Гетеросинапсическая пластичность
Синаптическая пластичность относится к способности химического синапса претерпевать изменения в силе. [1] Синаптическая пластичность обычно зависит от входа (т. е. гомосинаптическая пластичность ), что означает, что активность конкретного нейрона изменяет эффективность синаптической связи между этим нейроном и его мишенью. Однако в случае гетеросинаптической пластичности активность конкретного нейрона приводит к введению неспецифических изменений силы синаптических связей со стороны других неактивированных нейронов. [2] [3] Ряд различных форм гетеросинаптической пластичности был обнаружен в различных областях мозга и организмах. Эти различные формы гетеросинаптической пластичности способствуют множеству нейронных процессов, включая ассоциативное обучение, развитие нейронных цепей и гомеостаз синаптического входа. [4]
Гомеостатическая роль
[ редактировать ]Гетеросинаптическая пластичность может играть важную гомеостатическую роль в нейронной пластичности, нормализуя или ограничивая общее изменение синаптического входа во время продолжающейся Хеббианской пластичности . [5] Считается, что Хеббианская пластичность, повсеместная форма гомосинаптической ассоциативной пластичности, лежит в основе обучения и памяти. Более того, пластичность Хебба индуцируется и усиливает корреляции в нейронных цепях, что создает петлю положительной обратной связи и делает нейронные цепи нестабильными. Чтобы избежать этой нестабильности, необходимо ограничить пластичность Хебба. [6] например, сохранением общего количества синаптического ввода. Считается, что эту роль выполняют разнообразные гомеостатические механизмы.
Однако для эффективной стабилизации пластичности Хебба, которую можно вызвать за считанные секунды или минуты, гомеостатическая пластичность должна реагировать быстро. [7] Этому требованию, однако, не отвечают большинство форм гомеостатической пластичности, которые обычно действуют в течение нескольких часов, дней или дольше. [8] [9] Это ограничение, по-видимому, не распространяется на гетеросинаптическую пластичность. [10] [11] [12]
Для достижения гомеостатического эффекта гетеросинаптическая пластичность, выполняющая гомеостатическую роль, должна вызывать неспецифические синаптические изменения пути в противоположном направлении, как пластичность Хебба. Другими словами, всякий раз, когда гомосинаптическая долговременная потенциация индуцируется в данном синапсе, другие нестимулированные синапсы должны быть подавлены. [2] гомосинаптическая И наоборот, долговременная депрессия приведет к потенцированию других синапсов таким образом, что средний синаптический вес будет примерно сохранен. Масштабы этих изменений могут быть глобальными или разделенными на отдельные части дендритов.
Модулирующая пластичность, зависящая от входных данных
[ редактировать ]
Одним из хорошо изученных примеров гетеросинаптической пластичности является модуляционная пластичность, зависящая от входных сигналов. Модулирующие нейроны осуществляют нейромодуляцию , то есть высвобождение нейромодуляторов. Нейромодуляторы отличаются от классических нейромедиаторов. Как правило, нейромодуляторы не вызывают непосредственно электрические реакции в нейронах-мишенях. Скорее, высвобождение нейромодуляторов часто изменяет эффективность нейротрансмиссии в близлежащих химических синапсах. Кроме того, воздействие нейромодуляторов часто бывает довольно длительным по сравнению с классическими нейротрансмиттерами. [1]
Ряд нейротрансмиттеров могут действовать как нейромодуляторы, особенно биогенные амины, такие как дофамин и серотонин . [4] Эти нейромодуляторы используют рецепторы, связанные с G-белком , которые обеспечивают более медленные модулирующие эффекты и не гиперполяризуют и не деполяризуют клетки. Благодаря этим качествам GPCR может инициировать долговременные изменения гетеросинаптической силы. [1]
Использование этих нейромодуляторов является примером гетеросинаптической пластичности. Высвобождаемые нейроном, называемым интернейроном , нейромодуляторы могут влиять на эффективность связи другого нейрона с постсинаптической клеткой. Таким образом, поскольку интернейрон не активирует специфически постсинаптический нейрон (сила его синаптической пластичности затрагивается косвенно), этот механизм модуляции входозависимой пластичности является гетеросинаптическим. [4] ключевые функции нейромодулятора серотонина Aplysia Californianica Чтобы лучше понять этот процесс и его огромное разнообразие, дополнительно проиллюстрированы и дофамина.
Аплизия калифорнийская
[ редактировать ]
Классический пример, демонстрирующий модулирующую пластичность, зависящую от воздействия, — это морской моллюск Aplysia Californica . Исследования конца 1960-х годов предоставили первые доказательства пластичности химических синапсов аплизий . возбуждаются несколько типов модуляторных интернейронов Эти исследования показали, что в цепи сенсорных и моторных нейронов аплизии . У Aplysia стимуляция терминалей сифонных сенсорных нейронов приводила к усилению ВПСП в модуляторном интернейроне. Модулирующие интернейроны выделяют серотонин, который запускает синаптическую пластичность мотонейронов. [1] Более того, когда к голове или хвосту прикладывался вредный раздражитель в сочетании с легким прикосновением к сифону, это вызывало сильную двигательную реакцию, называемую рефлексом отдергивания жабр . Доказательства долгосрочных изменений пластичности наблюдались несколько дней спустя, когда лишь легкое прикосновение к сифону вызывало такую же сильную реакцию из-за явления, называемого сенсибилизацией . Эти исследования демонстрируют доказательства гетеросинаптического усиления между сенсорными и двигательными нейронами в двигательных схемах аплизии . [1] [4]
Дофаминергические синапсы
[ редактировать ]Гетеросинаптическая пластичность не ограничивается только серотонином. Также было показано, что дофамин действует нейромодулирующим образом. Как и рецепторы серотонина у аплизии, рецепторы дофамина представляют собой связанные с G-белком рецепторы, которые активируют выработку цАМФ. Однако этот процесс важен для хранения воспоминаний у млекопитающих, тогда как серотонин происходит у беспозвоночных. [4] В дофаминергических и ГАМКергических окончаниях нейромодулятор дофамин высвобождается посредством гетеросинаптической пластичности. Обычно эта пластичность приводит к длительной депрессии (LTD), опосредованной дофаминовыми рецепторами класса D1. [13] Активация этих рецепторов необходима для создания LTD и модуляции его величины. [14] Также продолжаются дальнейшие исследования роли дофамина в нейромодуляции. Эксперименты, проведенные в Университете Питтсбурга, изучали параллельные проекты дофаминергических и ГАМКергических окончаний от вентральной покрышки до прилежащего ядра (NAcCo) у крыс. В рамках этих параллельных проекций ученые обнаружили, что высвобождение дофамина гетеросинаптически запускает LTD в этих синапсах. Таким образом, дофамин является не просто нейромодулятором, но также может самостоятельно запускать синаптическую пластичность в нейронах. [13] Следовательно, гетеросинаптическая передача сигналов дофамина у млекопитающих может быть лучше всего представлена биологическими функциями дофамина, заключающимися в опосредовании, а также независимом запуске изменений синаптической пластичности. [13]
Изменения пластичности в процессе развития
[ редактировать ]На ранних стадиях развития синаптические связи не специфичны для входных сигналов, скорее всего, из-за Ca. 2+ перелив (т.е. прибл. 2+ не ограничивается специально активированными дендритами). Этот побочный эффект представляет собой еще один механизм гетеросинаптического изменения пластичности. Позже сети уточняются за счет пластичности, специфичной для входных данных, что позволяет исключить связи, которые не стимулируются специально. [15] По мере созревания нейронных цепей вполне вероятно, что концентрация Ca 2+ связывание белков увеличивается, что предотвращает Ca 2+ от распространения на другие сайты. Увеличение локализованного Ca 2+ приводят к внедрению AMPAR в мембрану. Это увеличение плотности АМРА в постсинаптической мембране увеличивает функциональность NMDAR, позволяя большему количеству Ca 2+ чтобы войти в клетку. [16] Субъединицы NMDAR также изменяются по мере взросления нейронов, увеличивая проводимость рецептора. [15] [17] Эти механизмы облегчают Ca 2+ ограничение местоположения и, следовательно, специфичность по мере развития организма.
Синаптическое масштабирование
[ редактировать ]Нейронная сеть, претерпевающая пластические изменения между синапсами, должна инициировать механизмы нормализации, чтобы бороться с безудержной потенциацией или депрессией. Один из механизмов гарантирует, что средняя частота срабатывания этих нейронов поддерживается на разумном уровне за счет синаптического масштабирования . В этом процессе входные уровни в ячейках изменяются для поддержания средней скорости стрельбы. Например, тормозные синапсы усиливаются или возбуждающие синапсы ослабляются, чтобы нормализовать нейронную сеть и позволить отдельным нейронам регулировать скорость своей активности. [1] Другой механизм — общеклеточное перераспределение синаптического веса. Этот механизм сохраняет общий вес синапсов в клетке за счет конкуренции между синапсами. Таким образом, нормализуя одиночный нейрон после пластичности. [10] Во время развития клетки могут быть усовершенствованы, когда одни синапсы сохраняются, а другие удаляются, чтобы нормализовать общий синаптический вес. Таким образом, в клетках, подвергающихся пластичности, сохраняется гомеостаз , а также сохраняется нормальная работа сетей обучения, позволяющая усваивать новую информацию. [10]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Первс Д., Августин Г.Дж., Фитцпатрик Д., Холл У.К., ЛаМантия А.С., Уайт Л.Е. (2012). Синаптическая пластичность. В неврологии (5-е изд.) (стр. 163–182). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates.
- ^ Перейти обратно: а б Линч Г.С., Данвидди Т. и Грибкофф В. (1977). Гетеросинаптическая депрессия: постсинаптический коррелят долговременной потенциации. Природа 266, 737–739.
- ^ Авраам, У.К., и Годдард, Г.В. (1983). Асимметричные отношения между гомосинаптической долгосрочной потенциацией и гетеросинаптической долгосрочной депрессией. Природа 305, 717–719.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Бейли, Ч., Джустетто, М., Хуанг, Ю. Ю., Хокинс, Р. Д., Кандел, Э. Р. (2000) Является ли гетеросинаптическая модуляция необходимой для стабилизации пластичности и памяти Хебба. Nature Reviews Neuroscience, 1:1, 11-20.
- ^ Ройер С. и Паре Д. (2003). Сохранение общего синаптического веса за счет сбалансированной синаптической депрессии и потенциации. Природа 422, 518–522.
- ^ Миллер, К.Д., и Маккей, ди-джей (1994). Роль ограничений в обучении Хебба. Нейронные вычисления 6, 100–126.
- ^ Зенке Ф., Хеннекен Г. и Герстнер В. (2013). Синаптическая пластичность в нейронных сетях требует гомеостаза с помощью высокоскоростного детектора. PLoS Comput Biol 9, e1003330.
- ^ Турриджано, Г.Г., и Нельсон, С.Б. (2004). Гомеостатическая пластичность развивающейся нервной системы. Nat Rev Neurosci 5, 97–107.
- ^ Зенке Ф., Герстнер В. и Гангули С. (2017). Временной парадокс обучения Хебба и гомеостатическая пластичность. Текущее мнение в нейробиологии 43, 166–176.
- ^ Перейти обратно: а б с Чистякова М., Волгушев М. (2009) Гетеросинаптическая пластичность в неокортексе. Экспериментальное исследование мозга, 199, 377–390.
- ^ Чен, Ж.-Ю., Лоньерс, П., Ли, К., Чистякова, М., Волгушев, М., и Баженов, М. (2013). Гетеросинаптическая пластичность предотвращает неконтролируемую синаптическую динамику. J Neurosci 33, 15915–15929.
- ^ Чистякова М., Бэннон Н.М., Чен Ж.-Ю., Баженов М. и Волгушев М. (2015). Гомеостатическая роль гетеросинаптической пластичности: модели и эксперименты. Передние вычислительные нейроны 9, 89.
- ^ Перейти обратно: а б с Исикава М., Отака М., Хуанг Ю.Х., Нойманн П.А., Винтерс Б.Д., Грейс А.А., Шлютер О.М. и Донг Ю. (2013). Дофамин запускает гетеросинаптическую пластичность. Журнал неврологии, 33(16), 6759-6765.
- ^ Саджикумар, С., Фрей, Ю. (2004). Поздняя ассоциативность, синаптическая маркировка и роль дофамина во время LTP и LTD. Нейробиология обучения и памяти, 82 (1), 12-25.
- ^ Перейти обратно: а б Санес, Д.Х., Рех, Т.А., Харрис, Вашингтон (2012). Образование и функция синапсов, уточнение синаптических связей. В развитии нервной системы (3-е изд.) (стр. 234-274). Бостон, Массачусетс: Elsevier Inc.
- ^ Хигли, М.Дж., Сабатини, Б.Л. (февраль 2012 г.) Передача сигналов кальция в дендритных шипиках. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. Получено с http://cshperspectives.cshlp.org/ . doi:10.1101/cshperspect.a005686.
- ^ Тао, Х.В., Чжан Л.И., Энгерт, Ф., Пу, М. (август 2001 г.) Появление входной специфичности LTP во время развития ретинотектальных связей in vivo. Нейрон: 31, 569-580.