სინაფსური პლასტიურობა

ნეირომეცნიერებაში სინაფსური პლასტიურობა არის სინაფსების უნარი გაძლიერდნენ ან შესუსტდნენ მათი აქტივობის გაზრდის ან შემცირების საპასუხოდ.

რადგან მეხსიერება წარმოადგენს ტვინში სინაფსების მჭიდროდ ურთიერთდაკავშირებულ ქსელს, სინაფსური პლასტიურობა მეხსიერებისა და სწავლის ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი ნეიროქიმიური საძირკველია (იხ. ჰების კანონი).

პლასტიური ცვლილება ხშირად სინაფსზე არსებული ნეირორეცეპტორების რაოდნობის შეცვლის შედეგია. სინაფსური პლასტიურობის მისაღწევად რამდენიმე ძირეული მექანიზმის შენათხმებული მოქმედებაა საჭირო. მათ შორისაა სინაფსში გამოთავისუფლებული ნეიროტრანსმიტერების რაოდენობის ცვლილება და იმის ცვლილება, თუ რამდენად ეფექტიანად პასუხობენ უჯრედები ამ ნეიროტრანსმიტერებს. სინაფსური პლასტიურობა, ისევე როგორც აღმგზნებ, ასევე დამთრგუნველ სინაფსებში დამოკიდებულია პოსტსინაფსური კალციუმის გამოყოფაზე.

ეს გააქტიურებული პროტეინკინაზები ემსახურება პოსტსინაფსური აღმგზნები რეცეპტორების (ამპა რეცეპტორების) ფოსფორილირებას, აუმჯობესებენ კატიონების გადინებას და, შესაბამისად, იწვევენ სინაფსის პოტენციაციას. ასევე, ამ სიგნალებს გადააქვს დამატებითი რეცეპტორები პოსტსინაფსურ მემბრანაში, ასტიმულირებს შეცვლილი რეცეპტორის წარმოებას და ამით ამარტივებს კალციუმის შემოდინებას. ეს კი, თავის მხრივ, ზრდის პოსტსინაფსურ აღგზნებას მოცემული პრესინაფსური სტიმულის საპასუხოდ. ეს პროცესი შეიძლება შებრუნდეს პროტეინფოსფატაზას მოქმედებით, რომელიც ადეფოსფორილირებს ამ კატიონურ არხებს.

მეორე მექანიზმი ეყრდნობა გენის ტრანსკრიფციის მარეგულირებელი მეორეული შუამავლების კასკადს და სინაფსებში ძირითადი ცილების დონის შეცვლას, როგორებიცაა და . მეორეული შუამავლის გზის აქტივაცია იწვევს დენდრიტის მორჩებში -ისა და -ის დონის გაზრდას. ამ პროტეინკინაზებს უკავშირებენ დენდრიტის მორჩების მოცულობის გაზრდასა და ხანგრძლივი პოტენციაციის ისეთ პროცესებს, როგორებიცაა ამპა რეცეპტორების ჩამატება პლაზმურ მებრანაში და იონური არხების ფოსფორილირება გაზრდილი გამტარუნარიანობისთვის. არსებული სტიმულის პირობებში მიმდინარეობს აქტივირებული ცილების გამოცალკევებული ლოკალიზება, რაც იწვევს დენდრიტის მორჩებში ლოკალურ ეფექტებს. ნმდა რეცეპტორებიდან კალციუმის შემოდინება აუცილებელია -ის აქტივაციისთვის. ეს აქტივაცია ლოკალიზებულია მორჩებთან წერტილოვანი სტიმულაციით და დეაქტივირდება მეზობელ მორჩებთან ან ღეროში გავრცელებამდე, რაც აჩვენებს ხანგრძლივი პოტენციაციის მნიშვნელოვან მექანიზმს, რომლის თანახმადაც ცილის აქტივაციის კონკრეტული ცვლილება ლოკალიზდება იმისათვის, რომ გააძლიეროს დენდრიტის კონკრეტული მორჩის პასუხუნარიანობა. დენდრიტის კონკრეტულ მორჩებს აქვთ შესაძლებლობა აწარმოონ უნიკალური რეაქცია პრესინაფსური უჯრედების საპასუხოდ. ეს მეორე მექანიზმი შეიძლება გამოიწვიოს ცილის ფოსფორილირებამ, მაგრამ სჭირდება დიდი ხანი და გრძელდება დიდხანს, რაც ქმნის ხანგრძლივი მეხსიერების სათავსოს მექანიზმს. ხანგრძლივი პოტენციაციის ხანგრძლივობა შეიძლება იყოს რეგულირებადი ამ მეორეული შუამავლების დაშლით.

ხანგრძლივად მოქმედი ცვლილებები ორ ნეირონს შორის სინაფსური კავშირების ქმედითუნარიანობაში (ხანგრძლივი პოტენციაცია) შეიძლება მოიცავდეს სინაფსური კონტაქტების დამყარებასა და გაწყვეტას. ისეთი გენები, როგორიცაა - აქტივინი, რომელშიც დაშიფრულია აქტივინ -ს ქვეერთეული, არის ხანგრძლივი პოტენციაციის საწყისი ეტაპის დროს რეგულირებული. აქტივინის მოლეკულა აკონტროლებს აქტინის დინამიკას დენდრიტის მორჩებში მიტოგენით გააქტიურებული პროტეინკინაზას გზების მეშვეობით. -აქტინის ციტოჩონჩხური სტრუქტურის ცვლილებით მორჩები გრძელდება და იმის შანსი, რომ ისინი დაამყარებენ სინაფსურ კავშირს პრესინაფსური უჯრედის აქსონურ ტერმინალთან იზრდება. საბოლოო შედეგი არის ხანგრძლივი პოტენციაციის ხანგრძლივი შენარჩუნება.

იონური არხების რაოდენობა პოსტსინაფსურ მემბრანაზე გავლენას ახდენს სინაფსის სიძლიერეზე. კვლევის მიხედვით პოსტსინაფსურ მემბრანაზე რეცეპტორების სიმჭიდროვე იცვლება, რაც აისახება ნეირონის სტიმულთან შესაბამის აღგზნებადობაზე. დინამიურ პროცესში, რომელიც ნარჩუნდება წონასწორობაში, ნმდა და ამპა რეცეპტორები ემატება ეგზოციტოზისა და შორდება ენდოციტოზის მეშვეობით. ეს პროცესები და რეცეპტორების რაოდენობის გაზრდა შეიძლება შეიცვალოს სინაფსური აქტივობის შედეგად. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ამპა რეცეპტორები არის მიტანილი სინაფსებზე ვეზიკულური მემბრანის პოსტსინაფსურ მემბრანასთან შერწყმის საშუალებით პროტეინკინაზა -ის მეშვეობით, რომელიც აქტივირდება კალციუმის შედინებით ნმდა რეცეპტორების გავლით. ასევე აუმჯობესებს ამპა იონურ გამტარობას ფოსფორილირების მეშვეობით.
ნმდა რეცეპტორის აქტივაციის მაღალი სიხშირის დროს შეინიშნება ცილა -95-ის ექსპრესიის მატება, რაც ზრდის ამპა რეცეპტორების სინაფსურ ტევადობას. ეს არის ის, რაც იწვევს ამპა რეცეპტორების ხანგრძლივ ზრდას და, შესაბამისად, სინაფსების სიძლიერესა და პლასტიურობას.

თუ სინაფსის სიძლიერე მხოლოდ გამყარებულია სტიმულაციით, ან შესუსტებულია მისი ნაკლებობით, ჩამოყალიბდება დადებითი უკუკავშირის წრედი, რომელიც ზოგიერთ უჯრედში ზედმეტ ხოლო ზოგიერთში კი ნულოვან აღგზნებას იწვევს. მაგრამ ასევე არსებობს პლასტიურობის მარეგულირებელი ორი ფორმა, მასშტაბის ცვლილება და მეტაპლასტიურობა, რომლებიც უზრუნველყოფს უარყოფით უკუკავშირს. სინაფსური მასშტაბის ცვლილება არის ძირითადი მექანიზმი, რომლითაც ნეირონს შეუძლია დაასტაბილუროს აღგზნებადობის ხარისხი.

სინაფსური მასშტაბის ცვლილება ხელს უწყობს შენარჩუნდეს სინაფსების სიძლიერე ერთმანეთთან მიმართებაში. განგრძობითი აღგზნებადობის დროს ეს ხდება მცირე აღგზნებადობის პოსტსინაფსური პოტენციალის ამპლიტუდების შემცირებით, ხოლო გაგრძელებული ბლოკირების ან დათრგუნვის დროს მათი გაზრდით. ეს ეფექტი ვლინდება თანდათან, საათების ან დღეების განმავლობაში, სინაფსთან ნმდა რეცეპტორების რაოდენობის ცვლილებით (პერეს-ოტანიო და ელერსი, 2005). მეტაპლასტიურობა ცვლის პლასტიურობის ზღვარს, რაც ხელს უწყობს ინტეგრირებულ პასუხებს დროში გაწელილ სინაფსურ აქტივობაზე და ხელს უშლის ხანგრძლივი პოტენციაციისა და ხანგრძლივი დათრგუნვის ნაჯერ მდგომარეობას. რადგან ხანგრძლივი პოტენციაცია და ხანგრძლივი დათრგუნვა ეყრდნობა 2+-ის შემოდინებას ნმდა არხების გავლით, მეტაპლასტიურობა შეიძლება გამოწვეული იყოს ნმდა რეცეპტორებში, კალციუმის დაგროვებაში, კინაზების ან ფოსფატაზების მდგომარეობაში ცვლილებებით და ცილის სინთეზის მექანიზმების მომზადებით. სინაფსური მასშტაბის ზრდა არის ძირითადი მექანიზმი, რომლითაც ნეირონს შეუძლია არჩევანი გააკეთოს ცვალებად შენატანებს შორის.
ნეირონული წრედები, რომლებსაც შეეხო ხანგრძლივი პოტენციაცია/ხანგრძლივი დათრგუნვა და შეიცვალა მეტაპლასტიურობით და მასშტაბის ცვლილებით, იწვევს ექოგამომწვევი წრედის ჩამოყალიბებას და რეგულაციას ჰების მიერ აღწერილი მანერით, რომელიც გამოხატულია როგორც მეხსიერება, მაშინ როცა ცვლილებები ნეირონულ წრედებში, რომლებიც იწყება სინაფსის დონეზე, არის ორგანიზმის სწავლის უნარის განუყოფელი ნაწილი.

სინაფსური პლასტიურობის ბიოქიმიური მექანიზმების კიდევ ერთი ელემენტი არის ადგილის მნიშვნელოვნება. ისეთი პროცესები, როგორიცაა ამპა რეცეპტორის ეგზოციტოზი, ხდება მიკროარეალებზე და რეგულირებადია - 4-ის მიერ.
კონკრეტულობა ასევე მნიშვნელოვანია -ის სიგნალებში, რომელიც მოიცავს ნანოარეალის კალციუმს.
-ს სივრცითი გრადიენტი დენდრიტის მორჩებსა და ღეროს შორის ასევე მნიშვნელოვანია სინაფსის სიძლიერისა და პლასტიურობის რეგულაციაში. ბიოქიმიური მექანიზმები, რომლებიც ცვლის სინაფსურ პლასტიურობას ხდება ნეირონის თითოეული სინაფსის დონეზე. რადგან ბიოქიმიური მექანიზმები შეზღუდულია მიკროარეალებით, მათ მიერ გამოწვეული სინაფსური პლასტიურობა გავლენას ახდენს მხოლოდ იმ კონკრეტულ სინაფსზე, სადაც ისინი ხდება.

თეორიული მექანიზმები
სინაფსური პლასტიურობის ორმხრივი მოდელი, რომელიც აღწერს როგორც ხანგრძლივ პოტენციაციას ასევე ხანგრძლივ დათრგუნვას, საჭიროა არაერთ სწავლის მექანიზმში გამოთვლითი ნეირომეცნიერების, ხელოვნური ნეირონული ქსელებისა და ბიოფიზიკის დარგებში. პლასტიურობის მოლეკულური ბუნების სამი ძირითადი ჰიპოთეზა არის კარგად შესწავლილი და სინაფსური პლასტიურობის მისაღწევად შეიძლება საკმარისი იყოს მათი ნებისმიერი კომბინაციით, მათ შორის მხოლოდ ერთი მათგანის არსებობისას:
გლუტამატის გამოყოფის ალბათობის ცვლილება.
პოსტსინაფსური ამპა რეცეპტორების ჩასმა ან ამოღება.
ფოსფორილირებისა და დეფოსფორილირების მეშვეობით ამპა რეცეპტორის გამტარუნარიანობის ცვლილება.
აქედან პირველი ორი ცოტა ხნის წინ მათემატიკურად იქნა გამოკვლეული, რომ აქვთ იდენტური კალციუმზე დამოკიდებული დინამიკა, რაც იძლევა პლასტიურობის კალციუმზე დაფუძნებული მოდელის მყარ თეორიულ მტკიცებულებას, რომელიც წრფივ მოდელში, სადაც რეცეპტორების საერთო რაოდენობა უცვლელი რჩება, გამოიყურება შემდეგნაირად:
\{ _}{ }=\{1}{\([^{2+}]_)}\(\([^{2+}]_)-_\),
სადაც _ არის \არის დროის მუდმივა დამოკიდებული ნეირორეცეპტორების ჩასმისა და ამოღების სისწრაფეზე, რომელიც თავისმხრივ დამოკიდებულია [^{2+}], კალციუმის კონცენტრაციაზე. \=\ _^{\ } არის ასევე კალციუმის კონცენტრაციის ფუნქცია, რომელიც წრფივად დამოკიდებულია მემბრანაზე არსებული რეცეპტორების რაოდენობაზე დროის ფიქსირებულ მომენტში. \ და \ ნაპოვნია ექსპერიმენტულად და თავსებადია ორივე ჰიპოთეზის შედეგებთან. ეს მოდელი ზედმეტად გამარტივებულია და ამიტომ გამოუსადეგარი ხდება რეალური ექსპერიმენტების წინასწარმეტყველებაში, თუმცა იძლევა კალციუმზე დამოკიდებული სინაფსური პლასტიურობის შესახებ ჰიპოთეზის მნიშვნელოვან საფუძველს.

ხანმოკლე პლასტიურობა
ხანმოკლე პლასტიურობა მოქმედებს ათეულობით მილიწამიდან რამდენიმე წუთის ფარგლებში, განსხვავებით ხანგრძლივისგან, რომელიც წუთებიდან რამდენიმე საათამდე ძლებს. ხანმოკლე პლასტიურობას შეუძლია სინაფსის გაძლიერება ან შესუსტება.

სინაფსური გაძლიერება
ხანმოკლე სინაფსურ გაძლიერებას იწვევს სინაფსური ტერმინალებიდან ტრანსმიტერების გამოთავისუფლების ალბათობის ზრდა პრესინაფსური მოქმედების პოტენციალის საპასუხოდ. სინაფსები ძლიერდება ცოტა ხნის განმავლობაში, თითოეული მოქმედების პოტენციალის პასუხად გამოთავისუფლებული დაჯგუფებული ნეიროტრანსმიტერების რაოდენობის ზრდის გამო. იმის მიხედვით თუ რამდენი ხანი მოქმედებს, სინაფსური გაძლიერება შეიძლება კლასიფიცირდეს როგორც ნეიროფასილიტაციად, სინაფსურ გაზრდად ან პოსტტეტანურ პოტენციაციად.

სინაფსური დათრგუნვა
სინაფსის დათრგუნვა ძირითადად მიეწერება მზად მყოფი გამოთავისუფლებადი ვეზიკულების რაოდენობის შემცირებას. დათრგუნვა შეიძლება ასევე იყოს გამოწვეული პოსტსინაფსური პროცესებითა და პრესინაფსური რეცეპტორების უკუკავშირის აქტივაციით. ჰეტეროსინაფსური დათრგუნვა მიჩნეულია, რომ არის დაკავშირებული ასტროციტების მიერ გამოყოფილ ადენოზინტრიფოსფორმჟავასთან (ატფ).

ხანგრძლივი პლასტიურობა
ხანგრძლივი დათრგუნვა და ხანგრძლივი პოტენციაცია ხანგრძლივი პლასტიურობის ორი ფორმაა, რომელიც რამდენიმე წუთს ან მეტ ხანს გრძელდება და ხდება აღმგზნებ სინაფსებთან. ნმდა-ზე დამოკიდებული ხანგრძლივი დათრგუნვა და ხანგრძლივი პოტენციაცია ფართოდაა შესწავლილი და დასტურდება, რომ ისინი საჭიროებს გლუტამატის გლიცინთან ან დ-სერინთან მიკავშირებას ნმდა რეცეპტორების გასააქტიურებლად. შემოთავაზებულია სინაფსური პლასტიურობის ძირითადი ფორმების აღმწერი ყოვლისმომცველი მოდელის შექმნა.

ხანგრძლივი დათრგუნვა
აღმგზნები გზის ხანმოკლე გააქტიურებამ შეიძლება გამოიწვიოს სინაფსური გადაცემის ხანგრძლივი დათრგუნვა ტვინის ბევრ უბანში. ხანგრძლივი დათრგუნვის მიზეზია პოსტსინაფსური დეპოლარიზაციის მინიმალური დონე და მასთან თანდართული კალციუმის უჯრედშორისი კონცენტრაციის ზრდა პოსტსინაფსურ ნეირონში. ხანგრძლივი დათრგუნვა შეიძლება დაიწყოს არააქტიურ სინაფსებთან თუ კალციუმის კონცენტრაცია აიწევს ჰეტეროსინაფსური გააქტიურებისათვის საჭირო მინიმალურ დონემდე, ან თუ გაიზრდება უჯრედგარე კონცეტრაცია. ხანგრძლივი დათრგუნვის გამომწვევი ეს ალტერნატიული გარემოებები ჰების კანონისგან განსხვავდება და სამაგიეროდ დამოკიდებულია სინაფსური აქტივობის ცვლილებებზე. ასტროციტების მიერ დ-სერინის გამოთავისუფლება იწვევს ხანგრძლივი დათრგუნვის მნიშვნელოვან შემცირებას ჰიპოკამპუსში.

ხანგრძლივი პოტენციაცია
ხანგრძლივი პოტენციაცია არის ელექტრული სტიმულის მაპოტენციაცირებელ ბიძგებს მოყოლილი სინაფსური პასუხის ზრდა, რომელიც გასტანს მინიმალურ ზღვარს ზემოთ რამდენიმე საათს ან მეტ ხანს. ხანგრძლივი პოტენციაცია მოიცავს ინტერაქციებს პოსტსინაფსურ ნეირონებსა და კონკრეტულ პრესინაფსურ შენატანებს შორის, რომელიც აყალიბებს სინაფსურ კავშირს და მიეკუთვნება სინაფსური გადაცემის სტიმულირებულ გზას. სინაფსური ცვლილების ხანგრძლივი სტაბილიზაცია განისაზღბრება პრე- და პოსტსინაფსური სტრუქტურების პარალელური ზრდით, ისეთით, როგორიცაა აქსონის ბოლოს გაფართოება, დენდრიტის მორჩი და პოსტსინაფსური სიმჭიდროვე.

სინაფსური სიძლიერე
სინაფსური სიძლიერის ცვლილება მოიხსენიება როგორც ფუნქციური პლასტიურობა. სინაფსური სიძლიერის ცვლილებები მოიცავს ზოგიერთი ტიპის გლიური უჯრედების მექანიზმებს, რომელთა შორის ყველაზე მეტად შესწავლილია ასტროციტები.
ხანმოკლე ხელშეწყობა ასრულებს როგორც მუშა მეხსიერების, ასევე შემომავალი ინფორმაციის გამომავალზე მიბმის, ხოლო ხანმოკლე დათრგუნვა ავტომატური კორელაციის გაუქმების როლს. ხანგრძლივი პოტენციაცია სივრცითი მეხსიერების სათავსოდ, ხოლო ხანგრძლივი დათრგუნვა როგორც სივრცით მახასიათებლების დასაშიფრად, ასევე სინაფსების შერჩევითად დასასუსტებლად და ძველი მეხსიერების ნარჩენების გასასუფთავებლად გამოიყენება. პირდაპირი გამოიყენება შორეული დროითი ურთიერთდამოკიდებულების, დროითი დაშიფვრისა და სივრცე-დროითი დაშიფვრისთვის. შებრუნებული მოქმედებს როგორც სენსორული ფილტრაცია.