Sinapsna plastičnost

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Ilustracija faktora sinapsne plastičnosti

U neuronauci, sinapsna plastičnost je sposobnost sinapsi da jačaju ili oslabe tokom vremena, kao odgovor na povećanje ili smanjenje njihove aktivnosti.[1] Budući da se pretpostavlja da su sjećanja predstavljena u velikoj mjeri međusobno povezanim nervnim krugovima u mozgu, sinapsna plastičnost je jedna od važnih neurohemijskih osnova učenja i pamćenja .

Promjene plastičnosti često su posljedica promjene broja neurotransmiterskih receptora smještenih na sinapsama.[2] Postoji nekoliko temeljnih mehanizama koji sarađuju, kako bi se postigla sinaptička plastičnost, uključujući promjene u količini neurotransmitera ispuštenih u sinapsu i promjene u tome koliko učinkovito ćelije reagiraju na te neurotransmitere.[3] Utvrđeno je da sinapsna plastičnost i u nadražljivosti i inhibicija sinapsi zavise od postsinapsnog oslobađanja kalcij.[2]

Historijska otkrića[uredi | uredi izvor]

Godine 1973. Terje Lømo i Tim Bliss prvi su opisali danas široko proučavan fenomen dugotrajnog potenciranja (LTP) u publikaciji u časopisu Journal of Physiology. Opisani eksperiment je izveden na sinapsi između perforantnog puta i dentate gyrus u hipokampusu anesteziranih kunića. Bili su u stanju da pokažu nalet tetanijskog (100 Hz) stimulansa na vlaknima perforantnog puta koji je doveo do dramatičnog i dugotrajnog povećanja postsinapsnog odgovora ovih vlakana sinapse u zupčastom girusu. Iste godine, par je objavio vrlo slične podatke zabilježene kod budnih kunića. Ovo otkriće je bilo od posebnog interesa zbog predložene uloge hipokampusa u određenim oblicima pamćenja.

Biohemijski mehanizmi[uredi | uredi izvor]

Dva molekulskA mehanizma za sinapSNu plastičnost uključuju NMDA i AMPA glutamatne receptore. Otvaranje NMDA kanala (što se odnosi na nivo ćelijske depolarizacije) dovodi do porasta postsinapsne koncentracije Ca2+, što je povezano sa dugotrajnim potenciranjem, LTP (kao aktivacijom proteina-kinaze); jaka depolarizacija postsinapsne ćelije u potpunosti istiskuje ione magnezija koji blokiraju ionske kanale NMDA i omogućavaju ionima kalcija da uđu u ćeliju – vjerovatno uzrokujući LTP. Slabija depolarizacija samo djelomično istiskuje Mg2+ ione, što rezultira manjim unosom Ca2+ u postsinapsni neuron i nižim unutarćelijskim koncentracijama Ca2+ (koje aktiviraju proteinske fosfataze i izazivaju dugotrajnu depresiju , LTD).[4]

Ove aktivirane protein kinaze služe za fosforilaciju postsinapsnih ekscitatornih receptora (npr. AMPA-receptori), poboljšavajući provodljivost kationa i time potencirajući sinapse. Takođe, ovi signali regrutuju dodatne receptore u postsinapsnu membranu, stimulišući proizvodnju modifikovanog tipa receptora, čime se olakšava priliv kalcija. Ovo zauzvrat povećava postsinapsnu ekscitaciju datim predsinapsnim stimulusom. Taj proces može se preokrenuti djelovanjem proteinskih fosfataza, koje djeluju na defosforilaciju ovih kationskih kanala.[5]

Drugi mehanizam zavisi od drugoglasničke kaskade koja regulira transkripciju gena i promjene nivoa ključnih proteina u sinapsnima vrhovima kao što su CaMKII i PKAII. Aktivacija puta drugog glasnika dovodi do povećanja nivoa CaMKII i PKAII unutar dendritske kičme. Ove protein-kinaze povezane su s rastom dendritskog volumena te kičme i LTP procesima, kao što su dodavanje AMPA receptora plazmamembrani i fosforilacija ionskih kanala za poboljšanu permeabilnost.[6] Lokalizacija ili kompartmentalizacija aktiviranih proteina događa se u prisustvu njihovog datog stimulusa koji stvara lokalne efekte u dendritskoj kičmi. Priliv kalcija iz NMDA-receptora neophodan je za aktivaciju CaMKII. Ova aktivacija je lokalizirana na bodlje uz fokusnu stimulaciju i inaktivira se prije nego što se proširi na susjedne bodlje ili osovinu, što ukazuje na važan mehanizam LTP-a u tome da se određene promjene u aktivaciji proteina mogu lokalizirati ili podijeliti kako bi se poboljšala reakcija pojedinačnih dendritskih bodlji. Pojedinačne dendritske bodlje sposobne su da formiraju jedinstvene odgovore na presinapsne ćelije.[7] Ovaj drugi mehanizam može biti pokrenut fosforilacijom proteina, ali traje duže, pružajući mehanizam za dugotrajnu memoriju. Trajanje LTP-a može se regulisati kvarom ovih dugih glasnika. Fosfodiesteraza, naprimjer, razgrađuje sekundarnog glasnika cAMPa, koji je uključen u povećanu sintezu AMPA-receptora u postsinapsnom neuronu Dugotrajne promjene u efikasnosti sinapsnih veza (dugotrajno potenciranje, ili LTP) između dva neurona mogu uključivati stvaranje i prekid sinapsnih kontakata. Geni kao što je onaj za aktivin ß-A, koji kodira podjedinicu aktivina A, regulisani su naviše tokom ranog stadija LTP. Molekula aktivina modulira dinamiku aktina u dendritskim bodljama preko MAP-kinaznog puta. Promjenom F-aktina citoskeletne strukture dendritskih bodlji, vratovi kičme produžavaju se tako da proizvode povećanu električnu izolaciju.[8] Krajnji rezultat je dugotrajno održavanje LTP-a.[9]

Broj ionskih kanala na postsinapsnoj membrani utiče na snagu sinapse.[10] Istraživanja sugeriraju da se gustoća receptora na postsinapsnim membranama mijenja, utičući na ekscitabilnost neurona, kao odgovor na podražaje. U dinamičkom procesu koji se odvija u ravnoteži, N-metil D-aspartat receptoru (NMDA receptor) i AMPA receptori se dodaju na membranu egzocitozom i uklanjaju endocitozom.[11][12][13] Ovi procesi, a time i broj receptora na membrani, mogu se promijeniti sinapsnom aktivnošću.[11][13] Eksperimenti su pokazali da se AMPA-receptori isporučuju u sinapsu kroz vezikuldku fuziju membrane sa postsinapsnom membranom. preko protein kinaze CaMKII, koja se aktivira prilivom kalcija preko NMDA-receptora. CaMKII također, putem fosforilacije poboljšava ionsku provodljivost AMPA.[14]

Kada postoji visokofrekventna aktivacija NMDA receptora, dolazi do povećanja ekspresije proteina PSD-95 koji povećava sinapsni kapacitet za AMPA receptore.[15] To je ono što dovodi do dugoročnog povećanja AMPA-receptora, a time i sinapsne snage i plastičnosti.

Ako se snaga sinapse samo pojača stimulacijom ili oslabi njenim nedostatkom, razviti će se petlja pozitivne povratne informacije, uzrokujući da se neke ćelije nikada ne aktiviraju, a neke previše. Ali dva regulatorna oblika plastičnosti, nazvana skaliranje i metaplastičnost, također postoje da bi obezbijedili negativnu povratnu informaciju.[13] Sinapsno skaliranje je primarni mehanizam pomoću kojeg neuron može stabilizirati stope nadregujlacije ili podregulacije.[16]

Sinapsno skaliranje služi za održavanje međusobne jačine sinapsi, smanjujući amplitude malih ekscitacijski postsinapsnih potencijala, kao odgovor na kontinuiranu ekscitaciju i podižući ih nakon produžene blokade ili inhibicije.[13] Ovaj efekt javlja se postepeno tokom sati ili dana, promjenom broja NMDA-receptora u sinapsama (Pérez-Otaño i Ehlers, 2005). Metaplastičnost varira nivo praga na kojem se javlja plastičnost, omogućavajući integrirane odgovore na sinapsnu aktivnost raspoređene tokom vremena i sprečavajući zasićena stanja LTP i LTD. Budući da se LTP i LTD (dugotrajna depresija) oslanjaju na priliv Ca2+ kroz NMDA kanale, metaplastičnost može biti posljedica promjena u NMDA receptorima, izmijenjenog puferiranja kalcija, izmijenjenog stanja kinaza ili fosfataza i priprema mehanizma za sintezu proteina.[17] Sinapsno skaliranje je primarni mehanizam pomoću kojeg neuron mora biti selektivan na svoje različite ulaze.[18]

Neuronsko kolo na koje utiče LTP/LTD i modificirano skaliranjem i metaplastičnosti dovodi do razvoja i regulacije reverberacijskih neuronskih kola na hebovski način, što se manifestira kao pamćenje, dok su promjene u neuronskim krugovima, koje počinju na nivou sinapse, sastavni dio sposobnosti organizma za učenje.[19]

Postoji i element specifičnosti biohemijskih interakcija za stvaranje sinaptičke plastičnosti, odnosno važnost lokacije. Procesi se dešavaju na mikrodomenima – kao što je egzocitoza AMPA receptora prostorno regulisana preko t-SNARE STX4.[20] Specifičnost je također važan aspekt CAMKII signalizacije koja uključuje nanodomen kalcija.[7]

Prostorni gradijent PKA između dendritskih bodlji i osovina je također važan za snagu i regulaciju sinapsne plastičnosti. Važno je da se biohemijski mehanizmi koji mijenjaju sinapsnu plastičnost javljaju na nivou pojedinačnih sinapsi neurona. Budući da su biohemijski mehanizmi ograničeni na ove "mikrodomene", rezultirajuća sinapsna plastičnost utiče samo na specifičnu sinapsu u kojoj se dogodila.

Teorijski mehanizmi[uredi | uredi izvor]

Dvosmjerni model sinapsne plastičnosti, koji opisuje i LTP i LTD, pokazao se neophodnim za niz različitih mehanizama učenja u računskoj neuronauci, nervnim mrežama i biofizici. Tri glavne hipoteze o molekulskoj prirodi ove plastičnosti su dobro proučene i nijedna ne mora biti isključivi mehanizam:

  1. Promjena vjerovatnoće oslobađanja glutamata.
  2. Insercija ili uklanjanje postsinapsnih AMPA receptora.
  3. Fosforilacija i defosforilacija izazivaju promjenu provodljivosti AMPA receptora.

Od ovih, posljednje dvije hipoteze su nedavno matematički ispitane, kako bi imale identičnu dinamiku zavisnu od kalcija, što pruža snažne teorijske dokaze za model plastičnosti zasnovan na kalciju, koji u linearnom modelum, gdje je ukupan broj receptora sačuvan, izgleda kao;

gdje

  • = sinapsna težina -tog ulaznog aksona,
  • = koncentracija kalcija,
  • = konstanta ovisna o brzini insercija i uklanjanja neurotransmiterskih receptora, što zavisi od i
  • = također funkcija koncentracije kalcija koja linearno ovisi o broju receptora na neuronskoj membrani u nekoj fiksnoj tački.

I i nađeni su i eksperimentalno i slažu se u rezultatima obje hipoteze. Model čini važna pojednostavljenja zbok kojih je neprikladan za stvarna eksperimentalna predviđanja, ali pruža značajnu osnovu za hipotezu o ovisnosti sinapsne plastičnosti na bazi kalcija.[21]

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Hughes JR (January 1958). "Post-tetanic potentiation". Physiological Reviews. 38 (1): 91–113. doi:10.1152/physrev.1958.38.1.91. PMID 13505117.
  2. ^ a b Gerrow K, Triller A (October 2010). "Synaptic stability and plasticity in a floating world". 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 (November 2002). "Long-term plasticity at GABAergic and glycinergic synapses: mechanisms and functional significance". Trends in Neurosciences. 25 (11): 564–70. doi:10.1016/S0166-2236(02)02269-5. PMID 12392931. S2CID 17365083.
  4. ^ Bear MF, Connors BW, and Paradisio MA. 2007. Neuroscience: Exploring the Brain, 3rd ed. Lippincott, Williams & Wilkins
  5. ^ Soderling TR, Derkach VA (February 2000). "Postsynaptic protein phosphorylation and LTP". Trends in Neurosciences. 23 (2): 75–80. doi:10.1016/S0166-2236(99)01490-3. PMID 10652548. S2CID 16733526.
  6. ^ Zhong H, Sia GM, Sato TR, Gray NW, Mao T, Khuchua Z, et al. (May 2009). "Subcellular dynamics of type II PKA in neurons". Neuron. 62 (3): 363–74. doi:10.1016/j.neuron.2009.03.013. PMC 2702487. PMID 19447092.
  7. ^ a b Lee SJ, Escobedo-Lozoya Y, Szatmari EM, Yasuda R (March 2009). "Activation of CaMKII in single dendritic spines during long-term potentiation". 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 (November 2006). "The spine neck filters membrane potentials". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 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 (November 2007). "Activin increases the number of synaptic contacts and the length of dendritic spine necks by modulating spinal actin dynamics". 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). "Brain plasticity and ion channels". Journal of Physiology, Paris. 97 (4–6): 403–14. doi:10.1016/j.jphysparis.2004.01.004. PMID 15242652. S2CID 19116187.
  11. ^ a b Shi SH, Hayashi Y, Petralia RS, Zaman SH, Wenthold RJ, Svoboda K, Malinow R (June 1999). "Rapid spine delivery and redistribution of AMPA receptors after synaptic NMDA receptor activation". 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 (November 2002). "Regulation of AMPA receptors during synaptic plasticity". Trends in Neurosciences. 25 (11): 578–88. doi:10.1016/S0166-2236(02)02270-1. PMID 12392933. S2CID 1993509.
  13. ^ a b c d Pérez-Otaño I, Ehlers MD (May 2005). "Homeostatic plasticity and NMDA receptor trafficking" (PDF). Trends in Neurosciences. 28 (5): 229–38. doi:10.1016/j.tins.2005.03.004. PMID 15866197. S2CID 22901201. Arhivirano s originala (PDF), July 20, 2011. Pristupljeno 2007-06-08.
  14. ^ Bear MF (2007). Neuroscience: Exploring the Brain. Third Edition. Lppincott Williams & Wilkins. str. 779. ISBN 978-0-7817-6003-4.
  15. ^ Meyer D, Bonhoeffer T, Scheuss V (April 2014). "Balance and stability of synaptic structures during synaptic plasticity". Neuron. 82 (2): 430–43. doi:10.1016/j.neuron.2014.02.031. PMID 24742464.
  16. ^ Desai NS, Cudmore RH, Nelson SB, Turrigiano GG (August 2002). "Critical periods for experience-dependent synaptic scaling in visual cortex". Nature Neuroscience. 5 (8): 783–9. doi:10.1038/nn878. PMID 12080341. S2CID 17747903.
  17. ^ Abraham WC, Tate WP (July 1997). "Metaplasticity: a new vista across the field of synaptic plasticity". Progress in Neurobiology. 52 (4): 303–23. doi:10.1016/S0301-0082(97)00018-X. PMID 9247968. S2CID 33285995.
  18. ^ Abbott LF, Nelson SB (November 2000). "Synaptic plasticity: taming the beast". Nature Neuroscience. 3 Suppl: 1178–83. doi:10.1038/81453. PMID 11127835. S2CID 2048100.
  19. ^ Cooper SJ (January 2005). "Donald O. Hebb's synapse and learning rule: a history and commentary". 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 (April 2010). "Syntaxin-4 defines a domain for activity-dependent exocytosis in dendritic spines". 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 (December 2002). "Converging evidence for a simplified biophysical model of synaptic plasticity" (PDF). Biological Cybernetics. 87 (5–6): 383–91. doi:10.1007/s00422-002-0362-x. PMID 12461628. S2CID 7753630.

Dopunska literatura[uredi | uredi izvor]

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]

Videa i potkasti[uredi | uredi izvor]