Синаптическая пластичность - Synaptic plasticity

Эта статья о синаптической пластичности. О роли образования и стабилизации синапсов в пластичности см. Синаптическая стабилизация. Для общей концепции пластичности мозга см. нейропластичность и Синаптическая стабилизация.

В нейробиология, синаптическая пластичность это способность синапсы к усилить или ослабить со временем, в ответ на увеличение или уменьшение их активности.[1] С воспоминания постулируются как представленные в значительной степени взаимосвязанными нейронные цепи в мозг, синаптическая пластичность - одна из важных нейрохимических основ учусь и объем памяти (видеть Хеббийская теория ).

Пластическое изменение часто является следствием изменения количества рецепторы нейротрансмиттеров расположен на синапсе.[2] Есть несколько основных механизмов, которые взаимодействуют для достижения синаптической пластичности, включая изменение количества нейротрансмиттеры высвобождается в синапс и меняет то, насколько эффективно клетки реагируют на эти нейротрансмиттеры.[3] Синаптическая пластичность в обоих возбуждающий и тормозящий было обнаружено, что синапсы зависят от постсинаптический кальций релиз.[2]

Исторические открытия

В 1973 г. Терье Лёмо и Тим Блисс впервые описал широко изучаемый в настоящее время феномен долгосрочное потенцирование (LTP) в публикации в Журнал физиологии. Описанный эксперимент проводился на синапсе между пробивающий путь и зубчатые извилины в гиппокамп наркозных кроликов. Они смогли показать всплеск тетанического (100 Гц) стимула на волокнах перфорантного пути, что привело к резкому и продолжительному усилению постсинаптического ответа клеток, на которые эти волокна синапсируют в зубчатой ​​извилине. В том же году пара опубликовала очень похожие данные, полученные на бодрствующих кроликах. Это открытие вызвало особый интерес из-за предполагаемой роли гиппокампа в определенных формах памяти.

Биохимические механизмы

Два молекулярных механизма синаптической пластичности включают: NMDA и AMPA рецепторы глутамата. Открытие каналов NMDA (что относится к уровню сотовой связи). деполяризация ) приводит к повышению постсинаптического Ca2+ концентрации, и это было связано с долгосрочным потенцированием, LTP (а также с белком киназа активация); сильная деполяризация постсинаптической клетки полностью вытесняет магний ионы, которые блокируют ионные каналы NMDA и позволяют ионам кальция проникать в клетку, вероятно, вызывая LTP, в то время как более слабая деполяризация лишь частично вытесняет Mg2+ ионов, в результате чего меньше Ca2+ поступает в постсинаптический нейрон и снижает внутриклеточный Ca2+ концентрации (которые активируют протеинфосфатазы и вызывают длительная депрессия, ООО).[4]

Эти активированные протеинкиназы служат для фосфорилирования постсинаптических возбуждающих рецепторов (например, Рецепторы AMPA ), улучшая катионную проводимость и тем самым усиливая синапс. Кроме того, эти сигналы привлекают дополнительные рецепторы в постсинаптическую мембрану, стимулируя выработку рецептора модифицированного типа, тем самым облегчая приток кальция. Это, в свою очередь, увеличивает постсинаптическое возбуждение заданным пресинаптическим стимулом. Этот процесс можно обратить вспять за счет активности протеинфосфатаз, которые дефосфорилируют эти катионные каналы.[5]

Второй механизм зависит от второй посланник каскадное регулирование транскрипция гена и изменения уровней ключевых белков в синапсах головок, таких как CaMKII и PKAII. Активация пути второго мессенджера приводит к увеличению уровней CaMKII и PKAII в организме. дендритный позвоночник. Эти протеинкиназы были связаны с ростом объема дендритных шипов и процессами LTP, такими как добавление рецепторов AMPA к плазматическая мембрана и фосфорилирование ионных каналов для повышения проницаемости.[6] Локализация или компартментализация активированных белков происходит в присутствии данного стимула, который создает локальные эффекты в дендритном шипе. Приток кальция от рецепторов NMDA необходим для активации CaMKII. Эта активация локализуется в шипах с помощью фокальной стимуляции и инактивируется перед распространением на соседние шипы или стержень, что указывает на важный механизм LTP в том, что конкретные изменения в активации белка могут быть локализованы или разделены на части для повышения чувствительности отдельных дендритных шипов. Отдельные дендритные шипы способны формировать уникальные ответы на пресинаптические клетки.[7] Этот второй механизм может быть запущен фосфорилирование белков но занимает больше времени и действует дольше, обеспечивая механизм для длительного хранения в памяти. Продолжительность ДП можно регулировать путем разбивки этих вторые мессенджеры. Фосфодиэстераза, например, ломается вторичный мессенджер лагерь, который был вовлечен в повышенный синтез рецепторов AMPA в постсинаптическом нейроне[нужна цитата ].

Долговременные изменения эффективности синаптических связей (долгосрочное потенцирование, или LTP) между двумя нейронами может включать установление и разрыв синаптических контактов. Гены, такие как активин ß-A, который кодирует субъединицу активин А, активируются на ранней стадии LTP. Молекула активина модулирует динамику актина в дендритных шипах через МАР-киназный путь. Изменяя F-актин цитоскелет структура дендритных шипов, шейки позвоночника удлиняются, обеспечивая повышенную электрическую изоляцию.[8] Конечным результатом является долгосрочное поддержание LTP.[9]

Количество ионные каналы 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 посредством экзоцитоз и удален эндоцитоз.[11][12][13] Эти процессы и, соответственно, количество рецепторов на мембране могут быть изменены синаптической активностью.[11][13] Эксперименты показали, что рецепторы AMPA доставляются в синапс через везикулярный канал. мембранный сплав с постсинаптической мембраной через протеинкиназу CaMKII, которая активируется притоком кальция через рецепторы NMDA. CaMKII также улучшает ионную проводимость AMPA за счет фосфорилирования.[14]Когда происходит высокочастотная активация рецептора NMDA, наблюдается увеличение экспрессии белка. PSD-95 что увеличивает синаптическую емкость для рецепторов AMPA.[15] Это то, что приводит к долгосрочному увеличению количества рецепторов AMPA и, следовательно, к синаптической прочности и пластичности.

Если сила синапса усиливается только стимуляцией или ослабляется из-за ее отсутствия, петля положительной обратной связи будет развиваться, в результате чего некоторые клетки никогда не срабатывают, а некоторые - слишком много. Но две регулирующие формы пластичности, называемые масштабированием и метапластичность, также существуют для предоставления негативный отзыв.[13] Синаптическое масштабирование - это основной механизм, с помощью которого нейрон может стабилизировать скорость возбуждения вверх или вниз.[16]

Синаптическое масштабирование служит для поддержания силы синапсов относительно друг друга, снижая амплитуды небольших возбуждающие постсинаптические потенциалы в ответ на постоянное возбуждение и их повышение после длительной блокировки или торможения.[13] Этот эффект проявляется постепенно в течение нескольких часов или дней за счет изменения количества Рецепторы NMDA в синапсе (Pérez-Otaño and Ehlers, 2005). Метапластичность изменяет пороговый уровень, при котором возникает пластичность, позволяя интегрированные ответы на синаптическую активность, разнесенные во времени, и предотвращая насыщенные состояния LTP и LTD. Поскольку ЛТП и ООО (длительная депрессия ) полагаются на приток Ca2+ через каналы NMDA метапластичность может быть обусловлена ​​изменениями в рецепторах NMDA, измененной буферизацией кальция, измененными состояниями киназ или фосфатаз и праймингом механизма синтеза белка.[17] Синаптическое масштабирование - это основной механизм, с помощью которого нейрон должен быть избирательным в отношении своих различных входов.[18]Нейронная схема, на которую воздействует LTP / LTD и модифицируется за счет масштабирования и метапластичности, приводит к развитию и регуляции реверберационных нейронных цепей по-Хеббовски, что проявляется как память, тогда как изменения в нейронных цепях, которые начинаются на уровне синапса, являются неотъемлемая часть способности организма к обучению.[19]

Существует также элемент специфичности биохимических взаимодействий для создания синаптической пластичности, а именно важность местоположения. Процессы происходят в микродоменах, таких как экзоцитоз рецепторов AMPA пространственно регулируется t-SNARE STX4.[20] Специфичность также является важным аспектом передачи сигналов CAMKII с участием нанодомена кальция.[7]Пространственный градиент PKA между дендритными шипами и стержнями также важен для прочности 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 тот конкретный синапс, в котором она имела место.

Теоретические механизмы

Двунаправленная модель синаптической пластичности, описывающая как LTP, так и LTD, оказалась необходимой для ряда различных механизмов обучения в вычислительная нейробиология, нейронные сети, и биофизика. Три основные гипотезы молекулярной природы этой пластичности хорошо изучены, и ни одна из них не обязана быть исключительным механизмом:

  1. Изменение вероятности выброса глутамата.
  2. Вставка или удаление постсинаптических рецепторов AMPA.
  3. Фосфорилирование и дефосфорилирование, вызывающее изменение проводимости рецептора AMPA.

Из них последние две гипотезы были недавно математически исследованы, чтобы иметь идентичную кальций-зависимую динамику, которая предоставляет убедительные теоретические доказательства для кальциевой модели пластичности, которая в линейной модели, где общее количество рецепторов сохраняется, выглядит как

куда

  • это синаптический вес из -й входной аксон,
  • это концентрация кальция,
  • постоянная времени, зависящая от скорости вставки и удаления рецепторов нейротрансмиттеров, которая зависит от , и
  • также является функцией концентрации кальция, которая линейно зависит от количества рецепторов на мембране нейрона в некоторой фиксированной точке.

Обе и найдены 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 пластичность

Кратковременная синаптическая пластичность действует в масштабе времени от десятков миллисекунд до нескольких минут, в отличие от долговременной пластичности, которая длится от минут до часов. Кратковременная пластичность может усилить или ослабить синапс.

Синаптическое усиление

Кратковременное синаптическое усиление является результатом увеличения вероятности высвобождения передатчиков синаптических окончаний в ответ на пресинаптические потенциалы действия. Синапсы будут усиливаться на короткое время из-за увеличения количества упакованного передатчика, высвобождаемого в ответ на каждый потенциал действия.[22] В зависимости от временных масштабов, в течение которых он действует, синаптическое усиление классифицируется как нейронное облегчение, синаптическое увеличение или же посттетаническое потенцирование.

Синаптическая депрессия

Синаптическая усталость или депрессия обычно объясняется истощением легко высвобождаемых пузырьков. Депрессия также может возникать в результате постсинаптических процессов и активации пресинаптических рецепторов с помощью обратной связи.[23]гетеросинаптический считается, что депрессия связана с высвобождением аденозинтрифосфат (ATP) из астроциты.[24]

Долговременная пластичность

Длительная депрессия (LTD) и долгосрочное потенцирование (ДП) - это две формы долговременной пластичности, длящейся минуты или более, которые возникают в возбуждающих синапсах.[2] NMDA-зависимые LTD и LTP были тщательно исследованы и, как было установлено, требуют связывания глутамат, и глицин или же D-серин для активации рецепторов NMDA.[24]Было обнаружено, что поворотный момент для синаптической модификации синапса может изменяться сам в зависимости от истории синапса.[25] В последнее время был сделан ряд попыток предложить всеобъемлющую модель, которая могла бы объяснить большинство форм синаптической пластичности.[26]

Длительная депрессия

Кратковременная активация возбуждающего пути может привести к так называемой долговременной депрессии (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 повышена до минимально необходимого уровня посредством гетеросинаптической активации или если повышена внеклеточная концентрация. Эти альтернативные условия, способные вызвать LTD, отличаются от правила Хебба и вместо этого зависят от модификаций синаптической активности. D-серин выпуск астроциты Было обнаружено, что это приводит к значительному снижению LTD в гиппокампе.[24]Зависимая от активности LTD была исследована в 2011 году для электрических синапсов (изменение эффективности щелевых соединений посредством их активности).[27]

Долгосрочное потенцирование

Долгосрочная потенциация, обычно называемая ДП, представляет собой усиление синаптического ответа после потенцирующих импульсов электрических стимулов, которое сохраняется на уровне выше исходного ответа в течение нескольких часов или дольше. LTP включает взаимодействия между постсинаптическими нейронами и специфическими пресинаптическими входами, которые формируют синаптическую ассоциацию и специфичны для стимулированного пути синаптической передачи. Долговременная стабилизация синаптических изменений определяется параллельным увеличением пре- и постсинаптических структур, таких как аксональный бутон, дендритный позвоночник и постсинаптическая плотность.[15]На молекулярном уровне увеличение количества белков постсинаптического каркаса. PSD-95 и Homer1c было показано, что коррелирует со стабилизацией расширения синапсов.[15]

Было обнаружено, что изменение покрытия астроцитами синапсов в гиппокампе является результатом индукции LTP, которая, как было установлено, связана с высвобождением D-серин, оксид азота, а хемокин, s100B к астроциты.[24]LTP также является моделью для изучения синаптической основы пластичности Хебба. Условия индукции напоминают описанные для инициирования долговременной депрессии (LTD), но для достижения LTP необходимы более сильная деполяризация и большее увеличение кальция.[28] Эксперименты, проведенные путем стимуляции множества отдельных дендритных шипов, показали, что синаптическая кооперативность всего лишь двух соседних дендритных шипов предотвращает LTD, допуская только LTP.[29]

Синаптическая сила

Модификация синаптическая сила называется функциональной пластичностью. Изменения в синаптической силе связаны с различными механизмами определенных типов глиальные клетки, наиболее изученный тип астроциты.[24]

Вычислительное использование пластичности

Каждый вид синаптической пластичности имеет различное вычислительное применение.[30]Было продемонстрировано, что краткосрочное облегчение служит как входом в рабочую память, так и в качестве картографического ввода для считывания, кратковременное нажатие - для устранения автокорреляции. Долговременное усиление используется для хранения пространственной памяти, в то время как долговременная депрессия как для пространственных функций кодирования, так и для выборочного ослабления синапсов и очистки старых следов памяти соответственно. Вперед пластичность, зависящая от времени всплеска используется для временной корреляции на больших расстояниях, временного кодирования и пространственно-временного кодирования. Обратный пластичность, зависящая от времени всплеска действует как сенсорная фильтрация.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хьюз-младший (январь 1958 г.). «Посттетаническое потенцирование». Физиологические обзоры. 38 (1): 91–113. Дои:10.1152 / Physrev.1958.38.1.91. PMID  13505117.
  2. ^ а б c Герроу К., Триллер А. (октябрь 2010 г.). «Синаптическая стабильность и пластичность в парящем мире». Текущее мнение в нейробиологии. 20 (5): 631–9. Дои:10.1016 / j.conb.2010.06.010. PMID  20655734.
  3. ^ Гайарса Дж. Л., Кайлард О., Бен-Ари Ю. (ноябрь 2002 г.). «Долговременная пластичность ГАМКергических и глицинергических синапсов: механизмы и функциональное значение». Тенденции в неврологии. 25 (11): 564–70. Дои:10.1016 / S0166-2236 (02) 02269-5. PMID  12392931.
  4. ^ Медведь М.Ф., Коннорс Б.В. и Парадизио М.А. 2007. Неврология: исследование мозга, 3-е изд. Липпинкотт, Уильямс и Уилкинс
  5. ^ Содерлинг Т.Р., Деркач В.А. (февраль 2000 г.). «Постсинаптическое фосфорилирование белков и LTP». Тенденции в неврологии. 23 (2): 75–80. Дои:10.1016 / S0166-2236 (99) 01490-3. PMID  10652548.
  6. ^ а б Чжун Х., Сиа Г.М., Сато Т.Р., Грей Н.З., Мао Т., Хучуа З. и др. (Май 2009 г.). «Субклеточная динамика ПКА II типа в нейронах». Нейрон. 62 (3): 363–74. Дои:10.1016 / j.neuron.2009.03.013. ЧВК  2702487. PMID  19447092.
  7. ^ а б Ли С.Дж., Эскобедо-Лозоя Й., Сатмари Е.М., Ясуда Р. (март 2009 г.). «Активация CaMKII в отдельных дендритных шипах при длительной потенциации». Природа. 458 (7236): 299–304. Bibcode:2009Натура.458..299L. Дои:10.1038 / природа07842. ЧВК  2719773. PMID  19295602.
  8. ^ Арая Р., Цзян Дж., Эйзенталь К. Б., Юсте Р. (ноябрь 2006 г.). «Шейка позвоночника фильтрует мембранные потенциалы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (47): 17961–6. Дои:10.1073 / pnas.0608755103. ЧВК  1693855. PMID  17093040.
  9. ^ Сёдзи-Касай Й, Агета Х, Хасэгава Й, Цучида К., Сугино Х, Инокучи К. (ноябрь 2007 г.). «Активин увеличивает количество синаптических контактов и длину дендритных шейных позвонков, модулируя динамику спинального актина». Журнал клеточной науки. 120 (Пт 21): 3830–7. Дои:10.1242 / jcs.012450. PMID  17940062.
  10. ^ Дебанн Д., Даудал Г., Сурде В., Русье М. (2003). «Пластичность мозга и ионные каналы». Журнал физиологии, Париж. 97 (4–6): 403–14. Дои:10.1016 / j.jphysparis.2004.01.004. PMID  15242652.
  11. ^ а б Ши С.Х., Хаяси Ю., Петралия Р.С., Заман С.Х., Вентхольд Р.Дж., Свобода К., Малинов Р. (июнь 1999 г.). «Быстрая доставка по позвоночнику и перераспределение рецепторов AMPA после активации синаптического рецептора NMDA». Наука. 284 (5421): 1811–6. CiteSeerX  10.1.1.376.3281. Дои:10.1126 / science.284.5421.1811. PMID  10364548.
  12. ^ Песня I, Хуганир Р.Л. (ноябрь 2002 г.). «Регулирование рецепторов AMPA при синаптической пластичности». Тенденции в неврологии. 25 (11): 578–88. Дои:10.1016 / S0166-2236 (02) 02270-1. PMID  12392933.
  13. ^ а б c d Перес-Отаньо I, Элерс, доктор медицины (май 2005 г.). «Гомеостатическая пластичность и трафик NMDA-рецепторов» (PDF). Тенденции в неврологии. 28 (5): 229–38. Дои:10.1016 / j.tins.2005.03.004. PMID  15866197. Архивировано из оригинал (PDF) 20 июля 2011 г.. Получено 2007-06-08.
  14. ^ Медведь MF (2007). Нейробиология: исследование мозга. Третье издание. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. стр.779. ISBN  978-0-7817-6003-4.
  15. ^ а б c Мейер Д., Бонхёффер Т., Шойс В. (апрель 2014 г.). «Равновесие и стабильность синаптических структур при синаптической пластичности». Нейрон. 82 (2): 430–43. Дои:10.1016 / j.neuron.2014.02.031. PMID  24742464.
  16. ^ Десаи Н.С., Кадмор Р.Х., Нельсон С.Б., Турриджиано Г.Г. (август 2002 г.). «Критические периоды для зависимого от опыта синаптического масштабирования в зрительной коре». Природа Неврология. 5 (8): 783–9. Дои:10.1038 / nn878. PMID  12080341.
  17. ^ Абрахам У. К., Тейт У. П. (июль 1997 г.). «Метапластичность: новый взгляд на синаптическую пластичность». Прогресс в нейробиологии. 52 (4): 303–23. Дои:10.1016 / S0301-0082 (97) 00018-X. PMID  9247968.
  18. ^ Эбботт Л.Ф., Нельсон С.Б. (ноябрь 2000 г.). «Синаптическая пластичность: укрощение зверя». Природа Неврология. 3 Дополнение: 1178–83. Дои:10.1038/81453. PMID  11127835.
  19. ^ Купер SJ (январь 2005 г.). «Синапс Дональда О. Хебба и правило обучения: история и комментарий». Неврология и биоповеденческие обзоры. 28 (8): 851–74. Дои:10.1016 / j.neubiorev.2004.09.009. PMID  15642626.
  20. ^ Кеннеди М.Дж., Дэвисон И.Г., Робинсон К.Г., Элерс М.Д. (апрель 2010 г.). «Синтаксин-4 определяет домен для зависимого от активности экзоцитоза в дендритных шипах». Клетка. 141 (3): 524–35. Дои:10.1016 / j.cell.2010.02.042. ЧВК  2874581. PMID  20434989.
  21. ^ Шуваль Х.З., Кастеллани ГК, Блейс Б.С., Йунг ЛК, Cooper LN (Декабрь 2002 г.). «Объединяющиеся доказательства упрощенной биофизической модели синаптической пластичности» (PDF). Биологическая кибернетика. 87 (5–6): 383–91. Дои:10.1007 / s00422-002-0362-x. PMID  12461628.
  22. ^ Стивенс К.Ф., Весселинг Дж.Ф. (январь 1999 г.). «Аугментация - это усиление экзоцитотического процесса». Нейрон. 22 (1): 139–46. Дои:10.1016 / S0896-6273 (00) 80685-6. PMID  10027296.
  23. ^ Zucker RS, Regehr WG (март 2002 г.). «Кратковременная синаптическая пластичность». Ежегодный обзор физиологии. 64: 355–405. Дои:10.1146 / annurev.physiol.64.092501.114547. PMID  11826273.
  24. ^ а б c d е Бен Ачур С., Паскуаль О. (ноябрь 2010 г.). «Глия: множество способов модулировать синаптическую пластичность». Международная нейрохимия. 57 (4): 440–5. Дои:10.1016 / j.neuint.2010.02.013. PMID  20193723.
  25. ^ Медведь М.Ф. (июль 1995 г.). «Механизм скользящего порога синаптической модификации». Нейрон. 15 (1): 1–4. Дои:10.1016 / 0896-6273 (95) 90056-х. PMID  7619513.
  26. ^ Мичмизос Д., Кутсураки Е., Аспродини Е., Балояннис С. (июнь 2011 г.). «Синаптическая пластичность: объединяющая модель для решения некоторых нерешенных вопросов». Международный журнал неврологии. 121 (6): 289–304. Дои:10.3109/00207454.2011.556283. PMID  21348800.
  27. ^ Haas JS, Zavala B., Landisman CE (октябрь 2011 г.). «Активно-зависимая долговременная депрессия электрических синапсов». Наука. 334 (6054): 389–93. Дои:10.1126 / science.1207502. PMID  22021860.
  28. ^ Artola A, Singer W (ноябрь 1993 г.). «Долгосрочная депрессия возбуждающей синаптической передачи и ее отношение к долговременной потенциации». Тенденции в неврологии. 16 (11): 480–7. Дои:10.1016 / 0166-2236 (93) 90081-В. PMID  7507622.
  29. ^ Tazerart S, Mitchell DE, Miranda-Rottmann S, Araya R (август 2020 г.). «Правило пластичности дендритных шипов, зависящее от времени спайков». Nature Communications. 11 (1): 4276. Дои:10.1038 / s41467-020-17861-7. ЧВК  7449969. PMID  32848151.
  30. ^ Прати Э (2016). «Наноэлектроника атомного масштаба для квантовых нейроморфных устройств: сравнение различных материалов». Международный журнал нанотехнологий. 13 (7): 509–523. arXiv:1606.01884. Bibcode:2016IJNT ... 13..509P. Дои:10.1504 / IJNT.2016.078543.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Видео, подкасты