Синаптическое масштабирование

В нейробиологии , синаптическое масштабирование (или гомеостатическое масштабирование ) — это форма гомеостатической пластичности , при которой мозг реагирует на хронически повышенную активность в нейронной цепи отрицательной обратной связью позволяя отдельным нейронам снизить общую скорость срабатывания потенциала действия . ^{[ 1 ]} В то время как пластичности Хебба механизмы избирательно изменяют нейронно -синаптические связи , синаптическое масштабирование нормализует все нейронно-синаптические связи. ^{[ 2 ]} путем уменьшения силы каждого синапса на один и тот же коэффициент (мультипликативное изменение), так что относительный синаптический вес каждого синапса сохраняется. ^{[ 1 ]}

Задействованные клеточные компоненты

(Химическая) Синаптическая связь: в химических синапсах пресинаптические нейроны выделяют везикулы, содержащие нейротрансмиттеры, в синаптическую щель. Затем внеклеточные нейротрансмиттеры взаимодействуют с определенными постсинаптическими трансмембранными белковыми рецепторами, пропуская часть нейротрансмиттеров в постсинаптический нейрон.
Пресинаптические везикулы : Везикулы являются средством химико-синаптической пластичности. Пресинаптические нейроны передают информацию (в виде нейротрансмиттеров ) постсинаптическим нейронам через везикулы. Нейромедиаторы внутри везикул транспортируются в синаптическую щель, где они взаимодействуют со специфичными для нейротрансмиттеров постсинаптическим белковыми рецепторами.
Глутамат: Глутамат является основным возбуждающим нейромедиатором у позвоночных и играет большую роль в синаптической пластичности . Стимул к пресинаптическим нейронам вызывает высвобождение глутамата в синаптическую щель посредством высвобождения пресинаптических пузырьков. Попав в синаптическую щель, глутамат может связываться и активировать постсинаптические рецепторы глутаматергических белков, такие как рецепторы NMDA и AMPA .
Постсинаптический рецептор AMPA: Рецепторы AMPA представляют собой трансмембранные белковые ионотропные рецепторы , которые быстро открываются и закрываются и отвечают за быструю возбуждающую синаптическую связь в центральной нервной системе . АМРА-рецепторы имеют четыре субъединицы, с которыми может связываться глутамат. В зависимости от состава субъединицы АМРА-рецептора рецептор может быть проницаем для катионов, таких как кальций , натрий или калий.

Взаимодействия

Синаптическое масштабирование — это механизм постсинаптической гомеостатической пластичности , который происходит при изменении количества АМРА-рецепторов на постсинаптическом терминале (кончик дендрита, принадлежащего постсинаптическому нейрону, который встречается с кончиком аксона , принадлежащего пресинаптический нейрон) нейрона. Этот замкнутый процесс дает нейрону возможность осуществлять глобальный контроль с помощью отрицательной обратной связи над синаптической силой всех его синаптических связей путем изменения вероятности контакта глутамата (наиболее распространенного возбуждающего нейромедиатора) с постсинаптическими АМРА-рецепторами. Следовательно, способность нейрона модулировать количество постсинаптических АМРА-рецепторов дает ему возможность достигать заданной скорости срабатывания потенциала действия . ^{[ 3 ]}

Вероятность контакта глутамата с постсинаптическим рецептором АМРА пропорциональна концентрации как трансмембранных глутаматных, так и постсинаптических рецепторов АМРА. Когда глутамат и постсинаптические АМРА-рецепторы взаимодействуют, постсинаптическая клетка испытывает временный деполяризующий ток, известный как ВПСП (возбуждающий постсинаптический потенциал). Пространственное и временное накопление ВПСП на постсинаптическом нейроне увеличивает вероятность того, что нейрон активирует потенциал действия. Следовательно, концентрации внеклеточного глутамата (и других катионов) и количество постсинаптических АМРА-рецепторов напрямую коррелируют со скоростью срабатывания потенциала действия нейронов. Некоторые теории предполагают, что каждый нейрон использует кальций-зависимые клеточные сенсоры для определения собственной скорости срабатывания потенциала действия. ^{[ 4 ]} Эти датчики также формируют входные данные для специфичных для клеток систем регуляции гомеостатической пластичности. При синаптическом масштабировании нейроны используют эту информацию для определения масштабного коэффициента. Каждый нейрон впоследствии использует коэффициент масштабирования для глобального масштабирования (либо повышающего, либо понижающего регулирования) количества трансмембранных АМРА-рецепторов во всех постсинаптических участках.

Некоторые исследования показывают, что существуют две механически различные формы гомеостатической пластичности, включающие перемещение или трансляцию АМРА-рецепторов в постсинапсе синаптических связей:

Локальный синтез АМРА-рецепторов. Локальный синтез АМРА-рецепторов происходит в течение 4 часов. мРНК Частота трансляции внутри постсинаптического нейрона изменяет количество вырабатываемых локальных АМРА-рецепторов. Этот механизм используется для изменения количества постсинаптических АМРА-рецепторов в течение коротких периодов времени.
Глобальное синаптическое масштабирование: эта форма гомеостатической пластичности происходит в течение нескольких дней (24–48 часов). ^{[ 3 ]} и оказывает более выраженное влияние на общую скорость возбуждения нейронов, чем локальный синтез АМРА-рецепторов. Различные механизмы внутриклеточного транспорта помогают АМРА-рецепторам мигрировать в постсинаптическую щель из всей клетки.

Механизмы

Локальная трансляция рецептора AMPA

Самые ранние фазы модуляции количества рецепторов AMPA (в течение четырехчасового периода времени) зависят от локального участка (около синапса) синтеза рецептора AMPA, где мРНК транслируются для локальной транскрипции рецептора AMPA. Этот механизм используется для увеличения количества постсинаптических АМРА-рецепторов за короткий период времени.

Ибата и его коллеги изучали механизмы масштабирования локальных рецепторов AMPA путем визуализации постсинаптических трансмембранных субъединиц GluR2 с использованием фармацевтических манипуляций в течение 4 часов. ^{[ 5 ]} С помощью флуоресцентной микроскопии визуализировали белки GluR2 в синаптических участках нейронов. Исследование показало, что локальная трансляция рецептора AMPA происходит, когда постсинаптическая активация и NMDA-рецепторы блокируются одновременно с помощью фармацевтических манипуляций с использованием APV и TTX для блокировки постсинаптической активации. Доктор Турриджано предположил, что блокирование постсинаптической активации может вызвать активацию рецепторов AMPA. Изменения существующей флуоресценции белка GluR-2 были замечены всего через час после ванны с ТТХ. Количество синаптических сайтов осталось постоянным, что указывает на то, что кратковременный синтез рецептора AMPA происходит только на существующих синаптических соединениях.

Были проведены внутриклеточные электрофизиологические записи, чтобы проверить, соответствует ли увеличение количества постсинаптических рецепторов AMPA повышению регуляции силы синаптических связей. Внутриклеточные записи показывают значительное увеличение амплитуды мВПСК (примерно на 130% выше контрольных значений) после 4–5 часов лечения ТТХ. Более длительная обработка ТТХ привела к более заметному увеличению амплитуды мВПСК. Предполагается, что эта форма торговли рецепторами AMPA управляется локальной транскрипцией мРНК.

Глобальный

Эта форма синаптического масштабирования происходит в течение нескольких дней и оказывает более выраженное влияние на общую скорость возбуждения нейронов, чем локальный трафик АМРА-рецепторов. Различные механизмы внутриклеточного транспорта помогают АМРА-рецепторам мигрировать из всего нейрона в постсинаптическую щель.

Долгосрочное одновременное конфокальное микроскопическое и электрофизиологическое исследование, проведенное на корковых нейронных сетях крыс in vitro (возраст > 3 недель in vitro), растущих на многоэлектродных матрицах, изучило корреляцию между уровнями сетевой активности и изменениями размеров отдельных синапсов. ^{[ 6 ]} В частности, долгосрочная флуоресцентная микроскопия использовалась для отслеживания изменений количества (флуоресценции) молекул PSD-95 в отдельных синапсах в течение нескольких дней. Поскольку молекулы PSD-95 закрепляют постсинаптические АМРА- и NMDA-рецепторы, они служат надежными количественными маркерами постсинаптических трансмембранных глутаматных рецепторов. Это исследование состояло из двух серий экспериментов. В первом наборе морфологию синапсов и спонтанную нервную активность контролировали в течение примерно 90 часов (т.е. не использовались никакие внешние раздражители или фармацевтические манипуляции для нарушения нейронных сетей). В этот период наблюдалось значительное колебание размеров отдельных синапсов; тем не менее, распределение размеров синапсов, а также средние значения размеров синапсов оставались удивительно постоянными. Было обнаружено, что продолжающаяся активность ограничивала размеры синапсов, увеличивая тенденцию крупных синапсов к сокращению и увеличивая тенденцию маленьких синапсов к росту. Таким образом, активность поддерживала распределение размеров синапсов (на популяционном уровне) в определенных пределах. Во второй серии экспериментов тот же анализ проводился после добавления ТТХ для блокировки всей спонтанной активности. Это привело к расширению распределения синаптических размеров и увеличению средних значений синаптических размеров. Когда отдельные синапсы прослеживались с течением времени, их размеры по-прежнему значительно колебались, однако теперь не было обнаружено никакой связи между степенью или направлением изменений размера и исходным размером синапса. В частности, не было обнаружено никаких доказательств того, что изменения размера синапсов масштабируются с начальным размером синапсов. Это указывает на то, что гомеостатический рост содержания АМРА-рецепторов, связанный с подавлением активности, является популяционным феноменом, который возникает в результате потери зависящих от активности ограничений, а не масштабирования содержания АМРА-рецепторов в отдельных синапсах.

Связь с гомеостатической и Хеббианской пластичностью

Есть свидетельства того, что пресинаптическая и постсинаптическая гомеостатическая пластичность работают согласованно, регулируя частоту импульсов. ^{[ 7 ]} Блокада постсинаптической активности (посредством ТТХ) в культуре может увеличить амплитуду и частоту мВПСК . ^{[ 8 ]} Увеличение частоты мЭПСК указывает на то, что в нейронах увеличивается вероятность контакта пресинаптического нейромедиатора глутамата с постсинаптическим рецептором АМРА. Кроме того, было показано, что пресинаптические везикулы изменяются в размере, когда срабатывание потенциала действия блокируется через (через ТТХ). ^{[ 9 ]}

Пресинаптическая гомеостатическая пластичность включает: 1) Размер и частоту высвобождения пресинаптических нейротрансмиттеров (например, модуляцию мЭПСК). 2) Вероятность высвобождения нейротрансмиттерного пузырька после срабатывания потенциала действия. Блокада постсинаптической активности (посредством ТТХ) в культуре может увеличивать амплитуду и частоту мВПСК (частота менялась только в культурах старше 18 дней). ^{[ 8 ]} Увеличение частоты мЭПСК указывает на то, что в нейронах увеличивается вероятность контакта пресинаптического нейромедиатора глутамата с постсинаптическим рецептором АМРА.

Хеббианская пластичность и гомеостатическая пластичность находятся в тесной взаимосвязи. ^{[ 10 ]} Нейроны используют механизмы пластичности Хебба для изменения своих синаптических связей внутри нейронной цепи на основе коррелированных входных данных, которые они получают от других нейронов. Механизмы долговременной потенциации (LTP) управляются соответствующими пресинаптическим и постсинаптическим возбуждением нейронов; с помощью гомеостатической пластичности LTP и LTD создают и поддерживают точные синаптические веса в нейронной сети. Сохраняющаяся коррелированная нейронная активность – без гомеостатической петли обратной связи – заставляет механизмы LTP постоянно регулировать силу синаптических связей. Неуказанное усиление синаптических весов приводит к тому, что активность нейронов становится нестабильной до такой степени, что незначительные стимулирующие возмущения могут вызвать хаотические, синхронные импульсы по всей сети, известные как всплески. Это делает нейронную сеть неспособной выполнять вычисления. ^{[ 11 ]} Поскольку гомеостатическая пластичность нормализует синаптические силы всех нейронов сети, общая активность нейронной сети стабилизируется.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Сиддоуэй, Бенджамин; Хоу, Хайлог; Ся, Хоухуэй (март 2014 г.). «Молекулярные механизмы гомеостатического синаптического даунскейлинга» . Нейрофармакология . 78 : 38–44. doi : 10.1016/j.neuropharm.2013.07.009 . ПМК 8262101 . ПМИД 23911745 .
^ Турриджано, Г.Г.; Нельсон, С.Б. (2000). «Хебб и гомеостаз в нейрональной пластичности». Современное мнение в нейробиологии . 10 (3): 358–64. дои : 10.1016/s0959-4388(00)00091-x . ПМИД 10851171 . S2CID 20462620 .
^ Jump up to: ^а ^б Турриджано, Г.Г. (2008). «Самонастраивающийся нейрон: синаптическое масштабирование возбуждающих синапсов» . Клетка . 135 (3): 422–35. дои : 10.1016/j.cell.2008.10.008 . ПМЦ 2834419 . ПМИД 18984155 .
^ Мардер, Э; Гоайяр, JM (2006). «Изменчивость, компенсация и гомеостаз функций нейронов и сетей». Обзоры природы Неврология . 7 (7): 563–74. дои : 10.1038/nrn1949 . ПМИД 16791145 . S2CID 2870923 .
^ Ибата, К; Солнце, Кью; Турриджано, Г.Г. (2008). «Быстрое синаптическое масштабирование, вызванное изменениями в постсинаптической активации» . Нейрон . 57 (6): 819–26. дои : 10.1016/j.neuron.2008.02.031 . ПМИД 18367083 .
^ Минерби, А; Кахана, Р; Гольдфельд, Л; Кауфман, М; Маром, С; Зив, Н.Е. (2009). «Долгосрочные отношения между синаптической устойчивостью, синаптическим ремоделированием и сетевой активностью» . ПЛОС Биология . 7 (6): e1000136. дои : 10.1371/journal.pbio.1000136 . ПМЦ 2693930 . ПМИД 19554080 .
^ Уоллес, Вт; Медведь, МФ (2004). «Морфологический коррелят синаптического масштабирования в зрительной коре» . Журнал неврологии . 24 (31): 6928–38. doi : 10.1523/JNEUROSCI.1110-04.2004 . ПМК 6729610 . ПМИД 15295028 .
^ Jump up to: ^а ^б Веренга, CJ; Уолш, МФ; Турриджано, Г.Г. (2006). «Временная регуляция локуса экспрессии гомеостатической пластичности». Журнал нейрофизиологии . 96 (4): 2127–33. дои : 10.1152/jn.00107.2006 . ПМИД 16760351 .
^ Турриджано, Г.Г.; Лесли, КР; Десаи, Н.С.; Резерфорд, округ Колумбия; Нельсон, С.Б. (1998). «Зависимое от активности масштабирование квантовой амплитуды в нейронах неокортекса». Природа . 391 (6670): 892–6. Бибкод : 1998Natur.391..892T . дои : 10.1038/36103 . ПМИД 9495341 . S2CID 4328177 .
^ Турриджано, Г.Г. (1999). «Гомеостатическая пластичность нейронных сетей: чем больше вещей меняются, тем больше они остаются прежними». Тенденции в нейронауках . 22 (5): 221–7. дои : 10.1016/s0166-2236(98)01341-1 . ПМИД 10322495 . S2CID 13958949 .
^ Вагенаар, Д.А.; Пайн, Дж; Поттер, С.М. (2006). «Поиски пластичности в диссоциированных кортикальных культурах на многоэлектродных матрицах» . Журнал отрицательных результатов в биомедицине . 5:16 . дои : 10.1186/1477-5751-5-16 . ПМК 1800351 . ПМИД 17067395 .

[Siddoway2014-1] Jump up to: ^а ^б Сиддоуэй, Бенджамин; Хоу, Хайлог; Ся, Хоухуэй (март 2014 г.). «Молекулярные механизмы гомеостатического синаптического даунскейлинга» . Нейрофармакология . 78 : 38–44. doi : 10.1016/j.neuropharm.2013.07.009 . ПМК 8262101 . ПМИД 23911745 .

[Turrigiano_2000-2] Турриджано, Г.Г.; Нельсон, С.Б. (2000). «Хебб и гомеостаз в нейрональной пластичности». Современное мнение в нейробиологии . 10 (3): 358–64. дои : 10.1016/s0959-4388(00)00091-x . ПМИД 10851171 . S2CID 20462620 .

[Turrigiano_2008-3] Jump up to: ^а ^б Турриджано, Г.Г. (2008). «Самонастраивающийся нейрон: синаптическое масштабирование возбуждающих синапсов» . Клетка . 135 (3): 422–35. дои : 10.1016/j.cell.2008.10.008 . ПМЦ 2834419 . ПМИД 18984155 .

[4] Мардер, Э; Гоайяр, JM (2006). «Изменчивость, компенсация и гомеостаз функций нейронов и сетей». Обзоры природы Неврология . 7 (7): 563–74. дои : 10.1038/nrn1949 . ПМИД 16791145 . S2CID 2870923 .

[Ibata_2008-5] Ибата, К; Солнце, Кью; Турриджано, Г.Г. (2008). «Быстрое синаптическое масштабирование, вызванное изменениями в постсинаптической активации» . Нейрон . 57 (6): 819–26. дои : 10.1016/j.neuron.2008.02.031 . ПМИД 18367083 .

[Minerbi_2009-6] Минерби, А; Кахана, Р; Гольдфельд, Л; Кауфман, М; Маром, С; Зив, Н.Е. (2009). «Долгосрочные отношения между синаптической устойчивостью, синаптическим ремоделированием и сетевой активностью» . ПЛОС Биология . 7 (6): e1000136. дои : 10.1371/journal.pbio.1000136 . ПМЦ 2693930 . ПМИД 19554080 .

[Wallace_2004-7] Уоллес, Вт; Медведь, МФ (2004). «Морфологический коррелят синаптического масштабирования в зрительной коре» . Журнал неврологии . 24 (31): 6928–38. doi : 10.1523/JNEUROSCI.1110-04.2004 . ПМК 6729610 . ПМИД 15295028 .

[Wierga_2006-8] Jump up to: ^а ^б Веренга, CJ; Уолш, МФ; Турриджано, Г.Г. (2006). «Временная регуляция локуса экспрессии гомеостатической пластичности». Журнал нейрофизиологии . 96 (4): 2127–33. дои : 10.1152/jn.00107.2006 . ПМИД 16760351 .

[Turrigiano_1998-9] Турриджано, Г.Г.; Лесли, КР; Десаи, Н.С.; Резерфорд, округ Колумбия; Нельсон, С.Б. (1998). «Зависимое от активности масштабирование квантовой амплитуды в нейронах неокортекса». Природа . 391 (6670): 892–6. Бибкод : 1998Natur.391..892T . дои : 10.1038/36103 . ПМИД 9495341 . S2CID 4328177 .

[Turrigiano_1999-10] Турриджано, Г.Г. (1999). «Гомеостатическая пластичность нейронных сетей: чем больше вещей меняются, тем больше они остаются прежними». Тенденции в нейронауках . 22 (5): 221–7. дои : 10.1016/s0166-2236(98)01341-1 . ПМИД 10322495 . S2CID 13958949 .

[Wagenaar_2006-11] Вагенаар, Д.А.; Пайн, Дж; Поттер, С.М. (2006). «Поиски пластичности в диссоциированных кортикальных культурах на многоэлектродных матрицах» . Журнал отрицательных результатов в биомедицине . 5:16 . дои : 10.1186/1477-5751-5-16 . ПМК 1800351 . ПМИД 17067395 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]