В нейробиологии 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 сильно взаимосвязанными нейронными цепями в мозге , синаптическая пластичность является одной из важных нейрохимических основ обучения и памяти ( см. теорию Хеббиана ).
Пластические изменения часто возникают в результате изменения количества рецепторов нейромедиаторов , 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 возбуждающих , так и тормозных синапсов зависит от постсинаптического высвобождения кальция . [2]
В 1973 году Терье Лёмо и Тим Блисс впервые описали ныне широко изучаемый феномен долговременной потенциации (ДП) в публикации в Журнале физиологии . Описываемый эксперимент был проведен на синапсе между перфорантным путем и зубчатой извилиной в гиппокампе наркотизированных кроликов. Им удалось продемонстрировать, что всплеск тетанического стимула (100 Гц) на волокнах перфорантного пути приводил к резкому и длительному усилению постсинаптической реакции клеток, с которыми эти волокна синапсируют в зубчатой извилине. В том же году пара опубликовала очень похожие данные, полученные от бодрствующих кроликов. Это открытие представляло особый интерес в связи с предполагаемой ролью гиппокампа в определенных формах памяти.
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+ , что 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 проникновению Ca 2+ постсинаптический нейрон и более низкие внутриклеточные концентрации Ca 2+ (которые активируют протеинфосфатазы и вызывают длительную депрессию , LTD). [4]
Эти активированные протеинкиназы служат для фосфорилирования постсинаптических возбуждающих рецепторов (например, АМРА-рецепторов ), улучшая катионную проводимость и тем самым усиливая синапс. Кроме того, эти сигналы привлекают дополнительные рецепторы к постсинаптической мембране, стимулируя выработку модифицированного типа рецепторов, тем самым облегчая приток кальция. Это, в свою очередь, увеличивает постсинаптическое возбуждение данным пресинаптическим стимулом. Этот процесс можно обратить вспять с помощью активности протеинфосфатаз, которые дефосфорилируют эти катионные каналы. [5]
Второй механизм зависит от каскада вторичных мессенджеров , регулирующего транскрипцию генов , и изменений уровней ключевых белков в помпельных синапсах, таких как CaMKII и PKAII. Активация пути вторичного мессенджера приводит к увеличению уровней CaMKII и PKAII в дендритном отростке . Эти протеинкиназы связаны с увеличением объема дендритных шипов и процессами LTP, такими как добавление АМРА-рецепторов к плазматической мембране и фосфорилирование ионных каналов для повышения проницаемости. [6] Локализация или компартментализация активированных белков происходит в присутствии соответствующего стимула, который создает локальные эффекты в дендритном отростке. Приток кальция от NMDA-рецепторов необходим для активации CaMKII. Эта активация локализуется в шипиках при фокальной стимуляции 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 усиления чувствительности одиночных дендритных шипиков. Отдельные дендритные шипики способны формировать уникальные реакции на пресинаптические клетки. [7] Этот второй механизм может быть запущен фосфорилированием белка , но занимает больше времени и длится дольше, обеспечивая механизм долговременного хранения памяти. Продолжительность ДП можно регулировать путем распада этих вторичных мессенджеров . Фосфодиэстераза , например, расщепляет вторичный мессенджер цАМФ , который участвует в увеличении синтеза рецептора AMPA в постсинаптическом нейроне .
Длительные изменения эффективности синаптических связей ( долговременная потенциация , или ДП) между двумя нейронами могут включать в себя установление и разрыв синаптических контактов. Гены, такие как активин β-A, который кодирует субъединицу активина A , активируются на ранней стадии LTP. Молекула активина модулирует динамику актина в дендритных шипиках посредством MAP-киназного пути . Изменяя структуру цитоскелета F-актина дендритных шипиков, шейки шипов удлиняются, что приводит к увеличению электрической изоляции. [8] Конечным результатом является долгосрочное поддержание LTP. [9]
Количество ионных каналов на постсинаптической мембране влияет на силу синапса. [10] Исследования показывают, что плотность рецепторов на постсинаптических мембранах меняется, влияя на возбудимость нейрона в ответ на раздражители. 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 АМРА-рецепторы доставляются в синапс посредством слияния везикулярной мембраны с постсинаптической мембраной посредством протеинкиназы CaMKII, которая активируется притоком кальция через NMDA-рецепторы. CaMKII также улучшает ионную проводимость AMPA за счет фосфорилирования. [14] Когда происходит высокочастотная активация рецептора NMDA, происходит увеличение экспрессии белка PSD-95 , который увеличивает синаптическую емкость для рецепторов AMPA. [15] Именно это приводит к долгосрочному увеличению количества АМРА-рецепторов и, следовательно, к синаптической силе и пластичности.
Если сила синапса только усиливается за счет стимуляции или ослабляется из-за ее отсутствия, развивается петля положительной обратной связи , из-за которой некоторые клетки никогда не срабатывают, а некоторые срабатывают слишком сильно. Но две регуляторные формы пластичности, называемые масштабированием и метапластичностью , также существуют, чтобы обеспечить отрицательную обратную связь . [13] Синаптическое масштабирование — это основной механизм, с помощью которого нейрон способен стабилизировать частоту импульсов вверх или вниз. [16]
Синаптическое масштабирование служит для поддержания силы синапсов относительно друг друга, снижая амплитуды малых возбуждающих постсинаптических потенциалов в ответ на постоянное возбуждение и повышая их после длительной блокады или торможения. [13] Этот эффект проявляется постепенно, в течение нескольких часов или дней, за счет изменения количества NMDA-рецепторов в синапсе (Перес-Отаньо и Элерс, 2005). Метапластичность изменяет пороговый уровень, на котором возникает пластичность, позволяя комплексно реагировать на синаптическую активность, разнесенную во времени, и предотвращая состояния насыщения LTP и LTD. Поскольку LTP и LTD ( долговременная депрессия ) зависят от притока Ca 2+ через NMDA-каналы, метапластичность может быть обусловлена изменениями в NMDA-рецепторах, изменением кальциевого буфера, измененными состояниями киназ или фосфатаз и запуском механизма синтеза белка. [17] Синаптическое масштабирование — это основной механизм, с помощью которого нейрон избирательно реагирует на изменяющиеся входные сигналы. [18] Нейрональные схемы, на которые влияет LTP/LTD и которые модифицируются масштабированием и метапластичностью, приводят к развитию реверберационных нейронных цепей и регуляции в манере Хебба, что проявляется как память, тогда как изменения в нейронных схемах, которые начинаются на уровне синапса являются неотъемлемой частью способности организма к обучению. [19]
Существует также элемент специфичности биохимических взаимодействий, создающий синаптическую пластичность, а именно важность местоположения. Процессы происходят в микродоменах – например, экзоцитоз АМРА-рецепторов пространственно регулируется t-SNARE STX4 . [20] Специфичность также является важным аспектом передачи сигналов CAMKII с участием нанодоменов кальция. [7] Пространственный градиент PKA между дендритными шипами и стержнями также важен для силы и регуляции синаптической пластичности. [6] Важно помнить, что биохимические механизмы изменения синаптической пластичности происходят на уровне отдельных синапсов нейрона. Поскольку биохимические механизмы ограничены этими «микродоменами», результирующая синаптическая пластичность влияет только на конкретный синапс, в котором она произошла.
Двунаправленная модель синаптической пластичности, описывающая как LTP, так и LTD, оказалась необходимой для ряда различных механизмов обучения в вычислительной нейробиологии , нейронных сетях и биофизике . Три основные гипотезы молекулярной природы этой пластичности хорошо изучены, и ни одна из них не является исключительным механизмом:
Из них последние две гипотезы были недавно математически проверены и показали идентичную кальций-зависимую динамику, что обеспечивает убедительные теоретические доказательства в пользу модели пластичности, основанной на кальции, которая в линейной модели, где общее количество рецепторов сохраняется, выглядит как
где
Оба и обнаружены экспериментально и согласуются с результатами обеих гипотез. Модель содержит важные упрощения, которые делают ее непригодной для реальных экспериментальных предсказаний, но обеспечивают значительную основу для гипотезы о зависимости синаптической пластичности на основе кальция. [21]
Кратковременная синаптическая пластичность действует в течение времени от десятков миллисекунд до нескольких минут, в отличие от долгосрочной пластичности, которая длится от минут до часов. Кратковременная пластичность может либо усилить, либо ослабить синапс.
Кратковременное синаптическое усиление возникает в результате увеличения вероятности того, что синаптические терминали высвободят передатчики в ответ на пресинаптические потенциалы действия. Синапсы на короткое время укрепятся из-за увеличения количества упакованного передатчика, высвобождаемого в ответ на каждый потенциал действия. [22] В зависимости от временных масштабов, в которых оно действует, синаптическое усиление классифицируется как нейронная фасилитация , синаптическая аугментация или посттетаническая потенциация .
Синаптическая усталость или депрессия обычно связаны с истощением легковысвобождаемых везикул. Депрессия также может возникнуть в результате постсинаптических процессов и активации пресинаптических рецепторов по принципу обратной связи. [23] Считается, что гетеросинаптическая депрессия связана с высвобождением аденозинтрифосфата (АТФ) из астроцитов . [24]
Долговременная депрессия (LTD) и долговременная потенциация (LTP) — это две формы долгосрочной пластичности, продолжающиеся несколько минут и 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 в синаптической модификации синапса сам по себе поддается модификации, в зависимости от истории синапса. [25] Недавно был предпринят ряд попыток предложить комплексную модель, которая могла бы объяснить большинство форм синаптической пластичности. [26]
Кратковременная активация возбуждающего пути может вызвать так называемую долговременную депрессию (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 инициирован в неактивных синапсах, если концентрация кальция повышается до минимально необходимого уровня за счет гетеросинаптической активации 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 на предмет электрических синапсов (модификация эффективности щелевых соединений посредством их активности). [27] . В головном мозге мозжечок является одной из структур, где LTD является формой нейропластичности. [28]
Долговременная потенциация, обычно называемая ДП, представляет собой усиление синаптической реакции после потенцирующих импульсов электрических стимулов, которое поддерживается на уровне выше исходного ответа в течение нескольких часов или дольше. LTP включает взаимодействие между постсинаптическими нейронами и специфическими пресинаптическими входами, которые образуют синаптическую ассоциацию, и специфичен для стимулированного пути синаптической передачи. Долговременная стабилизация синаптических изменений определяется параллельным увеличением пре- и постсинаптических структур, таких как аксональный бутон , дендритный шип и постсинаптическая плотность . [15] Было показано , что на молекулярном уровне увеличение постсинаптических каркасных белков PSD-95 и Homer1c коррелирует со стабилизацией синаптического расширения. [15]
Было обнаружено, что модификация покрытия астроцитов в синапсах гиппокампа является результатом индукции LTP , которая, как было обнаружено, связана с высвобождением астроцитами D -серина , оксида азота и хемокина s100B . [24] LTP также является моделью для изучения синаптической основы хеббианской пластичности. Условия индукции напоминают условия, описанные для инициации долговременной депрессии (LTD), но для достижения LTP необходимы более сильная деполяризация и большее увеличение кальция. [29] Эксперименты, проведенные путем стимуляции массива отдельных дендритных шипов, показали, что синаптическая кооперативность всего лишь двух соседних дендритных шипов предотвращает LTD, позволяя только LTP. [30]
Модификация синаптической силы называется функциональной пластичностью. Изменения синаптической силы затрагивают различные механизмы определенных типов глиальных клеток , наиболее изученным типом которых являются астроциты . [24]
Каждый вид синаптической пластичности имеет разные вычислительные применения. [31] Было продемонстрировано, что кратковременное облегчение служит одновременно рабочей памятью и отображением входных данных для считывания, а кратковременная депрессия — для устранения автокорреляции. Долговременная потенциация используется для хранения пространственной памяти, а долговременная депрессия - для кодирования пространственных характеристик, избирательного ослабления синапсов и очистки старых следов памяти соответственно. Пластичность, зависящая от времени всплеска , используется для временной корреляции на больших расстояниях, временного кодирования и пространственно-временного кодирования. Обратная пластичность, зависящая от времени всплеска, действует как сенсорная фильтрация.