Нейронное облегчение , также известное как облегчение парных импульсов ( PPF ), представляет собой явление в нейронауке , при котором постсинаптические потенциалы (PSP) ( EPP , EPSP или IPSP ), вызванные импульсом, увеличиваются, когда этот импульс следует непосредственно за предыдущим импульсом. Таким образом, PPF является формой краткосрочной синаптической пластичности . Механизмы, лежащие в основе нейронного облегчения, являются исключительно пресинаптическими; в широком смысле PPF возникает из-за увеличения пресинаптического Ca2+
концентрация, приводящая к большему высвобождению синаптических везикул , содержащих нейротрансмиттеры . [1] Нейронная фасилитация может быть задействована в нескольких нейронных задачах, включая простое обучение, обработку информации, [2] и локализацию источника звука. [3]
Ca2+
играет важную роль в передаче сигналов в химических синапсах . Потенциалзависимый Ca2+
Каналы расположены в пресинаптическом окончании. Когда потенциал действия проникает в пресинаптическую мембрану, эти каналы открываются и Ca2+
входит. Более высокая концентрация Ca2+
позволяет синаптическим везикулам сливаться с пресинаптической мембраной и высвобождать их содержимое ( нейротрансмиттеры ) в синаптическую щель , чтобы в конечном итоге связаться с рецепторами в постсинаптической мембране. Количество высвобождаемого нейротрансмиттера коррелирует с количеством Ca2+
приток. Таким образом, краткосрочное облегчение (STF) является результатом накопления Ca2+
в пресинаптическом окончании , когда потенциалы действия распространяются близко друг к другу во времени. [4]
Облегчение возбуждающего постсинаптического тока (EPSC) можно количественно оценить как отношение последующих сил EPSC. Каждый EPSC запускается пресинаптическими концентрациями кальция и может быть приблизительно выражен как:
EPSC = k([ Ca2+
] пресинаптический ) 4 = k([ Ca2+
] остаток + [ Ca2+
] приток + [ Ca2+
] остаток ) 4
Где k — константа.
Содействие = EPSC 2 / EPSC 1 = (1 + [ Ca2+
] остаточный / [ Ca2+
] приток ) 4 - 1
Ранние эксперименты Дель Кастильо и Каца в 1954 году и Дуделя и Куффлера в 1968 году показали, что облегчение возможно в нервно-мышечном соединении, даже если высвобождение медиатора не происходит, что указывает на то, что облегчение является исключительно пресинаптическим явлением. [5] [6]
Кац и Миледи предложили остаточный Ca2+
гипотеза. Они приписали увеличение высвобождения нейротрансмиттера остаточному или накопленному Ca2+
(«активный кальций») внутри мембраны аксона, который остается прикрепленным к внутренней поверхности мембраны. [7] Кац и Миледи манипулировали Ca2+
концентрация внутри пресинаптической мембраны, чтобы определить, есть ли остаточный Ca2+
оставаясь в терминали после первого импульса, вызывал увеличение высвобождения нейромедиатора после второго стимула.
Во время первого нервного импульса Ca2+
Концентрация была либо значительно ниже, либо близка к концентрации второго импульса. Когда Ca2+
концентрация приближалась к концентрации второго импульса, фасилитация увеличивалась. В этом первом эксперименте стимулы предъявлялись с интервалом в 100 мс между первым и вторым стимулами. Абсолютный рефрактерный период достигался, когда интервалы составляли около 10 мс.
Для изучения облегчения в течение более коротких интервалов Кац и Миледи напрямую применяли кратковременные деполяризующие стимулы к нервным окончаниям. При увеличении деполяризующего стимула с 1 до 2 мс высвобождение нейротрансмиттера значительно увеличивалось из-за накопления активного Ca2+
. Таким образом, степень облегчения зависит от количества активного Ca2+
, что определяется снижением Ca2+
проводимость с течением времени, а также количество удаленного из терминалей аксона после первого стимула. Облегчение является наибольшим, когда импульсы находятся ближе всего друг к другу, потому что Ca2+
проводимость не вернется к исходному уровню до второго стимула. Поэтому, как Ca2+
проводимость и накопленный Ca2+
будет сильнее для второго импульса, если он будет подан вскоре после первого.
В синапсе чашечки Хельда было показано, что кратковременное облегчение (STF) является результатом связывания остаточного Ca2+
к нейронному Ca2+
датчик 1 (NCS1). Наоборот, было показано, что STF уменьшается, когда Ca2+
В синапс добавляются хелаторы (вызывающие хелатирование ), которые снижают остаточный уровень Ca2+
. Поэтому «активный Ca2+
«играет важную роль в нейронной стимуляции. [8]
В синапсе между клетками Пуркинье было показано, что кратковременное облегчение полностью опосредовано облегчением Ca2+
токи через потенциалзависимые кальциевые каналы . [9]
Кратковременное синаптическое усиление часто дифференцируется на категории фасилитации , аугментации и потенциации (также называемой посттетанической потенциацией или ПТП ). [1] [10] Эти три процесса часто различаются по их временным масштабам: фасилитация обычно длится десятки миллисекунд, в то время как аугментация действует во временном масштабе порядка секунд, а потенциация имеет временной ход от десятков секунд до минут. Все три эффекта увеличивают вероятность высвобождения нейротрансмиттера из пресинаптической мембраны, но лежащий в основе механизм для каждого из них различен. Парно-импульсная фасилитация вызвана наличием остаточного Ca2+
, усиление, вероятно, возникает из-за повышенного действия пресинаптического белка munc-13, а посттетаническое потенцирование опосредовано пресинаптической активацией протеинкиназ. [4] Тип синаптического усиления, наблюдаемого в данной клетке, также связан с вариантной динамикой Ca2+
удаление, которое в свою очередь зависит от типа стимулов; одиночный потенциал действия приводит к облегчению, в то время как короткий тетанус обычно вызывает усиление, а более длительный тетанус приводит к потенцированию. [1]
Кратковременная депрессия (STD) действует в направлении, противоположном облегчению, уменьшая амплитуду PSP. STD возникает из-за уменьшения пула легко высвобождаемых везикул (RRP) в результате частой стимуляции. Инактивация пресинаптических Ca2+
каналы после повторных потенциалов действия также способствуют STD. [8] Депрессия и облегчение взаимодействуют, создавая краткосрочные пластические изменения внутри нейронов, и это взаимодействие называется теорией пластичности двойного процесса . Базовые модели представляют эти эффекты как аддитивные, при этом сумма создает чистое пластическое изменение (облегчение - депрессия = чистое изменение). Однако было показано, что депрессия возникает раньше в пути стимул-реакция, чем облегчение, и, следовательно, играет роль в выражении облегчения. [11] Многие синапсы проявляют свойства как облегчения, так и депрессии. Однако в целом синапсы с низкой начальной вероятностью высвобождения везикул с большей вероятностью демонстрируют облегчение, а синапсы с высокой вероятностью начального высвобождения везикул с большей вероятностью демонстрируют депрессию. [3]
Поскольку вероятность высвобождения везикул зависит от активности, синапсы могут действовать как динамические фильтры для передачи информации. [3] Синапсы с низкой начальной вероятностью высвобождения везикул действуют как фильтры верхних частот : поскольку вероятность высвобождения низкая, для запуска высвобождения необходим сигнал более высокой частоты, и синапс, таким образом, избирательно реагирует на высокочастотные сигналы. Аналогично, синапсы с высокой начальной вероятностью высвобождения служат фильтрами нижних частот , реагируя на низкочастотные сигналы. Синапсы с промежуточной вероятностью высвобождения действуют как полосовые фильтры , которые избирательно реагируют на определенный диапазон частот. На эти характеристики фильтрации могут влиять различные факторы, включая как PPD, так и PPF, а также химические нейромодуляторы . В частности, поскольку синапсы с низкой вероятностью высвобождения с большей вероятностью испытывают облегчение, чем депрессию, фильтры верхних частот часто преобразуются в полосовые фильтры. Аналогично, поскольку синапсы с высокими начальными вероятностями высвобождения с большей вероятностью подвергаются депрессии, чем облегчению, для низкочастотных фильтров также характерно становиться полосовыми фильтрами. Нейромодуляторы, тем временем, могут влиять на эти краткосрочные пластичности. В синапсах с промежуточными вероятностями высвобождения свойства индивидуального синапса будут определять, как синапс изменяется в ответ на стимулы. Эти изменения в фильтрации влияют на передачу и кодирование информации в ответ на повторяющиеся стимулы. [3]
У людей локализация звука в первую очередь осуществляется с использованием информации о том, как интенсивность и время звука различаются между каждым ухом. Нейронные вычисления, включающие эти межушные различия интенсивности (IID) и межушные различия времени (ITD), обычно выполняются в разных путях мозга. [12] Кратковременная пластичность, вероятно, помогает различать эти два пути: краткосрочное облегчение доминирует в путях интенсивности, в то время как краткосрочная депрессия доминирует во временных путях. Эти различные типы краткосрочной пластичности допускают различные виды фильтрации информации, тем самым способствуя разделению двух видов информации на отдельные потоки обработки.
Фильтрующие возможности краткосрочной пластичности могут также помочь в кодировании информации, связанной с амплитудной модуляцией (АМ). [12] Краткосрочная депрессия может динамически регулировать усиление на высокочастотных входах и, таким образом, может позволить расширить высокочастотный диапазон для АМ. Смесь фасилитации и депрессии также может помочь в кодировании АМ, приводя к фильтрации скорости.