Sinaptik olmayan plastisite - Nonsynaptic plasticity

Beyindeki plastisite, sinirsel bağlantıların ve yolların gücünü etkiler.

Sinaptik olmayan plastisite bir biçimdir nöroplastisite değiştirilmesini içeren iyon kanalı işlevi akson, dendritler ve entegrasyonunda belirli değişikliklere neden olan hücre gövdesi uyarıcı postsinaptik potansiyeller (EPSP'ler) ve inhibitör postsinaptik potansiyeller (IPSP'ler). Sinaptik olmayan plastisite, içsel olanın bir modifikasyonudur heyecanlanma nöronun. İle etkileşime giriyor sinaptik plastisite ancak sinaptik plastisiteden ayrı bir varlık olarak kabul edilir. Elektriksel özelliklerin içsel modifikasyonu nöronlar plastisitenin birçok alanında rol oynar homeostatik plastisite -e öğrenme ve hafıza kendisi. Sinaptik olmayan plastisite etkiler sinaptik entegrasyon, alt eşik yayılma, başak üretimi ve hücresel düzeyde nöronların diğer temel mekanizmaları. Bu bireysel nöronal değişiklikler, yüksek beyin işlev, özellikle öğrenme ve hafıza. Ancak, yeni ortaya çıkan bir alan olarak sinirbilim Sinaptik olmayan plastisite hakkındaki bilgilerin çoğu belirsizdir ve yine de beyin fonksiyonu ve davranışındaki rolünü daha iyi tanımlamak için daha fazla araştırma gerektirir.

Vs. sinaptik plastisite

Nöroplastisite bir nöronun belirli bir bölümünün veya bölgesinin zamanla güçte değişme yeteneğidir. Büyük ölçüde bilinen iki plastiklik kategorisi vardır: sinaptik ve sinaptik olmayan. Sinaptik plastisite doğrudan iki nöron arasındaki bağlantının gücü ile ilgilenir, nörotransmiter -den serbest bırakıldı presinaptik nöron ve oluşturulan yanıt postsinaptik nöron. Sinaptik olmayan plastisite, nöronal uyarılabilirliğin modifikasyonunu içerir. akson, dendritler, ve Soma sinapstan uzaktaki tek bir nöronun.

Sinaptik plastisite

Sinaptik plastisite, iki nöron arasındaki sinapsın zamanla güçte değişme yeteneğidir. Sinaptik plastisite, sinaptik yolun kullanımındaki değişikliklerden, yani sinaptik potansiyellerin frekansından ve kimyasal sinyalleri iletmek için kullanılan reseptörlerden kaynaklanır. Sinaptik esneklik, beyindeki öğrenme ve hafızada büyük rol oynar. Sinaptik plastisite, sinaps gücündeki değişikliklerin kendi aktivitesi nedeniyle meydana geldiği içsel mekanizmalar yoluyla veya sinaps gücündeki değişikliklerin diğer nöral yollarla meydana geldiği dışsal mekanizmalar yoluyla meydana gelebilir. Kısa süreli inhibe edici sinaptik plastisite, genellikle sınırlı nörotransmiter sinapsta tedarik ve uzun süreli inhibisyon, düşük reseptör ekspresyonu yoluyla meydana gelebilir. postsinaptik hücre. Kısa vadeli tamamlayıcı sinaptik plastisite, sıklıkla presinaptik veya postsinaptik terminaldeki kalıntı veya artmış iyon akışı nedeniyle oluşurken, uzun vadeli sinaptik plastisite, artan üretim yoluyla meydana gelebilir. AMPA ve NMDA diğerleri arasında, postsinaptik hücrede glutamat reseptörleri.[1]

Sinaptik olmayan plastisite

Buna karşılık, sinaptik olmayan esneklik, sinirbilimde daha az bilinen ve biraz yeni ve devam eden bir araştırma alanıdır. Sinaptik olmayan yapıların özelliklerindeki değişikliklerle kendini gösterir. soma (biyoloji) akson veya dendritler. Sinaptik olmayan plastisitenin kısa vadeli veya uzun vadeli etkileri olabilir. Bu değişikliklerin gerçekleşmesinin bir yolu, voltaj kapılı kanallar hücreye yayılan uyarıcı veya inhibe edici potansiyellerin yorumunu değiştiren dendritlerde ve aksonda. Örneğin, aksonal sinaptik olmayan plastisite, Aksiyon potansiyeli düşük iletim veya iyon birikmesi nedeniyle presinaptik terminale ulaşmada başarısızlık. [2]

Nöronal soma, akson ve dendritler sinaptik olmayan plastisitede rol oynar ve sinapstaki plastisiteyi etkiler.

Sinerjik etkiler

Genel uyarıcı etkiler

Sinaptik olmayan ve sinaptik plastisitenin, nöronda uyarıcı etkiler üretmek için çeşitli şekillerde aynı anda çalıştığı gösterilmiştir. Bu, potasyum ve diğer presinaptik iyon kanallarının sinaptik olmayan düzenlemesinin bir ürünü olan sivri uç oluşumunu içerir. uyarıcı postsinaptik potansiyel nörotransmiter salınımı ve aksiyon potansiyelinin artırılması yoluyla.[3] Sinaptik olmayan dendritik plastisite ayrıca aksiyon potansiyelini genişleterek sinaptik plastisitenin etkilerine katkıda bulunur. Daha fazla tartışılacağı gibi, beyin kaynaklı nörotrofik faktör (BNDF), sinaptik olmayan ve sinaptik plastisiteyi koordine etmek için nöronlar tarafından üretilir.[4] Somal vücuttaki, aksondaki veya nöronun dendritlerindeki sinaptik olmayan değişiklikler, ayrılmaz bir şekilde sinaptik güçle bağlantılıdır.

Hafıza ve öğrenmede entegrasyon

Sinaptik plastisitenin hafıza ve öğrenmedeki rolü hakkında çok daha fazla şey bilinmesine rağmen, hem sinaptik hem de sinaptik olmayan plastisite hafıza ve öğrenme beyinde. Her iki mekanizmanın da gözlemlenen etkileri sinerjik olarak elde etmek için çalıştığına dair birçok kanıt vardır. Bunun önemli bir örneği, sinaptik salım mekanizmalarının ve postsinaptik reseptörlerin modifikasyonunun uzun vadeli güçlenmeyi veya depresyonu etkilediği sinapstaki hafıza oluşumudur. Sürekli somal depolarizasyon öte yandan sinaptik olmayan esneklik ile öğrenilmiş davranış ve hafıza için bir yöntem olarak önerilmiştir. Sinaptik olmayan plastisite ayrıca sinaptik hafıza oluşumunun etkinliğini, voltaj kapılı iyon kanalları. Sinaptik olmayan plastisite, aksondaki bu kanalların modifikasyonlarından sorumlu olan mekanizmadır, nöronal aksiyon potansiyelinin gücünde bir değişikliğe yol açar, her zaman sinaptik mekanizmaların gücünü ve dolayısıyla bellek kodlamasının derinliğini ve uzunluğunu etkiler. [5][6]

Sinaptik plastisitenin düzenlenmesi

Sinaptik olmayan plastisite ayrıca sinaptik plastisitenin etkilerini düzenleme yeteneğine de sahiptir. olumsuz geribildirim mekanizmalar. Akson veya dendritlerdeki iyon kanallarının sayısındaki ve özelliklerindeki değişim, aşırı uyarılmış bir sinapsın etkilerini azaltma yeteneğine sahiptir.[5][6] Bu iyon kanallarının aşırı uyarılması durumunda, iyonların hücreye geriye doğru akışı meydana gelecek ve bu da eksitotoksisite ve hücre ölümü apoptoz veya nekroz.[7]

İçsel mekanizmalar

Akson gibi sinaptik olmayan nöronal alanlar da sinapsı etkileyen doğal niteliklere sahiptir. Bu temel mekanizmalar, akson boyunca ilerlerken aksiyon potansiyelinin maruz kaldığı depolarizasyondaki gecikmeyi içerir. Bu içsel kalite, aksiyon potansiyellerinin yayılmasını yavaşlatır ve depolarize edici akımın sitoplazma boyunca hareketinden ve sodyum kanallarının aralıklı yerleştirilmesinden kaynaklanır. Ranvier düğümleri. Bu mekanizmalar her zaman mevcuttur, ancak o sırada hücre soma, akson ve dendritlerin koşullarına bağlı olarak değişebilir. Bu nedenle, eylem potansiyellerinin veya EPSP'lerin yayılmasındaki gecikme veya gecikme değişken olabilir. Her uyarıcı postsinaptik potansiyel postsinaptik bir hücreye yayılan bu, ilk olarak hareket potansiyeli yoluyla presinaptik hücrede akson boyunca iletilir ve bu nedenle sinaptik olmayan plastisite, doğal olarak sinaptik plastisiteyi etkiler.[1]

Türler

Nöronlar, diğer nöronlarda aksiyon potansiyellerinin oluşumunu etkileyen karmaşık ağlarda etkileşime girer.

Bir nöronun içsel uyarılabilirliği

Herhangi bir noktada bir nöronun uyarılabilirliği, uyarılma anındaki hücrenin iç ve dış koşullarına bağlıdır. Bir nöron tipik olarak bir seferde birden fazla gelen sinyal aldığından, yayılma bir aksiyon potansiyeli, tüm gelenlerin entegrasyonuna bağlıdır. EPSP'ler ve IPSP'ler varmak akson tepesi. Tüm uyarıcı ve inhibe edici sinyallerin toplamı depolarize etmek Hücre zarı eşik voltajına, bir aksiyon potansiyeli ateşlenir. Bir nöronun içsel uyarılabilirliğini değiştirmek, o nöronun işlevini değiştirecektir.

Spike üretimi

Sinaptik olmayan plastisitenin oluşumunda uyarıcı bir etkisi vardır. sivri uçlar. Ani artış üretimindeki artış, başak eşiği,[3] sinaptik olmayan plastisiteden bir yanıt. Bu yanıt, belirli presinaptik K'nin modülasyonundan kaynaklanabilir.+ (potasyum iyonu) akımları (IBir,BENK, Ca, ve benKs) duyusal nöronların uyarılabilirliğini artırmak, aksiyon potansiyelini genişletmek ve geliştirmek için çalışan nörotransmiter serbest bırakmak. K'nin bu modülasyonları+ iletkenlikler, uyarılabilirliği düzenlemek için ortak mekanizmalar olarak hizmet eder ve sinaptik güç.[5]

Sinaptik plastisitenin düzenlenmesi

Sinaptik olmayan plastisite, hem sinerjistik hem de düzenleyici mekanizmalar yoluyla sinaptik plastisite ile ilişkilendirilmiştir. Sinaptik modifikasyonun derecesi, polarite Hücresel uyarılabilirlikteki değişikliği etkileyen sinaptik olmayan değişikliklerin oranı. Orta düzeydeki sinaptik esneklik, bir yanıtı güçlendirmek için sinaptik mekanizmalarla sinerjik olarak hareket edecek sinaptik olmayan değişiklikler üretir. Tersine, daha sağlam sinaptik plastisite seviyeleri, sinaptik olmayan tepkiler üretecektir. olumsuz geri bildirim mekanizması. Negatif geri besleme mekanizmaları, bir bütün olarak devre aktivitesinin doygunluğuna veya bastırılmasına karşı koruma sağlamak için çalışır.[5]

Aksonal modülasyon

Aksonal modülasyon, sayı, aktivite veya konumunun bulunduğu bir plastiklik türüdür. iyon kanalları akson değişikliklerinde. Bu, nöronun uyarıldığında farklı davranmasına neden olur. İyon kanallarının modülasyonu, bir nöronun stimülasyon frekanslarındaki değişime bir tepkidir.

Yayılma plastisitesi
Eylem potansiyeli yayılma animasyonu

Nihayetinde eşik polarizasyonunun aşılmasıyla sonuçlanan eylem potansiyellerinin toplamı olduğundan, farklı giriş sinyallerinin zamansal ilişkisi, sinaptik sonrası bir nöronun ateşlenip ateşlenmeyeceğini ve ne zaman ateşleneceğini belirlemede çok önemlidir. Zamanla, belirli bir aksonun uzunluğunu aşağı doğru yaymak için bir aksiyon potansiyeli harcadığı zaman değişebilir. Bir deneyde çoklu elektrot dizileri eylem potansiyellerinin bir elektrottan diğerine geçme süresini ölçmek için kullanılır, buna gecikme denir. Nöronlar daha sonra uyarıldı ve gecikmenin değeri zamanla kaydedildi. Gecikme değerleri zamanla değişti, bu da aksonal plastisitenin aksiyon potansiyellerinin yayılmasını etkilediğini düşündürdü.[8]

Şant

Şant, pasif akış sırasında aksonal iyon kanallarının açıldığı bir işlemdir ( iyon pompası ) bir alt eşiğin depolarizasyon akson aşağı. Genellikle aksonal dallanma noktalarında meydana gelir,[9] Alt eşik sinyali alana ulaştıkça bu kanalların açılma zamanlaması, pasif olarak akan depolarizasyona bir hiperpolarizasyonun girmesine neden olur. Bu nedenle hücre, eşik altı depolarizasyon akımının aksonun hangi dallarından geçtiğini kontrol edebilir, bu da aksonun bazı dallarının diğerlerinden daha fazla hiperpolarize olmasına neden olur. Bu farklı membran potansiyelleri, nöronun belirli bölgelerinin diğerlerinden daha fazla uyarılmasına ve şantın spesifik konumuna ve oluşumuna bağlı olarak neden olur.

Yüksek frekanslı stimülasyon

Kısa vadeli etkiler: Bir nöronun kısa bir süre için yüksek frekanslı uyarılması, nöronun miktarını azaltarak nöronun uyarılabilirliğini artırır. Voltaj aksiyon potansiyelini ateşlemek için gerekli.[3]Yüksek frekanslı stimülasyon, hücre içi sodyum ve kalsiyum iyonlarının konsantrasyonunun tekrar tekrar açılmasına bağlı olarak artışa neden olur. voltaj kapılı sodyum ve kalsiyum kanalları akson ve terminalde. Uyaranların sıklığı arttıkça, her uyaran arasında hücrenin uyması için daha az zaman vardır. yeniden kutuplaştırmak ve normale dön dinlenme potansiyeli. Bu nedenle, dinlenme potansiyeli daha depolarize hale gelir, yani bir aksiyon potansiyelini ateşlemek için daha küçük bir depolarize akım gerekir.

Ancak, bu modülasyon genellikle çok kısa sürelidir. Stimülasyon durursa, nöron iyon kanalları olarak orijinal dinlenme potansiyeline geri döner ve pompalar Son uyarandan kurtulmak için yeterli zamanınız var.

Uzun vadeli etkiler: Bir nöronun uzun bir süre boyunca yüksek frekanslı uyarılması, sonuçta ortaya çıkan iki nöronal değişikliğe neden olur. Başlangıçta, nöron, kısa süreli stimülasyon sırasında olduğu gibi, uyarılabilirlikte bir artışla yanıt verir. Bu noktadan sonra yüksek frekanslı uyarıma devam edilmesi, uyarılabilirlikte sert, geri dönüşü olmayan bir değişiklikle sonuçlanır. Aksonda sodyum konsantrasyonları yeterince yüksek bir seviyeye ulaştığında, sodyum / kalsiyum pompaları akış yönlerini tersine çevirerek kalsiyumun dışarı çıkarken hücreye alınmasına neden olur. Artan kalsiyum konsantrasyonu (ve ardından zarın depolarizasyonu) inaktive eder sodyum kanalları ve bunları hedefler endositoz ve lizozomal hidroliz.[10]Bu, aksiyon potansiyeli yayılımı için gerekli olan aksonal sodyum kanallarında büyük bir düşüşe neden olur. Stimülasyon devam ederse, sonunda nöron eylem potansiyellerini iletmeyi durduracak ve ölecektir. Aşırı uyarılmaya bağlı nöronal ölüm denir eksitotoksisite.

Düşük frekanslı uyarım

Kısa vadeli etkiler: Tüm canlı nöronlar, bazal bir aksiyon potansiyeli yayılma hızına ve sinaptik salım oranına sahiptir. Bu nedenle, kısa vadede bir nöronun düşük frekanslı uyarımı, beyindeki dinlenme halindeki bir nöronun aktivitesine benzer. Nöronun içsel uyarılabilirliğinde büyük bir değişiklik olmaz.

Uzun vadeli etkiler: Bir nöronun uzun süre düşük frekanslı uyarılması, etiketleyen kalsiyuma bağlı fosfatazları aktive ederek nöronun uyarılabilirliğini azaltır. AMPA reseptörleri içselleştirme için.[11] Düşük frekanslı uyarı, hücrede düşük kalsiyum seviyelerine yol açar. Kalsiyum konsantrasyonları düşük olduğunda, aktif kalsiyuma bağımlı fosfatazlar, kalsiyuma bağımlı kinazlara üstün gelir. Daha fazla fosfataz aktive edildikçe, endositoz yoluyla içselleştirme için daha fazla AMPA reseptörü etiketlerler. AMPA reseptörleri, nöronlar üzerindeki ana uyarıcı reseptörlerden biri olduğundan, onları hücre zarından çıkarmak, hücreyi etkili bir şekilde bastırır (hücre uyarıcı sinyallere tepki veremezse, kendi başına bir aksiyon potansiyeli oluşturamaz). Bu şekilde, düşük frekanslı stimülasyon, gerçekte, uzun vadeli güçlendirme,[12] ancak bu kavramlar genellikle sinaptik plastisite türleri olarak kabul edilir.

Homeostatik ve Hebbian plastisite

Merkezi sinir sistemi (CNS) nöronları, birçok nörondan gelen sinyalleri birleştirir. Kısa vadede, nöronun aktivitesinde değişikliklerin olması önemlidir çünkü bilgi sinir sisteminde bu şekilde iletilir (Hebbian plastisite ). Bununla birlikte, uzun vadeli sürdürülebilirlik için, uyarılabilirliğe veya kaçınılmazlığa doğru sürüklenme, devrenin bilgi aktarma yeteneğini bozacaktır (homeostatik plastisite ). Uzun vadeli güçlendirme (LTP), sinaptik sonrası nöronlarda daha yüksek ateşleme oranına neden olur. Bir nöronun içsel özelliklerinin, bir homeostatik mekanizma olarak hareket ederek dinamik aralıktan en iyi şekilde yararlanacak şekilde düzenlenmesi gerektiği varsayılmıştır.[13] Bununla birlikte, içsel uyarılabilirliğin, aktif, Hebbian öğrenmenin sürdürülmesini gerektiren lognormal bir dağılımı takip ettiği gösterilmiştir.[14] In vitro çalışmalar, kendiliğinden aktivite Nöron kültürlerinin% 50'si inhibe edildiğinde, nöronlar aşırı uyarılabilir hale gelir ve uzun süreler boyunca aktivitede bir artış indüklendiğinde, kültürün ateşleme hızları düşer.[15][16] Aksine, zıt düzenleme biçiminin, Hebbian öğrenme veya LTP-IE / LTD-IE'nin de gerçekleştiğine dair çok sayıda kanıt vardır.[17] ve teorik argümanlar gösteriyor ki Hebbian plastisite içsel uyarılabilirlik için de baskın plastiklik formu olmalıdır.[14] Dan beri homeostatik plastisite ayrıca bireysel sinapslar arasında meydana gelir,[18] homeostatik plastisitenin ve içsel plastisitenin bağlantılı olduğunu öne süren daha önceki bir görüşün kanıtlarla tutarsız olduğu gösterilmiştir.

Mekanizma

Bir nöronun dinamik aralığını korumak için bir mekanizma sinaptik ölçekleme, bir nöronun sinapslarının postsinaptik tepkisini aktivitenin bir fonksiyonu olarak değiştirerek nöronal aktiviteyi normal "taban çizgisi" seviyelerine geri getiren homeostatik bir plastisite formu. Bir nöronun içsel uyarılabilirliğinin homeostatik modülasyonu, stabiliteyi korumanın başka bir yoludur. Düzenlenmesi iyonik iletkenlikler Çoğunlukla nöromodülatörlerin salınması gibi birçok yolla elde edilebilir. dopamin, serotonin vb.[19] Başka bir yol, beyin kaynaklı kontrollü salınım yoluyladır. nörotrofik faktör (BDNF). BDNF'nin aynı zamanda sinaptik ölçeklemeyi etkilediği de bulunmuştur, bu da bu nörotrofik faktörün, homeostatik plastisitede sinaptik ve sinaptik olmayan mekanizmaların koordinasyonundan sorumlu olabileceğini düşündürmektedir.[4]

Dendritik uyarılabilirlik

Dendritler, diğer girdilerden gelen girdilerin entegrasyonundan sorumlu bölgelerdir. nöronlar. Nöronların dendritlerin entegrasyon özelliklerini yönetmelerinin bir yolu, voltaj kapılı iyon kanallarının sayısını ve özelliklerini değiştirmektir. Belirli bir alanda Uzun vadeli potansiyeli (LTP) teşvik etmek sinaps, o sinapsa özgü dendritik dalların uyarılabilirliğinde bir artışa neden olur.[20] Dendritik uyarılabilirlik, sinaptik sinyallerin yayılması ve entegrasyonu için önemlidir. Dendritik uyarılabilirliğin E-S potansiyeline katkıda bulunduğu veya belirli bir girdinin bir eylem potansiyelinin ateşlenmesine neden olma olasılığında bir artış olduğu düşünülmektedir.[21]

Dendritik uyarılabilirlikteki değişikliklerin aksiyon potansiyelinin geri yayılmasını etkilediği bilinmektedir. Aksiyon potansiyelleri akson tepesinin yakınında başlar ve aksonun uzunluğu boyunca yayılır, ancak aynı zamanda soma boyunca geriye doğru dendritik çardakta yayılırlar. Aktif geri yayılma, iyon kanallarına bağlıdır ve bu kanalların yoğunluklarının veya özelliklerinin değiştirilmesi, sinyalin ne derece olduğunu etkileyebilir. zayıflatılmış.[21] Dendritlerdeki geri yayılmanın plastisitesi bir dakikadan daha kısa sürede gerçekleşir ve 25 dakikadan uzun sürer.[22] Geri yayılma, sinapslara bir aksiyon potansiyelinin ateşlendiğinin sinyalini verme yöntemidir. Bu için önemlidir ani zamanlamaya bağlı plastisite.

İçsel plastisite

İçsel plastisite, aşağıdakilerden farklı, aktiviteye bağlı bir plastisite şeklidir. sinaptik plastisite Bu, tek bir nöron içindeki elektriksel özelliklerdeki değişikliklerden ziyade iki nöron arasındaki sinapstaki değişiklikleri içerir.[23][24] Bir nöronun uyarılabilirliğini etkileyebilecek yakından ilişkili bazı fenomenler vardır - örneğin nöromodülasyon, yapısal esneklik, kanal kinetiğine bağlı kısa vadeli esneklik ve sinirsel gelişim.[25][26] İçsel plastisitenin düzenlediği miktar konusunda fikir birliği yoktur, örn. bir nöronun ateşleme hızı, kazancı veya iç kalsiyum konsantrasyonu. İşlevsel olarak, içsel esneklik, nöronların uyaranların yoğunluğunu öğrenmesine ve uyarılabilirliklerinde bu yoğunluk istatistiklerini temsil etmesine izin verebilir.[27][28] İçsel esneklik, kodlama belleğine katkıda bulunur ve diğer aktiviteye bağlı esneklik biçimlerini tamamlar: sinaptik plastisite.[29]

Daha yüksek beyin işlevi

Uzun süreli çağrışımsal bellek

Deneysel kanıt

Kemenes deneyi ve diğerleri.[2] bunu dışsal olarak gösterdi modülatör nöron sinaptik olmayan esneklik, uzun süreli çağrışımsal belleğin ifadesini etkiler. Sinaptik olmayan plastisite ve hafıza arasındaki ilişki serebral dev hücreler (CGC'ler) kullanılarak değerlendirildi. Depolarizasyon koşullu uyaranlardan nöronal ağ yanıtını artırdı. Bu depolarizasyon, uzun süreli hafıza. Kalıcı depolarizasyon ve davranışsal hafıza ifadesi, eğitimden 24 saat sonra meydana geldi ve bu uzun vadeli etkileri gösteriyor. Bu deneyde, elektrofizyolojik Uzun süreli hafıza izinin ifadesi, koşullu bir uyaranla indüklenen besleme tepkisidir. CGC'ler, eğitimli organizmalarda kontrol grubuna göre önemli ölçüde daha fazla depolarize olmuştur, bu da öğrenme ve uyarılabilirlik değişiklikleri ile ilişkiyi göstermektedir. CGC'ler depolarize edildiğinde, koşullu uyaranlara artan bir yanıt ve daha güçlü bir kurgusal beslenme tepkisi gösterdiler. Bu, depolarizasyonun koşullu uyaranlara önemli bir beslenme tepkisi üretmek için yeterli olduğunu gösterdi. Ek olarak, koşullandırılmış organizmalar ile yapay olarak depolarize edilenler arasındaki beslenme oranlarında önemli bir fark gözlenmedi, bu da depolarizasyonun uzun süreli bellek ile ilişkili davranışı oluşturmak için yeterli olduğunu yeniden teyit etti.[2]

Bellek saklama alanı

Hücredeki sinaptik olmayan aktivite genellikle nöronal uyarılabilirlikteki değişiklikler olarak ifade edilir. Bu, dinlenme ve dinlenme gibi membran bileşenlerinin modülasyonu yoluyla gerçekleşir. voltaj kapılı kanallar ve iyon pompaları. Sinaptik olmayan süreçlerin bellek depolamasına dahil olduğu düşünülmektedir. Bu eylemin olası bir mekanizması, son zamanlarda aktif olan bir nöronun uyarılabilirlikteki değişikliklerle işaretlenmesini içerir. Bu, zamansal olarak ayrılmış uyaranları birbirine bağlamaya yardımcı olur. Başka bir potansiyel mekanizma, sinaptik olmayan plastisitenin öğrenmede modifikasyon için devreleri hazırlayabileceğini gösteren bir hesaplama modelinden gelir çünkü uyarılabilirlik değişiklikleri sinaptik plastisite için eşiği düzenleyebilir.[5]

Sinaptik tabanlı bellek depolama sistemlerinin depolama kapasitesi çok büyüktür, bu da onu çalışmak için çekici bir mekanizma haline getirir. Yaklaşık 10 tane var4 nöron başına sinaps ve 1011 insan beynindeki nöronlar.[23] Sinaptik olmayan plastisite genellikle göz ardı edilir çünkü depolama kapasitesi o kadar yüksek değildir. Bir nöronun akson ve somasındaki iyon kanallarının yoğunluğunu düzenlemek, verimi değiştirecek ve tüm sinapsları etkileyecektir. Bu nedenle, depolama kapasitesi, sinaptik plastisiteden önemli ölçüde daha az olacaktır.

Depolama kapasitesi, onu depolama için tek mekanizma yapmak için çok düşük olsa da, sinaptik olmayan plastiklik, sinaptik depolama yöntemlerine katkıda bulunabilir. İyon kanallarının modülasyonunun, spesifik dendritler kadar küçük bölgelerde meydana gelebileceği gösterilmiştir.[20] Bu özgüllük, sinaptik olmayan plastisitenin depolama kapasitesini, bütün nöron modülasyonu olarak alındığında olduğundan daha büyük hale getirir. Prosedürel anılar Bu tür bir depolama sistemi için iyi bir seçimdir çünkü bildirimsel belleklerin gerektirdiği yüksek özgüllüğü gerektirmezler. Motor görevlerinin genelleştirilmesi ve şartlandırılmış uyaranlar bu bilgiyi depolamanın etkili bir yolu olabilir.[23]

Öğrenme

Eğitimin bir parçası olarak hareket eden öğrenmeden kaynaklanan heyecan değişiklikleri bellek izi bunu nöronlarda daha fazla değişiklik başlatmak için primerler olarak veya kısa süreli bellek için kısa vadeli bir depolama mekanizması ile yapın. Sinaptik olmayan esneklik, hücresel süreçlerin bir sonucu olarak öğrenme sırasında ortaya çıkabilir, ancak zamanlama, kalıcılık ve sinaptik olmayan esneklik ile sinaptik çıktı arasındaki ilişki tam olarak anlaşılamamıştır. Araştırmalar, sinaptik olmayan plastisitenin anıların oluşumunda dolaylı ama önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Öğrenme kaynaklı sinaptik olmayan plastisite, soma depolarizasyonu ile ilişkilidir.[5]

Klasik koşullanma

Deneyler, sinaptik olmayan değişikliklerin koşullu öğrenme. Odunsu ve diğerleri.[30] bunu gösterdi göz bağı koşullandırma (EBC), bir kedide öğrenme ve hafızanın altında yatan nöral yapıları ve mekanizmaları incelemek için klasik bir koşullandırma biçimi olan sensorimotor kortikal alanlar Ve içinde yüz çekirdeği. Klasik koşullanmadan artan uyarılabilirliğin, tepki durduktan sonra da devam ettiği gözlendi. Bu, artan uyarılabilirliğin bellek depolama için bir mekanizma olarak işlev görebileceğini göstermektedir.[5]

Tavşanlarda göz bağı koşullandırmasında, süre boyunca sinaptik olmayan değişiklikler meydana geldi. dorsal hipokampus. Bu, uyarılabilirlik değişikliklerinin tek başına bellek depolama işlemlerini açıklamak için yeterli olmamasına rağmen, sinaptik olmayan esnekliğin, zamanla sınırlı bellek aşamaları için bir depolama mekanizması olabileceğini gösterir. Sinaptik olmayan değişiklikler, hafıza ile ilgili diğer plastisite türlerini etkiler. Örneğin, depolarizasyon gibi sinaptik olmayan bir değişiklik dinlenme membran potansiyeli koşullu öğrenmeden kaynaklanan, gelecekteki öğrenmede sinaptik esnekliğe neden olabilir.[5]

Kural öğrenme ve tasarruf

Kuralları öğrenme yeteneği sinaptik olmayan esnekliğe bağlıdır. Bir çalışma, farelere çeşitli kokuları ayırt etmeyi öğretmeyi amaçladı ve onlara ilk bir çift kokuyu ayırt etmeyi öğretmek birkaç gün sürdü. Bununla birlikte, bunu öğrendikten sonra, sıçan farklı kokuları ayırt etmeyi çok daha hızlı öğrenebildi. Bu sıçanlarda piramidal nöronların uyarılabilirliğindeki değişiklikler, eğitimden sonra üç gün boyunca gözlendi. Bu değişiklikler sonunda soldu ve nöronların hafızayı depolamak için değil kuralları öğrenmeye dahil olduğunu düşündürdü.[5] Daoudal ve Debanne, sinaptik plastisite için tanımlanan aynı öğrenme kurallarının ve indüksiyon mekanizmalarının iyon kanallarını etkileyen sinaptik olmayan plastisiteye de uygulanıp uygulanmadığını belirlemeye çalıştı. Sinaptik olmayan ve sinaptik plastisitenin ortak öğrenme kurallarını ve indüksiyon yollarını paylaştığını belirlediler, örn. NMDA reseptörü bağımlı uzun vadeli güçlendirme (LTP) ve uzun süreli depresyon (LTD). Ayrıca sinaptik olmayan ve sinaptik plastisitenin sinerjistik olarak tutarlı bir engram bellek izlerini saklamak için.[22]

Tasarruf, unutulmuş bilgileri, başlangıçta öğrenildiğinden çok daha hızlı bir şekilde yeniden öğrenme yeteneğidir. Sinaptik olmayan plastisite, bu tasarruf etkisi için olası bir mekanizmadır. Eğitim prosedürleri sırasında birçok nöron, içsel uyarılabilirlikte bir artış yaşar. Uyarılabilirlikteki bu artış, hafıza kaybolduktan sonra bile devam eder.[5][23]

Madde bağımlılığı

Uyuşturucular tipik olarak mezolimbik sistem veya daha spesifik olarak ödül yolu sinir sisteminin. Yaygın kötüye kullanım ilaçları arasında nikotin, nikotinik kolinerjik sinapstaki en güçlü agonistlerden biridir.[31] Asetilkolin (ACh) ile rekabet eden nikotin, sinaptik olmayan, preterminal yoluyla etki eder. nikotinik asetilkolin reseptörü (nAChR'ler) bir membran potansiyeli değişikliği başlatmak ve bir hücre içi Ca yaymak için2+ sinyal, böylece nörotransmiterlerin salınmasını teşvik eder. Kalsiyum akımı aracılı nAChR aktivitesinin spesifik ve karakteristik rolü, diğer Ca'dan farklı bir voltaj bağımlılığına sahiptir.2+ Geçirgen iyon kanallarının yanı sıra farklı zamansal ve uzamsal dağılım ve sonuç olarak sinaptik olmayan nAChR aktivitesi, madde bağımlılığının öğrenilmesini teşvik ederek sinaptik kuvvetlenmenin indüksiyonunu arttırır.[32]

Hastalığa başvurular

Hasardan sonra

Sinaptik olmayan plastisite, aşağıdakilerin etkilerini hafifletme işlevi görebilir. beyin hasarı. Biri vestibüler sinirler hasar görmüş, nöronların ateşleme hızlarındaki eşitsizlik vestibüler çekirdekler gereksiz vestibüler reflekslere neden olur. Bu hasarın belirtileri zamanla kaybolur. Bu muhtemelen vestibüler çekirdeğin nöronlarındaki içsel uyarılabilirliğin modifikasyonlarından kaynaklanmaktadır.[23][33]

Nöbet faaliyeti

Sinaptik olmayan plastisite de önemli bir rol oynar nöbet aktivite. Ateşli nöbetler, yaşamın erken dönemlerinde ateşe bağlı nöbetler, hipokampal nöronların uyarılabilirliğinin artmasına neden olabilir. Bu nöronlar, konvülsan ajanlara karşı oldukça duyarlı hale gelir. Yaşamın erken dönemindeki nöbetlerin, sinaptik olmayan mekanizmalar yoluyla bir veya daha fazla nöbete zemin hazırlayabildiği gösterilmiştir.[34]

Dahil olmak üzere travma inme sonuçlanır kortikal yaralanma, sıklıkla epilepsi. Artan heyecan ve NMDA iletkenlikler epileptik aktivite ile sonuçlanır, bu da sinaptik olmayan plastisitenin travma sonrası epilepsinin indüklendiği mekanizma olabileceğini düşündürür.[35]

Otizm

Valproik asit (VPA), epilepsi, migren, ve bipolar bozukluk dahil olmak üzere birçok koşulla bağlantılı olan otizm. Bir otizmin hayvan modeli hamile sıçanlara VPA verildiğinde var. Yavrular, otizmli insanlara benzer özelliklere sahiptir. Doğumdan kısa süre sonra, bu hayvanlar azalan uyarılabilirlik ve artmış NMDA akımlar. Bu etkiler hayatın sonraki aşamalarında düzeltilir. Bu hayvanlarda içsel uyarılabilirlikteki değişiklikler, artan NMDA akımlarının bir homeostatik esneklik biçimi olan ağ aktivitesi üzerindeki etkilerini dengelemeye yardımcı oldu. Bunun, artan NMDA akımlarının sahip olacağı zararlı etkilere aracılık etmeye yardımcı olduğuna inanılıyor.[36]

Güncel ve gelecekteki araştırmalar

Sinaptik olmayan plastisite hakkında daha geniş bir anlayış elde etmek için ek araştırmalara ihtiyaç vardır. Ocak 2010 itibarıyla daha fazla araştırılması gereken konular Dahil etmek:

  • Nöronal ağlarda yerel ve global uyarılabilirlik değişiklikleri ve bellek izinin bakımı[5]
  • Öğrenmeye bağlı uyarılabilirlik değişikliklerinin indüksiyonunun özgüllüğü[5]
  • Farmasötik ürünler veya genetik mutasyonlar tarafından öğrenmeye bağlı uyarılabilirlik değişikliklerinin manipülasyonu ve bunların hafıza izi üzerindeki etkileri[5]
  • Sinaptik ve sinaptik olmayan plastisitenin moleküler mekanizmaları arasındaki benzerlikler[5]
  • Sinaptik olmayan plastisitenin in vivo modellerinin in vitro sonuçlarla karşılaştırılması[5]
  • Sinirsel aktivite tarafından üretilen gen ifadesinde değişiklikler[37]

Referanslar

  1. ^ a b Byrne, John H. (1997). "Sinaptik Plastisite". Nörobilim Çevrimiçi. Houston'daki UT Tıp Okulu. Alındı 28 Ekim 2011.
  2. ^ a b c Kemenes I, Straub VA, Nikitin ES, Staras K, O'Shea M, Kemenes G, Benjamin PR (Temmuz 2006). "Uzun süreli çağrışımsal bellekte gecikmiş sinaptik olmayan nöronal plastisitenin rolü". Güncel Biyoloji. 16 (13): 1269–79. doi:10.1016 / j.cub.2006.05.049. PMID  16824916. S2CID  16726488.
  3. ^ a b c Hansel C, Linden DJ, D'Angelo E (Mayıs 2001). "Paralel fiberin ötesinde LTD: beyincikteki sinaptik ve sinaptik olmayan plastisitenin çeşitliliği". Doğa Sinirbilim. 4 (5): 467–75. doi:10.1038/87419. PMID  11319554. S2CID  13919286.
  4. ^ a b Desai NS, Rutherford LC, Turrigiano GG (1999). "BDNF, kortikal nöronların içsel uyarılabilirliğini düzenler". Öğrenme ve Hafıza. 6 (3): 284–91. doi:10.1101 / lm.6.3.284 (etkin olmayan 2020-10-22). PMC  311300. PMID  10492010.CS1 Maint: DOI Ekim 2020 itibarıyla devre dışı (bağlantı)
  5. ^ a b c d e f g h ben j k l m n Ö Mozzachiodi R, Byrne JH (Ocak 2010). "Sinaptik plastisiteden fazlası: sinaptik olmayan plastisitenin öğrenme ve hafızadaki rolü". Sinirbilimlerindeki Eğilimler. 33 (1): 17–26. doi:10.1016 / j.tins.2009.10.001. PMC  2815214. PMID  19889466.
  6. ^ a b Debanne D, Kopysova IL, Bras H, Ferrand N (Eylül 1999). "Hipokampusta aksonal A benzeri bir potasyum iletkenliği ile aksiyon potansiyeli yayılımının geçidi: yeni bir tür sinaptik olmayan plastisite". Journal of Physiology, Paris. 93 (4): 285–96. doi:10.1016 / S0928-4257 (00) 80057-1. PMID  10574118. S2CID  30737916.
  7. ^ Szydlowska K, Tymianski M (Şubat 2010). "Kalsiyum, iskemi ve eksitotoksisite". Hücre Kalsiyum. 47 (2): 122–9. doi:10.1016 / j.ceca.2010.01.003. PMID  20167368.
  8. ^ Bakkum DJ, Chao ZC, Potter SM (Mayıs 2008). "Kortikal ağlarda aksiyon potansiyeli yayılma gecikmesi ve genliğinin uzun vadeli aktiviteye bağlı plastisitesi". PLOS ONE. 3 (5): e2088. Bibcode:2008PLoSO ... 3.2088B. doi:10.1371 / journal.pone.0002088. PMC  2324202. PMID  18461127. açık Erişim
  9. ^ Debanne D, Gähwiler BH, Thompson SM (1996). "In vitro sıçan hipokampusundaki tek tek piramidal hücreler arasındaki sinaptik ve sinaptik olmayan plastisite". Journal of Physiology, Paris. 90 (5–6): 307–9. doi:10.1016 / s0928-4257 (97) 87903-x. PMID  9089497. S2CID  31639170.
  10. ^ Ahmed Z, Wieraszko A (Ocak 2009). "Aktiviteye Bağlı Aksonal Plastisite: Elektrik Stimülasyonunun İn Vitro Fare Sinir Sisteminden Kaydedilen Bileşik Eylem Potansiyelleri Üzerindeki Etkileri". Açık Nörobilim Dergisi. 3 (1): 6. Bibcode:2009ONMJ .... 1 .... 6P. doi:10.2174/1874082000903010001. S2CID  14646213.
  11. ^ Lin JW, Ju W, Foster K, Lee SH, Ahmadian G, Wyszynski M, vd. (Aralık 2000). "AMPA reseptörü içselleştirmesinin farklı moleküler mekanizmaları ve farklı endositotik yolları". Doğa Sinirbilim. 3 (12): 1282–90. doi:10.1038/81814. PMID  11100149. S2CID  18109725.
  12. ^ O'Dell TJ, Kandel ER (1994). "Düşük frekanslı uyarım, protein fosfatazların NMDA reseptör aracılı aktivasyonu yoluyla LTP'yi siler". Öğrenme ve Hafıza. 1 (2): 129–139. doi:10.1101 / lm.1.2.129 (etkin olmayan 2020-10-22). PMID  10467591.CS1 Maint: DOI Ekim 2020 itibarıyla devre dışı (bağlantı)
  13. ^ Stemmler M, Koch C (Haziran 1999). "Gerilime bağlı iletkenlikler, nöronal ateşleme hızı tarafından kodlanan bilgiyi en üst düzeye çıkarmak için nasıl uyarlanabilir" Doğa Sinirbilim. 2 (6): 521–7. doi:10.1038/9173. PMID  10448216. S2CID  15134486.
  14. ^ a b Scheler G (2017). "Logaritmik dağılımlar, içsel öğrenmenin Hebbian olduğunu kanıtlıyor". F1000Research. 6: 1222. arXiv:1410.5610. doi:10.12688 / f1000research.12130.2. PMC  5639933. PMID  29071065.
  15. ^ Corner MA, Ramakers GJ (Ocak 1992). "Beyin gelişiminde epigenetik bir faktör olarak spontan ateşleme - kültürlenmiş sıçan neokorteks nöronları üzerindeki kronik tetrodotoksin ve pikrotoksin maruziyetinin fizyolojik sonuçları". Beyin Araştırması. Gelişimsel Beyin Araştırmaları. 65 (1): 57–64. doi:10.1016 / 0165-3806 (92) 90008-K. PMID  1551233.
  16. ^ Turrigiano GG, Leslie KR, Desai NS, Rutherford LC, Nelson SB (Şubat 1998). "Neokortikal nöronlarda kuantal genliğin aktiviteye bağlı ölçeklenmesi". Doğa. 391 (6670): 892–6. Bibcode:1998Natur.391..892T. doi:10.1038/36103. PMID  9495341. S2CID  4328177.
  17. ^ Mahon S, Charpier S (Ağustos 2012). "İçsel uyarılabilirliğin çift yönlü plastisitesi, in vivo katman 5 varil korteks nöronlarında duyusal girdilerin verimliliğini kontrol eder". Nörobilim Dergisi. 32 (33): 11377–89. doi:10.1523 / JNEUROSCI.0415-12.2012. PMC  6621180. PMID  22895720.
  18. ^ Keck T, Keller GB, Jacobsen RI, Eysel UT, Bonhoeffer T, Hübener M (Ekim 2013). Fare görsel korteksinde in vivo "sinaptik ölçekleme ve homeostatik plastisite". Nöron. 80 (2): 327–34. doi:10.1016 / j.neuron.2013.08.018. PMID  24139037. S2CID  13151568.
  19. ^ Scheler G (2014). "Orta dikenli nöronlarda içsel uyarılabilirliği öğrenmek". F1000Research. 2: 88. doi:10.12688 / f1000research.2-88.v2. PMC  4264637. PMID  25520776.
  20. ^ a b Frick A, Magee J, Johnston D (Şubat 2004). "LTP'ye, piramidal nöron dendritlerinin gelişmiş bir lokal uyarılabilirliği eşlik eder". Doğa Sinirbilim. 7 (2): 126–35. doi:10.1038 / nn1178. PMID  14730307. S2CID  11964239.
  21. ^ a b Sjöström PJ, Rancz EA, Roth A, Häusser M (Nisan 2008). "Dendritik uyarılabilirlik ve sinaptik esneklik". Fizyolojik İncelemeler. 88 (2): 769–840. doi:10.1152 / physrev.00016.2007. PMID  18391179. S2CID  1261675.
  22. ^ a b Daoudal G, Debanne D (2003). "İçsel uyarılabilirliğin uzun vadeli esnekliği: öğrenme kuralları ve mekanizmaları". Öğrenme ve Hafıza. 10 (6): 456–65. doi:10.1101 / lm.64103. PMID  14657257.
  23. ^ a b c d e Zhang W, Linden DJ (November 2003). "The other side of the engram: experience-driven changes in neuronal intrinsic excitability". Doğa Yorumları. Sinirbilim. 4 (11): 885–900. doi:10.1038/nrn1248. PMID  14595400. S2CID  17397545.
  24. ^ Debanne D, Inglebert Y, Russier M (February 2019). "Plasticity of intrinsic neuronal excitability" (PDF). Nörobiyolojide Güncel Görüş. 54: 73–82. doi:10.1016/j.conb.2018.09.001. PMID  30243042. S2CID  52812190.
  25. ^ Triesch, Jochen. "Synergies between intrinsic and synaptic plasticity in individual model neurons. " Sinirsel Bilgi İşleme Sistemlerindeki Gelişmeler. 2004.
  26. ^ W. Zhang and D. J. Linden. The other side of the engram: Experience-driven changes in neuronal intrinsic excitability. Nature Reviews Neuroscience, 4:885-900, 2003.
  27. ^ T. Monk, C. Savin, and J. Lucke. "Optimal neural inference of stimulus intensities. " Scientific reports, 8:1, 2018.
  28. ^ T. Monk, C. Savin, and J. Lucke. Neurons equipped with intrinsic plasticity learn stimulus intensity statistics. Sinirsel Bilgi İşleme Sistemlerindeki Gelişmeler. 2016.
  29. ^ Grasselli G, Boele HJ, Titley HK, Bradford N, van Beers L, Jay L, et al. (Ocak 2020). "SK2 channels in cerebellar Purkinje cells contribute to excitability modulation in motor-learning-specific memory traces". PLOS Biyolojisi. 18 (1): e3000596. doi:10.1371/journal.pbio.3000596. PMC  6964916. PMID  31905212.
  30. ^ Woody CD, Black-Cleworth P (November 1973). "Differences in excitability of cortical neurons as a function of motor projection in conditioned cats". Nörofizyoloji Dergisi. 36 (6): 1104–16. doi:10.1152/jn.1973.36.6.1104. PMID  4761722.
  31. ^ Kauer JA, Malenka RC (November 2007). "Synaptic plasticity and addiction". Doğa Yorumları. Sinirbilim. 8 (11): 844–58. doi:10.1038/nrn2234. PMID  17948030. S2CID  38811195.
  32. ^ Dani JA, Ji D, Zhou FM (August 2001). "Synaptic plasticity and nicotine addiction". Nöron. 31 (3): 349–52. doi:10.1016/S0896-6273(01)00379-8. PMID  11516393. S2CID  10062998.
  33. ^ Darlington CL, Dutia MB, Smith PF (June 2002). "The contribution of the intrinsic excitability of vestibular nucleus neurons to recovery from vestibular damage". Avrupa Nörobilim Dergisi. 15 (11): 1719–27. doi:10.1046/j.1460-9568.2002.02024.x. PMID  12081651. S2CID  19939794.
  34. ^ Bender RA, Dubé C, Gonzalez-Vega R, Mina EW, Baram TZ (2003). "Mossy fiber plasticity and enhanced hippocampal excitability, without hippocampal cell loss or altered neurogenesis, in an animal model of prolonged febrile seizures". Hipokamp. 13 (3): 399–412. doi:10.1002/hipo.10089. PMC  2927853. PMID  12722980.
  35. ^ Bush PC, Prince DA, Miller KD (October 1999). "Increased pyramidal excitability and NMDA conductance can explain posttraumatic epileptogenesis without disinhibition: a model". Nörofizyoloji Dergisi. 82 (4): 1748–58. doi:10.1152/jn.1999.82.4.1748. PMID  10515964. S2CID  5927906.
  36. ^ Walcott EC, Higgins EA, Desai NS (September 2011). "Synaptic and intrinsic balancing during postnatal development in rat pups exposed to valproic acid in utero". Nörobilim Dergisi. 31 (37): 13097–109. doi:10.1523/JNEUROSCI.1341-11.2011. PMC  6623264. PMID  21917793.
  37. ^ Leslie JH, Nedivi E (August 2011). "Activity-regulated genes as mediators of neural circuit plasticity" (PDF). Nörobiyolojide İlerleme. 94 (3): 223–37. doi:10.1016/j.pneurobio.2011.05.002. hdl:1721.1/102275. PMC  3134580. PMID  21601615.