miniatura|Esquema dels principals elements de la neurona i la trasnmissió sinàptica. 1 Reticle endoplasmàtic rugós 2 Poliribosoma 3 Ribosoma 4 Aparell de Golgi 5 Nicli 6 Nuclèol 7 Memnrana 8 Microtúbul 9 Mitocondri 10 Reticle endoplasmàtic llis 11 Con axònic 12 Nucli (cèl·lula de Schwann) 13 Sinapsi (axó simàtic) 14 Sinapsi (axó dendrític) 15 Dendrita 16 Axó 17 Neurotransmissor 18 Receptor 19 Sinapsi 20 Microfilament 21 Baina de mielina 22 Nòdul de Ranvier 23 Terminal axonal 24 Vesícula axonal 25 Sinapsi (axó axó) 26 Distància sinàptica
Les sinapsis químiques són unions especialitzades a través de les quals es transmeten els senyals emesos per les neurones. Es troben tant en les neurones com en altres tipus de cèl·lules; n'hi ha en teixits com el muscular o en les glàndules.
El gran nombre de sinapsis permet a les neurones crear circuits de senyals dins el sistema nerviós central conjuntament amb els cossos cel·lulars, els axons i les dendrites. Per això, són crucials pels còmputs biològics que donen lloc a les percepcions i al pensament en general. En definitiva, són la clau del sistema nerviós central per a connectar i controlar tots els sistemes i les funcions del cos.
Però no fóra cert pensar en un sol tipus de sinapsi; la xarxa d'interconnexions depèn de sinapsis químiques i elèctriques, de propagació del potencial d'acció i de senyals en forma de canvis graduats del potencial a la superfície cel·lular de les membranes.
En una sinapsi química, una neurona emet un neurotransmissor a l'espai intracel·lular (sinapsi), que és l'estreta regió que separa la neurona de la cèl·lula adjacent. Resulta imprescindible que els neurotransmissors abandonin la sinapsi tan ràpidament com es pugui per tal que aquesta quedi lliure per tornar a transmetre'n.
Es calcula que el cervell humà conté entre 10¹⁴ i 1015 sinapsis. Cada mil·límetre cúbic del còrtex cerebral en conté aproximadament mil milions.Alonso-Nanclares L, Gonzalez-Soriano J, Rodriguez JR, DeFelipe J. (2008). Gender differences in human cortical synaptic density. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 105(38):14615-9.
El mot sinapsi va ser creat a partir de la combinació dels termes grecs “syn-” (junts, units, unió) amb “haptein” (sostenir, subjectar, mantenir unit) pel neuròleg i professor universitari anglès Charles Scott Sherrington (1857-1952; Premi Nobel de Medicina o Fisiologia el 1932) i els seus companys de treball. Tot i així, la sinapsi química no és l'únic tipus de sinapsi biològica; també existeixen la sinapsi elèctrica i la sinapsi immunològica.
Estructura miniatura|Esquema d'una sinapsi química entre un axó d'una neurona i la dendrita d'un altre. Les sinapsis són espais diminuts especialitzats entre les neurones. Els impulsos elèctrics que arriben a la terminal de l'axó desencadenen l'alliberament de missatgers químics (neurotransmissors), que es difonen a través de l'escletxa sinàptica fins a trobar els receptors de la dendrita adjacent. Quan s'uneixen, causen canvis en la cèl·lula receptora que desencadenen, de forma general, un altre impuls nerviós. Un cop el neurotransmissor s'allibera del lligam amb el receptor, és metabolitzat o és tornat a internalitzar en una neurona per ser reutilitzat.
Les sinapsis són connexions funcionals entre neurones o bé entre neurones i altres tipus de cèl·lules.
La informació passa per la sinapsi química des de la cèl·lula presinàptica fins a la cèl·lula postsinàptica. Per tant, és lògic concloure que les cèl·lules presenten asimetria tant estructuralment com funcional.
La terminal presinàptica (synaptic bouton) és una àrea especialitzada que es troba a l'axó de la cèl·lula presinàptica en la que es troben els neurotransmissors compresos en petites esferes recobertes de membrana anomenades vesícules sinàptiques. Aquestes vesícules estan acoblades a la membrana plasmàtica presinàptica en locus anomenats regions actives (en anglès Active zones o AZ).
A l'altra banda de la unió, per tant, s'hi troba la regió de la cèl·lula postsinàptica que conté receptors de neurotransmissors. Si es tracta d'una neurona, aquesta regió es troba a les dendrites o al cos cel·lular. Just darrere de la membrana plasmàtica postsinàptica s'hi troba un intricat complex de proteïnes intercomunicades anomenat regió de densitat postsinàptica (en anglès postsinaptic density). La seva funció és ancorar i transportar els receptors de neurotransmissors, així com modular la seva activitat. Els receptors i les PSDs sovint es troben en protrusions especialitzades que sobresurten de l'eix principal de la dendrita i s'anomenen espines dendrítiques (dendritic spines).
Entre les cèl·lules pre- i postsinàptiques hi ha una llacuna d'uns 20 nm d'amplada anomenada fenedura sinàptica (synaptic cleft), que se sosté gràcies a les proteïnes d'unió cel·lular que mantenen lleugerament distanciades però inseparables les membranes de les dues cèl·lules adjacents. L'ínfim volum d'aquest espai facilita els canvis bruscos en la concentració dels neurotransmissors.
Senyalització Visió general Resum de la seqüència d'esdeveniments de la transmissió sinàptica; des de la neurona presinàptica fins a la cèl·lula postsinàptica. Cal tenir en compte que, exceptuant l'últim punt, tot el procés pot arribar a tenir lloc en algunes dècimes de mil·lisegon.
El procés comença en el moment en què una ona d'excitació electromagnètica anomenada potencial d'acció viatja al llarg de la membrana de la cèl·lula presinàptica i arriba a la sinapsi. Quan la despolarització elèctrica de la membrana arriba a la sinapsis, causa l'obertura de canals permeables a la circulació d'ions de calci. Els ions de calci travessen la membrana plasmàtica presinàptica i penetren dins la cèl·lula presinàptica, de manera que la concentració de calci a l'interior augmenta ràpidament. L'alta concentració d'ions calci activa una sèrie de proteïnes sensibles al calci, les quals es troben adossades a les vesícules que contenen els neurotransmissors químics. La forma d'aquestes proteïnes canvia, fent que les membranes de les vesícules a les que estan unides es fusionin amb la membrana plasmàtica presinàptica, de manera que s'obrin i aboquin els neurotransmissors que contenien a l'escletxa sinàptica, l'estret espai entre les membranes de les cèl·lules emissora i receptora. Els neurotransmissors es difonen per l'escletxa. Alguns s'escapen, però alguns altres s'uneixen als receptors químics de molècules que es troben a la membrana de la cèl·lula postsinàptica. Quan un neurotransmissor s'uneix un receptor, aquest s'activa. Hi ha molts tipus d'activació, com s'explica més endavant. En qualsevol cas, però, aquest és el moment clau gràcies al qual el procés sinàptic afecta el comportament de la cèl·lula postsinàptica. A causa d'aquesta agitació tèrmica, els neurotransmissors finalment s'alliberen i queden flotant a la deriva. Finalment, el neurotransmissor pot ser reabsorbit per la cèl·lula presinàptica i empaquetat de nou en vesícules sinàptiques o bé pot ser degradat pel metabolisme cel·lular.
Alliberament del neurotransmissor L'alliberament d'un neurotransmissor ve provocat per l'arribada d'un impuls nerviós (o potencial d'acció) i es dona mitjançant un procés anormalment ràpid d'exocitosis (o secreció cel·lular). Per tant, en la terminal nerviosa presinàptica (synaptic bouton) les vesícules que contenen els neurotransmissors romanen a punt; ben amuntegades i ben a prop de la membrana presinàptica. L'arribada del potencial d'acció provoca una entrada d'ions de calci a través de canals de calci dependents de voltatge, concretament en el moment en què aquest potencial descendeix (tail current). Els ions de calci internalitzats provoquen una cascada bioquímica que té com a resultat la fusió de les vesícules a la membrana presinàptica i l'abocament del seu contingut a l'escletxa sinàptica. Aquesta resposta s'esdevé en menys de 180 µs des de l'entrada dels ions de calci. Les vesícules són conduïdes fins a la membrana i unides a ella gràcies a l'acció d'una sèrie de proteïnes pertanyents a la família de les proteïnes SNARE.
En el moment en què els ions de calci entren a la neurona presinàptica s'uneixen a les proteïnes de membrana de les vesícules sinàptiques. Aquestes proteïnes, induïdes per la unió als ions de calci, comencen a desplaçar-se, la qual cosa provoca la creació d'un por de fusió a través del que els neurotransmissors s'alliberen a la sinapsi.
La superfície que s'afegeix a la membrana plasmàtica degut a aquesta fusió sobtada és recuperada més tard mitjançant endocitosis i es reutilitza per a formar noves vesícules sinàptiques.
Captació del receptor Els receptors del cantó oposat de l'escletxa sinàptica lliguen els neurotransmissors i responen obrint els canals iònics de la membrana plasmàtica de la cèl·lula postsinàptica, creant un corrent de ions a través de la membrana que fa variar ràpidament el potencial de membrana local. Aquest canvi de voltatge s'anomena potencial postsinàptic. De manera general, es pot considerar que els corrents que despolaritzen la membrana són excitants, mentre que els que li incrementen la polarització són inhibidors. Aquest efecte sobre la polaritat ve definit pel o els tipus de conducte del canal iònic que el corrent postsinàptic activa, la qual cosa, de fet, depèn dels tipus de neurotransmissors i de receptors activats en la sinapsi.
Tot i així, no tots els neurotransmissors provoquen variacions en el flux de ions transmembranal en la cèl·lula postsinàptica; n'hi ha que tenen altres efectes sobre les propietats funcionals i estructurals de la cèl·lula i de la mateixa sinapsi, com la regulació de la transcripció genètica i la regulació de la plasticitat sinàptica.
Finalització Quan un neurotransmissor s'uneix al receptor pertinent en la membrana de la cèl·lula postsinàptica, aquest complex s'allibera del lligam de la membrana. Tard o d'hora, un canvi brusc en el medi, com una variació sobtada de temperatura, farà que les dues molècules se separin. Així, el neurotransmissor s'allibera, i pot ser digerit per la mateixa cèl·lula o bé empaquetat de nou en una vesícula presinàptica i reutilitzat. Tot i així, el nombre de neurotransmissors que participen activament en aquest cicle d'unió i alliberament del receptor disminueix constantment, ja que una part és reabsorbida per la cèl·lula presinàptica per després tornar a ser alliberada en una posterior alteració del potencial d'acció, però la resta de molècules són degradades per enzims específics. La durada d'aquest procés de recol·lecció i reordenament dels neurotransmissors varia força segons el tipus de sinapsi; en algunes pot arribar a esdevenir-se en tan sols poques dècimes de mil·lisegon, mentre que en altres pot arribar a tardar uns quants segons.
No obstant, també hi ha alguns tipus de neurotransmissors que passen a través de les membranes i influeixen directament i sense intermediaris les proteïnes diana de la cèl·lula determinada.
Modulació de la transmissió sinàptica Per tal d'ampliar el rang de la capacitat del sistema nerviós, la transmissió sinàptica no es dona sempre de la mateixa manera ni en la mateixa intensitat; per tant, hi ha diferents moduladors que en graduen l'activitat. Alguns d'aquests processos són la deslocalització, la plasticitat homosinàptica i la plasticitat heterosinàptica.
Deslocalització La deslocalització és un procés que afecta els receptors postsinàptics; mitjançant llur fosforilació, indueix a una disminució de la seva resposta a l'estímul del neurotransmissor corresponent. Per tant, fa disminuir la intensitat de la sinapsi, ja que alenteix la cadena de successió dels potencials d'acció. Aquest fenomen demostra que l'activitat del procés sinàptic depèn de la freqüència del potencial d'acció al llarg del circuit. Això permet al sistema nerviós adaptar el senyal transmès a l'estímul rebut, fent així més específica i precisa la resposta.
Plasticitat homosinàptica