2. Synapse

Synapse jsou specializované oblasti buněčného kontaktu umožňující přenos informace z jednoho neuronu na druhý nebo mezi neurony a receptorovými nebo efektorovými buňkami. Jsou tvořeny presynaptickou částí spolu s přilehlou postsynaptickou (obvykle dendritickou) membránou. Presynaptická a postsynaptická část jsou odděleny synaptickou štěrbinou.

Presynaptická část je označována jako synaptický knoflík („bouton“), synaptický uzlík („knob“) nebo presynaptický vak („bag“). Jedná se o řadu rozšíření neuritu na jeho rozvětvených koncích (synaptická zakončení, terminální boutony), v jeho průběhu („en passant“), nebo o kombinaci obou forem. Smyslem je zvýšení efektivní plochy kontaktu s cílovou buňkou. V průměru vytváří každý neuron asi 1000 synaptických zakončení, ale počet synapsí na jednom postsynaptickém neuronu může dosahovat i několika desítek tisíc; pokrývají potom značnou část membrán dendritů i buněčného těla. Může docházet jak k velké konvergenci signálů na jeden neuron od stovek až tisíců presynaptických buněk, tak k divergenci signálu z jednoho presynaptického neuronu na desítky nebo stovky postsynaptických buněk. Z hlediska prostorového uspořádání mohou aferentní axony probíhat paralelně nebo příčně vzhledem k postsynaptickým dendritům. Účinky přenosu signálu na postsynaptickou část mohou být excitační nebo inhibiční; teprve jejich součet v daném čase určuje, zda vznikne akční potenciál.

2.1 Morfologie chemické synapse

Pre- a postsynaptická membrána jsou odděleny synaptickou štěrbinou (20-30 nm), která je větší než mezera mezi neurony a gliovými buňkami (15-20 nm). Presynaptické nervové zakončení obsahuje jednak neurotubuly, neurofilamenta a mitochondrie, jednak synaptické váčky, jejichž morfologie se liší podle neuromediátoru, který obsahují. V excitačních synapsích jsou váčky kulovité, v inhibičních oválné či zploštělé. Uvolňování obsahu synaptických váčků do štěrbiny se uskutečňuje v tzv. aktivní zóně. Při pozorování v elektronovém mikroskopu jsou synaptické membrány v oblasti aktivní zóny obarveny intenzivněji než nesynaptické membrány. Často jsou pozorovány přímo v synaptické štěrbině vláknité struktury, jejichž význam není znám. Některé váčky (světlé v elektronovém mikroskopu) obsahují synapsiny, což jsou proteiny, které je vážou k cytoskeletu v blízkosti aktivní zóny; fosforylace synapsinů potom zřejmě vede k uvolnění váčků a exocytoze. Dendritická membrána u synapse je značně obohacena receptory. Elektron-denzní struktury spojené s postsynaptickou membránou (v blízkosti místa nahromadění váčků v presynaptické části) mohou pravděpodobně sloužit k ukotvení receptorů v postsynaptické membráně a mohou obsahovat molekuly zahrnuté do transdukce signálu, tj. do převodu chemického signálu na elektrickou odezvu v postsynaptické buňce.

2.2 Typy synapsí

Podle umístění na postsynaptickém neuronu lze synapse rozdělit na:

· axodendritické synapse - postsynaptická část je lokalizována na dendritech, někdy na dendritických trnech; jsou nejčastější;

· axosomatické synapse - postsynaptickým místem je buněčné tělo;

· axoaxonové synapse - postsynaptickým cílem je místo na jiném axonu (axonový kužel, iniciální segment, preterminální část neuritu, presynaptické zakončení); jsou zodpovědné za jev presynaptické inhibice a vyskytují se řídce;

· dendrodendritické synapse - dendrity slouží jako presynaptické i postsynaptické elementy; tvoří jen malou část synapsí;

· synapse v průběhu („en passant“) - po vytvoření synaptického kontaktu axon pokračuje a vytváří na tomtéž vlákně další kontakty s jinými buňkami.

V lidském nervovém systému se vyskytují především chemické synapse, v nichž presynaptický neuron uvolňuje přenosovou látku (mediátor, transmiter, přenašeč), která difunduje přes synaptickou štěrbinu, interaguje se specifickými receptory v postsynaptické membráně a vyvolává tím procesy vedoucí ke změnám toku iontů přes tuto membránu a tedy ke změnám membránového potenciálu. Tento způsob přenosu vysvětluje jednosměrnost vedení signálu, neboť axony samotné mohou vést signály oběma směry. Chemickému přenosu signálu odpovídá také funkce nervosvalového spojení, což je místo, kde motorický nerv končí na svalovém vlákně.

U elektrických synapsí jsou membrány pre- a postsynaptických buněk velmi těsně u sebe a jsou spojeny kanálky („gap junction“), resp. póry, které umožňují volný pohyb iontů a malých molekul (s molekulovou hmotností až 1000) mezi cytoplazmou obou buněk. Předpokládá se, že pór je tvořen komplexem šesti proteinů nazvaných konexiny. Hlavní charakteristiky jsou: obousměrný přenos signálu, symetrická morfologie a větší rychlost přenosu signálu, než u chemických synapsí. Nacházejí se především v nervovém systému bezobratlých a u nižších obratlovců, ale vyskytují se i u savců. Jejich úloha v CNS není zcela jasná; mohou se zřejmě podílet na synchronizaci elektrické aktivity velkých populací neuronů nebo na některých procesech spojených se zpracováním vizuálních informací. Elektrické synapse mohou být regulovány v menší míře, než synapse chemické. Smíšené synapse, umožňující chemický i elektrický přenos, jsou vzácné.

Pozn.: Pro studium synapsí lze použít synaptosomy, což jsou presynaptická zakončení spolu se synaptickou štěrbinou a přilehlou postsynaptickou membránou získaná po jemné homogenizaci mozkové tkáně v izotonickém sacharózovém roztoku.

Mezibuněčné komunikace neuronů z hlediska způsobu přenosu signálu

2.3 Synaptické váčky

Neuromediátory mohou být uvolňovány z neuronů difúzí přes membránu, transportem pórem nebo pumpou, nejčastěji však vesikulární sekrecí. Fúze váčků s plazmatickou membránou a uvolnění jejich obsahu, je zřejmě obecným mechanismem také pro uvolňování velkých peptidů a proteinů, které normálně neprojdou lipidovou dvojvrstvou, a pro inkorporaci iontových kanálů a jiných integrálních proteinů do plazmatické membrány. Předpokládá se, že exocytóza je hlavní způsob uvolňování neuromediátorů ve většině synapsí, i když zřejmě existuje i nevezikulární uvolňování umožněné transportními proteiny. Uvolňování neuromediátorů v chemických synapsích se většinou uskutečňuje po malých kvantech, což svědčí pro mechanismus zahrnující exocytózu. Rovněž elektronmikroskopická pozorování deformací presynatických membrán (vznik jamek) po stimulaci uvolňování neuromediátoru svědčí pro mechanismus uvolňování neuromediátoru spojený s fúzí synaptických váčků s presynaptickou membránou.

Neurony obsahují dva základní typy váčků podílejících se na regulované sekreci:

· velké granulární (denzní) váčky („large dense-core vesicles“) - obsahují primárně peptidové neuromediátory, ktetré jsou syntetizovány v somě a potom transportovány ve váčcích do synaptických zakončení. Po uvolnění neuromediátoru do synaptické štěrbiny jsou membránové proteiny z těchto váčků degradovány, nebo transportovány zpět do buněčného těla, kde jsou tvořeny a naplňovány nové denzní váčky.

· malé synaptické váčky („small synaptic vesicles“) - obsahují nepeptidové mediátory nebo enzymy potřebné pro jejich syntézu. Tyto tzv. „klasické“ neuromediátory nejsou syntetizovány pouze v somě, ale také přímo v synaptických zakončeních. Potřebné enzymy vznikají v buněčném těle a jsou transportovány do axonových zakončení, kde potom může docházet k rychlé resyntéze příslušných neuromediátorů. Rovněž synaptické váčky vznikají až v synaptických zakončeních, přičemž jejich membránové proteiny jsou syntetizovány v somě, transportovány podél mikrotubulů do zakončení a zabudovány do presynaptické plazmatické membrány; teprve poté následuje endocytóza a tvorba malých synaptických váčků.

Podle tvaru velikosti a obsahu lze rozdělit synaptické váčky do řady typů. Nejznámější klasifikace synapsí (dle Graye) je založena na jejich funkci a struktuře, především na vzhledu váčků a membrán při pozorování v elektronovém mikroskopu.

Typy synapsí (Gray)

(Podle The Essential Brain. Current Topics in Science and Medicine. Merck, 1991.)

2.4 Funkce chemické synapse

Neurotransmise je aktivní, časově omezený a nevratný proces, jehož výsledkem je přenos nervového signálu mezi neurony. Po příchodu depolarizační vlny na presynaptické zakončení je elektrický signál převeden (transdukován) na chemický (uvolnění neuromediátoru), a ten může být v postsynaptické části převeden zase na elektrický signál. Sekrece neuromediátoru z presynaptické části následuje po vstupu kalcia přes napěťově řízené Ca²⁺ kanály. Množství uvolněného mediátoru přitom závisí na koncentraci nitrobuněčného kalcia. Po opakované stimulaci může docházet ke změnám v množství uvolněného neuromediátoru.

Transdukce signálu přes chemickou synapsi zahrnuje tyto základní kroky:

1. Akční potenciál otevře napěťově řízené Ca²⁺-kanály v presynaptickém zakončení a dochází ke vstupu kalcia do buňky.

2. Zvýšená koncentrace Ca²⁺ katalyzuje reakce vedoucí k exocytóze synaptických váčků. Obsah váčku (10³ - 10⁵ molekul mediátoru) je pravděpodobně uvolněn do synaptické štěrbiny najednou (= quantalová jednotka transmise). Může zřejmě existovat více mechanismů pro uvolnění mediátoru, ale nejsou dostatečně známy.

3. Ca²⁺ je po vstupu do presynaptického zakončení rychle inaktivováno (Ca²⁺-pumpou, výměnou Na⁺ « Ca²⁺). Reakce vedoucí k uvolnění mediátoru je proto účinná pouze 0,5-2 ms po příchodu akčního potenciálu.

4. Mediátory difundují přes štěrbinu a reagují s receptory na postsynaptické membráně.

5. Aktivace receptorových systémů vede obvykle ke změně propustnosti postsynaptických membrán pro určité ionty, které procházejí přes membránu ve směru příslušných elektrochemických potenciálových gradientů. Tok iontů není synchronní s akčním potenciálem - začíná se synaptickým zdržením 0,3-0,5 ms (čas potřebný pro uvolnění mediátoru, difúzi a reakce v postsynaptické membráně, které vedou ke změnám propustnosti membrány).

Pozn.: Klidová koncentrace volného kalcia v cytoplazmě je u většiny buněk nízká (10^{-7 M}) oproti mimobuněčnému prostředí (10^{-3 M}). Tento gradient Ca²⁺ se udržuje hlavně Ca²⁺-ATPázami v plazmatické membráně nebo v endoplazmatickém retikulu. Pro přenos signálu zprostředkovaný Ca²⁺ jsou podstatné mimobuněčné zdroje kalcia, i když může být významné i uvolňování Ca²⁺ z nitrobuněčných zásob indukované aktivací IP₃-receptorů (tj. jejich interakcí s inositoltrisfosfátem, IP₃) a ryanodinových receptorů. Po otevření napěťově řízených Ca²⁺ kanálů v presynaptické části se nitrobuněčné koncentrace kalcia v blízkosti těchto kanálů mohou krátkodobě zvýšit až na 10^{-4 M}.

2.5 Průběh synaptické transmise

Zatímco axony mají především napěťově řízené Na⁺ a K⁺ kanály, vyskytuje se na presynaptických zakončeních, dendritech a buněčných tělech mnoho dalších typů kanálů. Velikost a typ postsynaptické odpovědi vyvolané neuromediátorem je dán typem kanálu, který je mediátorem aktivován - dochází buď ke zvýšení, nebo ke snížení elektrické aktivity postsynaptického neuronu.

V excitační synapsi způsobí neuromediátor např. zvýšení propustnosti postsynaptické membrány pro ionty Na⁺ a K⁺. Vzhledem k většímu elektrochemickému gradientu převyšuje vtok Na⁺ značně výtok K⁺. Výsledný tok iontů způsobuje změnu membránového potenciálu ve směru depolarizace a vzniká excitační postsynaptický potenciál (EPSP).

V inhibiční synapsi dochází po aktivaci receptorů ke zvýšení propustnosti postsynaptické membrány pro ionty K⁺ nebo Cl^-, ale nikoli pro Na⁺. Při klidovém membránovém potenciálu je Cl^- přibližně v elektrochemické rovnováze a výsledkem je především výtok K⁺, který způsobuje změnu membránového potenciálu ve směru hyperpolarizace, vzniká inhibiční postsynaptický potenciál (IPSP). Je-li však membrána již depolarizována, může být vtok iontů Cl^- podstatný pro repolarizaci nebo hyperpolarizaci membrány.

Iontový proud a výsledný membránový potenciál mají odlišné časové průběhy, neboť membránový potenciál se vrací na klidovou hodnotu během 10-15 ms, zatímco trvání iontového proudu je kratší v důsledku odstranění mediátoru ze štěrbiny pasivní difúzí, specifickým aktivním transportem do okolních buněk, nebo enzymovou degradací mediátoru.

Pozn.: 1. V nervosvalové ploténce může způsobit 1 impuls uvolnění 200-400 váčků, zatímco např. v glutamátovém zakončení uvolnění 4-8 váčků, což nestačí k vyvolání dostatečné odezvy a impulsy se musí sčítat.

2. Excitační vstupy jsou obvykle soustředěny u distálního (vzdálenějšího) konce dendritů, zatímco inhibiční vstupy jsou lokalizovány spíše u proximálního konce dendritů a kolem somy. Inhibiční vstupy proto mají určující úlohu v generaci akčního potenciálu.

3. Existují i neurony, které nemají axony. EPSP nebo IPSP se potom šíří např. cestou dendrodendritických synapsí.

2.6 Sčítání excitace a inhibice

Sčítaní postsynaptických membránových potenciálů je princip, na němž je založena funkce CNS. EPSP produkovaný jedním zakončením nepostačuje obvykle k depolarizaci potřebné pro vznik akčního potenciálu (obr. A). Každý neuron však tvoří stovky až tisíce synapsí s jedním nebo více typy neuronů. K sumaci synaptických potenciálů dochází, pokud další potenciál vzniká dříve, než předchozí vyhasne. Změny membránového potenciálu indukované uvolněním neuromediátorů se sčítají časově, kdy řada pulsů přichází dostatečně rychle přes jedno zakončení (obr. B), nebo prostorově, kdy řada pulsů přichází současně od různých zakončení (obr. C). Pokud dojde ke kritickému snížení polarizace postsynaptické membrány, vznikne akční potenciál. Vedení a přenos tohoto signálu k jinému neuronu může být usnadněno nebo inhibováno dalšími excitačními nebo inhibičními axonovými zakončeními v oblasti neuronu (na dendritech, somě, axonovém kuželu, synaptických zakončeních; obr. D).

Postsynaptická inhibice (přímá inhibice) je produkována inhibičními axosomatickými a axodendritickými synapsemi, které zvyšují propustnost membrány cílového neuronu pro K⁺ a Cl^–. Pokud aktivace inhibiční synapse předchází aktivaci excitační synapse je excitace zmenšena jak v důsledku vzniku nižšího EPSP, tak v důsledku hyperpolarizace membrány.

Presynaptická inhibice, tj. snížený EPSP v odezvě na presynaptický akční potenciál, je zprostředkována axoaxonovými synapsemi na excitačních zakončeních. Ke snížení uvolňování neuromediátoru dochází v důsledku sníženého vstupu Ca²⁺ po zvýšení vodivosti presynaptických K⁺ nebo Cl^- kanálů (např. GABA vyvolává zvýšení vodivosti Cl^- kanálů), nebo po omezení otevírání Ca²⁺ kanálů jiným způsobem (např. přes G proteiny).

Pozn.:

1. Z axonových zakončení se mohou uvolňovat i neuromodulátory, které sice nezpůsobují ani excitaci, ani inhibici jako neuromediátory, ale mění vlastnosti postsynaptických membrán a tak mohou usnadnit nebo znemožnit synaptickou odezvu.

2. V důsledku prostorové sumace signálů přicházejících na konvergující neuron od různých neuronů může být jeho odezva menší, než odpovídá součtu odpovědí na jednotlivé signály (okluze).

3. Je znám i jev kotransmise, kdy se současně uvolňují dva různé neuromediátory, z nichž jeden je obvykle amin a druhý peptid (např. 5-HT + substance P, dopamin + cholecystokinin).

Neurony mohou také tlumit samy sebe přes negativní zpětnou vazbu zprostředkovanou např. inhibičním interneuronem, který končí na těle téhož neuronu, který jej aktivoval.