Синаптическое масштабирование - Synaptic scaling

В неврологии синаптическое масштабирование (или же гомеостатическое масштабирование) является формой гомеостатическая пластичность, при котором мозг реагирует на хронически повышенную активность нейронной цепи негативный отзыв, позволяя отдельным нейроны уменьшить их общее потенциал действия скорострельность[1]. Где Хеббийская пластичность механизмы изменяют нейронные синаптические связи выборочно синаптическое масштабирование нормализует все нейронные синаптические связи[2] уменьшая силу каждого синапса на тот же коэффициент (мультипликативное изменение), так что относительный синаптический вес каждого синапса сохраняется.[1]

Вовлеченные сотовые компоненты

  1. (Химический) Синаптический Связь: в химических синапсах пресинаптические нейроны выделяют везикулы, содержащие нейротрансмиттеры, в синаптическую щель. Затем внеклеточные нейротрансмиттеры взаимодействуют с конкретными постсинаптическими трансмембранными белковыми рецепторами, позволяя части нейротрансмиттеров проникать в постсинаптический нейрон.
  2. Пресинаптические везикулы : Пузырьки являются средством химико-синаптической пластичности. Пресинаптические нейроны передают информацию (в виде нейротрансмиттеры ) к постсинаптическим нейронам через везикулы. Нейромедиаторы внутри везикул транспортируются в синаптическую щель, где они взаимодействуют со специфическими для нейромедиатора постсинаптическими рецепторами белков.
  3. Глутамат: Глутамат является основным возбуждающим нейротрансмиттером у позвоночных и играет большую роль в синаптическая пластичность. Стимул к пресинаптическим нейронам запускает высвобождение глутамата в синаптическую щель посредством высвобождения пресинаптических везикул. Попав в синаптическую щель, глутамат может связываться и активировать постсинаптические рецепторы глутаматергических белков, такие как NMDA и AMPA рецепторы.
  4. Постсинаптический рецептор AMPA: рецепторы AMPA представляют собой трансмембранный белок ионотропные рецепторы которые быстро открываются и закрываются и отвечают за быструю возбуждающую синаптическую связь в Центральная нервная система. Рецепторы AMPA состоят из четырех субъединиц, с которыми может связываться глутамат. В зависимости от состава субъединиц рецептора AMPA рецептор может быть проницаемым для катионов, таких как кальций, натрий, или же калий

Взаимодействия

Синаптическое масштабирование - это постсинаптическое гомеостатическая пластичность механизм, происходящий при изменении количества Рецепторы AMPA в постсинаптический терминал (кончик дендрит принадлежащий постсинаптическому нейрону, который встречается с кончиком аксон принадлежащий пресинаптическому нейрону) нейрона. Этот процесс с обратной связью дает нейрону возможность контролировать синаптическую силу всех его синаптических связей с помощью глобальной отрицательной обратной связи, изменяя вероятность контакта глутамата (наиболее распространенного возбуждающего нейромедиатора) с постсинаптическими рецепторами AMPA. Следовательно, способность нейрона модулировать количество постсинаптических рецепторов AMPA дает ему возможность достигать набора потенциал действия скорострельность.[3]

Вероятность контакта глутамата с постсинаптическим рецептором AMPA пропорциональна концентрации как трансмембранного глутамата, так и постсинаптического рецептора AMPA. Когда глутаматные и постсинаптические рецепторы AMPA взаимодействуют, постсинаптическая клетка испытывает временный деполяризующий ток, известный как EPSP (возбуждающий постсинаптический потенциал). Пространственное и временное накопление ВПСП в постсинаптическом нейроне увеличивает вероятность того, что нейрон запускает потенциал действия. Следовательно, концентрации внеклеточного глутамата (и других катионов) и количество постсинаптических рецепторов AMPA напрямую коррелируют со скоростью возбуждения потенциала действия нейронов. Некоторые теории предполагают, что каждый нейрон использует кальций-зависимые клеточные сенсоры для определения скорости активации собственного потенциала действия.[4] Эти датчики также формируют входные данные для систем регулирования гомеостатической пластичности клеток. При синаптическом масштабировании нейроны используют эту информацию для определения масштабного коэффициента. Каждый нейрон впоследствии использует коэффициент масштабирования для глобального масштабирования (либо повышающей, либо понижающей регуляции) количества трансмембранных рецепторов AMPA на всех постсинаптических участках.

Некоторые исследования показывают, что существует две механически различных формы гомеостатической пластичности, связанные с перемещением или трансляцией Рецепторы AMPA при постсинапсе синаптических связей:

  1. Локальный синтез рецепторов AMPA: Локальный синтез рецепторов AMPA происходит в течение 4 часов. мРНК перевод частота внутри постсинаптического нейрона изменяет количество продуцируемых местных рецепторов AMPA. Этот механизм используется для изменения количества постсинаптических рецепторов AMPA за короткие периоды времени.
  2. Глобальное синаптическое масштабирование: эта форма гомеостатической пластичности имеет место в течение периода времени в дни (24–48 часов).[3] и имеет более выраженный эффект на общую скорость возбуждения нейронов, чем локальный синтез рецепторов AMPA. Различные механизмы внутриклеточного транспорта помогают рецепторам AMPA мигрировать в постсинаптическую щель из всей клетки.

Механизмы

Трансляция рецепторов AMPA в локальной области

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

Ибата и его коллеги изучали механизмы масштабирования локальных AMPA-рецепторов путем визуализации постсинаптических трансмембран GluR2 субъединицы с помощью фармацевтических манипуляций в течение 4 часов.[5] Флуоресцентная микроскопия был использован для визуализации белков GluR2 в синаптических участках нейронов. Исследование показало, что локальная трансляция рецептора AMPA происходит, когда постсинаптическая активация и рецепторы NMDA блокируются одновременно с помощью фармацевтических манипуляций с использованием APV и TTX чтобы заблокировать постсинаптическую активацию. Доктор Турриджиано предположил, что блокирование постсинаптического возбуждения может вызвать повышенную регуляцию рецепторов AMPA. Изменения в существующей флуоресценции белка GluR-2 наблюдались всего через час после ванны с ТТХ. Количество синаптических сайтов оставалось постоянным, что указывает на то, что этот краткосрочный синтез рецептора AMPA происходит только на существующих синаптических связях.

Внутриклеточная электрофизиология были проведены записи, чтобы проверить, приравнивается ли увеличение количества постсинаптических рецепторов AMPA к повышающей регуляции силы синаптических связей. Внутриклеточные записи показывают устойчивое увеличение mEPSC амплитуда (примерно на 130% выше контрольных значений) после 4–5 часов лечения ТТХ. Более длительные обработки TTX приводили к более заметному увеличению амплитуды mEPSC. Предполагается, что эта форма переноса рецептора AMPA направляется 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 перенос рецепторов AMPA. Различные механизмы внутриклеточного транспорта помогают рецепторам AMPA мигрировать от целого нейрона к постсинаптической щели.

Долгосрочный, одновременный конфокальная микроскопия и электрофизиология исследование, проведенное на кортикальных нейронных сетях крыс in vitro (возраст> 3 недель in vitro), растущих на Мультиэлектродные массивы исследовали корреляцию между уровнями сетевой активности и изменениями размеров отдельных синапсов.[6] В частности, долговременная флуоресцентная микроскопия использовалась для отслеживания изменений количества (флуоресценции) PSD-95 молекулы в отдельных синапсах в течение нескольких дней. Поскольку молекулы PSD-95 закрепляют постсинаптические рецепторы AMPA и NMDA, они служат надежными количественными маркерами постсинаптических трансмембранных рецепторов глутамата. Это исследование состояло из двух серий экспериментов. В первом наборе наблюдали за морфологией синапсов и спонтанной нейронной активностью в течение примерно 90 часов (то есть не использовались внешние стимулы или фармацевтические манипуляции для нарушения нейронных сетей). В течение этого периода наблюдались значительные колебания размеров отдельных синапсов; тем не менее, распределение синаптических размеров, а также средние значения синаптических размеров оставались удивительно постоянными. Было обнаружено, что текущая активность ограничивает размеры синапсов, увеличивая тенденцию больших синапсов к сокращению и увеличивая тенденцию малых синапсов к росту. Таким образом, активность поддерживала распределение синаптических размеров (на уровне популяции) в определенных пределах. Во второй серии экспериментов такой же анализ был проведен после добавления TTX блокировать все спонтанные действия. Это привело к расширению синаптических распределений размеров и увеличению средних значений синаптических размеров. Когда отдельные синапсы отслеживались с течением времени, было обнаружено, что их размеры все еще значительно колеблются, однако теперь не было обнаружено никакой связи между степенью или направлением изменений размера и начальным размером синапса. В частности, не было обнаружено доказательств того, что изменения в размере синапса масштабируются с начальным размером синапса. Это указывает на то, что гомеостатический рост содержания рецепторов AMPA, связанный с подавлением активности, является численность населения явление, которое возникает в результате потери зависимых от активности ограничений, а не из-за увеличения содержания рецептора AMPA в отдельных синапсах.

Связь с гомеостатической и геббовской пластичностью

Основные статьи: Гомеостатическая пластичность и Хеббийская теория

Есть свидетельства того, что пресинаптическая и постсинаптическая гомеостатическая пластичность работают в унисон, регулируя скорость возбуждения.[7] Блокада постсинаптической активности (ТТХ) в культуре может увеличиваться mEPSC амплитуда и частота mEPSC.[8] Увеличение частоты mEPSC указывает на то, что нейроны испытывают увеличение вероятности того, что пресинаптический глутаматный нейромедиатор вступит в контакт с постсинаптическим рецептором AMPA. Кроме того, было показано, что пресинаптические везикулы изменение размера, когда срабатывание потенциала действия блокируется через (через TTX).[9]

Пресинаптическая гомеостатическая пластичность включает: 1) Размер и частоту пресинаптических нейротрансмиттер релиз (например модуляция mEPSC). 2) Вероятность высвобождения везикулы нейротрансмиттера после активации потенциала действия. Блокада постсинаптической активности (по ТТХ) в культуре может увеличиваться mEPSC амплитуда и частота mEPSC (частота была изменена только в культурах старше 18 дней).[8] Увеличение частоты mEPSC указывает на то, что нейроны испытывают увеличение вероятности контакта пресинаптического глутаматного нейромедиатора с постсинаптическим рецептором AMPA.

Хеббийская пластичность и гомеостатическая пластичность неразрывно связаны.[10] Нейроны используют механизмы пластичности Хебба для модификации своих синаптических связей внутри нейронная цепь на основе коррелированных входных данных, которые они получают от других нейронов. Долгосрочное потенцирование (LTP) механизмы управляются связанными пресинаптическими и постсинаптическими активациями нейронов; с помощью гомеостатической пластичности LTP и LTD создают и поддерживают точные синаптические веса в нейронной сети. Сохранение коррелированной нейронной активности - без петли гомеостатической обратной связи - заставляет механизмы LTP постоянно активизировать регулирование силы синаптических связей. Неуказанное усиление синаптических весов приводит к тому, что нейронная активность становится нестабильной до такой степени, что незначительные стимулирующие возмущения могут вызывать хаотическое синхронное возбуждение всей сети, известное как всплески. Это делает нейронную сеть неспособной к вычислениям.[11] Поскольку гомеостатическая пластичность нормализует синаптическую силу всех нейронов в сети, общая активность нейронной сети стабилизируется.

Рекомендации

  1. ^ а б Сиддоуэй, Бенджамин; Хоу, Хайлог; Ся, Хухуэй (март 2014 г.). «Молекулярные механизмы гомеостатического синаптического даунскейлинга». Нейрофармакология. 78: 38–44. Дои:10.1016 / j.neuropharm.2013.07.009. PMID  23911745.
  2. ^ Turrigiano, G.G .; Нельсон, С. Б. (2000). «Хебб и гомеостаз в пластичности нейронов». Текущее мнение в нейробиологии. 10 (3): 358–64. Дои:10.1016 / s0959-4388 (00) 00091-x. PMID  10851171.
  3. ^ 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. ЧВК  2834419. PMID  18984155.
  4. ^ Мардер, Э; Гоайярд, Дж. М. (2006). «Вариабельность, компенсация и гомеостаз в нейронных и сетевых функциях». Обзоры природы Неврология. 7 (7): 563–74. Дои:10.1038 / nrn1949. PMID  16791145.
  5. ^ Ибата, К; Солнце, Q; Турриджано, Г. Г. (2008). «Быстрое синаптическое масштабирование, вызванное изменениями в постсинаптическом возбуждении». Нейрон. 57 (6): 819–26. Дои:10.1016 / j.neuron.2008.02.031. PMID  18367083.
  6. ^ Минерби, А; Kahana, R; Гольдфельд, Л; Кауфман, М; Маром, С; Зив, Н. Э. (2009). «Долгосрочные отношения между синаптической устойчивостью, синаптическим ремоделированием и сетевой активностью». PLoS Биология. 7 (6): e1000136. Дои:10.1371 / journal.pbio.1000136. ЧВК  2693930. PMID  19554080.
  7. ^ Уоллес, Вт; Медведь, М. Ф. (2004). «Морфологический коррелят синаптического масштабирования в зрительной коре». Журнал неврологии. 24 (31): 6928–38. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.1110-04.2004. PMID  15295028.
  8. ^ а б Wierenga, C.J .; Уолш, М. Ф .; Турриджиано, Г. Г. (2006). «Временная регуляция локуса экспрессии гомеостатической пластичности». Журнал нейрофизиологии. 96 (4): 2127–33. Дои:10.1152 / ян.00107.2006. PMID  16760351.
  9. ^ Turrigiano, G.G .; Лесли, К. Р .; Desai, N. S .; Rutherford, L.C .; Нельсон, С. Б. (1998). «Активно-зависимое масштабирование квантовой амплитуды в нейронах неокортекса». Природа. 391 (6670): 892–6. Дои:10.1038/36103. PMID  9495341.
  10. ^ Турриджано, Г. Г. (1999). «Гомеостатическая пластичность нейронных сетей: чем больше меняются вещи, тем больше они остаются прежними». Тенденции в неврологии. 22 (5): 221–7. Дои:10.1016 / s0166-2236 (98) 01341-1. PMID  10322495.
  11. ^ Wagenaar, D.A .; Сосна, Дж; Поттер, С. М. (2006). «Поиск пластичности диссоциированных кортикальных культур на многоэлектродных решетках». Журнал отрицательных результатов в биомедицине. 5: 16. Дои:10.1186/1477-5751-5-16. ЧВК  1800351. PMID  17067395.