stringtranslate.com

Синаптическая пластичность

Правило синаптической пластичности для оценки градиента путем динамического возмущения проводимостей

В нейронауке синаптическая пластичность — это способность синапсов усиливаться или ослабевать с течением времени в ответ на увеличение или уменьшение их активности. [1] Поскольку постулируется , что воспоминания представлены тесно взаимосвязанными нейронными цепями в мозге , синаптическая пластичность является одной из важных нейрохимических основ обучения и памяти ( см. теорию Хебба ).

Пластические изменения часто возникают из-за изменения количества рецепторов нейротрансмиттеров , расположенных в синапсе. [2] Существует несколько основных механизмов, которые взаимодействуют для достижения синаптической пластичности, включая изменения количества нейротрансмиттеров, высвобождаемых в синапс, и изменения в том, насколько эффективно клетки реагируют на эти нейротрансмиттеры. [3] Было обнаружено, что синаптическая пластичность как в возбуждающих , так и в тормозных синапсах зависит от постсинаптического высвобождения кальция . [2]

Исторические открытия

В 1973 году Терье Лёмо и Тим Блисс впервые описали широко изучаемый в настоящее время феномен долговременной потенциации (ДП) в публикации в Journal of Physiology . Описанный эксперимент проводился на синапсе между перфорантным путем и зубчатой ​​извилиной в гиппокампе анестезированных кроликов. Им удалось показать, что всплеск тетанического (100 Гц) стимула на волокнах перфорантного пути привел к резкому и длительному усилению постсинаптического ответа клеток, на которых эти волокна синаптически связаны в зубчатой ​​извилине. В том же году пара опубликовала очень похожие данные, полученные от бодрствующих кроликов. Это открытие представляло особый интерес из-за предполагаемой роли гиппокампа в определенных формах памяти.

Биохимические механизмы

Два молекулярных механизма синаптической пластичности включают глутаматные рецепторы NMDA и AMPA . Открытие каналов NMDA (что связано с уровнем клеточной деполяризации ) приводит к повышению постсинаптической концентрации Ca 2+ , и это связано с долговременной потенциацией, LTP (а также с активацией протеинкиназы ) ; сильная деполяризация постсинаптической клетки полностью вытесняет ионы магния , которые блокируют ионные каналы NMDA, и позволяет ионам кальция проникать в клетку, что, вероятно, вызывает LTP, в то время как более слабая деполяризация лишь частично вытесняет ионы Mg 2+ , что приводит к меньшему количеству Ca 2+, поступающему в постсинаптический нейрон, и более низким внутриклеточным концентрациям Ca 2+ (которые активируют протеинфосфатазы и вызывают долговременную депрессию , LTD). [4]

Эти активированные протеинкиназы служат для фосфорилирования постсинаптических возбуждающих рецепторов (например, рецепторов AMPA ), улучшая катионную проводимость и тем самым потенцируя синапс. Кроме того, эти сигналы привлекают дополнительные рецепторы в постсинаптическую мембрану, стимулируя выработку модифицированного типа рецепторов, тем самым облегчая приток кальция. Это, в свою очередь, увеличивает постсинаптическое возбуждение данным пресинаптическим стимулом. Этот процесс может быть обращен вспять посредством активности протеинфосфатаз, которые действуют, дефосфорилируя эти катионные каналы. [5]

Второй механизм зависит от каскада вторичных мессенджеров , регулирующих транскрипцию генов и изменения уровней ключевых белков, таких как CaMKII и PKAII. Активация пути вторичного мессенджера приводит к повышению уровней CaMKII и PKAII в дендритном шипике . Эти протеинкиназы были связаны с ростом объема дендритных шипиков и процессами LTP, такими как добавление рецепторов AMPA к плазматической мембране и фосфорилирование ионных каналов для повышения проницаемости. [6] Локализация или компартментализация активированных белков происходит в присутствии их данного стимула, который создает локальные эффекты в дендритном шипике. Приток кальция от рецепторов NMDA необходим для активации CaMKII. Эта активация локализуется в шипиках с фокальной стимуляцией и инактивируется перед распространением на соседние шипики или стержень, что указывает на важный механизм LTP, заключающийся в том, что конкретные изменения в активации белка могут быть локализованы или компартментализированы для повышения чувствительности отдельных дендритных шипиков. Отдельные дендритные шипики способны формировать уникальные ответы на пресинаптические клетки. [7] Этот второй механизм может быть вызван фосфорилированием белка , но занимает больше времени и длится дольше, обеспечивая механизм для длительного хранения памяти. Длительность LTP может регулироваться расщеплением этих вторичных мессенджеров . Фосфодиэстераза , например, расщепляет вторичный мессенджер цАМФ , который участвует в повышенном синтезе рецептора AMPA в постсинаптическом нейроне [ требуется ссылка ] .

Долгосрочные изменения эффективности синаптических связей ( долгосрочная потенциация , или LTP) между двумя нейронами могут включать создание и разрыв синаптических контактов. Гены, такие как активин ß-A, который кодирует субъединицу активина A , активируются на ранней стадии LTP. Молекула активина модулирует динамику актина в дендритных шипиках через путь MAP-киназы . Изменяя структуру цитоскелета F-актина дендритных шипиков, шейки шипиков удлиняются, что обеспечивает повышенную электрическую изоляцию. [8] Конечным результатом является долгосрочное поддержание LTP. [9]

Количество ионных каналов на постсинаптической мембране влияет на прочность синапса. [10] Исследования показывают, что плотность рецепторов на постсинаптических мембранах изменяется, влияя на возбудимость нейрона в ответ на стимулы. В динамическом процессе, который поддерживается в равновесии, рецептор N-метил D-аспартата (рецептор NMDA) и рецепторы AMPA добавляются к мембране путем экзоцитоза и удаляются путем эндоцитоза . [11] [12] [13] Эти процессы, и, как следствие, количество рецепторов на мембране, могут быть изменены синаптической активностью. [11] [13] Эксперименты показали, что рецепторы AMPA доставляются в синапс посредством слияния везикулярной мембраны с постсинаптической мембраной через протеинкиназу CaMKII, которая активируется притоком кальция через рецепторы NMDA. CaMKII также улучшает ионную проводимость AMPA посредством фосфорилирования. [14] При высокочастотной активации рецепторов NMDA увеличивается экспрессия белка PSD-95 , который увеличивает синаптическую емкость рецепторов AMPA. [15] Это приводит к долгосрочному увеличению количества рецепторов AMPA и, следовательно, синаптической прочности и пластичности.

Если сила синапса только усиливается стимуляцией или ослабляется ее отсутствием, то будет развиваться положительная обратная связь , в результате чего некоторые клетки никогда не будут активироваться, а некоторые будут активироваться слишком часто. Но существуют также две регуляторные формы пластичности, называемые масштабированием и метапластичностью , которые обеспечивают отрицательную обратную связь . [13] Синаптическое масштабирование является основным механизмом, с помощью которого нейрон способен стабилизировать частоту активации вверх или вниз. [16]

Синаптическое масштабирование служит для поддержания прочности синапсов относительно друг друга, снижая амплитуды небольших возбуждающих постсинаптических потенциалов в ответ на постоянное возбуждение и повышая их после длительной блокировки или торможения. [13] Этот эффект происходит постепенно в течение часов или дней, путем изменения количества рецепторов NMDA в синапсе (Pérez-Otaño и Ehlers, 2005). Метапластичность изменяет пороговый уровень, при котором происходит пластичность, позволяя интегрированным ответам на синаптическую активность, разнесенную во времени, и предотвращая насыщенные состояния LTP и LTD. Поскольку LTP и LTD ( долгосрочная депрессия ) полагаются на приток Ca 2+ через каналы NMDA, метапластичность может быть вызвана изменениями в рецепторах NMDA, измененной буферизацией кальция, измененными состояниями киназ или фосфатаз и праймингом аппарата синтеза белка. [17] Синаптическое масштабирование является основным механизмом, посредством которого нейрон избирателен к своим изменяющимся входам. [18] Нейронная схема, затронутая LTP/LTD и измененная масштабированием и метапластичностью, приводит к реверберационному развитию нейронной схемы и регуляции в хеббовской манере, что проявляется как память, тогда как изменения в нейронной схеме, которые начинаются на уровне синапса, являются неотъемлемой частью способности организма к обучению. [19]

Существует также элемент специфичности биохимических взаимодействий для создания синаптической пластичности, а именно важность местоположения. Процессы происходят в микродоменах – например, экзоцитоз рецепторов AMPA пространственно регулируется t-SNARE STX4 . [20] Специфичность также является важным аспектом сигнализации CAMKII с участием нанодоменного кальция. [7] Пространственный градиент PKA между дендритными шипиками и стержнями также важен для силы и регуляции синаптической пластичности. [6] Важно помнить, что биохимические механизмы, изменяющие синаптическую пластичность, происходят на уровне отдельных синапсов нейрона. Поскольку биохимические механизмы ограничены этими «микродоменами», результирующая синаптическая пластичность влияет только на конкретный синапс, в котором она имела место.

Теоретические механизмы

Двунаправленная модель, описывающая как LTP, так и LTD, синаптической пластичности оказалась необходимой для ряда различных механизмов обучения в вычислительной нейронауке , нейронных сетях и биофизике . Три основные гипотезы молекулярной природы этой пластичности были хорошо изучены, и ни одна из них не обязана быть исключительным механизмом:

  1. Изменение вероятности высвобождения глутамата.
  2. Вставка или удаление постсинаптических рецепторов AMPA.
  3. Фосфорилирование и дефосфорилирование вызывают изменение проводимости рецептора AMPA.

Из них последние две гипотезы были недавно математически исследованы на предмет наличия идентичной динамики, зависящей от кальция, что дает веские теоретические доказательства в пользу модели пластичности, основанной на кальции, которая в линейной модели, где общее число рецепторов сохраняется, выглядит следующим образом:

где

Оба и найдены экспериментально и согласуются с результатами обеих гипотез. Модель делает важные упрощения, которые делают ее непригодной для реальных экспериментальных предсказаний, но обеспечивает существенную основу для гипотезы о зависимости синаптической пластичности от кальция. [21]

Краткосрочная пластичность

Краткосрочная синаптическая пластичность действует в масштабе времени от десятков миллисекунд до нескольких минут в отличие от долгосрочная пластичность, которая длится от минут до часов. Краткосрочная пластичность может либо усилить, либо ослабить синапс.

Синаптическое усиление

Кратковременное синаптическое усиление возникает из-за повышенной вероятности высвобождения трансмиттеров синаптических окончаний в ответ на пресинаптические потенциалы действия. Синапсы будут усиливаться в течение короткого времени из-за увеличения количества упакованного трансмиттера, высвобождаемого в ответ на каждый потенциал действия. [22] В зависимости от временных масштабов, в которых оно действует, синаптическое усиление классифицируется как нейронное облегчение , синаптическое усиление или посттетаническое потенцирование .

Синаптическая депрессия

Синаптическая усталость или депрессия обычно приписывается истощению легко высвобождаемых везикул. Депрессия может также возникнуть из-за постсинаптических процессов и из-за активации пресинаптических рецепторов по принципу обратной связи. [23] Считается, что гетеросинаптическая депрессия связана с высвобождением аденозинтрифосфата (АТФ) из астроцитов . [24]

Долгосрочная пластичность

Длительная депрессия (LTD) и длительная потенциация (LTP) — это две формы длительной пластичности, длящиеся минуты или более, которые возникают в возбуждающих синапсах. [2] NMDA-зависимые LTD и LTP были тщательно исследованы, и было обнаружено, что для активации рецепторов NMDA требуется связывание глутамата и глицина или D-серина . [24] Было обнаружено, что поворотный момент для синаптической модификации синапса сам по себе может быть изменен в зависимости от истории синапса. [25] В последнее время было предпринято несколько попыток предложить всеобъемлющую модель, которая могла бы объяснить большинство форм синаптической пластичности. [26]

Длительная депрессия

Кратковременная активация возбуждающего пути может вызвать то, что известно как долгосрочная депрессия (LTD) синаптической передачи во многих областях мозга. LTD индуцируется минимальным уровнем постсинаптической деполяризации и одновременным увеличением внутриклеточной концентрации кальция в постсинаптическом нейроне. LTD может быть инициирована в неактивных синапсах, если концентрация кальция повышается до минимально необходимого уровня гетеросинаптической активацией или если повышается внеклеточная концентрация. Эти альтернативные условия, способные вызвать LTD, отличаются от правила Хебба и вместо этого зависят от модификаций синаптической активности. Было обнаружено, что высвобождение D-серина астроцитами приводит к значительному снижению LTD в гиппокампе. [24] Зависимая от активности LTD была исследована в 2011 году для электрических синапсов (модификация эффективности щелевых контактов посредством их активности). [27] В мозге мозжечок является одной из структур, где LTD является формой нейропластичности. [28]

Долгосрочное потенцирование

Долгосрочная потенциация, обычно называемая LTP, представляет собой увеличение синаптической реакции после потенцирующих импульсов электрических стимулов, которая поддерживается на уровне выше базового ответа в течение нескольких часов или дольше. LTP включает взаимодействия между постсинаптическими нейронами и определенными пресинаптическими входами, которые формируют синаптическую ассоциацию, и является специфичной для стимулированного пути синаптической передачи. Долгосрочная стабилизация синаптических изменений определяется параллельным увеличением пре- и постсинаптических структур, таких как аксональный бутон , дендритный шипик и постсинаптическая плотность . [15] На молекулярном уровне было показано, что увеличение постсинаптических строительных белков PSD-95 и Homer1c коррелирует со стабилизацией синаптического расширения. [15]

Было обнаружено, что изменение покрытия астроцитами синапсов в гиппокампе является результатом индукции LTP , которая, как было обнаружено, связана с высвобождением D-серина , оксида азота и хемокина s100B астроцитами . [24] LTP также является моделью для изучения синаптической основы пластичности Хебба . Условия индукции напоминают те , которые описаны для инициации длительной депрессии (LTD), но для достижения LTP необходимы более сильная деполяризация и большее увеличение кальция. [29] Эксперименты, проведенные путем стимуляции массива отдельных дендритных шипиков, показали, что синаптическая кооперативность всего лишь двух соседних дендритных шипиков предотвращает LTD, допуская только LTP. [30]

Синаптическая сила

Изменение синаптической силы называется функциональной пластичностью. Изменения синаптической силы включают различные механизмы определенных типов глиальных клеток , наиболее изученным типом которых являются астроциты . [24]

Вычислительное использование пластичности

Каждый вид синаптической пластичности имеет различные вычислительные применения. [31] Было показано, что кратковременное облегчение служит как рабочей памятью, так и входными данными для отображения для считывания, кратковременная депрессия — для удаления автокорреляции. Долговременное потенцирование используется для пространственного хранения памяти, тогда как долговременная депрессия — для кодирования пространственных характеристик, избирательного ослабления синапсов и очистки старых следов памяти соответственно. Прямая пластичность, зависящая от времени спайка, используется для долгосрочной временной корреляции, временного кодирования и пространственно-временного кодирования. Обратная пластичность, зависящая от времени спайка, действует как сенсорная фильтрация.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Hughes JR (январь 1958). «Посттетаническая потенциация». Physiological Reviews . 38 (1): 91–113. doi :10.1152/physrev.1958.38.1.91. PMID  13505117.
  2. ^ abc Gerrow K, Triller A (октябрь 2010 г.). «Синаптическая стабильность и пластичность в плавающем мире». Current Opinion in Neurobiology . 20 (5): 631–9. doi :10.1016/j.conb.2010.06.010. PMID  20655734. S2CID  7988672.
  3. ^ Gaiarsa JL, Caillard O, Ben-Ari Y (ноябрь 2002 г.). «Долгосрочная пластичность в ГАМКергических и глицинергических синапсах: механизмы и функциональное значение». Trends in Neurosciences . 25 (11): 564–70. doi :10.1016/S0166-2236(02)02269-5. PMID  12392931. S2CID  17365083.
  4. ^ Bear MF, Connors BW и Paradisio MA. 2007. Neuroscience: Exploring the Brain, 3-е изд. Lippincott, Williams & Wilkins
  5. ^ Содерлинг ТР, Деркач ВА (февраль 2000). "Постсинаптическое фосфорилирование белков и LTP". Trends in Neurosciences . 23 (2): 75–80. doi :10.1016/S0166-2236(99)01490-3. PMID  10652548. S2CID  16733526.
  6. ^ ab Zhong H, Sia GM, Sato TR, Gray NW, Mao T, Khuchua Z, et al. (Май 2009). «Субклеточная динамика PKA типа II в нейронах». Neuron . 62 (3): 363–74. doi :10.1016/j.neuron.2009.03.013. PMC 2702487 . PMID  19447092. 
  7. ^ ab Lee SJ, Escobedo-Lozoya Y, Szatmari EM, Yasuda R (март 2009). "Активация CaMKII в отдельных дендритных шипиках во время долговременной потенциации". Nature . 458 (7236): 299–304. Bibcode :2009Natur.458..299L. doi :10.1038/nature07842. PMC 2719773 . PMID  19295602. 
  8. ^ Araya R, Jiang J, Eisenthal KB, Yuste R (ноябрь 2006 г.). «Шейка позвоночника фильтрует мембранные потенциалы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (47): 17961–6. Bibcode : 2006PNAS..10317961A. doi : 10.1073/pnas.0608755103 . PMC 1693855. PMID  17093040 . 
  9. ^ Shoji-Kasai Y, Ageta H, Hasegawa Y, Tsuchida K, Sugino H, Inokuchi K (ноябрь 2007 г.). «Активин увеличивает количество синаптических контактов и длину дендритных шипиков, модулируя динамику спинального актина». Journal of Cell Science . 120 (Pt 21): 3830–7. doi : 10.1242/jcs.012450 . PMID  17940062.
  10. ^ Debanne D, Daoudal G, Sourdet V, Russier M (2003). «Пластичность мозга и ионные каналы». Journal of Physiology, Париж . 97 (4–6): 403–14. doi :10.1016/j.jphysparis.2004.01.004. PMID  15242652. S2CID  19116187.
  11. ^ ab Shi SH, Hayashi Y, Petralia RS, Zaman SH, Wenthold RJ, Svoboda K , Malinow R (июнь 1999). "Быстрая доставка шипиков и перераспределение рецепторов AMPA после активации синаптических рецепторов NMDA". Science . 284 (5421): 1811–6. CiteSeerX 10.1.1.376.3281 . doi :10.1126/science.284.5421.1811. PMID  10364548. 
  12. ^ Song I, Huganir RL (ноябрь 2002 г.). «Регуляция рецепторов AMPA во время синаптической пластичности». Trends in Neurosciences . 25 (11): 578–88. doi :10.1016/S0166-2236(02)02270-1. PMID  12392933. S2CID  1993509.
  13. ^ abcd Pérez-Otaño I, Ehlers MD (май 2005 г.). "Гомеостатическая пластичность и транспортировка рецепторов NMDA" (PDF) . Trends in Neurosciences . 28 (5): 229–38. doi :10.1016/j.tins.2005.03.004. PMID  15866197. S2CID  22901201. Архивировано из оригинала (PDF) 20 июля 2011 г. . Получено 08.06.2007 .
  14. ^ Bear MF (2007). Нейронаука: исследование мозга . Третье издание. Lippincott Williams & Wilkins . стр. 779. ISBN 978-0-7817-6003-4.
  15. ^ abc Meyer D, Bonhoeffer T, Scheuss V (апрель 2014). «Баланс и стабильность синаптических структур во время синаптической пластичности». Neuron . 82 (2): 430–43. doi : 10.1016/j.neuron.2014.02.031 . PMID  24742464.
  16. ^ Desai NS, Cudmore RH, Nelson SB, Turrigiano GG (август 2002 г.). «Критические периоды для зависящего от опыта синаптического масштабирования в зрительной коре». Nature Neuroscience . 5 (8): 783–9. doi :10.1038/nn878. PMID  12080341. S2CID  17747903.
  17. ^ Авраам WC, Тейт WP (июль 1997 г.). «Метапластичность: новый взгляд на область синаптической пластичности». Прогресс в нейробиологии . 52 (4): 303–23. doi :10.1016/S0301-0082(97)00018-X. PMID  9247968. S2CID  33285995.
  18. ^ Abbott LF, Nelson SB (ноябрь 2000 г.). «Синаптическая пластичность: приручение зверя». Nature Neuroscience . 3 Suppl: 1178–83. doi :10.1038/81453. PMID  11127835. S2CID  2048100.
  19. ^ Cooper SJ (январь 2005 г.). «Синапс и правило обучения Дональда О. Хебба: история и комментарии». Neuroscience and Biobehavioral Reviews . 28 (8): 851–74. doi :10.1016/j.neubiorev.2004.09.009. PMID  15642626. S2CID  40805686.
  20. ^ Kennedy MJ, Davison IG, Robinson CG, Ehlers MD (апрель 2010 г.). «Синтаксин-4 определяет домен для экзоцитоза, зависящего от активности, в дендритных шипиках». Cell . 141 (3): 524–35. doi :10.1016/j.cell.2010.02.042. PMC 2874581 . PMID  20434989. 
  21. ^ Shouval HZ, Castellani GC, Blais BS, Yeung LC, Cooper LN (декабрь 2002 г.). «Сходящиеся доказательства упрощенной биофизической модели синаптической пластичности» (PDF) . Biological Cybernetics . 87 (5–6): 383–91. doi :10.1007/s00422-002-0362-x. PMID  12461628. S2CID  7753630.
  22. ^ Stevens CF, Wesseling JF (январь 1999). «Усиление — это потенцирование экзоцитозного процесса». Neuron . 22 (1): 139–46. doi : 10.1016/S0896-6273(00)80685-6 . PMID  10027296.
  23. ^ Zucker RS, Regehr WG (март 2002 г.). «Краткосрочная синаптическая пластичность». Annual Review of Physiology . 64 : 355–405. doi :10.1146/annurev.physiol.64.092501.114547. PMID  11826273. S2CID  7980969.
  24. ^ abcde Ben Achour S, Pascual O (ноябрь 2010 г.). «Глия: множество способов модуляции синаптической пластичности». Neurochemistry International . 57 (4): 440–5. doi :10.1016/j.neuint.2010.02.013. PMID  20193723. S2CID  1718772.
  25. ^ Bear MF (июль 1995). «Механизм скользящего порога синаптической модификации». Neuron . 15 (1): 1–4. doi : 10.1016/0896-6273(95)90056-x . PMID  7619513.
  26. ^ Michmizos D, Koutsouraki E, Asprodini E, Baloyannis S (июнь 2011 г.). «Синаптическая пластичность: унифицирующая модель для решения некоторых сохраняющихся вопросов». The International Journal of Neuroscience . 121 (6): 289–304. doi :10.3109/00207454.2011.556283. PMID  21348800. S2CID  24610392.
  27. ^ Haas JS, Zavala B, Landisman CE (октябрь 2011 г.). «Долгосрочная депрессия электрических синапсов, зависящая от активности». Science . 334 (6054): 389–93. Bibcode :2011Sci...334..389H. doi :10.1126/science.1207502. PMC 10921920 . PMID  22021860. S2CID  35398480. 
  28. ^ Митома Х, Какей С, Ямагучи К, Манто М (апрель 2021 г.). «Физиология мозжечкового резерва: избыточность и пластичность модульной машины». Int. J. Mol. Sci . 22 (9): 4777. doi : 10.3390/ijms22094777 . PMC 8124536. PMID  33946358 . 
  29. ^ Artola A, Singer W (ноябрь 1993 г.). «Длительная депрессия возбуждающей синаптической передачи и ее связь с длительной потенциацией». Trends in Neurosciences . 16 (11): 480–7. doi :10.1016/0166-2236(93)90081-V. PMID  7507622. S2CID  3974242.
  30. ^ Tazerart S, Mitchell DE, Miranda-Rottmann S, Araya R (август 2020 г.). «Правило пластичности, зависящее от времени спайка, для дендритных шипиков». Nature Communications . 11 (1): 4276. Bibcode :2020NatCo..11.4276T. doi :10.1038/s41467-020-17861-7. PMC 7449969 . PMID  32848151. 
  31. ^ Prati E (2016). «Атомная наноэлектроника для квантовых нейроморфных устройств: сравнение различных материалов». Международный журнал нанотехнологий . 13 (7): 509–523. arXiv : 1606.01884 . Bibcode : 2016IJNT...13..509P. doi : 10.1504/IJNT.2016.078543. S2CID  18697109.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Видео, подкасты