การส่งสัญญาณประสาทและการสื่อประสาท

การส่งสัญญาณประสาท (synaptic transmission) คือกระบวนการที่เซลล์ประสาทหนึ่งส่งสัญญาณไปยังอีกเซลล์หนึ่งที่บริเวณไซแนปส์ (synapse) ในรูปแบบที่พบบ่อยที่สุดคือการส่งสัญญาณทางเคมี (chemical transmission) ซึ่งศักย์กิจกรรม (action potential) ที่มาถึงจะกระตุ้นการหลั่งโมเลกุลสารสื่อประสาท (neurotransmitter) ที่แพร่ข้ามช่องว่างไซแนปส์ (synaptic cleft) และออกฤทธิ์ต่อตัวรับของเซลล์ผู้รับ ชนิดของสารสื่อประสาทและตัวรับจะเป็นตัวกำหนดว่าสัญญาณนั้นกระตุ้น ยับยั้ง หรือปรับเปลี่ยนเป้าหมาย

Definition

การส่งสัญญาณประสาท (synaptic transmission) คือการสื่อสารสัญญาณจากเซลล์ประสาทก่อนไซแนปส์ (presynaptic neuron) ไปยังเซลล์หลังไซแนปส์ (postsynaptic cell) โดยทั่วไปผ่านการหลั่งสารสื่อประสาทที่ขึ้นกับแคลเซียม ซึ่งจะกระตุ้นตัวรับหลังไซแนปส์; สารสื่อประสาทคือโมเลกุลส่งสัญญาณที่นำข้อมูลนี้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมขั้นตอนของการส่งสัญญาณประสาททางเคมี ได้แก่ การหลอมรวมถุงน้ำที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม การหลั่งสารสื่อประสาท การกระตุ้นตัวรับ และการสิ้นสุดสัญญาณ พร้อมด้วยระบบสารสื่อประสาทหลัก (เช่น กลูตาเมต, GABA, อะเซทิลโคลีน และโมโนเอมีน) และความแตกต่างระหว่างตัวรับไอออนิก (ionotropic) และเมตาโบโทรปิก (metabotropic) เป็นการสำรวจกลไกอ้างอิงและไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• ศักย์กิจกรรมกระตุ้นการหลั่งสารสื่อประสาทที่ปลายประสาทก่อนไซแนปส์ได้อย่างไร?
• ตัวรับหลังไซแนปส์เปลี่ยนสัญญาณเคมีเป็นการตอบสนองทางไฟฟ้าหรือชีวเคมีได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างระบบสารสื่อประสาทหลักและชนิดของตัวรับ?
• สัญญาณไซแนปส์สิ้นสุดลงและสารสื่อประสาทถูกกำจัดออกไปได้อย่างไร?

Key concepts

• ถุงน้ำไซแนปส์และกลไก SNARE
• การหลั่งออกนอกเซลล์ที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม
• ช่องว่างไซแนปส์และการแพร่
• ตัวรับไอออนิกเทียบกับตัวรับเมตาโบโทรปิก
• สารสื่อประสาทที่กระตุ้นและยับยั้ง
• การดูดกลับและการกำจัดสารสื่อประสาท

Key theories

สมมติฐานแคลเซียมของการหลั่งถุงน้ำ

การไหลเข้าของแคลเซียมที่ถูกขับเคลื่อนด้วยศักย์กิจกรรมที่ปลายประสาทจะกระตุ้นการหลอมรวมของถุงน้ำที่บรรจุสารสื่อประสาทเข้ากับเยื่อหุ้มเซลล์ โดยมีกลไก SNARE และเซ็นเซอร์แคลเซียมซินแนปโทแทกมินเป็นตัวกลางในการหลั่งที่รวดเร็วและพร้อมเพรียงกัน

Mechanisms

เมื่อศักย์กิจกรรมมาถึงปลายประสาทก่อนไซแนปส์ ช่องแคลเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า (voltage-gated calcium channels) จะเปิดออก และการไหลเข้าของแคลเซียมที่เกิดขึ้นจะถูกตรวจจับโดยซินแนปโทแทกมิน (synaptotagmin) ซึ่งทำงานร่วมกับ SNARE complex เพื่อขับเคลื่อนการหลอมรวมของถุงบรรจุสารสื่อประสาทแบบพร้อมเพรียงกัน ซึ่งเป็นลำดับที่ Südhof และ Chapman ได้วิเคราะห์ในระดับโมเลกุล สารสื่อประสาทที่ถูกปล่อยออกมาจะแพร่ข้ามช่องว่างและจับกับตัวรับหลังไซแนปส์: ตัวรับไอออนิกจะเปิดช่องไอออนโดยตรงเพื่อสร้างศักย์กระตุ้นหรือยับยั้งที่รวดเร็ว ในขณะที่ตัวรับเมตาโบโทรปิกจะออกฤทธิ์ผ่านโปรตีน G เพื่อสร้างผลการปรับเปลี่ยนที่ช้ากว่า ดังที่แสดงโดยการส่งสัญญาณของตัวรับโดปามีน สัญญาณจะสิ้นสุดลงโดยการดูดกลับโดยตัวขนส่ง การย่อยสลายด้วยเอนไซม์ หรือการแพร่กระจายออกจากไซแนปส์

Clinical relevance

ยาหลายชนิดที่ออกฤทธิ์ต่อระบบประสาททำงานโดยการเปลี่ยนแปลงการส่งสัญญาณประสาท เช่น โดยการเปลี่ยนการหลั่งสารสื่อประสาท การปิดกั้นหรือกระตุ้นตัวรับ หรือการยับยั้งการดูดกลับ ดังนั้นกลไกในหัวข้อนี้จึงเป็นพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจเภสัชวิทยาทางระบบประสาท บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการสั่งยาหรือการตัดสินใจในการรักษา

Evidence & guidelines

หัวข้อนี้ได้รับการสนับสนุนจากการวิจัยระดับโมเลกุลและสรีรวิทยาเกี่ยวกับการหลอมรวมถุงน้ำ เภสัชวิทยาของตัวรับ และระบบสารสื่อประสาท มากกว่าแนวทางทางคลินิก และได้รับการสังเคราะห์ในเอกสารอ้างอิงทางประสาทวิทยาและเภสัชวิทยามาตรฐาน

History

ลักษณะทางเคมีของการส่งสัญญาณประสาทได้รับการยืนยันในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากการสาธิตสารสื่อเคมีของ Otto Loewi และการวิเคราะห์เชิงปริมาณของการหลั่งที่รอยต่อประสาทและกล้ามเนื้อของ Bernard Katz งานวิจัยระดับโมเลกุลในภายหลังได้ระบุโปรตีน SNARE และเซ็นเซอร์แคลเซียมซินแนปโทแทกมินที่ควบคุมการหลอมรวมถุงน้ำ ในขณะที่การจำแนกประเภทของตระกูลตัวรับได้ชี้แจงว่าสารสื่อประสาทที่แตกต่างกันสร้างการกระตุ้น การยับยั้ง หรือการปรับเปลี่ยนได้อย่างไร

Key figures

• Bernard Katz
• Thomas Südhof
• Edward Chapman
• Otto Loewi

Seminal works

• sudhof-2013
• chapman-2008
• beaulieu-gainetdinov-2011

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างตัวรับไอออนิกและเมตาโบโทรปิกคืออะไร?

ตัวรับไอออนิกคือช่องไอออนที่เปิดโดยตรงเมื่อสารสื่อประสาทจับ ทำให้เกิดการตอบสนองที่รวดเร็ว ในขณะที่ตัวรับเมตาโบโทรปิกออกฤทธิ์ผ่านกระบวนการส่งสัญญาณภายในเซลล์เพื่อสร้างผลการปรับเปลี่ยนที่ช้ากว่าและคงอยู่นานกว่า

ทำไมแคลเซียมจึงสำคัญต่อการหลั่งสารสื่อประสาท?

การมาถึงของศักย์กิจกรรมจะเปิดช่องแคลเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า และแคลเซียมที่เข้าสู่เซลล์คือตัวกระตุ้นที่ทำให้ถุงบรรจุสารสื่อประสาทหลอมรวมกับเยื่อหุ้มเซลล์และปล่อยสารที่อยู่ภายในออกมา