سیناپس چیست؟

مغز انسان از تقریباً 86 میلیارد نورون تشکیل شده است که با استفاده از ترکیبی از سیگنال های الکتریکی و شیمیایی (الکتروشیمیایی) با یکدیگر “صحبت” می کنند.

مکان هایی که نورون ها با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند و با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند سیناپس نامیده می شوند. هر نورون بین چند تا صدها هزار اتصال سیناپسی دارد و این ارتباطات می تواند با خودش، نورون های همسایه یا نورون های دیگر مناطق مغز باشد. سیناپس از یک پایانه پیش سیناپسی و پس سیناپسی تشکیل شده است.

پایانه پیش سیناپسی در انتهای یک آکسون قرار دارد و مکانی است که سیگنال الکتریکی (پتانسیل عمل) به سیگنال شیمیایی (انتشار انتقال دهنده عصبی) تبدیل می شود. غشای انتهایی پس سیناپسی کمتر از 50 نانومتر فاصله دارد و حاوی گیرنده های تخصصی است. انتقال دهنده عصبی به سرعت (در میکروثانیه) در سراسر شکاف سیناپسی منتشر می شود و به گیرنده های خاصی متصل می شود.

نوع انتقال دهنده عصبی آزاد شده از پایانه پیش سیناپسی و گیرنده های خاص موجود در پایانه پس سیناپسی مربوطه در تعیین کیفیت و شدت اطلاعات منتقل شده توسط نورون ها حیاتی است. نورون پس سیناپسی تمام سیگنال هایی را که دریافت می کند یکپارچه می کند تا مشخص کند که در مرحله بعد چه کاری انجام می دهد، به عنوان مثال، برای شلیک یک پتانسیل عمل از خود یا نه.

بنابراین، سیناپس که محل اتصال عصبی نیز نامیده می شود، محل انتقال تکانه های عصبی الکتریکی بین دو سلول عصبی (نورون) یا بین یک نورون و یک غده یا سلول عضلانی (اثرگر) می باشد. اتصال سیناپسی بین نورون و سلول عضلانی را پیوند عصبی عضلانی می نامند.

در یک سیناپس شیمیایی، هر انتها یا پایانه یک فیبر عصبی (فیبر پیش سیناپسی) متورم می‌شود و یک ساختار دستگیره‌ای شکل می‌دهد که توسط فضای میکروسکوپی به نام شکاف سیناپسی از فیبر نورون مجاور به نام فیبر پس سیناپسی جدا می‌شود. شکاف سیناپسی معمولی حدود 0.02 میکرون عرض دارد. ورود یک تکانه عصبی به پایانه های پیش سیناپسی باعث حرکت به سمت غشای پیش سیناپسی کیسه های متصل به غشاء یا وزیکول های سیناپسی می شود که با غشاء ترکیب شده و ماده ای شیمیایی به نام انتقال دهنده عصبی آزاد می کنند.

این ماده با انتشار در شکاف سیناپسی و اتصال به مولکول های گیرنده روی غشای پس سیناپسی، تکانه عصبی را به فیبر پس سیناپسی منتقل می کند. عمل اتصال شیمیایی شکل گیرنده ها را تغییر می دهد و یک سری واکنش ها را آغاز می کند که مولکول های پروتئینی کانالی شکل را باز می کند. سپس یون های باردار الکتریکی از طریق کانال ها به داخل یا خارج نورون جریان می یابند. این جابجایی ناگهانی بار الکتریکی در سراسر غشای پس سیناپسی، قطبش الکتریکی غشا را تغییر می دهد و پتانسیل پس سیناپسی یا PSP را تولید می کند. اگر جریان خالص یون‌های با بار مثبت به داخل سلول به اندازه کافی بزرگ باشد، PSP تحریک‌کننده است. یعنی می تواند منجر به تولید یک تکانه عصبی جدید به نام پتانسیل عمل شود.

مولکول های انتقال دهنده عصبی پس از آزاد شدن و اتصال به گیرنده های پس سیناپسی، بلافاصله توسط آنزیم های موجود در شکاف سیناپسی غیرفعال می شوند. آنها همچنین توسط گیرنده های غشای پیش سیناپسی گرفته شده و بازیافت می شوند. این فرآیند باعث ایجاد یک سری رویدادهای انتقال کوتاه می شود که هر یک تنها در 0.5 تا 4.0 میلی ثانیه انجام می شود.

سطح سلولی

نورون ها

در ساده ترین مفهوم، نورون از یک جسم سلولی، آکسون ها و دندریت ها تشکیل شده است.

جسم سلولی

جسم سلولی حاوی هسته است و محل فعالیت متابولیک است. اکثر انتقال دهنده های عصبی که در نهایت در سیناپس آزاد می شوند در اینجا سنتز می شوند.

دندریت ها

برآمدگی های کوچکی از جسم سلولی هستند که نقش گیرنده ای در فیزیولوژی نورون دارند. آنها سیگنال های دریافتی را از سایر نورون ها دریافت می کنند و آنها را به جسم سلولی منتقل می کنند، جایی که سیگنال ها یکپارچه می شوند و پاسخ آغاز می شود.

آکسون ها

به طور کلی، مجرای خروجی نورون. این یک لوله استوانه ای است که توسط آکسولما پوشانده شده و توسط نوروفیلامنت ها و میکروتوبول ها پشتیبانی می شود. میکروتوبول ها به انتقال انتقال دهنده های عصبی از جسم سلولی به پایانه پیش سیناپسی، جایی که آزاد می شوند، کمک می کنند.

سیناپس ها

سیناپس خود محل انتقال از نورون پیش سیناپسی به نورون پس سیناپسی است. ساختارهای موجود در دو طرف سیناپس بسته به نوع سیناپس متفاوت است:

آکسودندریتیک

ارتباطی بین آکسون یک نورون و دندریت نورون دیگر ایجاد می شود. اینها تمایل به سیناپس های تحریکی دارند.

آکسوسوماتیک

ارتباط مستقیم بین آکسون یک نورون به بدنه سلولی نورون دیگر. اینها تمایل به سیناپس های مهاری دارند.

 آکسواکسونیک

اتصال بین پایانه یک آکسون و آکسون دیگر. این سیناپس‌ها نقش تنظیمی دارند. آکسون آوران آزاد شدن انتقال دهنده های عصبی را از آکسون وابران تعدیل می کند.

بحث فوق بر روی سیناپس های شیمیایی متمرکز است که شامل آزاد شدن یک انتقال دهنده عصبی شیمیایی بین 2 نورون است. این شایع ترین نوع سیناپس در سیستم عصبی مرکزی پستانداران (CNS) است. با این حال، توجه به این نکته مهم است که سیناپس‌های الکتریکی وجود دارند، جایی که جریان الکتریکی (یا سیگنال‌ها) مستقیماً از طریق اتصالات شکاف از یک نورون به نورون دیگر منتقل می‌شوند. تفاوت بین این دو در بخش مکانیزم توضیح داده خواهد شد.

مکانیزم

همانطور که قبلا ذکر شد، 2 نوع عمده سیناپس وجود دارد: الکتریکی و شیمیایی.

در پستانداران، اکثر سیناپس ها شیمیایی هستند. سیناپس های شیمیایی را می توان با چند معیار متمایز از سیناپس های الکتریکی متمایز کرد: آنها از انتقال دهنده های عصبی برای انتقال سیگنال و وزیکول ها برای ذخیره و انتقال انتقال دهنده عصبی از بدن سلول به پایانه استفاده می شوند. علاوه بر این، پایانه پیش سیناپسی یک غشای بسیار فعال خواهد داشت و غشای پس سیناپسی از یک غشای سلولی ضخیم تشکیل شده از گیرنده های زیادی تشکیل شده است. در بین این 2 غشا یک شکاف بسیار متمایز وجود دارد (به راحتی با میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده است) و انتقال دهنده عصبی شیمیایی آزاد شده باید در سراسر این شکاف منتشر شود تا پاسخی در نورون گیرنده ایجاد کند. به همین دلیل، تاخیر سیناپسی، که به عنوان زمانی که طول می کشد تا جریان در نورون پیش سیناپسی به نورون پس سیناپسی منتقل شود، تعریف می شود، تقریباً 0.5 تا 1.0 میلی ثانیه است.

این با سیناپس الکتریکی متفاوت است، که معمولاً از 2 غشاء تشکیل شده است که بسیار نزدیکتر از یک سیناپس شیمیایی به یکدیگر قرار دارند. این غشاها دارای کانال هایی هستند که توسط پروتئین هایی به نام کانکسین تشکیل شده اند که اجازه عبور مستقیم جریان از یک نورون به نورون دیگر را می دهند و به انتقال دهنده های عصبی متکی نیستند. تأخیر سیناپسی در سیناپس های الکتریکی در مقایسه با سیناپس های شیمیایی به طور قابل توجهی کوتاه تر است.

بقیه بحث بر روی سیناپس های شیمیایی متمرکز خواهد شد که دارای تنوع و تنوع زیادی هستند. آنها نه تنها بین شکل و ساختار، بلکه بین ماده شیمیایی که منتقل می شود نیز متفاوت هستند. سیناپس ها می توانند تحریک کننده یا بازدارنده باشند و از انواع مولکول ها و پروتئین های شیمیایی استفاده می کنند که به زودی در مورد آنها صحبت خواهد شد.

انواع مختلفی از انتقال دهنده های عصبی مورد استفاده در ارتباطات سیناپسی از جمله، اما نه محدود به:

استیل کولین (ACh): یکی از مهمترین انتقال دهنده های عصبی که در چندین سیناپس در بدن یافت می شود، از جمله، اما نه محدود به، اتصال عصبی عضلانی، گانگلیون های اتونومیک، هسته دمی و سیستم لیمبیک. به طور کلی، ACh یک انتقال دهنده عصبی تحریکی در محل اتصال عصبی عضلانی و در گانگلیون های اتونوم است. در مغز، Ach در هسته پایه Meynert سنتز می شود.

نوراپی نفرین (NE): مهم ترین مولکول در سیگنال دهی سیستم عصبی سمپاتیک، به جز غدد عرق. در مغز، NE عمدتاً در لوکوس سرولئوس و هسته های تگمنتال جانبی یافت می شود.

دوپامین (DA): سیگنال دهی دوپامین به طور کلی مهاری است. سه مسیر اصلی دوپامینرژیک در مغز وجود دارد که عبارتند از: نیگروستریاتال، مزولیمبیک و مزوکورتیکال. که هر کدام نقش های متفاوتی را ایفا می کنند. یکی از شناخته‌شده‌ترین حالت‌های بیماری مربوط به دوپامین، بیماری پارکینسون است که در آن نورون‌های دوپامینرژیک در جسم سیاه تخریب می‌شوند.

سروتونین (5-HT): از تریپتوفان با استفاده از تریپتوفان هیدروکسیلاز تولید می شود که بیشتر در مغز (هسته رافه) و دستگاه گوارش (GI) یافت می شود. سروتونین بیشتر به دلیل نقش خود به عنوان یک انتقال دهنده عصبی تنظیمی شناخته شده است و بنابراین در حالت های خلقی و بیماری های مختلف نقش دارد.

سایر انتقال دهنده های عصبی رایج عبارتند از سایر کاتکول آمین ها، گاما آمینوبوتیریک اسید (GABA)، گلیسین و اسید گلوتامیک.

ساده ترین رویکرد برای درک انتقال سیناپسی این است که آن را به عنوان یک فرآیند گام به گام در نظر بگیریم که با سنتز انتقال دهنده عصبی شروع می شود و با انتشار آن پایان می یابد.

سنتز: انتقال دهنده عصبی در بدن سلولی سنتز می شود، جایی که سپس از طریق میکروتوبول های آکسون به پایانه پیش سیناپسی منتقل می شود، یا مستقیماً در پایانه پیش سیناپسی از انتقال دهنده های عصبی بازیافتی سنتز می شود. سپس انتقال دهنده عصبی تا زمان آزاد شدن در وزیکول های پیش سیناپسی ذخیره می شود.

رهاسازی: انتقال دهنده عصبی به شیوه ای تنظیم شده از نورون پیش سیناپسی به داخل شکاف سیناپسی آزاد می شود.

فعال شدن گیرنده: انتقال دهنده عصبی به گیرنده های پس سیناپسی متصل می شود و پاسخی در نورون پس سیناپسی ایجاد می کند.

خاتمه سیگنال: سیگنال باید با مکانیسمی خاتمه یابد، معمولاً با حذف انتقال دهنده های عصبی اضافی از شکاف سیناپسی.

سنتز

انتقال دهنده های عصبی بسته به نوع آنها، به طور متفاوتی سنتز می شوند. آنها می توانند یک ماده شیمیایی مولکولی کوچک مانند دوپامین و سروتونین باشند یا می توانند نوروپپتیدهای کوچکی مانند انکفالین باشند.

نوروپپتیدها در بدن سلولی با استفاده از سنتز پروتئین و مسیرهای ترجمه معمولی (شبکه آندوپلاسمی خشن و دستگاه گلژی) سنتز می شوند، سپس به همراه یک پروتئاز در وزیکول های بزرگ و هسته متراکم بسته بندی می شوند. این وزیکول ها با استفاده از پروتئین های میکروتوبولی مانند کینزین به سرعت به سمت پایین آکسون منتقل می شوند. وقتی به ترمینال پیش سیناپسی رسیدند، آماده رهاسازی هستند.

انتقال دهنده های عصبی مولکولی کوچک در بدن سلولی سنتز می شوند و سپس در وزیکول های هسته ای کوچک و شفاف به پایین آکسون منتقل می شوند. پس از رسیدن به پایانه پیش سیناپسی، آنزیم ها انتقال دهنده عصبی مولکول کوچک را تغییر می دهند و سپس می توانند از وزیکول ها به داخل شکاف رها شوند.

انتشار

اکنون که انتقال دهنده های عصبی در وزیکول های پایانه پیش سیناپسی ذخیره شده اند، باید در شکاف رها شوند. در امتداد غشای وزیکول و غشای پیش سیناپسی پروتئین هایی وجود دارند که به عنوان پروتئین های SNARE شناخته می شوند. این پروتئین ها در اتصال وزیکول ها به غشاء و آزاد شدن محتویات آنها ضروری هستند. همانطور که پتانسیل عمل در نورون پیش سیناپسی منتشر می شود، غشاء دپلاریزه می شود. هنگامی که پتانسیل عمل به پایانه پیش سیناپسی می رسد، دپلاریزاسیون غشاء اجازه می دهد تا کانال های کلسیم وابسته به ولتاژ باز شوند و اجازه ورود سریع کلسیم به ترمینال پیش سیناپسی را می دهد. هجوم کلسیم باعث می شود که پروتئین های SNARE فعال شده و ترکیب را تغییر دهند و اجازه می دهد تا وزیکول ها به غشاء ترکیب شوند و محتویات آنها آزاد شود. انتقال دهنده عصبی به شکاف سیناپسی می ریزد و غشای وزیکول از طریق اندوسیتوز بازیابی می شود.

فعال سازی گیرنده

هنگامی که انتقال دهنده عصبی به نورون پس سیناپسی متصل می شود، به طور کلی می تواند باعث شود یکی از 2 نوع گیرنده فعال شود. این یا یک کانال یونی بسته با لیگاند یا یک گیرنده پروتئین G را فعال می کند.

کانال یونی دروازه ای لیگاند: هنگامی که انتقال دهنده عصبی به این گیرنده متصل می شود، کانال یونی متصل به طور مستقیم باز یا بسته می شود. به عبارت دیگر، انتقال دهنده عصبی مستقیماً روی کانال یونی هدف عمل می کند. این نوع گیرنده به عنوان “سریع” توصیف می شود زیرا معمولاً فقط چند میلی ثانیه طول می کشد تا پاسخ ایجاد کند و خیلی سریع خاتمه می یابد. بسته به اینکه کدام انتقال دهنده عصبی به گیرنده متصل می شود، این نوع گیرنده ها می توانند تحریک کننده یا بازدارنده باشند.

گیرنده های جفت شده با پروتئین G: این نوع گیرنده ها با فعال کردن یک آبشار سیگنالینگ شامل پیام رسان های ثانویه، پاسخی ایجاد می کنند (یک کانال یونی را باز یا بسته می کنند). رایج ترین پیام رسان های ثانویه عبارتند از آدنوزین مونوفسفات حلقوی (cAMP)، اینوزیتول تری فسفات (IP3) و دی آسیل گلیسرول (DAG). هنگامی که انتقال دهنده عصبی به گیرنده متصل می شود، پروتئین G را فعال می کند که به گوانوزین تری فسفات (GTP) متصل می شود و فعال می شود. این امر آبشار پیام رسان ثانویه را فعال می کند که در نهایت منجر به فسفوریلاسیون کانال های یونی می شود. با توجه به مراحل متعددی که برای ایجاد پاسخ نهایی باید انجام شود، این مسیر به طور کلی به عنوان “آهسته” توصیف می شود و به طور کلی، اثرات طولانی تر (از ثانیه تا دقیقه) طول می کشد.

خاتمه سیگنال

غیرفعال کردن سیگنال باید شامل پاکسازی انتقال دهنده عصبی از سیناپس به حداقل یکی از 3 روش باشد:

جذب مجدد: جذب مجدد می تواند پیش سیناپسی یا توسط سلول های گلیال باشد. یکی از نکات مهمی که باید در مورد بازجذب به خاطر بسپارید این است که فقط انتقال دهنده های عصبی شیمیایی مولکولی کوچک را می توان پس گرفت، نوروپپتیدها نمی توانند در جذب مجدد شرکت کنند. آنها باید با ابزارهای دیگری از جمله تخریب حذف شوند.

در بازجذب پیش سیناپسی، نورون پیش سیناپسی از اندوسیتوز یا ناقلان خاص برای حذف انتقال دهنده عصبی از سیناپس استفاده می کند. مزیت این مکانیسم این است که انتقال دهنده عصبی می تواند بازیافت شود، که باعث می شود نورون مجبور به سنتز مجدد انتقال دهنده عصبی در هر چرخه آزاد نشود.

در برخی موارد، مانند گلوتامات، یک سلول گلیال در جذب مجدد نقش دارد. گلوتامات برای سلول سمی است، بنابراین در داخل نورون به عنوان گلوتامین ذخیره می شود. هنگامی که گلوتامات در سیناپس آزاد می شود، توسط سلول گلیال با استفاده از یک انتقال دهنده خاص جذب می شود، از طریق گلوتامیناز به گلوتامین تبدیل می شود، سپس به نورون بازگردانده می شود تا بازیافت شود.

تخریب آنزیمی: انتقال دهنده عصبی می تواند به طور مستقیم یا در شکاف یا در پایانه پیش سیناپسی با استفاده از آنزیم های خاص تخریب شود. دو آنزیم اصلی در تخریب انتقال دهنده عصبی نقش دارند:

مونوآمین اکسیدازها (MAO): این آنزیم ها مسئول اکسید کردن و در نتیجه غیرفعال کردن مونوآمین ها هستند. آنها این کار را با استفاده از اکسیژن برای حذف گروه آمین انجام می دهند. اینها بر اساس بسترها به MAO-A و MAO-B تقسیم می شوند. MAO-A عمدتاً مسئول تجزیه سروتونین، ملاتونین، نوراپی نفرین و اپی نفرین است. هر دو شکل دوپامین، تیرامین و تریپتامین را به طور مساوی تجزیه می کنند. MAO-B همچنین فن اتیل آمین و بنزیلامین را تجزیه می کند.

کاتکول-O-متیل ترانسفراز (COMT): به طور کلی، COMT مسئول تجزیه کاتکول آمین ها از جمله دوپامین، اپی نفرین و نوراپی نفرین و همچنین بیشتر مواد با ساختار کاتکول است.

توجه به این نکته ضروری است که هر دو آنزیم فوق اهداف بسیار مکرر داروهای درمانی هستند. با حذف این آنزیم ها، انتقال دهنده عصبی برای مدت طولانی تری در سیناپس باقی می ماند که می تواند در از بین بردن علائم بسیاری از فرآیندهای بیماری مفید باشد.

انتشار: در ساده ترین شکل خاتمه، انتقال دهنده عصبی به سادگی می تواند از شکاف سیناپسی و دور از گیرنده ها و به رگ های خونی مجاور پخش شود. این امر باعث کاهش غلظت انتقال دهنده عصبی در سیناپس می شود و به تدریج اثر انتقال دهنده عصبی بر نورون پس سیناپسی را کاهش می دهد.

اهمیت بالینی

سیناپس واحد عملکردی اساسی ارتباط عصبی است. به همین دلیل، بیماری هایی که سیناپس را هدف قرار می دهند، می توانند با عواقب بالینی شدیدی بروز کنند. چند نمونه در زیر ذکر شده است:

میاستنی گراویس

میاستنی گراویس یک فرآیند بیماری خود ایمنی است که باعث ضعف عضلانی می شود که معمولاً به صورت نزولی ظاهر می شود. این می تواند باعث پتوز، کاهش حالت چهره، افسردگی تنفسی و سایر علائم/نشانه های ضعف شود. در کل بعد از فعالیت بدتر و با استراحت بهتر است. پاتوژنز میاستنی گراویس شامل کاهش ارتباط بین نورون و عضله در محل اتصال عصبی عضلانی (NMJ) است. دلیل این امر این است که آنتی‌بادی‌ها گیرنده‌های استیل کولین را در NMJ مسدود کرده یا از بین می‌برند و از اتصال و دپلاریزاسیون ACH به ماهیچه جلوگیری می‌کنند، بنابراین انقباض را مهار می‌کنند. این آنتی بادی ها مرحله سوم (فعال شدن گیرنده) مسیر ارتباطی سیناپسی را مسدود می کنند.

سندرم لامبرت ایتون

سندرم Lambert-Eaton همچنین یک بیماری خود ایمنی است که باعث ایجاد اختلال در اتصال عصبی عضلانی می شود. با این حال، آن را شامل نورون پیش سیناپسی. به جای آنتی بادی هایی که علیه گیرنده های ACh مانند میاستنی گراویس هستند، آنتی بادی ها در اینجا علیه کانال های کلسیم روی نورون پیش سیناپسی هدایت می شوند. این امر از هجوم کلسیم جلوگیری می کند، که از همجوشی وزیکول ها با غشای پیش سیناپسی و آزاد شدن انتقال دهنده های عصبی به سیناپس جلوگیری می کند. این آنتی بادی ها از مرحله دوم (انتشار انتقال دهنده عصبی) از مسیر ارتباطی سیناپسی جلوگیری می کنند.

بوتولیسم / کزاز

در هر دوی این فرآیندهای بیماری، عامل ایجاد کننده سمی است که توسط یک باکتری تولید می شود که به عنوان یک پروتئاز عمل می کند که پروتئین های SNARE را می شکافد. این امر با مهار همجوشی تاولی از آزاد شدن انتقال دهنده های عصبی در محل اتصال جلوگیری می کند.

بوتولیسم: سم بوتولینوم که توسط کلستریدیوم بوتولینوم تولید می شود، از آزاد شدن استیل کولین که یک انتقال دهنده عصبی تحریک کننده است، جلوگیری می کند. این باعث مهار اثرات تحریکی می شود که از انقباض عضلات جلوگیری می کند و باعث فلج شل می شود.

کزاز: سم کزاز که توسط کلستریدیوم تتانی تولید می شود، از آزاد شدن GABA و گلیسین که هر دو انتقال دهنده های عصبی بازدارنده هستند، جلوگیری می کند. به طور خاص، انتشار آنها در سلول های رنشا در نخاع مهار می شود. این علائمی شبیه ضایعه نورون حرکتی فوقانی ایجاد می کند: فلج اسپاستیک، فک قفل شده و اپیستوتونوس.