การส่งสัญญาณประสาทผ่านไซแนปส์และการทำงานของสารสื่อประสาท

การส่งสัญญาณประสาทผ่านไซแนปส์ (synaptic transmission) คือกระบวนการที่เซลล์ประสาทหนึ่งสื่อสารกับเซลล์ประสาทอีกเซลล์หนึ่ง หรือเซลล์เป้าหมาย (effector cell) ผ่านไซแนปส์ (synapse) ที่ไซแนปส์เคมี (chemical synapse) ที่โดดเด่น ศักย์ไฟฟ้าที่มาถึงจะกระตุ้นการหลั่งสารสื่อประสาทที่ขึ้นกับแคลเซียม ซึ่งจะแพร่ข้ามช่องว่างไซแนปส์ (synaptic cleft) และจับกับตัวรับหลังไซแนปส์ (postsynaptic receptors) เพื่อเปลี่ยนศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์เป้าหมาย พื้นที่นี้ครอบคลุมกลไกระดับเซลล์และโมเลกุลของห่วงโซ่การส่งสัญญาณนั้น และระบบสารสื่อประสาทที่เกี่ยวข้อง

Definition

การส่งสัญญาณประสาทผ่านไซแนปส์คือการนำสัญญาณจากเซลล์ประสาทก่อนไซแนปส์ (presynaptic neuron) ไปยังเซลล์หลังไซแนปส์ (postsynaptic cell) ซึ่งเกิดขึ้นที่ไซแนปส์เคมีโดยการหลั่งสารสื่อประสาทที่ถูกควบคุมและกระตุ้นด้วยแคลเซียม ซึ่งจะจับกับตัวรับบนเซลล์เป้าหมายและเปลี่ยนแปลงความไวในการกระตุ้นของเซลล์นั้น

Scope

พื้นที่นี้จะให้ความรู้แก่ผู้อ่านเกี่ยวกับการส่งสัญญาณไซแนปส์เคมีในระบบประสาท: การสังเคราะห์และบรรจุสารสื่อประสาท, การเชื่อมโยงการหลั่งสารสื่อประสาทกับการเข้าของแคลเซียม, วิธีที่ตัวรับหลังไซแนปส์เปลี่ยนสัญญาณเคมี, การรวมอินพุตแบบกระตุ้นและยับยั้ง, และวิธีที่ความแข็งแรงของไซแนปส์ถูกปรับเปลี่ยนโดยการใช้งาน เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงทางสรีรวิทยาและไม่ได้ให้คำแนะนำในการจัดการทางคลินิก

Sub-topics

• Calcium-Dependent Neurotransmitter Release and Vesicle Dynamics
• Excitatory and Inhibitory Synaptic Potentials and Integration
• Neurotransmitter Synthesis, Packaging, and Catabolism
• Postsynaptic Receptors and Synaptic Integration
• Short-Term and Long-Term Synaptic Plasticity

Core questions

• การลดขั้วของเซลล์ประสาทก่อนไซแนปส์เปลี่ยนไปเป็นการหลั่งสารสื่อประสาทได้อย่างไร?
• ตัวรับหลังไซแนปส์เปลี่ยนการจับสารสื่อประสาทไปเป็นการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าหรือชีวเคมีได้อย่างไร?
• เซลล์ประสาทเดี่ยวรวมอินพุตกระตุ้นและยับยั้งที่มาบรรจบกันจำนวนมากได้อย่างไร?
• ความแข็งแรงของไซแนปส์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในช่วงเวลาสั้นและยาว?

Key concepts

• ไซแนปส์เคมีและช่องว่างไซแนปส์
• ปลายประสาทก่อนไซแนปส์และแอคทีฟโซน
• การคายออกของถุงที่กระตุ้นด้วยแคลเซียม
• ตัวรับสารสื่อประสาท (ionotropic และ metabotropic)
• ศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์แบบกระตุ้นและยับยั้ง
• การรวมสัญญาณไซแนปส์
• ความยืดหยุ่นของไซแนปส์

Key theories

สมมติฐานควอนตาของการหลั่งสารสื่อประสาท

สารสื่อประสาทถูกปล่อยออกมาเป็นแพ็คเก็ต (quanta) ที่แยกจากกันและมีขนาดใกล้เคียงกัน ซึ่งสอดคล้องกับเนื้อหาของถุงไซแนปส์เดี่ยว ดังนั้นการตอบสนองหลังไซแนปส์จึงสร้างขึ้นจากการรวมกันของหน่วยการตอบสนองขนาดเล็ก

ทฤษฎีเคมีของการส่งสัญญาณประสาทผ่านไซแนปส์

ไซแนปส์ส่วนกลางและส่วนปลายส่วนใหญ่ส่งสัญญาณโดยการปล่อยสารสื่อเคมีที่แพร่กระจายได้ แทนที่จะเป็นการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดยตรง โดยการหลั่งสารสื่อประสาทจะเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับการไหลเข้าของแคลเซียมก่อนไซแนปส์

Mechanisms

ศักย์ไฟฟ้าที่เข้าสู่ปลายประสาทก่อนไซแนปส์ (presynaptic terminal) จะเปิดช่องแคลเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า (voltage-gated calcium channels); การไหลเข้าของแคลเซียมที่เกิดขึ้นจะกระตุ้นการรวมตัวของถุงบรรจุสารสื่อประสาท (neurotransmitter-filled vesicles) เข้ากับเยื่อหุ้มเซลล์ที่บริเวณแอคทีฟโซน (active zone) ซึ่งจะปล่อยสารสื่อประสาทเข้าสู่ช่องว่างไซแนปส์ สารสื่อประสาทจะจับกับตัวรับหลังไซแนปส์ ซึ่งอาจควบคุมช่องไอออนโดยตรง (ionotropic) หรือทำงานผ่านสารสื่อกลางตัวที่สอง (second messengers) (metabotropic) ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าแบบลดขั้ว (depolarising) (กระตุ้น) หรือแบบเพิ่มขั้ว (hyperpolarising) (ยับยั้ง) เซลล์ประสาทหลังไซแนปส์จะรวมอินพุตเหล่านี้ในเชิงพื้นที่และเวลา และกิจกรรมที่เกิดขึ้นซ้ำๆ สามารถเสริมสร้างหรือลดทอนการเชื่อมต่อ ซึ่งเป็นพื้นฐานของความยืดหยุ่นของไซแนปส์ (synaptic plasticity)

Clinical relevance

การส่งสัญญาณประสาทผ่านไซแนปส์เป็นระดับที่ความผิดปกติทางระบบประสาทและจิตเวชหลายชนิด รวมถึงยาที่ใช้รักษา มีผลกระทบ เนื่องจากกระบวนการสังเคราะห์ การหลั่ง การจับกับตัวรับ และการดูดกลับของสารสื่อประสาทเป็นเป้าหมายทางเภสัชวิทยาที่พบบ่อย พื้นที่นี้อธิบายสรีรวิทยาปกติที่การแทรกแซงดังกล่าวมีผลต่อ และมีวัตถุประสงค์เพื่อให้เกิดความเข้าใจพื้นฐานมากกว่าที่จะเป็นแนวทางในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

ลักษณะทางเคมีของการส่งสัญญาณประสาทผ่านไซแนปส์ได้รับการยืนยันในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 และได้รับการปรับปรุงโดย Bernard Katz และเพื่อนร่วมงาน ซึ่งผลงานของพวกเขาที่รอยต่อประสาทและกล้ามเนื้อ (neuromuscular junction) ในทศวรรษ 1950 เปิดเผยว่าสารสื่อประสาทถูกปล่อยออกมาเป็นควอนตา (quanta) งานวิจัยระดับโมเลกุลในเวลาต่อมา ซึ่งได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบลแก่ Katz และต่อมาแก่ Südhof และคนอื่นๆ ได้ระบุกลไกการรวมตัวของถุงและเซ็นเซอร์แคลเซียมที่เชื่อมโยงกิจกรรมทางไฟฟ้ากับการหลั่งสารสื่อประสาท

Key figures

• Bernard Katz
• Thomas Südhof
• Eric Kandel

Seminal works

• fatt-katz-1952
• sudhof-2013
• kandel-2001

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างไซแนปส์เคมีและไซแนปส์ไฟฟ้าคืออะไร?

ไซแนปส์เคมีส่งสัญญาณโดยการปล่อยสารสื่อประสาทที่ข้ามช่องว่างและจับกับตัวรับบนเซลล์เป้าหมาย ในขณะที่ไซแนปส์ไฟฟ้าส่งกระแสไฟฟ้าโดยตรงผ่านช่องว่างเชื่อมต่อ (gap-junction channels); พื้นที่นี้เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณเคมี ซึ่งเป็นรูปแบบที่โดดเด่นในระบบประสาทของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

ทำไมแคลเซียมจึงมีความสำคัญต่อการส่งสัญญาณประสาทผ่านไซแนปส์?

แคลเซียมที่เข้าสู่ปลายประสาทก่อนไซแนปส์ผ่านช่องที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าเป็นตัวกระตุ้นที่เชื่อมโยงกิจกรรมทางไฟฟ้ากับการรวมตัวของถุง ดังนั้นการหลั่งสารสื่อประสาทจึงขึ้นอยู่กับสัญญาณแคลเซียมอย่างมาก