Heteroszinaptikus plaszticitás - Heterosynaptic plasticity
A szinaptikus plaszticitás arra utal, hogy a kémiai szinapszis képes megváltoztatni az erejét. A szinaptikus plaszticitás tipikusan input-specifikus (azaz homoszinaptikus plaszticitás ), azaz egy adott neuron aktivitása megváltoztatja az adott neuron és a célpont közötti szinaptikus kapcsolat hatékonyságát. Heteroszinaptikus plaszticitás esetén azonban egy adott neuron aktivitása más inaktivált idegsejtek szinaptikus kapcsolatainak erősségének nem specifikus változásaihoz vezet. A heteroszinaptikus plaszticitás számos különféle formáját megtalálták az agy különféle régióiban és szervezeteiben. A heteroszinaptikus plaszticitás ezen különféle formái hozzájárulnak a különféle idegi folyamatokhoz, beleértve az asszociatív tanulást, az idegi áramkörök kialakulását és a szinaptikus bemenetek homeosztázisát.
tartalom
Homeosztatikus szerep
A heteroszinaptikus plaszticitás fontos homeosztatikus szerepet játszhat az idegi plaszticitásban azáltal, hogy normalizálja vagy korlátozza a szinaptikus bemenetek teljes változását a folyamatban lévő hebb plaszticitás során . A hebb plaszticitás, a homoszinaptikus, asszociatív plaszticitás mindenütt jelen lévő formája, úgy gondolják, hogy a tanulás és az emlékezet alapját képezi. Ezenkívül a hebb plaszticitást az idegi áramkörök indukálják és felerősítik a korrelációkat, ami pozitív visszacsatolási hurkot hoz létre, és ingatagá teszi az idegi áramköröket. Az instabilitás elkerülése érdekében a hebbiai plaszticitást korlátozni kell, például a szinaptikus bevitel teljes mennyiségének megőrzésével. Úgy gondolják, hogy ezt a szerepet a homeosztatikus mechanizmusok sokfélesége teljesíti.
A hebbai plaszticitás hatékony stabilizálása érdekében, amelyet másodpercek-percek alatt fel lehet idézni, a homeosztatikus plaszticitásnak gyorsan reagálnia kell. Ezt a követelményt azonban a homeosztatikus plaszticitás legtöbb formája nem teljesíti, amelyek jellemzően óra, nap vagy annál hosszabb időtartamokra hatnak. Úgy tűnik, hogy ez a korlátozás nem vonatkozik a heteroszinaptikus plaszticitásra.
A homeosztatikus hatás elérése érdekében a homeosztatikus szerepet betöltő heteroszinaptikus plaszticitásnak a pályán nem specifikus szinaptikus változásokat kell okoznia, szemben a hebbiai plaszticitással. Más szavakkal: ha egy adott szinapszison homoszinaptikus hosszú távú potencí - ciót indukálnak, akkor a többi nem stimulált szinapszist le kell nyomni. Ezzel ellentétben a hosszú távú homoszinaptikus depresszió más szinapszisokat úgy erősít, hogy az átlagos szinaptikus súly megközelítőleg konzerválódik. Ezeknek a változásoknak a hatálya globális lehet, vagy a dendritekre osztható.
Modulációs bemenettől függő plaszticitás
A heteroszinaptikus plaszticitás egyik jól tanulmányozott példája a modulációs bemenettől függő plaszticitás. A moduláló neuronok neuromodulációt hajtanak végre , amely a neuromodulátorok felszabadulása. A neuromodulátorok különböznek a klasszikus neurotranszmitterektől. Általában a neuromodulátorok nem generálnak közvetlenül elektromos választ a cél idegsejtekben. Inkább a neuromodulátorok felszabadulása gyakran megváltoztatja a neurotranszmisszió hatékonyságát a közeli kémiai szinapszisokban. Ezenkívül a neuromodulátorok hatása gyakran meglehetősen tartós a klasszikus neurotranszmitterekhez képest.
Számos neurotranszmitter képes működni neuromodulátorként, különösen olyan biogén aminokként, mint a dopamin és a szerotonin . Ezek a neuromodulátorok G-proteinhez kapcsolt receptorokat használnak, amelyek lassabban modulálják a hatásokat, és nem hiperpolarizálják, sem nem depolizálják a sejteket. Ezen tulajdonságok miatt a GPCR hosszú távú változásokat kezdeményezhet a heteroszinaptikus erőben.
Ezen neuromodulátorok használata a heterosinaptikus plaszticitás egyik példája. Az interneuronnak nevezett neuron által kibocsátott neuromodulátorok befolyásolhatják egy másik neuron kommunikációjának hatékonyságát a posztszinaptikus sejttel. Tehát, mivel az interneuron nem aktiválja kifejezetten a posztszinaptikus neuront (a szinaptikus plaszticitása erősen közvetetten befolyásolja), a modulációs bemenettől függő plaszticitás ezen mechanizmusa heteroszinaptikus. Ennek a folyamatnak és annak hatalmas sokféleségének jobb megértése érdekében az Aplysia californica-ban lévő neuromodulátor szerotonin és a dopamin funkcióit részletesebben szemléltetjük.
Aplysia californica
A klasszikus példa, amely a modulációs bemeneti tényezőktől függő plaszticitást demonstrálja, magában foglalja az Aplysia californica tengeri puhatestűt . Az 1960-as évek végén végzett tanulmányok először bizonyították az Aplysia kémiai szinapszisának plaszticitását . Ezek a vizsgálatok azt mutatták, hogy az Aplysia szenzoros és motoros idegrendszerében számos típusú moduláló interneuron izgatott . A Aplysia , stimuláció a szifon szenzoros idegvégződések vezetett fokozott EPSP a moduláló interneuronok. A moduláló interneuronok felszabadítják a szerotonint, ami kiváltja a motoros idegsejtek szinaptikus plaszticitását. Ezenkívül, amikor a fejre vagy a farokra ártalmas ingert alkalmaztak, és a szifonhoz enyhe érintéssel párosították, erős motoros reakciót váltott ki , úgynevezett kopoltyúvisszanyerési reflex . A hosszú távú plaszticitásváltozás bizonyítékát néhány nappal később figyelték meg, amikor csak a szifon enyhe érintése váltotta ki ugyanazt az erős választ az érzékenyítésnek nevezett jelenség miatt . Ezek a tanulmányok bizonyítják az érzékszervi és motoros neuronok heterosinaptikus erősödését Aplysia motoros áramkörében.
Dopaminerg szinapszis
A heterosinaptikus plaszticitás nem korlátozódik kizárólag a szerotoninra. Azt is kimutatták, hogy a dopamin neuro-moduláló módon hat. Hasonlóan az Aplysia szerotonin receptoraihoz , a dopamin receptorok G-proteinhez kapcsolt receptorok, amelyek aktiválják a cAMP termelést. Ez a folyamat azonban fontos az emlékek emlősökben való tárolásához , míg a szerotonin gerinctelenekben fordul elő. A dopaminerg és a GABAergic terminálokon belül a neuromodulátor dopamin heteroszinaptikus plaszticitás révén szabadul fel. Ez a plaszticitás általában hosszú távú depresszióhoz vezet , LTD, melyet a D1 dopamin osztályú receptorok közvetítenek. Ezeknek a receptoroknak az aktiválásához szükséges a LTD létrehozása és nagyságának modulálása. További kutatások folynak a dopamin neuromodulációban betöltött szerepéről. A Pittsburgh-i Egyetemen végzett kísérletekben a dopaminerg és a GABAergic terminálok párhuzamos projektjeit vizsgáltuk patkányokon a ventrális tegmental területtől a nucleus akumulsens magjáig (NAcCo). Ezen párhuzamos vetületek körében a tudósok felfedezték, hogy a dopamin heteroszinaptikus felszabadulása az LTD-t kiváltja ezeken a szinapszisokon. Összegezve, a dopamin nem csupán neuromodulátor, hanem önmagában is kiválthatja a szinaptikus plaszticitást az idegsejtekben. Ezért az emlősökben a heteroszinaptikus dopamin-jelátvitelt legjobban a dopamin biológiai funkcióival közvetítik, és önállóan kiválthatják a szinaptikus plaszticitás változásait.
A plaszticitás változásai a fejlődés során
A fejlesztés korai szakaszában a szinaptikus kapcsolatok nem bemeneti-specifikusak, valószínűleg a Ca 2+ átterjedése miatt (azaz a Ca 2+ nem korlátozódik a kifejezetten aktivált dendritekre). Ez az átterjedés a plaszticitás heteroszinaptikus változásának másik mechanizmusát képviseli. A hálózatokat később finomítja a bemenet-specifikus plaszticitás, amely lehetővé teszi a külön nem stimulált kapcsolatok kiküszöbölését. Ahogy a neuronális áramkörök érlelik, valószínű, hogy a Ca 2+ -kötő fehérjék koncentrációja növekszik, ami megakadályozza a Ca 2+ diffúzióját más helyekre. A lokalizált Ca 2+ növekedése az AMPAR-ok bejuttatásához vezet a membránba. Ez a növekedés az AMPA sűrűségében a posztszinaptikus membránon növeli az NMDAR-k működését, lehetővé téve, hogy több Ca 2+ lépjen be a sejtbe. Az NMDAR alegységek az idegsejtek érett állapotában is megváltoznak, növelve ezzel a receptor vezetőképességét. Ezek a mechanizmusok megkönnyítik a Ca 2+ helymeghatározását és ezáltal a specifitást, mivel egy organizmus a fejlõdés útján halad előre.
Szinaptikus méretezés
A szinapszisok közötti plasztikus változásokon áteső neurális hálózatnak normalizációs mechanizmusokat kell kezdeményeznie a korlátozás nélküli potencia vagy depresszió elleni küzdelem érdekében. Az egyik mechanizmus biztosítja, hogy ezeknek az idegsejteknek az átlagos tüzelési sebessége ésszerű sebességgel szinaptikus méretezés révén tartható fenn . Ebben a folyamatban a bemeneti szinteket megváltoztatják a cellákban az átlagos égetési sebesség fenntartása érdekében. Például erősítik a gátló szinapszist vagy gyengítik az ingerlési szinapszist, hogy normalizálják az idegi hálózatot, és lehetővé tegyék az egyes neuronok számára, hogy szabályozzák tüzelési sebességüket. Egy másik mechanizmus a szinaptikus súly sejtek közötti újraelosztása. Ez a mechanizmus megőrzi a teljes szinaptikus súlyt a sejtben azáltal, hogy versenyt hoz létre a szinapszisok között. Így egyetlen neuron normalizálása a plaszticitás után. A fejlődés során a sejteket finomítani lehet, ha egyes szinapszisok megmaradnak, míg mások a teljes szinaptikus tömeg normalizálása érdekében elvethetők. Ily módon megőrizhető a homeosztázis azokban a sejtekben, amelyek plaszticitáson mennek keresztül, és megőrződik a tanulási hálózatok normál működése is, lehetővé téve új információk megismerését.