных атомов натрия.[3] Этот приток натрия внутрь приводит к кратковременной деполяризации постсинаптического нейрона и ВПСП. В то время как одиночная деполяризация такого типа может не иметь большого эффекта на постсинаптический нейрон, повторные деполяризации, вызванные высокочастотной стимуляцией, могут привести к суммированию ВПСП и к превышению порогового потенциала.[8]

ГАМК как ингибирующий пример

В отличие от глутамата, нейромедиатор ГАМК в основном запускает тормозящие постсинаптические потенциалы (IPSP) у позвоночных. Связывание ГАМК с постсинаптическим рецептором вызывает открытие ионных каналов, которые вызывают либо приток отрицательно заряженных ионов хлорида в клетку, либо отток положительно заряженных ионов калия из клетки.[3] Эффект от этих двух вариантов - гиперполяризация постсинаптической клетки или IPSP. Суммирование с другими IPSP и контрастирующими EPSP определяет, достигнет ли постсинаптический потенциал порога и вызовет ли срабатывание потенциала действия в постсинаптическом нейроне.

ВПСП и деполяризация

Пока мембранный потенциал ниже порогового значения для импульсов зажигания, мембранный потенциал может суммировать входные данные. То есть, если нейротрансмиттер в одном синапсе вызывает небольшую деполяризацию, одновременное высвобождение передатчика в другом синапсе, расположенном в другом месте того же тела клетки, будет суммироваться, чтобы вызвать большую деполяризацию. Это называется пространственным суммированием и дополняется временным суммированием, при котором последовательные выбросы передатчика из одного синапса будут вызывать прогрессивное изменение поляризации, пока пресинаптические изменения происходят быстрее, чем скорость распада изменений мембранного потенциала в постсинаптическом нейроне.[4] Эффекты нейротрансмиттеров длятся в несколько раз дольше пресинаптических импульсов и, таким образом, позволяют суммировать эффект. Таким образом, ВПСП фундаментально отличается от потенциалов действия: он суммирует входные данные и выражает дифференцированный отклик, в отличие от отклика "все или ничего" при импульсном разряде.[9]

IPSP и гиперполяризация

В то же время, когда данный постсинаптический нейрон получает и суммирует возбуждающий нейротрансмиттер, он также может получать противоречивые сообщения, говорящие ему о прекращении возбуждения. Эти тормозящие влияния (IPSP) опосредуются тормозными системами нейротрансмиттеров, которые вызывают гиперполяризацию постсинаптических мембран.[10] Такие эффекты обычно связывают с открытием селективных ионных каналов, которые позволяют либо внутриклеточному калию покидать постсинаптическую клетку, либо позволяют проникать внеклеточным хлоридам. В любом случае результирующий эффект заключается в добавлении к внутриклеточной негативности и перемещении мембранного потенциала дальше от порога генерации импульсов.[7][9]

EPSP, IPSP и алгебраическая обработка

Когда EPSP и IPSP генерируются одновременно в одной и той же ячейке, выходной ответ будет определяться относительной силой возбуждающих и тормозных входов. Таким образом, выходные инструкции определяются этой алгебраической обработкой информации. Поскольку порог разряда через синапс является функцией пресинаптических залпов, которые действуют на него, и поскольку данный нейрон может получать ответвления от многих аксонов, прохождение импульсов в сети таких синапсов может сильно варьироваться.[11] Универсальность синапса проистекает из его способности изменять информацию путем алгебраического суммирования входных сигналов. Последующее изменение порога стимуляции постсинаптической мембраны может быть усилено или подавлено, в зависимости от задействованного передающего химического вещества и ионной проницаемости. Таким образом, синапс действует как точка принятия решения, в которой информация сходится, и она модифицируется посредством алгебраической обработки EPSP и IPSP. В дополнение к механизму ингибирования IPSP, существует пресинаптический тип ингибирования, который включает либо гиперполяризацию ингибированного аксона, либо стойкую деполяризацию; будет ли это первое или второе, зависит от конкретных вовлеченных нейронов.[6]

Текущее исследование

Микроэлектроды, используемые Кацем и его современниками, бледнеют по сравнению с технологически продвинутыми методами записи, доступными сегодня. Пространственное суммирование стало привлекать большое внимание исследователей, когда были разработаны методы, позволяющие одновременную запись нескольких локусов на дендритном дереве. Во многих экспериментах используются сенсорные нейроны, особенно оптические нейроны, поскольку они постоянно включают изменяющуюся частоту как тормозных, так и возбуждающих сигналов. Современные исследования нейронного суммирования сосредоточены на ослаблении постсинаптических потенциалов на дендритах и ​​теле клетки нейрона.[1] Эти взаимодействия называются нелинейными, потому что ответ меньше суммы индивидуальных ответов. Иногда это может быть связано с явлением, вызванным торможением, которое называется маневрирование, что является пониженной проводимостью возбуждающих постсинаптических потенциалов.[7]

Запрет шунтирования экспонируется в работах Майкла Ариэля и Наоки Кого, которые экспериментировали с записью целых клеток на базальном ядре зрительного нерва черепахи. Их работа показала, что пространственное суммирование возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалов в большинстве случаев вызывает ослабление возбуждающего ответа во время тормозного ответа. Они также отметили временное усиление возбуждающего ответа, возникающее после ослабления. В качестве контроля они проверили затухание, когда чувствительные к напряжению каналы были активированы током гиперполяризации. Они пришли к выводу, что ослабление вызвано не гиперполяризацией, а открытием каналов синаптических рецепторов, вызывающими вариации проводимости.[12]

Возможные терапевтические применения

Что касается ноцицептивный стимуляцияпространственное суммирование - это способность интегрировать болезненный ввод из больших областей, в то время как временное суммирование относится к способности интегрировать повторяющиеся ноцицептивные стимулы. Распространенная и продолжительная боль характерна для многих хронических болевых синдромов. Это говорит о том, что как пространственные, так и временные суммирования важны при состояниях хронической боли. Действительно, с помощью экспериментов по стимуляции давлением было показано, что пространственное суммирование способствует временному суммированию ноцицептивных сигналов, в частности боли от давления.[13] Следовательно, одновременное нацеливание на пространственные и временные механизмы суммирования может принести пользу при лечении хронических болевых состояний.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c "временное суммирование" (PDF). Центр психологии Университета Атабаски. В архиве (PDF) из оригинала 19 августа 2011 г.. Получено 29 апреля 2011.
  2. ^ Кулен, Кун, Соллич (2005). Теория нейронных систем обработки информации. Лондон, Великобритания: Издательство Оксфордского университета.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  3. ^ а б c d Беннетт, Макс Р. (2001). История синапса. Австралия: Издательство Hardwood Academic Publishers.
  4. ^ а б c Первес, Августин, Фицпатрик, Холл, Ламантия, Макнамара, Уайт (2008). Неврология. Сандерленд, Массачусетс, США: Sinauer Associates Inc.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  5. ^ а б Кандел Э. Р., Шварц Дж. Х., Джесселл ТМ, Зигельбаум С. А., Хадспет (2013). Принципы нейронологии. Нью-Йорк: Макгроу Хилл. п. 229.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  6. ^ а б c Левин и Людерс (2000). Комплексная клиническая нейрофизиология. Нью-Йорк: W.B. Компания Сондерс.
  7. ^ а б c Карпентер (1996). Нейрофизиология. Лондон: Арнольд.
  8. ^ Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW и др., Редакторы. (1999). Основы нейрохимии: молекулярные, клеточные и медицинские аспекты. 6-е издание. Филадельфия: Липпинкотт-Рэйвен. В архиве из оригинала 2018-06-05.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  9. ^ а б Гешайдер, Райт и Веррилло (2009). Каналы обработки информации в тактильной сенсорной системе. Нью-Йорк: Психология Пресс.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  10. ^ «EPSP и IPSP». В архиве из оригинала 29 декабря 2010 г.. Получено 20 апреля 2011.
  11. ^ Тейтельбаум (1967). Физиологическая психология. Нью-Джерси: Prentice-Hall Inc.
  12. ^ Кого и Ариэль (24 ноября 2004 г.). «Шунтирующее ингибирование в дополнительных нейронах оптической системы». Журнал нейрофизиологии. 93.
  13. ^ Ни, Гравен-Нильсен и Арендт-Нильсен (июль 2009 г.). «Пространственное и временное суммирование боли, вызванной механической стимуляцией давлением». Европейский журнал боли. 13 (6): 592–599. Дои:10.1016 / j.ejpain.2008.07.013. PMID  18926745. S2CID  26539019.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)