Сделаем небольшое отступление в сторону. Какую же роль сыграло в данном случае математическое моделирование синапса? Ситуация тут достаточно парадоксальная.

Если бы удалось найти параметры, соответствующие передаче тока в реальных синапсах, и модель удовлетворяла бы экспериментальным данным, то результат был бы не столь ценен. Он только означал бы, что ЭС может быть устроен так, как предполагалось в начале, но он мог быть устроен и иначе. Возможно, существуют десятки моделей, которые одинаково хорошо соответствуют эксперименту. Но отрицательный результат моделирования является абсолютным. Он строго говорит, что система не может быть устроена так, как мы предполагаем, и следует искать, как же она устроена на самом деле.

Замечательно, что и второй результат исследования ЭС на математической модели, несмотря на свою кажущуюся несообразность, также нашел экспериментальное подтверждение. Оказалось, что природа действительно использует заполнение щели изолятором. У птиц в цепочке нейронов, обеспечивающих реакцию зрачка на свет, был обнаружен очень большой по диаметру ЭС, щель которого заполнена миелином, т.е. изолятором. Для такого большого синапса этот способ весьма эффективен, как и предсказывала модель. Таким образом, в природе действительно используются и заполнение синаптической щели изолятором, и неоднородные мембраны.

Химический синапс

В отличие от электрических синапсов, которые так или иначе служат для образования непрерывного пути для электрического сигнала, химические синапсы – это настоящие «разрывы»: электрическому сигналу «напрямую» через химический синапс не пройти.

Рассмотрим для примера работу нервно-мышечного синапса. Как вы знаете, мембрана мышечного волокна возбудима: если прикоснуться к ней электродом, мышца сократится. Оказывается, существует парадоксальное исключение: именно в том месте мембраны, через которое приходит сигнал от мотонейрона к сокращению, мышца не чувствительна к электрическому воздействию! Значит, мотонейрон воздействует на мышцу совершенно иным способом: в его терминали электрический сигнал преобразуется в химический.

Общую схему работы химического синапса мы уже описывали. Когда нервный импульс доходит до терминали мотонейрона под его воздействием в синаптическую щель выделяется особое вещество – медиатор. Для нервно-мышечного синапса позвоночных таким медиатором служит ацетилхолин. Вот к этому-то веществу и чувствительна постсинаптическая мембрана. Стоит только поднести к области синапса пипетку с раствором, содержащим ацетилхолин, и вывести немного ацетилхолина наружу, как в мышечном волокне возникает изменение потенциала, тем более сильное, чем больше ацетилхолина выведено из пипетки. Если эти изменения потенциала достигают порога возбуждения электровозбудимой мембраны, то в ней возникает ПД и мышечное волокно сокращается.

Выделение медиатора

В 1950 г. английские ученые Фетт и Катц, изучая работу нервно-мышечного синапса лягушки, обнаружили, что без всякого действия на нерв в мышце в области постсинаптической мембраны сами по себе через случайные промежутки времени возникают небольшие колебания потенциала, амплитудой примерно в 0,5 мВ, которые они назвали «миниатюрные потенциалы». Когда Фетт и Катц подействовали на синапс ядом, о котором было известно, что он блокирует выделение ацетилхолина из терминалей, миниатюрные потенциалы исчезли.

Получалось, что в химическом синапсе медиатор выделяется и в покое, но изредка и небольшими определенными порциями.

К тому времени электронная микроскопия уже достаточно много знала об устройстве синапсов. В частности, было известно, что в пресинаптических окончаниях имеются какие-то пузырьки диаметром примерно 500 нм. Иногда удавалось увидеть, что мембрана этих пузырьков сливается с мембраной терминали. Катц выдвинул гипотезу, что миниатюрные потенциалы возникают тогда, когда такой пузырек слипается с пресинаптической мембраной, разрывается и выбрасывает в синаптиче-скую щель свой запас ацетилхолина. Частично эту гипотезу удалось проверить цитологам: они сумели выделить везикулы и показать, что в них действительно содержится «цетилхолин.

Итак, в покое, когда мотонейрон не возбужден, в синапсе существует небольшой электрический шум: за счет случайного выброса ацетилхолина возникают миниатюрные потенциалы; средняя частота их – примерно один в секунду. Но амплитуда этих одиночных потенциалов слишком мала, и поэтому мышечное волокно не возбуждается. Когда же к терминали мотонейрона подходит ПД, то происходит массовое опорожнение везикул: за 0,1 мс лопаются примерно 100 пузырьков. И все они выбрасывают свой ацетилхолин в синаптическую щель. В результате в мышечном волокне возникает деполяризация в 30 – 50 мВ, что гораздо выше порогового значения.

Естественно было посмотреть, как влияет изменение МП терминали на частоту миниатюрных потенциалов, т.е. на частоту выброса ацетилхолина. Оказалось, что при деполяризации терминали частота выделения везикул возрастает экспоненциально. Это объясняет, почему под действием нервного импульса выделяется так много ацетилхолина.

Но решение одного вопроса, как всегда, порождает новые: почему деполяризация приводит к тому, что везикулы начинают чаще «прилипать» к мембране?

Целым рядом экспериментов было выяснено, что «виновником» возрастания частоты выделения медиатора являются ионы кальция. Оказалось, что в пресинаптической терминали имеются потенциалзависимые кальциевые каналы, которые открываются при деполяризации терминали, и кальций входит в терминаль.

Этот процесс был очень красиво показан Ллинасом и др. в 1972 г. на крупном синапсе кальмара, где имеется возможность вводить разные вещества в терминаль. Есть такое вещество – экворин. При соприкосновении с ионами кальция он дает световую вспышку. Ллинас и его сотрудники ввели 'экворин в пресинаптическую терминаль. Когда к синапсу приходил нервный импульс, пресинаптическое окончание вспыхивало, показывая, что внутрь него вошли ионы кальция. Но ученые не ограничились этой красивой иллюстрацией уже известных к тому моменту фактов и поставили новый опыт, который дал важный результат. Они ввели через микроэлектрод внутрь окончания ионы кальция, и тут же без всякой деполяризации началось выделение медиатора.

Итак, оказывается, что причиной выделения медиатора является не деполяризация сама по себе, а то, что деполяризация открывает дорогу кальцию внутрь терминали. И если убрать из наружной среды кальций, то как показали эксперименты, химический синапс не сработает ни при какой деполяризации и даже миниатюрные потенциалы исчезнут.

Но есть еще один очень важный вопрос' почему после попадания кальция внутрь терминали медиатор выделяется только очень короткое время, а потом его выделение прекращается? Кальциевые каналы терминали открываются лишь на очень короткое время, но за это время концентрация кальция в терминали повышается в тысячи раз. Куда же девается этот кальций? Оказывается, он быстро выкачивается наружу кальциевым насосом и поглощается митохондриями, которые всегда присутствуют в синаптических окончаниях.