stringtranslate.com

Несинаптическая пластичность

Пластичность мозга влияет на прочность нейронных связей и путей.

Несинаптическая пластичность — это форма нейропластичности , которая включает в себя модификацию функции ионных каналов в аксоне , дендритах и ​​теле клетки, что приводит к определенным изменениям в интеграции возбуждающих постсинаптических потенциалов и тормозных постсинаптических потенциалов . Несинаптическая пластичность — это модификация внутренней возбудимости нейрона. Она взаимодействует с синаптической пластичностью , но считается отдельной сущностью от синаптической пластичности. Внутренняя модификация электрических свойств нейронов играет роль во многих аспектах пластичности от гомеостатической пластичности до обучения и самой памяти . Несинаптическая пластичность влияет на синаптическую интеграцию , подпороговое распространение , генерацию спайков и другие фундаментальные механизмы нейронов на клеточном уровне. Эти индивидуальные нейронные изменения могут приводить к изменениям в высших функциях мозга, особенно в обучении и памяти. Однако, поскольку несинаптическая пластичность является новой областью нейронауки , большая часть знаний о ней неопределенна и по-прежнему требует дальнейшего изучения, чтобы лучше определить ее роль в функционировании и поведении мозга.

Против синаптической пластичности

Нейропластичность — это способность определенной части или области нейрона изменять свою силу с течением времени. Существует две широко признанные категории пластичности: синаптическая и несинаптическая. Синаптическая пластичность напрямую связана с прочностью связи между двумя нейронами, включая количество нейромедиатора, высвобождаемого пресинаптическим нейроном , и реакцию, генерируемую в постсинаптическом нейроне . Несинаптическая пластичность включает в себя изменение нейронной возбудимости в аксоне , дендритах и ​​соме отдельного нейрона, удаленного от синапса.

Синаптическая пластичность

Синаптическая пластичность — это способность синапса между двумя нейронами изменять свою силу с течением времени. Синаптическая пластичность обусловлена ​​изменениями в использовании синаптического пути, а именно частотой синаптических потенциалов и рецепторами, используемыми для передачи химических сигналов. Синаптическая пластичность играет большую роль в обучении и памяти в мозге. Синаптическая пластичность может происходить посредством внутренних механизмов, в которых изменения в силе синапса происходят из-за его собственной активности, или посредством внешних механизмов, в которых изменения в силе синапса происходят через другие нейронные пути. Краткосрочная ингибирующая синаптическая пластичность часто возникает из-за ограниченного запаса нейротрансмиттера в синапсе, а долгосрочное ингибирование может происходить из-за снижения экспрессии рецепторов в постсинаптической клетке . Краткосрочная комплементарная синаптическая пластичность часто возникает из-за остаточного или повышенного потока ионов в пресинаптическом или постсинаптическом окончании, в то время как долгосрочная синаптическая пластичность может возникать за счет повышенной продукции рецепторов глутамата AMPA и NMDA , среди прочих, в постсинаптической клетке. [1]

Несинаптическая пластичность

Для сравнения, несинаптическая пластичность является менее известной и несколько новой и продолжающейся областью исследований в нейронауке. Она проявляется через изменения характеристик несинаптических структур, таких как сома (биология) , аксон или дендриты. Несинаптическая пластичность может иметь краткосрочные или долгосрочные эффекты. Одним из способов, которым происходят эти изменения, является модификация потенциалзависимых каналов в дендритах и ​​аксоне, что изменяет интерпретацию возбуждающих или тормозных потенциалов, распространяющихся на клетку. Например, аксональная несинаптическая пластичность может наблюдаться, когда потенциал действия не достигает пресинаптического окончания из-за низкой проводимости или накопления ионов. [2]

Сома, аксон и дендриты нейронов участвуют в несинаптической пластичности и влияют на пластичность в синапсе.

Синергетические эффекты

Общие возбуждающие эффекты

Было показано, что несинаптическая и синаптическая пластичность работают одновременно различными способами, вызывая стимулирующие эффекты в нейроне. Это включает в себя генерацию спайков, продукт несинаптической регуляции калия и других пресинаптических ионных каналов, которые усиливают реакцию возбуждающего постсинаптического потенциала посредством высвобождения нейротрансмиттера и увеличения потенциала действия. [3] Несинаптическая дендритная пластичность также усиливает эффекты синаптической пластичности посредством расширения потенциала действия. Как будет обсуждаться далее, нейротрофический фактор мозга (BNDF) вырабатывается нейронами для координации несинаптической и синаптической пластичности. [4] Несинаптические изменения в соматическом теле, аксоне или дендритах нейрона неразрывно связаны с синаптической силой.

Интеграция в память и обучение

Хотя гораздо больше известно о роли синаптической пластичности в памяти и обучении, как синаптическая, так и несинаптическая пластичность необходимы для памяти и обучения в мозге. Существует много доказательств того, что оба механизма работают для достижения наблюдаемых эффектов синергически. Ключевым примером этого является формирование памяти в синапсе, в котором модификация пресинаптических механизмов высвобождения и постсинаптических рецепторов влияет либо на долгосрочную потенциацию, либо на депрессию. С другой стороны, непрерывная сомальная деполяризация была предложена как метод для усвоенного поведения и памяти с помощью несинаптической пластичности. Несинаптическая пластичность также увеличивает эффективность формирования синаптической памяти путем регуляции потенциалзависимых ионных каналов . Несинаптическая пластичность является механизмом, ответственным за модификации этих каналов в аксоне, что приводит к изменению силы нейронного потенциала действия, неизменно влияя на силу синаптических механизмов и, таким образом, на глубину и продолжительность кодирования памяти. [5] [6]

Регуляция синаптической пластичности

Несинаптическая пластичность также обладает способностью регулировать эффекты синаптической пластичности посредством механизмов отрицательной обратной связи . Изменение количества и свойств ионных каналов в аксоне или дендритах обладает способностью уменьшать эффекты гиперстимулированного синапса. [5] [6] В случае экстремального перевозбуждения этих ионных каналов произойдет обратный поток ионов в клетку, что приведет к эксайтотоксичности и гибели клетки путем апоптоза или некроза . [7]

Внутренние механизмы

Несинаптические нейронные области, такие как аксон, также имеют присущие им качества, которые влияют на синапс. Эти существенные механизмы включают задержку деполяризации, которую потенциал действия претерпевает при движении вниз по аксону. Это внутреннее качество замедляет распространение потенциалов действия и обусловлено движением деполяризующего тока вниз по цитоплазме и прерывистым размещением натриевых каналов на перехватах Ранвье . Эти механизмы всегда существуют, но могут меняться в зависимости от состояния сомы клетки, аксона и дендритов в данный момент. Поэтому латентность или задержка распространения потенциалов действия или возбуждающих постсинаптических потенциалов может быть переменной. Каждый возбуждающий постсинаптический потенциал , который распространяется на постсинаптическую клетку, сначала передается через потенциал действия вниз по аксону в пресинаптической клетке, и, таким образом, несинаптическая пластичность по своей сути влияет на синаптическую пластичность. [1]

Типы

Нейроны взаимодействуют в сложных сетях, которые влияют на генерацию потенциалов действия в других нейронах.

Внутренняя возбудимость нейрона

Возбудимость нейрона в любой точке зависит от внутренних и внешних условий клетки во время стимуляции. Поскольку нейрон обычно получает несколько входящих сигналов одновременно, распространение потенциала действия зависит от интеграции всех входящих возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалов, прибывающих на аксонный холмик . Если суммирование всех возбуждающих и тормозных сигналов деполяризует клеточную мембрану до порогового напряжения, запускается потенциал действия. Изменение внутренней возбудимости нейрона изменит функцию этого нейрона.

Генерация спайков

Несинаптическая пластичность оказывает возбуждающее действие на генерацию спайков . Увеличение генерации спайков коррелирует с уменьшением порога спайка , [3] ответ несинаптической пластичности. Этот ответ может быть результатом модуляции определенных пресинаптических токов K + (ионов калия) (IA , IK ,Ca и IKs ), которые работают над повышением возбудимости сенсорных нейронов, расширением потенциала действия и усилением высвобождения нейротрансмиттера . Эти модуляции проводимости K + служат общими механизмами для регулирования возбудимости и синаптической силы . [5]

Регуляция синаптической пластичности

Несинаптическая пластичность связана с синаптической пластичностью как через синергические, так и через регуляторные механизмы. Степень синаптической модификации определяет полярность несинаптических изменений, влияя на изменение клеточной возбудимости. Умеренные уровни синаптической пластичности вызывают несинаптические изменения, которые будут синергически действовать с синаптическими механизмами для усиления ответа. И наоборот, более сильные уровни синаптической пластичности вызовут несинаптические ответы, которые будут действовать как механизм отрицательной обратной связи . Механизмы отрицательной обратной связи работают для защиты от насыщения или подавления активности цепи в целом. [5]

Аксональная модуляция

Аксональная модуляция — это тип пластичности, при котором изменяется количество, активность или расположение ионных каналов в аксоне. Это заставляет нейрон вести себя по-разному при стимуляции. Модуляция ионных каналов — это ответ на изменение частот стимуляции нейрона.

Пластичность размножения
Анимация распространения потенциала действия

Поскольку именно суммирование потенциалов действия в конечном итоге приводит к пересечению пороговой поляризации, временная связь различных входных сигналов очень важна для определения того, сработает ли постсинаптический нейрон и когда это произойдет. Со временем время, необходимое потенциалу действия для распространения по длине конкретного аксона, может меняться. В одном эксперименте многоэлектродные массивы использовались для измерения времени, необходимого потенциалам действия для перемещения от одного электрода к другому, называемого латентностью. Затем нейроны стимулировались, и значение латентности регистрировалось с течением времени. Значения латентности менялись с течением времени, что позволяет предположить, что пластичность аксонов влияет на распространение потенциалов действия. [8]

Маневровое

Шунтирование — это процесс, при котором аксональные ионные каналы открываются во время пассивного потока (не требующего ионного насоса ) подпороговой деполяризации вниз по аксону. Обычно происходящее в точках ветвления аксона, [9] время открытия этих каналов, когда подпороговый сигнал поступает в область, вызывает гиперполяризацию, вводимую в пассивно текущую деполяризацию. Таким образом, клетка способна контролировать, через какие ветви аксона протекает подпороговый ток деполяризации, в результате чего некоторые ветви аксона становятся более гиперполяризованными, чем другие. Эти отличающиеся мембранные потенциалы приводят к тому, что определенные области нейрона становятся более возбудимыми, чем другие, в зависимости от конкретного местоположения и возникновения шунтирования.

Высокочастотная стимуляция

Краткосрочные эффекты: Высокочастотная стимуляция нейрона в течение короткого периода времени увеличивает возбудимость нейрона за счет снижения величины напряжения, необходимого для запуска потенциала действия. [3] Высокочастотная стимуляция приводит к увеличению внутриклеточной концентрации ионов натрия и кальция из-за повторного открытия потенциалзависимых натриевых и кальциевых каналов в аксоне и терминали. По мере увеличения частоты стимулов между каждым стимулом остается меньше времени для реполяризации клетки и возврата к нормальному потенциалу покоя . Следовательно, потенциал покоя становится более деполяризованным, что означает, что для запуска потенциала действия требуется меньший деполяризующий ток.

Однако эта модуляция обычно очень кратковременна. Если стимуляция прекращается, нейрон возвращается к своему первоначальному потенциалу покоя, поскольку у ионных каналов и насосов достаточно времени, чтобы восстановиться после последнего стимула.

Долгосрочные эффекты: Высокочастотная стимуляция нейрона в течение длительного периода времени вызывает два результирующих нейрональных изменения. Первоначально нейрон реагирует так же, как и при кратковременной стимуляции, повышением возбудимости. Продолжение высокочастотной стимуляции после этого момента приводит к резкому необратимому изменению возбудимости. Когда концентрация натрия достигает достаточно высокого уровня в аксоне, натриевые/кальциевые насосы меняют направление потока, заставляя кальций импортироваться в клетку, в то время как натрий экспортируется. Повышенная концентрация кальция (и последующая деполяризация мембраны) инактивирует натриевые каналы и нацеливает их на эндоцитоз и лизосомальный гидролиз . [10] Это приводит к значительному снижению аксональных натриевых каналов, которые необходимы для распространения потенциала действия. Если стимуляция продолжается, в конечном итоге нейрон перестанет передавать потенциалы действия и погибнет. Гибель нейрона из-за чрезмерной стимуляции называется эксайтотоксичностью .

Низкочастотная стимуляция

Краткосрочные эффекты: Все живые нейроны имеют базальную скорость распространения потенциала действия и синаптического высвобождения. Таким образом, низкочастотная стимуляция нейрона в краткосрочной перспективе аналогична активности нейрона в состоянии покоя в мозге. Никаких серьезных изменений внутренней возбудимости нейрона не происходит.

Долгосрочные эффекты: Низкочастотная стимуляция нейрона в течение длительного периода времени снижает возбудимость нейрона за счет активации кальций-зависимых фосфатаз, которые помечают рецепторы AMPA для интернализации. [11] Низкочастотная стимуляция приводит к низкому уровню кальция в клетке. Когда концентрация кальция низкая, активные кальций-зависимые фосфатазы доминируют над кальций-зависимыми киназами. По мере активации большего количества фосфатаз они помечают больше рецепторов AMPA для интернализации через эндоцитоз. Поскольку рецепторы AMPA являются одними из основных возбуждающих рецепторов на нейронах, удаление их из клеточной мембраны эффективно угнетает клетку (если клетка не может реагировать на возбуждающие сигналы, она не может генерировать собственный потенциал действия). Таким образом, низкочастотная стимуляция может фактически обратить вспять эффекты долгосрочного потенцирования , [12] однако эти концепции обычно считаются типами синаптической пластичности.

Гомеостатическая и хеббовская пластичность

Нейроны центральной нервной системы (ЦНС) интегрируют сигналы от многих нейронов. В краткосрочной перспективе важно иметь изменения в активности нейрона, поскольку именно так информация передается в нервной системе ( пластичность Хебба ). Однако для долгосрочной устойчивости дрейф в сторону возбудимости или невозбудимости нарушит способность цепи передавать информацию ( гомеостатическая пластичность ). Долговременная потенциация (ДВП) вызывает более высокую частоту срабатывания в постсинаптических нейронах. Была выдвинута гипотеза, что внутренние свойства нейрона должны быть организованы так, чтобы максимально использовать динамический диапазон, действуя как гомеостатический механизм. [13] Однако было показано, что внутренняя возбудимость следует логнормальному распределению, которое требует активного, Хеббианского обучения для поддержания. [14] Исследования in vitro показали, что при подавлении спонтанной активности нейронных культур нейроны становятся гипервозбудимыми, и что при длительном повышении активности частота срабатывания культуры падает. [15] [16] Напротив, существует множество доказательств того, что противоположная форма регуляции, обучение по Хеббу или LTP-IE/LTD-IE, также имеет место [17] , и теоретические аргументы показывают, что пластичность по Хеббу должна быть доминирующей формой пластичности и для внутренней возбудимости. [14] Поскольку гомеостатическая пластичность также имеет место между отдельными синапсами, [18] более раннее представление, предполагающее, что гомеостатическая пластичность и внутренняя пластичность связаны, оказалось несоответствующим доказательствам.

Механизм

Одним из механизмов сохранения динамического диапазона нейрона является синаптическое масштабирование , гомеостатическая форма пластичности, которая восстанавливает нейронную активность до ее нормального «базового» уровня путем изменения постсинаптического ответа синапсов нейрона в зависимости от активности. Гомеостатическая модуляция внутренней возбудимости нейрона — еще один способ поддержания стабильности. Регулирование ионной проводимости может быть достигнуто несколькими способами, в основном за счет высвобождения нейромодуляторов, таких как дофамин , серотонин и т. д. [19] Другой способ — контролируемое высвобождение нейротрофического фактора мозга (BDNF). Было также обнаружено, что BDNF влияет на синаптическое масштабирование, что позволяет предположить, что этот нейротрофический фактор может отвечать за координацию синаптических и несинаптических механизмов в гомеостатической пластичности. [4]

Дендритная возбудимость

Дендриты — это области, ответственные за интеграцию входов от других нейронов . Один из способов, которым нейроны манипулируют интеграционными свойствами дендритов, — это изменение количества и свойств потенциалзависимых ионных каналов. Вызывание долговременной потенциации (LTP) в определенном синапсе приводит к увеличению возбудимости дендритных ветвей, специфичных для этого синапса. [20] Возбудимость дендритов важна для распространения и интеграции синаптических сигналов. Считается, что возбудимость дендритов способствует потенциации ES или увеличению вероятности того, что данный вход приведет к запуску потенциала действия. [21]

Известно, что изменения в дендритной возбудимости влияют на обратное распространение потенциала действия. Потенциалы действия начинаются около аксонного холмика и распространяются по длине аксона, но они также распространяются обратно через сому в дендритную древовидную структуру. Активное обратное распространение зависит от ионных каналов, и изменение плотности или свойств этих каналов может влиять на степень ослабления сигнала . [ 21] Пластичность обратного распространения в дендритах происходит менее чем за одну минуту и ​​длится более 25 минут. [22] Обратное распространение — это метод сигнализации синапсам о том, что потенциал действия был запущен. Это важно для пластичности, зависящей от времени спайка . Экспериментально наблюдалась быстрая дендритная адаптация в масштабах времени в несколько секунд, что указывает на потенциальный значимый глобальный механизм обучения [23] [24]

Внутренняя пластичность

Внутренняя пластичность — это форма пластичности, зависящей от активности, отличная от синаптической пластичности , которая включает изменения в синапсе между двумя нейронами, а не изменения электрических свойств внутри одного нейрона. [25] [26] Существуют некоторые тесно связанные явления, которые могут влиять на возбудимость нейрона, такие как нейромодуляция , структурная пластичность, кратковременная пластичность из-за кинетики каналов и нейронное развитие . [27] [28] Не существует единого мнения о количестве, которое регулирует внутренняя пластичность, например, скорость срабатывания нейрона, его прирост или его внутренняя концентрация кальция. Функционально внутренняя пластичность может позволять нейронам узнавать интенсивность стимулов и представлять статистику этой интенсивности в своих возбудимостях. [29] [30] Внутренняя пластичность способствует кодированию памяти и дополняет другие формы пластичности, зависящей от активности, включая синаптическую пластичность . [31]

Высшая функция мозга

Долговременная ассоциативная память

Экспериментальные доказательства

Эксперимент Кеменеса и др . [2] продемонстрировал, что во внешнем модуляторном нейроне несинаптическая пластичность влияет на экспрессию долговременной ассоциативной памяти . Связь между несинаптической пластичностью и памятью оценивалась с использованием гигантских церебральных клеток (CGC). Деполяризация от условных стимулов усиливала реакцию нейронной сети. Эта деполяризация длилась столько же, сколько и долговременная память . Стойкая деполяризация и экспрессия поведенческой памяти происходили более чем через 24 часа после обучения, что указывает на долговременные эффекты. В этом эксперименте электрофизиологическое выражение следа долговременной памяти представляло собой вызванную условным стимулом реакцию на кормление. CGC были значительно более деполяризованы у обученных организмов, чем в контрольной группе, что указывает на связь с изменениями обучения и возбудимости. Когда CGC были деполяризованы, они демонстрировали повышенную реакцию на условные стимулы и более сильную фиктивную реакцию на кормление. Это показало, что деполяризации достаточно для создания значительной реакции питания на условные стимулы. Кроме того, не было обнаружено значительной разницы в скорости питания между условными организмами и теми, которые были искусственно деполяризованы, что подтверждает, что деполяризации достаточно для создания поведения, связанного с долговременной памятью. [2]

Память для хранения данных

Несинаптическая активность в клетке обычно выражается в изменениях нейронной возбудимости. Это происходит посредством модуляции мембранных компонентов, таких как покоящиеся и потенциалзависимые каналы и ионные насосы . Считается, что несинаптические процессы участвуют в хранении памяти. Один из возможных механизмов этого действия включает маркировку нейрона, который недавно был активен, с изменениями возбудимости. Это помогло бы связать временно разделенные стимулы. Другой потенциальный механизм исходит из вычислительной модели, которая указывает на то, что несинаптическая пластичность может подготавливать контуры к модификации в обучении, поскольку изменения возбудимости могут регулировать порог синаптической пластичности. [5]

Емкость хранения памяти на основе синапсов очень велика, что делает ее привлекательным механизмом для изучения. В человеческом мозге имеется приблизительно 10 4 синапсов на нейрон и 10 11 нейронов. [25] Несинаптическую пластичность часто упускают из виду просто потому, что ее емкость хранения не так высока. Регулирование плотности ионных каналов в аксоне и соме нейрона изменило бы пропускную способность и повлияло бы на все синапсы. Следовательно, ее емкость хранения была бы значительно меньше, чем у синаптической пластичности.

Хотя ее емкость хранения слишком мала, чтобы сделать ее единственным механизмом хранения, несинаптическая пластичность может способствовать методам синаптического хранения. Было показано, что модуляция ионных каналов может происходить в таких малых областях, как определенные дендриты. [20] Эта специфичность делает емкость хранения несинаптической пластичности больше, чем если бы она была принята за модуляцию всего нейрона. Процедурные воспоминания хорошо подходят для этого типа системы хранения, поскольку они не требуют высокой специфичности, как декларативная память. Обобщение двигательных задач и условных стимулов может быть эффективным способом хранения этой информации. [25]

Обучение

Изменения возбудимости от обучения, которые действуют как часть следа памяти , действуют как праймеры для инициирования дальнейших изменений в нейронах или кратковременного механизма хранения для кратковременной памяти. Несинаптическая пластичность может возникать во время обучения в результате клеточных процессов, хотя сроки, устойчивость и связь между несинаптической пластичностью и синаптическим выходом плохо изучены. Исследования показали, что несинаптическая пластичность играет косвенную, но важную роль в формировании воспоминаний. Несинаптическая пластичность, вызванная обучением, связана с деполяризацией сомы. [5]

Классическое обусловливание

Эксперименты показали, что несинаптические изменения происходят во время условного обучения . Вуди и др . [32] продемонстрировали, что условное моргание (EBC), форма классического обусловливания для изучения нейронных структур и механизмов, лежащих в основе обучения и памяти, у кошек связано с повышенной возбудимостью и входом в нейроны в сенсомоторных областях коры и в лицевом ядре . Было отмечено, что повышение возбудимости от классического обусловливания продолжалось после прекращения реакции. Это говорит о том, что повышенная возбудимость может функционировать как механизм хранения памяти. [5]

При условном моргании у кроликов несинаптические изменения происходили по всему дорсальному гиппокампу . Это указывает на то, что хотя одних изменений возбудимости недостаточно для объяснения процессов хранения памяти, несинаптическая пластичность может быть механизмом хранения для фаз памяти, ограниченных временем. Несинаптические изменения влияют на другие типы пластичности, связанные с памятью. Например, несинаптическое изменение, такое как деполяризация потенциала покоящейся мембраны , возникающее в результате условного обучения, может вызвать синаптическую пластичность в будущем обучении. [5]

Изучение правил и экономия

Способность усваивать правила зависит от несинаптической пластичности. В одном исследовании крыс пытались научить различать различные запахи, и потребовалось несколько дней, чтобы научить их различать первую пару запахов. Однако после обучения крыса смогла научиться различать различные запахи гораздо быстрее. Изменения возбудимости пирамидальных нейронов у этих крыс наблюдались в течение трех дней после обучения. Эти изменения со временем исчезали, что предполагает, что нейроны участвовали в изучении правил, а не в хранении памяти. [5] Даудаль и Дебанн попытались определить, применимы ли те же правила обучения и механизмы индукции, определенные для синаптической пластичности, к несинаптической пластичности, влияющей на ионные каналы. Они определили, что несинаптическая и синаптическая пластичность имеют общие правила обучения и пути индукции, например, зависимую от рецептора NMDA долгосрочную потенциацию (LTP) и долгосрочную депрессию (LTD). Они также показали, что несинаптическая и синаптическая пластичность синергически формируют связную энграмму для хранения следов памяти. [22]

Сбережения — это способность восстанавливать забытую информацию гораздо быстрее, чем она была изначально усвоена. Несинаптическая пластичность — возможный механизм этого эффекта сбережений. Во время процедур обучения многие нейроны испытывают увеличение внутренней возбудимости. Это увеличение возбудимости сохраняется даже после того, как память исчезает. [5] [25]

Зависимость от веществ

Наркотики, вызывающие зависимость, обычно влияют на мезолимбическую систему или, более конкретно, на путь вознаграждения нервной системы. Среди распространенных наркотиков, вызывающих зависимость, никотин является одним из самых сильных агонистов никотинового холинергического синапса. [33] Никотин, конкурируя с ацетилхолином (ACh), действует через несинаптический, претерминальный, никотиновый ацетилхолиновый рецептор (nAChRs), чтобы инициировать изменение мембранного потенциала и распространять внутриклеточный сигнал Ca 2+ , тем самым способствуя высвобождению нейротрансмиттеров. Специфическая и характерная роль опосредованной током кальция активности nAChR имеет иную зависимость от напряжения, чем другие проницаемые для Ca 2+ ионные каналы, а также иное временное и пространственное распределение, и в результате несинаптическая активность nAChR усиливает индукцию синаптической потенциации, способствуя обучению зависимости от вещества. [34]

Применение к болезням

После повреждения

Несинаптическая пластичность может функционировать для смягчения последствий повреждения мозга . Когда один из вестибулярных нервов поврежден, несоответствие в частоте импульсации нейронов в вестибулярных ядрах вызывает ненужные вестибулярные рефлексы. Симптомы этого повреждения со временем исчезают. Это, вероятно, связано с модификациями внутренней возбудимости в нейронах вестибулярного ядра. [25] [35]

Судорожная активность

Несинаптическая пластичность также играет ключевую роль в судорожной активности. Фебрильные судороги, судороги из-за лихорадки в раннем возрасте, могут привести к повышенной возбудимости нейронов гиппокампа. Эти нейроны становятся высокочувствительными к судорожным агентам. Было показано, что судороги в раннем возрасте могут предрасполагать к большему количеству судорог через несинаптические механизмы. [36]

Травма, включая инсульт , который приводит к повреждению коры , часто приводит к эпилепсии . Повышенная возбудимость и проводимость NMDA приводят к эпилептической активности, что предполагает, что несинаптическая пластичность может быть механизмом, посредством которого эпилепсия вызывается после травмы. [37]

аутизм

Вальпроевая кислота (ВПК) — это средство для лечения эпилепсии , мигрени и биполярного расстройства , которое связывают со многими состояниями, включая аутизм . Существует животная модель аутизма , в которой беременным крысам дают ВПК. У потомства есть черты, схожие с чертами людей с аутизмом. Вскоре после рождения эти животные демонстрируют пониженную возбудимость и повышенные токи NMDA . Эти эффекты корректируются на более поздних этапах жизни. Изменения внутренней возбудимости у этих животных помогли компенсировать эффекты повышенных токов NMDA на активность сети, форму гомеостатической пластичности. Считается, что это помогает опосредовать пагубные эффекты, которые могут иметь повышенные токи NMDA. [38]

Текущие и будущие исследования

Для более широкого понимания несинаптической пластичности необходимы дополнительные исследования. Темы, которые следует изучить более подробно по состоянию на январь 2010 года, включают:

Ссылки

  1. ^ ab Byrne, John H. (1997). "Синаптическая пластичность". Neuroscience Online . Медицинская школа Техасского университета в Хьюстоне . Получено 28 октября 2011 г.
  2. ^ abc Kemenes I, Straub VA, Nikitin ES, Staras K, O'Shea M, Kemenes G, Benjamin PR (июль 2006 г.). «Роль отсроченной несинаптической нейрональной пластичности в долговременной ассоциативной памяти». Current Biology . 16 (13): 1269–79. doi : 10.1016/j.cub.2006.05.049 . PMID  16824916. S2CID  16726488.
  3. ^ abc Hansel C, Linden DJ, D'Angelo E (май 2001 г.). «За пределами параллельного волокна LTD: разнообразие синаптической и несинаптической пластичности в мозжечке». Nature Neuroscience . 4 (5): 467–75. doi :10.1038/87419. PMID  11319554. S2CID  13919286.
  4. ^ ab Desai NS, Rutherford LC, Turrigiano GG (1999). «BDNF регулирует внутреннюю возбудимость корковых нейронов». Обучение и память . 6 (3): 284–91. doi :10.1101/lm.6.3.284. PMC 311300. PMID  10492010 . 
  5. ^ abcdefghijklmno Mozzachiodi R, Byrne JH (январь 2010 г.). «Больше, чем синаптическая пластичность: роль несинаптической пластичности в обучении и памяти». Trends in Neurosciences . 33 (1): 17–26. doi :10.1016/j.tins.2009.10.001. PMC 2815214 . PMID  19889466. 
  6. ^ ab Debanne D, Kopysova IL, Bras H, Ferrand N (сентябрь 1999 г.). «Gating of action potential propagation by an axonal A-like cal-providence in the hippocampus: a new type of non-synaptic plasticity». Journal of Physiology, Paris . 93 (4): 285–96. doi :10.1016/S0928-4257(00)80057-1. PMID  10574118. S2CID  30737916.
  7. ^ Szydlowska K, Tymianski M (февраль 2010). «Кальций, ишемия и эксайтотоксичность». Cell Calcium . 47 (2): 122–9. doi :10.1016/j.ceca.2010.01.003. PMID  20167368.
  8. ^ Баккум DJ, Чао ZC, Поттер SM (май 2008). "Долгосрочная пластичность, зависящая от активности, задержки распространения потенциала действия и амплитуды в корковых сетях". PLOS ONE . ​​3 (5): e2088. Bibcode :2008PLoSO...3.2088B. doi : 10.1371/journal.pone.0002088 . PMC 2324202 . PMID  18461127.  Значок открытого доступа
  9. ^ Debanne D, Gähwiler BH, Thompson SM (1996). «Синаптическая и несинаптическая пластичность между отдельными пирамидальными клетками в гиппокампе крысы in vitro». Journal of Physiology, Париж . 90 (5–6): 307–9. doi :10.1016/s0928-4257(97)87903-x. PMID  9089497. S2CID  31639170.
  10. ^ Ахмед З., Виерашко А. (январь 2009 г.). «Зависящая от активности аксональная пластичность: влияние электрической стимуляции на потенциалы сложного действия, зарегистрированные в нервной системе мыши in vitro». The Open Neuroscience Journal . 3 (1): 6. Bibcode : 2009ONMJ....1....6P. doi : 10.2174/1874082000903010001 (неактивен 1 ноября 2024 г.). S2CID  14646213.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  11. ^ Lin JW, Ju W, Foster K, Lee SH, Ahmadian G, Wyszynski M и др. (декабрь 2000 г.). «Различные молекулярные механизмы и расходящиеся эндоцитозные пути интернализации рецептора AMPA». Nature Neuroscience . 3 (12): 1282–90. doi : 10.1038/81814 . PMID  11100149. S2CID  18109725.
  12. ^ O'Dell TJ, Kandel ER (1994). «Низкочастотная стимуляция стирает LTP посредством активации протеинфосфатаз, опосредованной рецептором NMDA». Обучение и память . 1 (2): 129–139. doi : 10.1101/lm.1.2.129 . PMID  10467591. S2CID  41429873.
  13. ^ Stemmler M, Koch C (июнь 1999). «Как проводимости, зависящие от напряжения, могут адаптироваться для максимизации информации, кодируемой скоростью нейронной активности». Nature Neuroscience . 2 (6): 521–7. doi :10.1038/9173. PMID  10448216. S2CID  15134486.
  14. ^ ab Scheler G (2017). «Логарифмические распределения доказывают, что внутреннее обучение является хеббовским». F1000Research . 6 : 1222. arXiv : 1410.5610 . doi : 10.12688 /f1000research.12130.2 . PMC 5639933. PMID  29071065. 
  15. ^ Corner MA, Ramakers GJ (январь 1992 г.). «Спонтанное срабатывание как эпигенетический фактор развития мозга — физиологические последствия хронического воздействия тетродотоксина и пикротоксина на культивируемые нейроны неокортекса крыс». Brain Research. Developmental Brain Research . 65 (1): 57–64. doi :10.1016/0165-3806(92)90008-K. PMID  1551233.
  16. ^ Turrigiano GG, Leslie KR, Desai NS, Rutherford LC, Nelson SB (февраль 1998). "Зависимое от активности масштабирование квантовой амплитуды в неокортикальных нейронах". Nature . 391 (6670): 892–6. Bibcode :1998Natur.391..892T. doi :10.1038/36103. PMID  9495341. S2CID  4328177.
  17. ^ Mahon S, Charpier S (август 2012). «Двунаправленная пластичность внутренней возбудимости контролирует эффективность сенсорных входов в нейронах ствола коры 5 слоя in vivo». Журнал нейронауки . 32 (33): 11377–89. doi :10.1523/JNEUROSCI.0415-12.2012. PMC 6621180. PMID  22895720 . 
  18. ^ Keck T, Keller GB, Jacobsen RI, Eysel UT, Bonhoeffer T, Hübener M (октябрь 2013 г.). «Синаптическое масштабирование и гомеостатическая пластичность в зрительной коре мышей in vivo». Neuron . 80 (2): 327–34. doi : 10.1016/j.neuron.2013.08.018 . PMID  24139037. S2CID  13151568.
  19. ^ Scheler G (2014). «Изучение внутренней возбудимости в средних шипиковых нейронах». F1000Research . 2 : 88. arXiv : q -bio/0502023 . doi : 10.12688/f1000research.2-88.v2 . PMC 4264637. PMID  25520776. 
  20. ^ ab Frick A, Magee J, Johnston D (февраль 2004 г.). «ДП сопровождается повышенной локальной возбудимостью дендритов пирамидальных нейронов». Nature Neuroscience . 7 (2): 126–35. doi :10.1038/nn1178. PMID  14730307. S2CID  11964239.
  21. ^ ab Sjöström PJ, Rancz EA, Roth A, Häusser M (апрель 2008 г.). «Дендритная возбудимость и синаптическая пластичность». Physiological Reviews . 88 (2): 769–840. doi :10.1152/physrev.00016.2007. PMID  18391179. S2CID  1261675.
  22. ^ ab Daoudal G, Debanne D (2003). «Долгосрочная пластичность внутренней возбудимости: правила и механизмы обучения». Обучение и память . 10 (6): 456–65. doi : 10.1101/lm.64103 . PMID  14657257.
  23. ^ Ходассман, Шири; Варди, Рони; Тугендхафт, Яэль; Голдентал, Амир; Кантер, Идо (декабрь 2022 г.). «Эффективное дендритное обучение как альтернатива гипотезе синаптической пластичности». Scientific Reports . 12 (1): 6571. Bibcode :2022NatSR..12.6571H. doi :10.1038/s41598-022-10466-8. ISSN  2045-2322. PMC 9051213 . PMID  35484180. 
  24. ^ Сарди, Шира; Варди, Рони; Голденталь, Амир; Шейнин, Антон; Узан, Херут; Кантер, Идо (2018-03-23). ​​«Адаптивные узлы обогащают нелинейное кооперативное обучение за пределами традиционной адаптации с помощью связей». Scientific Reports . 8 (1): 5100. Bibcode :2018NatSR...8.5100S. doi :10.1038/s41598-018-23471-7. ISSN  2045-2322. PMC 5865176 . PMID  29572466. 
  25. ^ abcde Zhang W, Linden DJ (ноябрь 2003 г.). «Другая сторона энграммы: изменения внутренней возбудимости нейронов под воздействием опыта». Nature Reviews. Neuroscience . 4 (11): 885–900. doi :10.1038/nrn1248. PMID  14595400. S2CID  17397545.
  26. ^ Debanne D, Inglebert Y, Russier M (февраль 2019). «Пластичность внутренней нейрональной возбудимости» (PDF) . Current Opinion in Neurobiology . 54 : 73–82. doi :10.1016/j.conb.2018.09.001. PMID  30243042. S2CID  52812190.
  27. ^ Триш, Йохен. «Синергия между внутренней и синаптической пластичностью в отдельных модельных нейронах». Достижения в области нейронных систем обработки информации . 2004.
  28. ^ W. Zhang и DJ Linden. Другая сторона энграммы: изменения внутренней возбудимости нейронов под воздействием опыта. Nature Reviews Neuroscience, 4:885-900, 2003.
  29. ^ T. Monk, C. Savin и J. Lucke. «Оптимальный нейронный вывод интенсивности стимула». Научные отчеты, 8:1, 2018.
  30. ^ T. Monk, C. Savin и J. Lucke. Нейроны, оснащенные внутренней пластичностью, изучают статистику интенсивности стимула. Достижения в области нейронных систем обработки информации . 2016.
  31. ^ Grasselli G, Boele HJ, Titley HK, Bradford N, van Beers L, Jay L и др. (январь 2020 г.). «Каналы SK2 в клетках Пуркинье мозжечка способствуют модуляции возбудимости в следах памяти, специфичных для моторного обучения». PLOS Biology . 18 (1): e3000596. doi : 10.1371/journal.pbio.3000596 . PMC 6964916 . PMID  31905212. 
  32. ^ Woody CD, Black-Cleworth P (ноябрь 1973 г.). «Различия в возбудимости корковых нейронов как функция моторной проекции у обусловленных кошек». Журнал нейрофизиологии . 36 (6): 1104–16. doi :10.1152/jn.1973.36.6.1104. PMID  4761722.
  33. ^ Kauer JA, Malenka RC (ноябрь 2007 г.). «Синаптическая пластичность и зависимость». Nature Reviews. Neuroscience . 8 (11): 844–58. doi : 10.1038/nrn2234 . PMID  17948030. S2CID  38811195.
  34. ^ Dani JA, Ji D, Zhou FM (август 2001). «Синаптическая пластичность и никотиновая зависимость». Neuron . 31 (3): 349–52. doi : 10.1016/S0896-6273(01)00379-8 . PMID  11516393. S2CID  10062998.
  35. ^ Darlington CL, Dutia MB, Smith PF (июнь 2002 г.). «Вклад внутренней возбудимости нейронов вестибулярного ядра в восстановление после вестибулярного повреждения». The European Journal of Neuroscience . 15 (11): 1719–27. doi :10.1046/j.1460-9568.2002.02024.x. PMID  12081651. S2CID  19939794.
  36. ^ Bender RA, Dubé C, Gonzalez-Vega R, Mina EW, Baram TZ (2003). «Пластичность мшистых волокон и повышенная возбудимость гиппокампа без потери клеток гиппокампа или измененного нейрогенеза в модели животных с длительными фебрильными судорогами». Hippocampus . 13 (3): 399–412. doi :10.1002/hipo.10089. PMC 2927853 . PMID  12722980. 
  37. ^ Bush PC, Prince DA, Miller KD (октябрь 1999). «Повышенная пирамидальная возбудимость и проводимость NMDA могут объяснить посттравматический эпилептогенез без растормаживания: модель». Journal of Neurophysiology . 82 (4): 1748–58. doi :10.1152/jn.1999.82.4.1748. PMID  10515964. S2CID  5927906.
  38. ^ Walcott EC, Higgins EA, Desai NS (сентябрь 2011 г.). «Синаптическая и внутренняя балансировка во время постнатального развития у крысят, подвергшихся воздействию вальпроевой кислоты in utero». The Journal of Neuroscience . 31 (37): 13097–109. doi :10.1523/JNEUROSCI.1341-11.2011. PMC 6623264. PMID  21917793 . 
  39. ^ Лесли Дж. Х., Недиви Э. (август 2011 г.). «Гены, регулируемые активностью, как медиаторы пластичности нейронных цепей» (PDF) . Прогресс в нейробиологии . 94 (3): 223–37. doi : 10.1016/j.pneurobio.2011.05.002. hdl : 1721.1/102275. PMC 3134580. PMID  21601615 .