Nevral tilrettelegging - Neural facilitation

Nevral tilrettelegging , også kjent som paret-pulsfasilitering ( PPF ), er et fenomen i nevrovitenskap der postsynaptiske potensialer (PSPer) ( EPPer , EPSPer eller IPSPer ) fremkalt av en impuls økes når den impulsen følger en tidligere impuls nøye. PPF er altså en form for kortsiktig synaptisk plastisitet . Mekanismene som ligger til grunn for nevral tilrettelegging er utelukkende pre-synaptiske; generelt sett oppstår PPF på grunn av økt presynaptisk Ca2+
konsentrasjon som fører til en større frigjøring av nevrotransmitterholdige synaptiske vesikler . Nevral tilrettelegging kan være involvert i flere nevronale oppgaver, inkludert enkel læring, informasjonsbehandling og lydkildelokalisering.

Mekanismer

Oversikt

Ca2+
spiller en viktig rolle i overføring av signaler ved kjemiske synapser . Spenningsstyrt Ca2+
kanaler er plassert i den presynaptiske terminalen. Når et handlingspotensial invaderer den presynaptiske membranen, åpnes disse kanalene og Ca2+
går inn. En høyere konsentrasjon av Ca2+
gjør det mulig for synaptiske vesikler å smelte sammen med den presynaptiske membranen og frigjøre innholdet ( nevrotransmittere ) i den synaptiske spalten for å til slutt kontakte reseptorer i den postsynaptiske membranen. Mengden frigitt nevrotransmitter er korrelert med mengden Ca2+
tilstrømning. Derfor er kortvarig tilrettelegging (STF) resultatet av en oppbygging av Ca2+
innenfor den presynaptiske terminalen når handlingspotensialer forplanter seg tett i tide.

Tilrettelegging av eksitatorisk postsynaptisk strøm (EPSC) kan kvantifiseres som et forhold mellom påfølgende EPSC-styrker. Hver EPSC utløses av pre-synaptiske kalsiumkonsentrasjoner og kan tilnærmes av:

EPSC = k ([ Ca2+
] presynaptisk ) 4 = k ([ Ca2+
] hvile + [ Ca2+
] tilstrømning + [ Ca2+
] rest ) 4

Der k er en konstant.

Tilrettelegging = EPSC 2 / EPSC 1 = (1 + [ Ca2+
] rest / [ Ca2+
] tilstrømning ) 4 - 1

Eksperimentelle bevis

Tidlige eksperimenter av Del Castillo & Katz i 1954 og Dudel & Kuffler i 1968 viste at fasilitering var mulig i det nevromuskulære krysset selv om senderutgivelse ikke forekommer, noe som indikerer at fasilitering er et utelukkende presynaptisk fenomen.

Katz og Miledi foreslo den gjenværende Ca2+
hypotese. De tilskrev økningen i frigjøring av nevrotransmitter til gjenværende eller akkumulert Ca2+
("aktivt kalsium") i aksonmembranen som forblir festet til membranens indre overflate. Katz og Miledi manipulerte Ca2+
konsentrasjon i den presynaptiske membranen for å bestemme om gjenværende Ca2+
 å forbli i terminalen etter den første impulsen forårsaket en økning i frigjøring av nevrotransmitter etter den andre stimulansen.

Under den første nerveimpulsen, Ca2+
konsentrasjonen var enten betydelig under eller nær den andre impulsens. Når Ca2+
konsentrasjonen nærmet seg den andre impulsen, tilrettelegging ble økt. I dette første eksperimentet ble stimuli presentert i intervaller på 100 ms mellom første og andre stimuli. En absolutt ildfast periode ble nådd når intervallene var omtrent 10 ms fra hverandre.

For å undersøke tilrettelegging i kortere intervaller, brukte Katz og Miledi direkte korte depolariserende stimuli på nerveender. Når du øker den depolariserende stimulansen fra 1-2 ms, økte nevrotransmitterfrigivelsen sterkt på grunn av akkumulering av aktiv Ca2+
. Derfor avhenger graden av tilrettelegging av mengden aktiv Ca2+
, som bestemmes av reduksjonen i Ca2+
konduktans over tid, samt mengden fjernet fra axonterminalene etter den første stimulansen. Tilrettelegging er størst når impulsene er nærmest hverandre fordi Ca2+
konduktans ville ikke komme tilbake til grunnlinjen før den andre stimulansen. Derfor er begge Ca2+
konduktans og akkumulert Ca2+
 ville være større for den andre impulsen når den ble presentert like etter den første.

I Calyx of Held synapse har kortvarig tilrettelegging (STF) vist seg å skyldes binding av gjenværende Ca2+
til nevronale Ca2+
 sensor 1 (NCS1). Omvendt har STF vist seg å avta når Ca2+
chelatorer tilsettes synapsen (forårsaker chelatering ) som reduserer rest Ca2+
. Derfor "aktiv Ca2+
"spiller en viktig rolle i nevral tilrettelegging.

I synapsen mellom Purkinje-celler har kortvarig tilrettelegging vist seg å være fullstendig formidlet av tilrettelegging av Ca2+
strømmer gjennom de spenningsavhengige kalsiumkanalene .

Forhold til andre former for kortsiktig synaptisk plastisitet

Utvidelse og potensering

Kortsiktig synaptisk forbedring er ofte differensiert i kategorier av tilrettelegging , forstørrelse og potensering (også referert til som post-tetanisk potensering eller PTP ). Disse tre prosessene er ofte differensiert med deres tidsskalaer: tilrettelegging varer vanligvis i titalls millisekunder, mens forstørrelse virker på en tidsskala i størrelsesorden sekunder og potensering har et tidsforløp på titalls sekunder til minutter. Alle tre effektene øker sannsynligheten for frigjøring av nevrotransmitter fra den presynaptiske membranen, men den underliggende mekanismen er forskjellig for hver. Paret pulsfasilitering er forårsaket av tilstedeværelsen av gjenværende Ca2+
forsterkning oppstår sannsynligvis på grunn av økt virkning av det presynaptiske proteinet munc-13, og post-tetanisk potensering medieres av presynaptisk aktivering av proteinkinaser. Typen av synaptisk forbedring sett i en gitt celle er også relatert til variantdynamikk av Ca2+
fjerning, som igjen er avhengig av typen stimuli; et enkelt handlingspotensial fører til tilrettelegging, mens en kort stivkrampe generelt fører til forstørrelse og en lengre stivkrampe fører til potensering.

Kortvarig depresjon (STD)

Kortvarig depresjon (STD) opererer i motsatt retning av tilrettelegging, og reduserer amplituden til PSP-er. STD oppstår på grunn av en reduksjon i det lett frigjørbare bassenget med vesikler (RRP) som et resultat av hyppig stimulering. Inaktivering av presynaptisk Ca2+
kanaler etter gjentatte handlingspotensialer bidrar også til STD. Depresjon og tilrettelegging samhandler for å skape kortsiktige plastiske endringer i nevroner, og denne interaksjonen kalles dual-process teorien om plastisitet . Grunnleggende modeller presenterer disse effektene som additiv, med summen som skaper netto plastforandring (fasilitering - depresjon = nettoendring). Imidlertid har det blitt vist at depresjon forekommer tidligere i stimulus-respons-banen enn fasilitering, og spiller derfor inn i uttrykket for fasilitering. Mange synapser har egenskaper både for tilrettelegging og depresjon. Generelt sett er det imidlertid mer sannsynlig at synapser med lav innledende sannsynlighet for vesikelfrigivelse viser tilrettelegging, og synapser med stor sannsynlighet for initial vesikelfrigivelse er mer sannsynlig å utvise depresjon.

Forhold til informasjonsoverføring

Synaptisk filtrering

Fordi sannsynligheten for vesikkelutslipp er aktivitetsavhengig, kan synapser fungere som dynamiske filtre for informasjonsoverføring. Synapser med lav innledende sannsynlighet for vesikelfrigjøring fungerer som høypassfiltre : fordi frigjøringssannsynligheten er lav, trengs et høyere frekvenssignal for å utløse frigjøring, og synapsen reagerer dermed selektivt på høyfrekvente signaler. På samme måte tjener synapser med høye sannsynligheter for initial utgivelse som lavpassfilter , som svarer på signaler med lavere frekvens. Synapser med en mellomliggende sannsynlighet for frigjøring fungerer som båndpasfilter som reagerer selektivt på et bestemt frekvensområde. Disse filtreringsegenskapene kan påvirkes av en rekke faktorer, inkludert både PPD og PPF, samt kjemiske nevromodulatorer . Spesielt fordi synapser med sannsynlighet for lav frigjøring er mer sannsynlig å oppleve tilrettelegging enn depresjon, blir høypassfiltre ofte konvertert til båndpasfilter. På samme måte, fordi synapser med høye sannsynligheter for initial utgivelse er mer sannsynlig å gjennomgå depresjon enn tilrettelegging, er det vanlig at lavpassfilter også blir båndpasfilter. Nevromodulatorer kan i mellomtiden påvirke disse kortvarige plastisitetene. I synapser med sannsynligheter for mellomliggende frigjøring vil egenskapene til den enkelte synaps avgjøre hvordan synapsen endres som respons på stimuli. Disse endringene i filtrering påvirker overføring og koding av informasjon som svar på gjentatte stimuli.

Lydkildelokalisering

Hos mennesker oppnås lydlokalisering først og fremst ved hjelp av informasjon om hvordan lydens intensitet og timing varierer mellom hvert øre. Nevronale beregninger som involverer disse interaurale intensitetsforskjellene (IIDs) og interaurale tidsforskjellene (ITDs) blir vanligvis utført på forskjellige veier i hjernen. Kortsiktig plastisitet hjelper sannsynligvis til å skille mellom disse to veiene: kortsiktig tilrettelegging dominerer i intensitetsveier, mens kortvarig depresjon dominerer i tidsmessige veier. Disse forskjellige typene kortvarig plastisitet tillater forskjellige typer informasjonsfiltrering, og bidrar dermed til inndelingen av de to typer informasjon i forskjellige behandlingsstrømmer.

Filtreringsmulighetene til kortvarig plastisitet kan også hjelpe med koding av informasjon relatert til amplitudemodulasjon (AM). Kortsiktig depresjon kan dynamisk justere forsterkningen på høyfrekvente innganger, og kan dermed tillate et utvidet høyfrekvensområde for AM. En blanding av tilrettelegging og depresjon kan også hjelpe til med AM-koding ved å føre til hastighetsfiltrering.

Se også

Referanser

Videre lesning