Пресинаптическое и постсинаптическое торможение: разница

Торможение в нервной системе так же важно, как и возбуждение: без него любой импульс лавиной растёкся бы по всем нейронам, и мозг превратился бы в одну сплошную судорогу. Управляют этим балансом два разных механизма с похожими названиями, которые студенты постоянно путают, - пресинаптическое и постсинаптическое торможение. Разница между ними не в силе, а в том, где сидит тормозной синапс и на что он действует: одно ослабляет сигнал ещё до того, как он выйдет из передающего окончания, другое гасит ответ уже в принимающей клетке. Ниже разберём механизм каждого, роль медиаторов ГАМК и глицина, что такое ТПСП и зачем нужны клетки Реншоу. Чтобы сразу почувствовать, как торможение перебивает возбуждение, покрутите калькулятор порога ниже: он считает, дотянет ли нейрон до запуска потенциала действия при заданном балансе входов.

Что общего: торможение снижает шанс возбуждения

Любой нейрон собирает на своей мембране сумму входов. Возбуждающий синапс даёт возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) - короткую деполяризацию, которая толкает мембрану от потенциала покоя $-70$ мВ к порогу $-55$ мВ. Если суммарная деполяризация достигает порога, рождается потенциал действия (ПД). Торможение делает обратное: оно уменьшает итоговую деполяризацию, и нейрон остаётся ниже порога. Принципиальный вопрос - где именно вмешивается тормозной механизм. От ответа зависит, называем мы торможение пресинаптическим или постсинаптическим.

Постсинаптическое торможение и ТПСП

Постсинаптическое торможение работает прямо на мембране принимающего нейрона. Тормозной аксон образует синапс на теле или дендрите клетки-мишени и выбрасывает тормозной медиатор - чаще всего ГАМК или глицин. Эти медиаторы открывают каналы для ионов хлора $\text{Cl}^-$ (а ГАМК$_B$ - ещё и для калия $\text{K}^+$). Вход отрицательных ионов хлора или выход калия гиперполяризует мембрану: возникает тормозный постсинаптический потенциал (ТПСП), который сдвигает потенциал в сторону более отрицательных значений, дальше от порога.

Рассчитать для своей задачи

Результат удобно записать как баланс. Если один ВПСП добавляет около $+6$ мВ, а один ТПСП отнимает около $-5$ мВ, то пиковый потенциал постсинаптической клетки приближённо равен

$V_{пик} = V_{покоя} + N_{возб}\,W_{ВПСП} - N_{торм}\,W_{ТПСП},$

где $N_{возб}$ и $N_{торм}$ - число активных возбуждающих и тормозных входов. Нейрон даёт ПД, когда $V_{пик} \ge -55$ мВ. Это и есть пространственная суммация: одна клетка взвешивает все приходящие ВПСП и ТПСП и решает, перешагнуть порог или нет. Постсинаптическое торможение прямо вычитает из этой суммы.

Важно, что суммируются не только разные входы в пространстве, но и повторные импульсы во времени (временная суммация): если ВПСП приходят чаще, чем успевают затухать, их деполяризации складываются. ТПСП работает против этого - каждый тормозный импульс отбрасывает потенциал вниз, сбрасывая накопленную деполяризацию. Поэтому даже один активный тормозный синапс на теле нейрона способен заблокировать ПД при нескольких возбуждающих входах: он расположен близко к аксонному холмику, где рождается импульс, и его вето оказывается решающим. Этот стратегический выбор места - на соме у холмика для постсинаптического торможения и на самом окончании для пресинаптического - и определяет, какой именно сигнал будет погашен.

Есть и второй, более тонкий вариант - шунтирующее торможение: открытые хлорные каналы резко повышают проводимость мембраны, и приходящие ВПСП «утекают» через них, почти не меняя потенциал. Формально потенциал может почти не сдвинуться, но эффективность возбуждения падает - это тоже постсинаптический механизм, ведь каналы открыты на мембране самой клетки-мишени.

Пресинаптическое торможение: удар по источнику

Пресинаптическое торможение устроено иначе и поначалу кажется неожиданным. Тормозной нейрон образует синапс не на теле клетки-мишени, а на возбуждающем окончании другого аксона - получается аксо-аксональный синапс. Медиатор (та же ГАМК) действует на пресинаптическую терминаль: он снижает вход кальция $\text{Ca}^{2+}$ в окончание во время прихода импульса. А поскольку именно кальций запускает слияние везикул и выброс медиатора, выброс падает. Возбуждающее окончание выпускает меньше медиатора - и ВПСП в клетке-мишени получается слабее.

Рассчитать для своей задачи

Ключевое отличие: при пресинаптическом торможении мембрана клетки-мишени напрямую не трогается - там не возникает ТПСП и не открываются хлорные каналы. Меняется только амплитуда приходящего возбуждения. В модели порога это удобно описать множителем $(1-p)$, где $p$ - доля подавления выброса медиатора:

$V_{пик} = V_{покоя} + N_{возб}\,W_{ВПСП}\,(1-p) - N_{торм}\,W_{ТПСП}.$

При $p = 0$ пресинаптического торможения нет, при $p = 1$ возбуждающий вход полностью замолкает. Именно эту разницу и показывает калькулятор: ползунок постсинаптического торможения вычитает фиксированные ТПСП, а ползунок пресинаптического - срезает часть самого возбуждения ещё на входе. На графике баланса видно, какой кусок деполяризации «съеден» пресинаптикой, а какой погашен ТПСП.

ГАМК, глицин и ионные каналы

Главный тормозный медиатор головного мозга - ГАМК (гамма-аминомасляная кислота). Через ионотропные рецепторы ГАМК$_A$ она открывает хлорные каналы (быстрое торможение), через метаботропные ГАМК$_B$ - калиевые и кальциевые (медленное и пресинаптическое торможение). В спинном мозге и стволе ключевую роль играет глицин, который тоже открывает хлорные каналы. Постсинаптическое торможение опирается в основном на ГАМК$_A$ и глицин, пресинаптическое - на ГАМК$_B$ и подавление кальциевых каналов в окончании. Поэтому препараты, влияющие на ГАМК-систему (например, бензодиазепины), усиливают именно постсинаптическое торможение и снижают возбудимость нейронных сетей.

Возвратное торможение и клетки Реншоу

Хрестоматийный пример постсинаптического торможения - возвратное (рекуррентное) торможение через клетки Реншоу в спинном мозге. Мотонейрон, посылая команду к мышце, по боковой ветви аксона возбуждает вставочную клетку Реншоу, а та возвращает на тот же мотонейрон тормозный синапс с глицином. Получается петля отрицательной обратной связи: чем сильнее мотонейрон возбуждён, тем больше тормозит сам себя, и разряд не идёт вразнос. Это классическое постсинаптическое торможение - синапс сидит на мембране мотонейрона. А вот торможение афферентных волокон на входе в спинной мозг через аксо-аксональные контакты - типичный пресинаптический механизм: он фильтрует сенсорный поток, не трогая мембрану принимающих нейронов.

Частые ошибки

• Путают мишень. Пресинаптическое торможение действует на передающее окончание, постсинаптическое - на мембрану принимающей клетки. Это главный различающий признак, а не сила эффекта.
• Считают, что при пресинаптическом торможении возникает ТПСП. Нет: на клетке-мишени гиперполяризации нет, просто приходит ослабленный ВПСП. ТПСП - это всегда постсинаптический феномен.
• Забывают про кальций. Пресинаптическое торможение работает через снижение входа $\text{Ca}^{2+}$ в окончание, а не через хлор. Хлорные каналы открываются при постсинаптическом торможении.
• Смешивают ГАМК$_A$ и ГАМК$_B$. Быстрое постсинаптическое торможение идёт через ионотропные ГАМК$_A$ (хлор), а пресинаптическое и медленное - через метаботропные ГАМК$_B$.
• Подставляют температуру вместо мВ или путают знак. ВПСП деполяризует (плюс к потенциалу), ТПСП гиперполяризует (минус). При расчёте порога знаки нельзя менять местами.

FAQ

Чем пресинаптическое торможение отличается от постсинаптического? Местом действия. Пресинаптическое тормозит само передающее окончание, снижая выброс медиатора через подавление входа кальция, поэтому ВПСП на клетке-мишени становится слабее. Постсинаптическое действует на мембрану принимающего нейрона, открывая хлорные каналы и создавая ТПСП. В первом случае мембрана мишени не меняется, во втором - гиперполяризуется.

Что такое ТПСП и при каком торможении он возникает? ТПСП - тормозный постсинаптический потенциал, гиперполяризация мембраны принимающей клетки при открытии хлорных или калиевых каналов. Он возникает только при постсинаптическом торможении. При пресинаптическом торможении ТПСП на мишени нет.

Какие медиаторы отвечают за торможение? Главный тормозный медиатор мозга - ГАМК, в спинном мозге и стволе важен глицин. ГАМК$_A$ и глицин дают быстрое постсинаптическое торможение через хлор, ГАМК$_B$ - медленное и пресинаптическое через калий и подавление кальция.

Коротко

Пресинаптическое и постсинаптическое торможение различаются мишенью. Постсинаптическое сидит на мембране клетки-мишени, открывает хлорные каналы (ГАМК$_A$, глицин) и создаёт ТПСП, который прямо вычитается из суммы возбуждения. Пресинаптическое сидит на возбуждающем окончании, через ГАМК$_B$ и подавление кальция снижает выброс медиатора и ослабляет сам ВПСП, не трогая мембрану мишени. Выйдет ли нейрон на порог $-55$ мВ, решает баланс $V_{пик} = V_{покоя} + N_{возб}W_{ВПСП}(1-p) - N_{торм}W_{ТПСП}$, и оба вида торможения тянут эту сумму вниз - каждый своим способом.