Синапсы представляют собой точки переключения между двумя типами быстрой передачи сигналов в мозге: электрическими импульсами и выделением и дальнейшим действием нейромедиаторов. Элементарная единица передачи электрического сигнала в мозге – нервный импульс (или спайк). Нервные импульсы – это короткие и мощные всплески электрической активности длительностью от одной до двух миллисекунд. Они возникают в месте соединения клеточного тела и аксона, в так называемом аксонном холмике. Мозг окружен особым солевым раствором, или спинномозговой жидкостью, с высокой концентрацией натрия и гораздо меньшей концентрацией калия. Атомы натрия и калия находятся в ней в виде положительно заряженных ионов. Концентрация ионов натрия по разные стороны мембраны нейрона значительно разнится: снаружи она почти в 15 раз выше, чем внутри. Концентрация ионов калия, напротив, внутри почти в 15 раз выше, чем снаружи. Это соотношение необходимо для передачи электрических сигналов в мозге. В такой среде образуется потенциальная энергия – подобно той, которая накапливается, когда мы заводим пружину в детской игрушке. При определенных условиях эта энергия может высвобождаться, генерируя электрические сигналы в нейронах. За электрический потенциал нейрона отвечает его внешняя мембрана: внутри клетки отрицательный заряд больше, чем снаружи. При возникновении нервного импульса содержащиеся во внешней мембране специализированные белки тороидальной формы, которые называются натриевыми каналами, открывают свои ранее закрытые отверстия в центре и впускают внутрь ионы натрия. Приблизительно через миллисекунду открываются другие ионные каналы, пропускающие ионы калия, которые устремляются наружу, что приводит к завершению нервного импульса.

      Нервные импульсы движутся по аксону до терминалей, где запускают цепочку химических реакций. Эти химические реакции заставляют синаптические везикулы сливаться с внешней мембраной терминали аксона и высвобождать свое содержимое, в том числе молекулы нейромедиатора, в синаптическую щель. Молекулы нейромедиатора распространяются по узкому промежутку синаптической щели и связываются с рецепторами нейромедиатора во внешней мембране следующего нейрона сигнальной цепи. Одна из разновидностей рецепторов нейромедиатора (получившая название ионотропных рецепторов) напоминает бублик с закрытым отверстием, которое открывается только тогда, когда рецептор связывается с нейромедиатором. Когда ионный канал в таком рецепторе позволяет положительно заряженным ионам проникать внутрь клетки, принимающий нейрон возбуждается. И наоборот: если открытый нейромедиатором ионный канал выпускает положительно заряженные ионы наружу (или пропускает внутрь отрицательно заряженные ионы, например хлора), это блокирует возникновение нервного импульса в принимающем нейроне.

      Электрические