Что такое синапс – Особенности структуры человеческой памяти

Что такое синапс

В двух словах, синапс – это место, где встречаются две нервные клетки. На первый взгляд, что в нем особенного? Однако в действительности синапс – это довольно сложное устройство, которое позволяет правильно работать всему механизму сбора и обработки информации.

Именно синапс позволяет нам преобразовывать простейшие сигналы и безусловные рефлексы в сложнейшие схемы мыслительной деятельности: представления, идеи, образы, произведения искусства, научные теории.

Что такое нейротрансмиттеры

Нейротрансмиттеры – это молекулы, которые действуют как химические сигналы, передавая электрические импульсы от одной клетки к другой. Они находятся в синапсах между синаптическими путями одного нейрона и дендритами другого. Химические вещества, обеспечивающие бесперебойную передачу импульсов по нейронам, называются возбуждающими нейротрансмиттерами. Подавляющие нейротрансмиттеры блокируют электрические импульсы.

Расширение возможностей или подавление электрических сигналов

После захвата нейротрансмиттеров постсинаптический нейрон отвечает на продолжение нервного сигнала генерацией возбуждающих или тормозных потенциалов, которые позволят или не позволят распространиться потенциалу действия (электрическому импульсу), сгенерированному в аксоне пресинаптического нейрона, путем изменения электрохимического баланса.

И эта синаптическая связь между нейронами не всегда предполагает прохождение нервного импульса от одного нейрона к другому, но также может привести к тому, что он не будет воспроизведен или погаснет, в зависимости от типа стимулируемой связи.

Чтобы лучше понять это, нужно вспомнить, что в нервных соединениях участвуют только два нейрона, но у нас есть бесчисленное множество соединенных цепей, которые могут вызвать блокировку сигнала, испускаемого цепью. Например, до травмы мозг посылает болевые сигналы в пораженную область, но через другую цепь ощущение боли временно блокируется, чтобы предотвратить выход вредных раздражителей.

Место синапсов в нервной системе

Одной из основных задач нейронов является хранение и обработка информации из внешнего мира. От органов чувств, мышц, связок и т.д. слабые электрические сигналы по нервным волокнам поступают в мозг, где они распределяются по нейронным цепям, образуя очаги возбуждения и связи между отдельными нейронами, центрами и участками мозга. Словом, так протекают все процессы в нашей психике: от простейших безусловных рефлексов до сложнейшей психической деятельности.

Распространение нервных импульсов происходит через процессы в нейронах. Короткие и сильно разветвленные дендриты специализируются на приеме сигналов от других нейронов. Одна нервная клетка может иметь до 1500 дендритов. С другой стороны, передающее нервное волокно, аксон, представляет собой одно нервное волокно, но длинное, его длина может достигать 1,5 метра. Соединяясь с ветвями дендритов, аксон передает сигнал от одного нейрона к другому.

Проблема, однако, заключается в том, что чаще всего импульс не может пройти напрямую, потому что между дендритными “ветвями” одной нервной клетки и аксоном другой существует зазор – пространство, заполненное межклеточным веществом.

Это происходит следующим образом: при движении импульса на стыке нервных волокон происходит биохимическая реакция, образуется белковая молекула – нейротрансмиттер или медиатор (посредник) – и закупоривает щель, образуя своеобразный мост, по которому может пройти сигнал. Это создает то, что английский физиолог К. Шеррингтон в 1897 году назвал синапсом.

Как работают синапсы

1. Нервный импульс поступает в синаптическую колбочку нейрона.
2. Нейротрансмиттеры высвобождаются в синапсе.
3. Нейротрансмиттеры быстро проходят через щель, и молекулы достигают рецепторов на мембране постсинаптического нейрона.
4. Это вызывает изменение проницаемости постсинаптической мембраны для ионов натрия, и его положительные ионы попадают в постсинаптический нейрон, вызывая деполяризацию. В результате нервный импульс передается следующему нейрону.

Объем памяти человека

Средний человеческий мозг насчитывает около 100 миллиардов нейронов (или нервных клеток) и нейроглии (или глиальных клеток), которые служат для поддержки и защиты нейронов.

Каждый нейрон может быть связан с 10 000 других нейронов, передающих друг другу сигналы через 1 000 триллионов синаптических связей, что по некоторым оценкам эквивалентно компьютеру с процессором, работающим со скоростью 1 триллион бит в секунду.

Оценки размера человеческого мозга варьируются в широких пределах – от 1 терабайта до 1 000 терабайт (для сравнения, 19 миллионов томов Библиотеки Конгресса США представляют собой около 10 терабайт данных).

Структура синапса

Учитывая, что размер нервной клетки редко превышает 100 мкм, связь между передающим и принимающим волокнами двух нейронов вообще микроскопическая. Однако синапс имеет сложную структуру, состоящую из трех основных частей:

• Нервное окончание “ответвляется” от дендрита, который представляет собой микроскопическое утолщение, называемое пресинаптической мембраной. Это очень важная часть синапса, отвечающая за синтез белковых молекул.
• Аналогичное утолщение обнаруживается на корешках аксонов. Он имеет специальные рецепторы, которые принимают сигналы от медиаторов. Это постсинаптическая мембрана.
• Синаптическая щель, в которой образуется медиатор – белковая молекула, проводящая импульс. Эта часть синапса как препятствует передаче сигнала, так и генерирует белковые молекулы, которые не только выполняют роль “мостиков”, но и участвуют в функционировании нервной системы и организма в целом.

Функции этих белковых соединений разнообразны, поскольку нейроны производят разные типы медиаторов, а их химический состав по-разному влияет на процессы в нервной системе. И это влияние настолько сильно, что в значительной степени контролирует психические реакции, а недостаток даже одного из белков может привести к серьезным заболеваниям, таким как болезнь Паркинсона или Альцгеймера.

В настоящее время открыто и изучено более 60 типов нейротрансмиттеров с различными свойствами. Вот примеры некоторых из них:

• Норэпинефрин – это гормон стресса. Он обладает возбуждающим действием, повышает активность всех систем организма и придает нашему эмоциональному состоянию чувство ярости.
• Серотонин. Его функции разнообразны: от помощи в пищеварении до влияния на уровень сексуального желания.
• Глутамат необходим для запоминания и хранения информации, но его избыток токсичен и может привести к гибели нервных клеток.
• Дофамин – это гормон счастья, источник положительных эмоций, дающий состояние блаженства. В то же время этот белок, как и многие другие, обеспечивает эффективность когнитивных процессов. А его недостаток может вызвать состояние депрессии и привести к слабоумию.

Это далеко не все белки, которые производятся нейронами, но даже этот пример позволяет оценить важность нейротрансмиттеров и роль синапсов в организации нормальной деятельности мозга. Нарушение нейронных связей в результате болезни или травмы также может привести к серьезным нарушениям психических функций.

Классификация синапсов

Существует несколько классификаций связей между нервными клетками. Первый, о котором мы говорили выше, – это разделение на химические, электрические и смешанные синапсы. Синапсы также можно разделить по характеру передаваемого сигнала: возбуждающие и тормозные. Синапсы также можно разделить по их расположению: центральные, расположенные в головном мозге, и периферические, расположенные в периферической нервной системе.

Синапсы также делятся в зависимости от вырабатываемых ими нейротрансмиттеров. Одни вырабатывают норадреналин, другие – ацетилхолин, серотонин, глутамат и другие. Всего существует около шестидесяти типов нейротрансмиттеров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Например, норэпинефрин является стимулятором, активирует все системы организма и вызывает чувство ярости. Дофамин – это гормон счастья, который обеспечивает организму состояние блаженства, порождая положительные эмоции; он также отвечает за когнитивные процессы. Как избыток, так и недостаток нейротрансмиттеров приводит к различным нарушениям в нервной системе и во всем организме. Например, дефицит дофамина вызывает депрессию, потерю энергии и приводит к слабоумию. Избыток глутамата может привести к гибели нервных клеток.

Структура и функционирование биологической нервной системы позволили ученым создать ее искусственный эквивалент. В искусственной нейронной сети связи между отдельными “нейронами” также называются синапсами, и в них есть как “дендриты”, так и “аксоны”. Искусственные нейронные сети могут даже моделировать отдельные типы сигналов – так, существуют возбуждающие и тормозящие сигналы. Конечно, искусственная нейронная сеть – это упрощенная модель реальной, биологической сети, но по мере развития технологий модель становится все более и более детальной. В 2015 году, например, исследователи из Швеции создали один из самых совершенных на сегодняшний день аналогов искусственного нейрона. Устройство было создано на основе органической биоэлектроники. Такой искусственный нейрон наиболее полно повторяет работу естественной нервной клетки и даже может общаться с другими нейронами.

Нейронные сети

Через синаптические связи нейроны объединяются в функциональные единицы – нейронные сети. Нейронные сети могут быть образованы нейронами, расположенными в непосредственной близости друг от друга.

Такая нейронная сеть называется локальной. Кроме того, сеть может содержать удаленные нейроны из разных областей мозга. Самый высокий уровень организации нейронных связей отражает соединение нескольких областей центральной нервной системы.

Такая нейронная сеть называется путем или системой. Различают нисходящие и восходящие пути. Восходящие пути передают информацию от первичных областей мозга к вторичным (например, от спинного мозга к коре головного мозга).

Нисходящие пути соединяют кору головного мозга со спинным мозгом. Наиболее сложные сети называются распределительными системами. Они образованы нейронами в различных частях мозга, которые контролируют поведение всего тела.

Некоторые нейронные сети позволяют импульсам сходиться на ограниченном количестве нейронов. Нейронные сети также могут быть основаны на дивергенции (расхождении). Эти сети передают информацию на большие расстояния.

Нейронные сети также интегрируют (суммируют или обобщают) различные типы информации.

Синапсы на протяжении всей жизни

Человек как организм постоянно активен на протяжении всего жизненного цикла, будь то выполнение деятельности, ощущение, восприятие, мышление, обучение … Вся эта деятельность означает, что наша нервная система постоянно активирована, испуская нервные импульсы и передавая команды нейронов и информацию от одного к другому через синапсы.

Когда устанавливается связь, нейроны под воздействием нейротрофических факторов сближаются, облегчая притяжение и отталкивание друг друга, хотя и не касаясь друг друга. После соединения они оставляют небольшой промежуточный зазор – синаптическое пространство – благодаря модулирующему действию тех же нейротрофических факторов. Образование синапсов называется синаптогенезом, который особенно важен в период вынашивания плода и в раннем детстве. Однако синапсы формируются на протяжении всего жизненного цикла в результате непрерывного образования и сокращения связей между нейронами.

Сама жизнь и различные виды деятельности, которые мы выполняем, влияют на синаптическую активность: если активация цепи в значительной степени повторяется, она укрепляется, в то время как если она не выполняется в течение длительного времени, связь между нейронными цепями ослабевает.