神經系統中化學傳遞的優勢是什麼?

時間 2021-05-31 06:39:41

1樓:皮皮佳

與電傳導相比,化學傳遞的優勢很多,像訊號放大、作用持久、神經遞質的重攝取二次利用等等優點都已經被說爛了,那我在這裡就講乙個有意思的優勢叭。

舉個例子,在脊椎動物視網膜上存在一類星狀無長突細胞(Starburst amacrine cells,SACs),它們的作用是感知方向選擇性的運動,即每個SACs都對乙個特定的方向有反應。SACs有乙個放射狀的對稱的樹突形態,可以與內網層的方向選擇性神經節細胞(direction-selective ganglion cells, DSGCs)接觸。當乙個移動的光影在SACs的偏好方向上移動時,SACs會釋放ACh啟用DSGCs,但當物體的光影沒有在SACs的偏好方向上移動時,SACs則會釋放GABA抑制DSGCs的活性。

通過這兩種神經遞質的作用,SACs能夠發揮雙重作用:通過ACh的釋放來傳遞運動敏感性的資訊,而通過GABA來傳遞方向選擇性的資訊。

來自SACs偏好方向的光束會引發DGSCs的快速去極化,而來自SACs非偏好方向的光束則會抑制DGSCs。

Corelease的好處在於,通過單一神經元就可以增強突觸傳遞的時空控制,而且神經遞質的動態調控模式也增強了神經傳遞的可塑性。

既然神經遞質傳遞速率不如神經纖維,還要突觸幹嘛?都是神經纖維的話不是傳導更快?

2樓:西四逸先生

這是個好問題,而且不太好回答。原因很簡單,因為神經系統中訊號傳遞的機制至今也沒有完全搞明白,所以我也就憑著自己的理解簡單回答一下。

動物細胞間的資訊交流主要有三種方式:電性突觸(還有細胞間隙連線):把離子或其他小分子直接運送到隔壁細胞的細胞質內(嚴格來說不一定帶電);化學突觸

把神經遞質分泌到細胞外,然後再擴散到其他細胞,並對其產生作用;物理接觸:用細胞膜上的分子接觸其他細胞的細胞膜。而在神經系統中,資訊交流主要靠的是前兩種方式,第三種方式只在神經元網路的連線與發展過程中發揮作用。

因此,題主應該是想問在神經系統中,化學突觸比起電性突觸的優勢是什麼。

圖1. 2023年Loewi證明化學物質可以傳遞資訊的實驗 (Levitan and Kaczmarek, 2015)

對於這兩種突觸,我們對化學突觸的理解更早,也更深入。早在2023年,Loewi就利用青蛙心臟證明了化學物質可以傳遞資訊(圖1),並獲得了諾貝爾獎。在這個實驗中,他聯通了兩個水槽,並在每個水槽中放入了乙個青蛙心臟。

在第乙個水槽中,它將乙個交感神經(Vagus Nerve)連到青蛙心臟上,並對神經進行刺激。由於交感神經的作用,第乙個水槽中的青蛙心臟跳動開始減緩,當然這個現象早就被發現了。神奇的是,隨後他發現位於第二個水槽中的青蛙心臟跳動也開始減緩了,於是證明了一定有什麼化學物質通過連通的管道從第乙個水槽擴散到了第二個水槽,並對第二個水槽中的心臟產生了作用。

這個實驗第一次證明了動物可以通過化學物質傳遞資訊,儘管這個實驗是神經細胞對肌肉細胞的作用,但神經細胞間的作用也是類似的。

圖2. 化學突觸 (Levitan and Kaczmarek, 2015)

圖2是乙個化學突觸的影像和它的示意圖。我們可以發現位於突觸兩側的結構是不對稱的,並且中間有較大的縫隙,通過電子顯微鏡的觀察,這個縫隙比通常情況下兩個細胞之間的間距還要大。釋放神經遞質的一端(圖中的下半部分)較為粗大,擁有很多包含著神經遞質的囊泡,並且擁有線粒體(橙色的部分)為釋放囊泡和之後重新準備的過程提供能量。

而接收神經遞質的一端(圖中的上半部分)則稍小。這個不對稱的結構也確保了這個傳遞化學物質的過程是單向的,這個單向性很重要。

圖3. 通過電性突觸彼此聯結的視細胞 (Levitan and Kaczmarek, 2015)

而電性突觸的發現和驗證就要晚將近40年,直到2023年這類突觸才在螯蝦的某種細胞上得到證實。而由於技術上的限制,多年來對於這種突觸的研究進展也比較緩慢。但這並不意味著電性突觸相比化學突觸不重要,因為它在生物體神經系統中的訊號交流中佔著很大的比重。

比如圖3所示,如果我們將黃色染料注入乙個視細胞中,黃色慢慢就會通過電性突觸擴散到幾乎整層視網膜中,可見我們的視覺與電性突觸的作用是密不可分的。

圖4. 電性突觸 (Levitan and Kaczmarek, 2015)

圖4是乙個電性突觸的示意圖,上下兩層細胞膜分屬兩個細胞。我們可以發現它和化學突觸有顯著的區別。首先,兩層細胞膜之間沒有縫隙,並且有藍色的連線蛋白將兩層細胞膜之間貫通,因此離子和小分子可以直接經過這個通道往返於兩個細胞之間。

並且這個過程非常的快速、高效。這種高度對稱的結構使得通過電性突觸傳遞的資訊是雙向的,這點與化學突觸也非常不同。

說完結構,就該說說功能了,順帶回歸主題,說說化學突觸傳遞資訊的優勢是什麼。在此之前,先總結一下電性突觸的優點。第一,它是雙向的;第二,它傳遞資訊非常的快。

第三,因為這種彼此聯通的結構,它可以使大量神經元的電位保持同步,說的直白點,就是可以讓用乙個口哨,指揮一片神經元正步走。這樣就可以讓整個大腦有節奏的做一些事情,比如睡覺時給你的大腦洗個澡:

人為什麼要睡覺?

那麼,化學突觸有什麼優勢呢?首先,它是單向的,很多時候這樣更高效。比如膝跳反射,別人錘你膝蓋一下,痛覺傳到了脊髓,脊髓直接通知腿部肌肉收縮就完了,這個過程中的資訊單向傳遞就可以了。

其次,儘管它傳遞資訊稍微慢一點(有時會有幾毫秒的延遲),但能把資訊傳遞的更遠。開個玩笑,比如圖1的實驗,可以從乙個水槽傳遞到另乙個水槽。類似的,神經遞質在體內可以通過擴散作用作用於很遠的,甚至沒有突觸連線的細胞。

化學突觸和電性突觸就像郵政和快遞的關係。儘管郵政比快遞慢,但無論是深山峻嶺、天涯海角,你找了郵政,它早晚能給你送到,但快遞顯然是有服務範圍的。最後,化學突觸比電性突觸具有更強的可塑性,如果說電性突觸主要完成的是機械性的重複工作,那麼化學突觸承擔了更多的學習性任務。

比如,它可以調節神經遞質釋放的速率、數量,甚至是位置和節奏。如圖5所示,在長期記憶形成的過程中,海馬體神經元表面的神經遞質AMPA受體數量會發生變化(注意黃色箭頭位置)。因此神經元就可以加強對AMPA的感知,無數這樣的變化疊加起來,(或許)就產生了記憶。

順帶說一句,beta澱粉蛋白會對AMPA受體的結構造成影響,這也被認為是阿爾茨海默病的原因之一。

圖5. 在長期記憶過程中,海馬體神經元AMPA受體在十分鐘內的變化 (Levitan and Kaczmarek, 2015)

然而,事實上大部分神經系統的工作是由兩種突觸共同完成的,缺一不可。但既然題主感興趣的是其中一種的優勢,那就沒必要在這裡寫兩種突觸之間的相互配合了。感興趣的同學可以翻閱本文的參考書,我已經把書的資訊放在下面了。

這本書寫的非常淺顯易懂,內容又非常全面深刻,對神經系統感興趣的同學一定不要錯過。

Levitan, I.B. & Kaczmarek, L.

K., 2015. The neuron :

cell and molecular biology. Fourth., New York.

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