Facylitacja neuronowa - Neural facilitation

Facylitacja neuronowa , znana również jako facylitacja parami impulsów ( PPF ), jest zjawiskiem w neuronauce, w którym potencjały postsynaptyczne (PSP) ( EPP , EPSP lub IPSP ) wywoływane przez impuls są zwiększone, gdy impuls ten ściśle następuje po wcześniejszym impulsie. PPF jest zatem formą krótkotrwałej plastyczności synaptycznej . Mechanizmy leżące u podstaw facylitacji neuronalnej są wyłącznie presynaptyczne; ogólnie rzecz biorąc, PPF powstaje w wyniku zwiększonej presynaptycznej Ca2+
stężenie prowadzące do większego uwalniania pęcherzyków synaptycznych zawierających neuroprzekaźniki . Facylitacja neuronowa może być zaangażowana w kilka zadań neuronalnych, w tym proste uczenie się, przetwarzanie informacji i lokalizację źródła dźwięku.

Mechanizmy

Przegląd

Ca2+
odgrywa znaczącą rolę w przekazywaniu sygnałów w synapsach chemicznych . Ca . bramkowane napięciem2+
kanały
znajdują się w terminalu presynaptycznym. Kiedy potencjał czynnościowy atakuje błonę presynaptyczną, kanały te otwierają się i Ca2+
wchodzi. Wyższe stężenie Ca2+
umożliwia łączenie się pęcherzyków synaptycznych z błoną presynaptyczną i uwalnianie ich zawartości ( neuroprzekaźników ) do szczeliny synaptycznej, aby ostatecznie skontaktować się z receptorami w błonie postsynaptycznej. Ilość uwolnionego neuroprzekaźnika jest skorelowana z ilością Ca2+
napływ. Dlatego krótkoterminowe ułatwienie (STF) wynika z nagromadzenia Ca2+
w terminalu presynaptycznym, gdy potencjały czynnościowe propagują się blisko siebie w czasie.

Ułatwianie pobudzającego prądu postsynaptycznego (EPSC) można określić ilościowo jako stosunek kolejnych mocy EPSC. Każdy EPSC jest wyzwalany przez presynaptyczne stężenia wapnia i może być przybliżony przez:

EPSC = k([ Ca2+
] presynaptyczny ) 4 = k([ Ca2+
] reszta + [ Ca2+
] napływ + [ Ca2+
] resztkowe ) 4

Gdzie k jest stałą.

Ułatwienie = EPSC 2 / EPSC 1 = (1 + [ Ca2+
] pozostałość / [ Ca2+
] napływ ) 4 - 1

Dowody eksperymentalne

Wczesne eksperymenty Del Castillo i Katza z 1954 r. oraz Dudela i Kufflera z 1968 r. wykazały, że facylitacja była możliwa na połączeniu nerwowo-mięśniowym, nawet jeśli nie następuje uwolnienie przekaźnika, co wskazuje, że facylitacja jest zjawiskiem wyłącznie presynaptycznym.

Katz i Miledi zaproponowali resztkową Ca2+
hipoteza.
Przypisali wzrost uwalniania neuroprzekaźników resztkowemu lub nagromadzonemu Ca2+
(„aktywny wapń”) w błonie aksonu, która pozostaje przyczepiona do wewnętrznej powierzchni błony. Katz i Miledi manipulowali Ca2+
stężenie w błonie presynaptycznej w celu określenia, czy resztkowy Ca2+
pozostawanie w terminalu po pierwszym bodźcu powodowało wzrost uwalniania neuroprzekaźników po drugim bodźcu.

Podczas pierwszego impulsu nerwowego Ca2+
koncentracja była albo znacznie poniżej, albo zbliżała się do drugiego impulsu. Kiedy Ca2+
koncentracja zbliżała się do drugiego impulsu, zwiększono ułatwienie. W tym pierwszym eksperymencie bodźce były prezentowane w odstępach 100 ms między pierwszym a drugim bodźcem. Całkowity okres refrakcji osiągnięto, gdy odstępy dzieliły około 10 ms.

Aby zbadać facylitację podczas krótszych interwałów, Katz i Miledi bezpośrednio zastosowali krótkie bodźce depolaryzujące do zakończeń nerwowych. Przy zwiększeniu bodźca depolaryzującego z 1-2 ms uwalnianie neuroprzekaźników znacznie wzrosło z powodu akumulacji aktywnego Ca2+
. Dlatego stopień ułatwienia zależy od ilości aktywnego Ca2+
, który jest określony przez redukcję Ca2+
przewodność w czasie, a także ilość usuniętych z końcówek aksonów po pierwszym bodźcu. Facylitacja jest największa, gdy impulsy są najbliżej siebie, ponieważ Ca2+
przewodnictwo nie powróci do wartości wyjściowej przed drugim bodźcem. Dlatego zarówno Ca2+
przewodność i zakumulowany Ca2+
byłaby większa dla drugiego impulsu, gdy zostałaby przedstawiona krótko po pierwszym.

W synapsie Calyx of Held wykazano, że krótkoterminowe ułatwienie (STF) wynika z wiązania resztkowego Ca2+
do neuronalnego Ca2+
czujnik 1 (NCS1). Odwrotnie, wykazano, że STF zmniejsza się, gdy Ca2+
chelatory są dodawane do synapsy (powodują chelatację ), które redukują resztkowy Ca2+
. Dlatego „aktywny Ca2+
" odgrywa znaczącą rolę w facylitacji neuronowej.

Wykazano , że w synapsie między komórkami Purkinjego krótkoterminowe ułatwienie jest całkowicie mediowane przez ułatwienie Ca2+
prądy płynące przez zależne od napięcia kanały wapniowe .

Związek z innymi formami krótkotrwałej plastyczności synaptycznej

Rozszerzanie i wzmacnianie

Krótkotrwałe wzmocnienie synaptyczne jest często podzielone na kategorie usprawnienia , wzmocnienia i wzmocnienia (określane również jako wzmocnienie potężcowe lub PTP ). Te trzy procesy są często rozróżniane przez ich skale czasowe: facylitacja trwa zwykle dziesiątki milisekund, podczas gdy augmentacja działa w skali czasowej rzędu sekund, a wzmocnienie ma przebieg od kilkudziesięciu sekund do minut. Wszystkie trzy efekty zwiększają prawdopodobieństwo uwolnienia neuroprzekaźników z błony presynaptycznej, ale mechanizm leżący u podstaw każdego z nich jest inny. Facylitacja sparowanych impulsów jest spowodowana obecnością resztkowego Ca2+
, augmentacja prawdopodobnie powstaje z powodu zwiększonego działania presynaptycznego białka munc-13, a potężeniowa potencja jest pośredniczona przez presynaptyczną aktywację kinaz białkowych. Rodzaj wzmocnienia synaptycznego obserwowany w danej komórce jest również związany z odmienną dynamiką Ca2+
usuwanie, które z kolei zależy od rodzaju bodźców; pojedynczy potencjał czynnościowy prowadzi do ułatwienia, podczas gdy krótki tężec zwykle powoduje powiększenie, a dłuższy tężec prowadzi do wzmocnienia.

Depresja krótkotrwała (STD)

Krótkotrwała depresja (STD) działa w przeciwnym kierunku do facylitacji, zmniejszając amplitudę PSP. STD występuje z powodu zmniejszenia łatwo uwalnianej puli pęcherzyków (RRP) w wyniku częstej stymulacji. Inaktywacja presynaptycznego Ca2+
kanały po powtarzających się potencjałach czynnościowych również przyczynia się do STD. Depresja i facylitacja oddziałują na siebie, tworząc krótkotrwałe zmiany plastyczne w neuronach, a ta interakcja nazywana jest teorią plastyczności podwójnego procesu . Modele podstawowe przedstawiają te efekty jako addytywne, z sumą tworzącą zmianę plastyczną netto (ułatwienie - depresja = zmiana netto). Wykazano jednak, że depresja pojawia się wcześniej na ścieżce bodziec-odpowiedź niż facylitacja, a zatem odgrywa rolę w ekspresji facylitacji. Wiele synaps wykazuje właściwości zarówno facylitacji, jak i depresji. Ogólnie jednak synapsy o niskim prawdopodobieństwie początkowego uwolnienia pęcherzyków wykazują większe prawdopodobieństwo pobudzenia, a synapsy z wysokim prawdopodobieństwem początkowego uwolnienia pęcherzyków częściej wykazują depresję.

Związek z przekazywaniem informacji

Filtrowanie synaptyczne

Ponieważ prawdopodobieństwo uwolnienia pęcherzyków zależy od aktywności, synapsy mogą działać jako dynamiczne filtry do transmisji informacji. Synapsy o niskim początkowym prawdopodobieństwie uwolnienia pęcherzyków działają jak filtry górnoprzepustowe : ponieważ prawdopodobieństwo uwolnienia jest niskie, do wywołania uwalniania potrzebny jest sygnał o wyższej częstotliwości, a zatem synapsa selektywnie reaguje na sygnały o wysokiej częstotliwości. Podobnie synapsy o wysokim prawdopodobieństwie początkowego uwolnienia służą jako filtry dolnoprzepustowe , reagując na sygnały o niższej częstotliwości. Synapsy o pośrednim prawdopodobieństwie wyzwolenia działają jak filtry pasmowoprzepustowe, które selektywnie reagują na określony zakres częstotliwości. Na te właściwości filtrowania mogą wpływać różne czynniki, w tym zarówno PPD, jak i PPF, a także neuromodulatory chemiczne . W szczególności, ponieważ synapsy o niskim prawdopodobieństwie uwolnienia są bardziej podatne na zakłócenia niż depresję, filtry górnoprzepustowe są często przekształcane w filtry pasmowoprzepustowe. Podobnie, ponieważ synapsy z wysokim prawdopodobieństwem początkowego uwolnienia częściej ulegają depresji niż ułatwieniu, często filtry dolnoprzepustowe stają się również filtrami pasmowoprzepustowymi. Tymczasem neuromodulatory mogą wpływać na te krótkoterminowe plastyczności. W synapsach o pośrednim prawdopodobieństwie uwalniania właściwości pojedynczej synapsy będą określać, jak synapsa zmienia się w odpowiedzi na bodźce. Te zmiany w filtracji wpływają na transmisję i kodowanie informacji w odpowiedzi na powtarzające się bodźce.

Lokalizacja źródła dźwięku

U ludzi lokalizacja dźwięku polega przede wszystkim na informacjach o tym, jak intensywność i czas trwania dźwięku różnią się między każdym uchem. Obliczenia neuronalne obejmujące te międzyuszne różnice w natężeniu (IID) i międzyuszne różnice czasu (ITD) są zazwyczaj przeprowadzane w różnych ścieżkach w mózgu. Krótkoterminowa plastyczność prawdopodobnie pomaga w rozróżnieniu tych dwóch ścieżek: krótkoterminowa facylitacja dominuje w ścieżkach intensywności, a krótkotrwała depresja dominuje w ścieżkach czasowych. Te różne rodzaje krótkookresowej plastyczności pozwalają na różne rodzaje filtrowania informacji, przyczyniając się w ten sposób do podziału tych dwóch rodzajów informacji na odrębne strumienie przetwarzania.

Możliwości filtrowania krótkoterminowej plastyczności mogą również pomóc w kodowaniu informacji związanych z modulacją amplitudy (AM). Krótkotrwała depresja może dynamicznie regulować wzmocnienie na wejściach o wysokiej częstotliwości, a tym samym może pozwolić na rozszerzony zakres wysokiej częstotliwości dla AM. Mieszanka ułatwień i depresji może również pomóc w kodowaniu AM, prowadząc do filtrowania szybkości.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura