突觸可塑性
編輯在神經科學中,突觸可塑性是突觸隨著時間的推移而增強或削弱的能力,以響應其活性的增加或減少。由于記憶被假設為大腦中廣泛互連的神經回路所代表,突觸可塑性是學習和記憶的重要神經化學基礎之一。
塑料變化通常是由于突觸上的神經遞質受體數量的變化。有幾個潛在的機制可以合作實現突觸可塑性,包括釋放到突觸中的神經遞質數量的變化,以及細胞對這些神經遞質的反應效率的變化。興奮性突觸和抑制性突觸的可塑性都取決于突觸后鈣的釋放。
生化機制
編輯突觸可塑性的兩種分子機制涉及NMDA和AMPA谷氨酸受體。NMDA通道的開放(與細胞去極水平有關)會導致突觸后Ca2+濃度的上升,這與長期增強、LTP(以及與蛋白質激酶激活有關);突觸后細胞的強烈去極化完全取代阻礙NMDA離子通道并允許鈣離子進入細胞的鎂離子——可能導致LTP,而較弱的去極化僅部分取代Mg2+離子,導致進入突觸后神經元的Ca2+更少,細胞內Ca2+濃度降低(激活蛋白質磷酸酶并誘導長期抑郁,LTD)。
這些激活的蛋白質激酶用于磷酸化突觸后興奮受體(例如AMPA受體),改善陽離子傳導,從而增強突觸。此外,這些信號將額外的受體引入突觸后膜,刺激修飾受體類型的產生,從而促進鈣的流入。這反過來又增加了給定的突觸前刺激的突觸后興奮。這個過程可以通過蛋白質磷酸酶的活性逆轉,蛋白質磷酸酶的作用是對這些陽離子通道脫磷酸化。
第二個機制取決于第二個信使級聯來調節基因轉錄和鞍狀突觸(如CaMKII和PKAII)關鍵蛋白質水平的變化。激活第二信使路徑會導致樹突脊柱內CaMKII和PKAII水平升高。這些蛋白激酶與樹突棘體積和LTP過程的生長有關,例如將AMPA受體添加到質膜中,以及離子通道磷酸化以提高滲透性。激活蛋白的定位或分區發生在給定刺激的情況下,刺激在樹突棘中產生局部影響。來自NMDA受體的鈣是激活CaMKII所必需的。這種激活局灶刺激的脊柱局部化,在擴散到相鄰的脊柱或軸部之前會失活,這表明LTP的一個重要機制,蛋白質激活的特定變化可以定位或分區化,以提高單樹突棘的反應性。單個樹突棘能夠對突觸前細胞形成獨特的反應。第二個機制可以由蛋白質磷酸化觸發,但持續時間更長,為長期記憶存儲提供了機制。LTP的持續時間可以通過這些第二信使的崩潰來調節。例如,磷酸二酯酶分解了二級信使cAMP,這與突觸后神經元中AMPA受體合成的增加相關。
兩個神經元之間突觸連接(長期增強或LTP)有效性的長期變化可能涉及突觸觸點的形成和斷裂。激活素?-A等基因編碼激活素A的亞基,在LTP早期被上調。活化素分子通過MAP-激酶通路調節樹突棘中的動蛋白動力學。通過改變樹突棘的F-肌動蛋白細胞骨骼結構,脊柱頸被延長,從而增加了電隔離。最終結果是長期維護LTP。
突觸后膜上的離子通道數量會影響突觸的強度。研究認為,突觸后膜上的受體密度發生變化,影響神經元對刺激的反應興奮性。在保持平衡的動態過程中,N-甲基D-天冬氨酸受體(NMDA受體)和AMPA受體通過外細胞增多作用添加到膜中,并通過內吞作用去除。這些過程,推而廣之,膜上的受體數量,可以通過突觸活動來改變。實驗表明,AMPA受體通過囊泡膜與突觸后膜融合通過蛋白質激酶CaMKII傳遞到突觸,CaMKII是由鈣通過NMDA受體涌入激活的。CaMKII還通過磷酸化改善AMPA離子電導率。當高頻NMDA受體激活時,蛋白質PSD-95的表達會增加,從而增加AMPA受體的突觸能力。這導致AMPA受體長期增加,從而導致突觸強度和可塑性。
如果突觸的強度僅通過刺激增強或由于缺乏突觸而減弱,則將產生正反饋回路,導致一些細胞從不開火,一些細胞開火過多。但兩種可塑性調節形式,即縮放性和可塑性,也存在,以提供負面反饋。突觸縮放是神經元能夠穩定上下發射率的主要機制。
突觸縮放有助于保持突觸相對于彼此的強度,降低小興奮性突觸后電位的振幅,以應對持續的興奮,并在長時間阻塞或抑制后提高它們。這種影響通過改變突觸處的NMDA受體數量,在幾個小時或幾天內逐漸發生(Pérez-Ota?o和Ehlers,2005年)。變質性改變可塑性發生的閾值水平,允許對突觸活動進行綜合響應,并防止LTP和LTD的飽和狀態。由于LTP和LTD(長期抑郁癥)依賴于Ca2+通過NMDA通道的流入,因此可塑性可能是由于NMDA受體的變化、鈣緩沖的變化、激酶或磷酸酶的狀態的變化以及蛋白質合成機制的啟動。突觸縮放是神經元選擇性地選擇其不同輸入的主要機制。受 LTP/LTD 影響的神經元回路,并受縮放和變質的修飾,導致以赫比亞語方式的混響神經回路發展和調節,表現為記憶,而神經回路的變化從突觸級別開始,是生物體學習能力不可分割的一部分。
生化相互作用還有一個特異性元素來產生突觸可塑性,即位置的重要性。過程發生在微結構域——例如AMPA受體的胞外吞作用在空間上受t-SNARE STX4的調節。特異性也是涉及納米結構域鈣的CAMKII信號傳遞的一個重要方面。樹突棘和軸之間的PKA空間梯度對于突觸可塑性的強度和調節也很重要。重要的是要記住,改變突觸可塑性的生化機制發生在神經元的單個突觸水平上。由于生化機制僅限于這些“微結構域”,由此產生的突觸可塑性僅影響發生突觸的特定突觸。
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