Кіріспе

Нейрофизиологияда ұзақ мерзімді депрессия (ҰМД) – нейрондық синапстардың тиімділігінің, ұзақ үлгілі стимулдан кейін сағаттар немесе одан да ұзаққа созылатын, белсенділікке тәуелді төмендеуі. ҰМД орталық нерв жүйесінің көптеген аймақтарында ми аймағына және даму деңгейіне байланысты әртүрлі механизмдермен жүзеге асады. Ұзақ мерзімді потенциацияға (ҰМП) қарама-қарсы процесс ретінде, ҰМД – ҰМП-ның нәтижесінде туындаған синапстық күшейтуді тиімді пайдалану үшін белгілі бір синапстарды таңдап әлсіретуге қызмет ететін бірнеше процесс ішіндегі бірі. Бұл қажет, себебі егер синапстардың күші артуына рұқсат берілсе, олар тиімділіктің шегіне жетеді, бұл жаңа ақпаратты кодтауға кедерілді етеді. ҰМД және ҰМП екеуі де синаптық пластикалық өзгерістердің түрлері.

Қасиеттеу

Гиппокамп пен мидағы ұзақ мерзімді депрессия (LTD) ең жақсы сипатталған, бірақ LTD механизмдері түсінілетін басқа да ми аймақтары бар. Гиппокамп/кортикальді LTD NMDA рецепторларына, метаботроптық глутамат рецепторларына (mGluR) немесе эндоканнабиноидтарға тәуелді болуы мүмкін. Мидағы LTD молекулалық механизмінің нәтижесі – AMPA глутамат рецепторларының фосфорилирленуі және олардың параллель талшықты Пуркинье клеткасы (PF PC) синапсы бетінен жоғарылуы.

Нейрогомеостаз

Нейронның өзгерулі шығыс диапазонын сақтау нейрон үшін өте маңызды. Егер синапстар тек оң кері байланыс арқылы нығайтылса, олар әрі қарай толыққанды белсенділіксізденуге немесе тым жоғары белсенділікке ұшырауы мүмкін. Нейрондардың тоқтау күйге түсуін болдырмау үшін, теріс кері байланыс механизмін қамтамасыз ететін пластиканың екі реттеуші түрі бар: метапластика және масштабтау. Метапластика, LTD және LTP сияқты кейінгі синапты пластикалық өзгерістерді тудыру қабілетінің өзгеруі ретінде көрінеді. Биененсток, Купер және Мунро моделі (BCM моделі) белгілі бір шектің бар екенін ұсынады, онда постсинаптық жауап деңгейі шектен төмен болса LTD, ал шектен жоғары болса LTP пайда болады. BCM теориясы сондай-ақ, осы шектің деңгейі постсинаптық белсенділіктің орташа шамасына байланысты екенін көрсетеді. Масштабтау, нейронның барлық оңтайлы кірістерінің күші жоғары немесе төмен қарай өзгертілген кезде жүзеге асады. LTD және LTP, нейрондық желінің қалыпты жұмыс істеуін сақтау үшін метапластикамен және синапты масштабтаумен үйлесе жұмыс істейді.

ЖШС-ның жалпы нысандары

Ұзақ мерзімді депрессия гомосинаптикалық пластикалық немесе гетеросинаптикалық пластикалық ретінде сипатталуы мүмкін. Гомосинаптикалық ҰМД төмен жиілікті стимулмен белсендірілген нақты синапспен шектеледі. Басқаша айтқанда, ҰМД-ның осы түрі белсенділікке байланысты, себебі синапстың әлсіреуіне себеп болатын оқиғалар белсендірілген синапста болады. Гомосинаптикалық ҰМД сондай-ақ ассоциативті, өйткені ол постсинаптикалық нейронның белсенділігін пресинаптикалық нейронның оқуымен байланыстырады. ҰМД Schaffer қосалқыларының ұзақ уақыт бойы (10–15 минут) төмен жиілікте (шамамен 1 Гц) қайта-қайта стимуляцияланған кезде осы синапстарда пайда болады. Ca2+ енуі шектен төмен болса, ол ҰМД-ға алып келеді. CA1 аймағындағы шекті деңгей синапстың тарихына байланысты өзгереді. Егер синапс бұрын LTP-ға ұшыраған болса, шекті деңгей жоғарылайды, кальций ағыны ҰМД пайда болу ықтималдығын арттырады. Осылайша, «кері байланыс» жүйесі синапстық пластикалықты сақтайды. Кернеудің өзгеруі NMDAR-ға тәуелді Ca2+ ағынын реттеу арқылы постсинаптикалық Ca2+ бақылауын қамтамасыз етеді, бұл ҰМД-ны бастауға жауапты. LTP белгілі бір протеин киназаларының белсендірілуімен байланысты болса, ал ҰМД кальцийге тәуелді фосфатазалардың белсендірілуінен туындайды, олар мақсатты протеиндерді дефосфорилдейді. Кальций деңгейлерінің өзгеруі арқылы осы фосфатазалардың таңдамалы белсендірілуі ҰМД кезінде байқалатын кальцийдің әртүрлі әсерлеріне жауапты болуы мүмкін. ҰМД мишаша айналымы және мишаша резерві жүзеге асыратын болжамдық бақылауға қатысады.

Ca2+ қатысуы

Алдағы зерттеулер кальцийдің ұзақ мерзімді депрессияны (ҰМД) тудырудағы рөлін анықтады. Ұзақ мерзімді депрессияның басқа механизмдері зерттелсе де, кальцийдің ҰМД-дағы рөлі ғалымдар үшін анықталған және жақсы түсінілетін механизм болып табылады. Постсинаптикалық Пуркинье жасушаларында кальцийдің жоғары концентрациясы ҰМД-ны тудыру үшін қажетті жағдай. ҰМД-ні тудыратын кальций сигналдарының бірнеше көзі бар: Пуркинье жасушаларына жиналатын көтерілуші талшықтар және параллель талшықтар. Постсинаптикалық жасушадағы кальций сигнализациясы, көтерілуші талшықтардың дендриттерге кальцийді босатуының кеңістіктік және уақыттық үйлесімділігін, сондай-ақ параллель талшықтардың тудырған mGluR-лары мен IP3 арқылы кальцийдің босатылуын қамтиды. Көтерілуші талшықтарда AMPAR арқылы болатын деполяризация, дендриттерге таралатын регенеративті әрекет потенциалын тудырады, ол вольтажға сезімтал кальций каналдары арқылы пайда болады. PF арқылы mGluR1 белсендірілуімен бірге жүргенде ҰМД индукциясы орын алады. Параллель талшықтарда GluR-лар параллель талшықтардың үнемі белсендірілуі арқылы жанама түрде IP3-ті өз рецепторына (IP3) байланыстырып, жасуша ішіндегі резервтен кальцийдің босатылуын белсендіреді. Кальций индукциясында ҰМД үшін кальцийді қайта жаңартуға арналған оң кері байланыс циклы бар. Пуркинье жасушаларын деполяризациялау және mGluR1-ді белсендіру үшін көтерілуші және параллель талшықтар бірдей уақытта белсендірілуі керек. Уақыт CF және PF үшін де маңызды компонент болып табылады, жақсы кальций босатылуы үшін PF белсенділігі CF белсенділігінен бірнеше жүз миллисекунд бұрын болуы керек. ҰМД-ның осы түрінде бір жолдың төмен жиілікті стимуляциясы тек сол кіріс үшін ҰМД-ға әкеледі, осылайша ол гомосинаптикалық болады. Бұл ҰМД-ның шамасы төмен жиілікті стимуляциядан туындағанмен салыстырмалы, бірақ стимуляция импульстарының саны аз (900 төмен жиілікті стимуляция үшін 40 PPS).

Перириндік қабық

Есептеу модельдері перириндік қабықтағы LTP-ге қарағанда тану жадысын сақтау сыйымдылығын арттыратынын көрсетеді, және бұл болжам нейротрансмиттер рецепторларын бөгеу тәжірибелерімен расталады.

Уақытына тәуелді пластикалық шикілік

Спайк уақытына тәуелді пластикалық (STDP) пресинаптикалық және постсинаптикалық әрекет потенциалдарының уақытын көрсетеді. STDP – бұл нейропластичность түрі, онда пресинаптикалық және постсинаптикалық импульстардың уақытындағы миллисекундтық масштабтағы өзгеріс постсинаптикалық Ca2+ сигналдарында айырмашылықтарға алып келеді, соның нәтижесінде LTP немесе LTD пайда болады. LTD постсинаптикалық импульстар пресинаптикалық импульстардан 20-50 мс-қа дейін ертерек пайда болғанда жүзеге асады. "In vivo" жасушалық патч-клемп эксперименттері көрсеткендей, постсинаптикалық импульс пресинаптикалық импульстан бұрын пайда болғанда синаптық депрессия орын алады. Пластичность терезесі бар: егер пресинаптикалық және постсинаптикалық импульстар тым алыс болса (яғни, 15 мс-тан артық айырма болса), пластичность пайда болу ықтималдығы төмендейді. LTD үшін мүмкін болатын терезе LTP-ге қарағанда кеңірек, бірақ бұл шектің синаптикалық тарихқа байланысты екенін ескеру қажет. Постсинаптикалық әрекет потенциалы пресинаптикалық афференттің әрекетінен бұрын пайда болғанда, пресинаптикалық эндоканнабиноидтық (CB1) рецепторлары мен NMDA рецепторлары бір уақытта белсендіріледі. Постсинаптикалық импульстар NMDA рецепторларындағы Mg2+ блокадасын жеңілдетеді. Постсинаптикалық деполяризация ЭПСП пайда болған кезде басылады, бұл Mg2+ ің ингибиторлық байланыс орнына оралуына мүмкіндік береді. Осылайша, постсинаптикалық жасушаға Ca2+ ағыны төмендейді. CB1 рецепторлары ретроградты эндоканнабиноидтар арқылы постсинаптикалық белсенділік деңгейін анықтайды. STDP таңдамалы түрде нақты синаптикалық өзгерістерді (сигналдарды) күшейтеді және консолидациялайды, ал жалпы өзгерістерді (шуды) басады. Бұл адамның қыртыстық желілерінде сигнал-шу қатынасын жақсартады, бұл адамдарда ақпаратты өңдеу кезінде маңызды сигналдарды анықтауды жеңілдетеді.

Моторлық оқыту және есте сақтау

Ұзақ мерзімді депрессия моторлық оқыту мен есте сақтаудың маңызды механизмі болып саналады. Церебеллярлық ЛТД моторлық оқытуға, ал гиппокампалық ЛТД есте сақтаудың нашарлауына ықпал ететіні болжалданған. Алайда, соңғы зерттеулер гиппокамп ЛТД-і LTP-нің кері процесі емес, кеңістіктік есте сақтаудың қалыптасуына көмектеседі дегенді көрсетті. ЛТД қазір жақсы сипатталғанмен, моторлық оқыту мен есте сақтаудағы оның рөлі туралы гипотезалар әлі де даулы. Зерттеулер церебеллярлық ЛТД-нің жеткіліксіздігін моторлық оқытудың бұзылуымен байланыстырды. Бір зерттеуде метаботроптық глутамат рецепторы 1 мутантты егеуқұйрықтардың мишасының анатомиясы қалыпты болды, бірақ ЛТД әлсіз болды, нәтижесінде моторлық оқыту бұзылды. Дегенмен, церебеллярлық ЛТД мен моторлық оқыту арасындағы байланыс күдік тудырды. Тышқандар мен егеуқұйрықтардағы зерттеуде Пуркинье жасушаларының ЛТД-сі (1R 1 бензотиофен 5-ил 2[2 диэтиламино)этокси] этанол гидрохлориді (T 588) арқылы тежелген кезде қалыпты моторлық оқыту байқалды. Сондай-ақ, егеуқұйрықтарда ЛТД бірнеше тәжірибелік әдістермен бұзылды, бірақ моторлық оқытуда немесе орындалуда ешқандай байқалатын кемшіліктер болған жоқ. Бұл деректердің жиынтығы церебеллярлық ЛТД мен моторлық оқыту арасындағы байланыстың иллюзия болғанын ұсынады. Тышқандардағы зерттеулер гиппокамптағы ЛТД мен есте сақтау арасындағы байланысты анықтады. Бір зерттеуде тышқандар жаңа ортаға ұшыратылды және CA1-де гомосинаптикалық пластикалық өзгеріс (ЛТД) байқалды. Бұл ЛТД мен LTP кеңістіктік есте сақтаудың әртүрлі аспектілерін кодтау үшін бірлесіп жұмыс істейтінін көрсетті. Жаңа мәліметтер LTP кеңістікті кодтау үшін, ал ЛТД кеңістіктің ерекшеліктерін кодтау үшін жұмыс істейтінін ұсынады. Кокаиннің созылмалы қолданылуынан кейін, NAc қабығындағы орташа тікенді нейрондардағы АМРА рецепторларының саны NMDA рецепторларына қатысты азайды. Сонымен қатар, зерттеушілер жақында ерігіш бета-амилоидты (Aβ) АД-мен байланысты синапстық зақымданумен және есте сақтаудың жоғалуымен байланыстыратын жаңа механизмді (ол ЛТД-ге қатысты) анықтады. ЛТД реттеудегі Aβ рөлі толыққанды түсінілмегенімен, ерігіш Aβ гиппокамп ЛТД-ін күшейтетіні және гиппокамп синапстарындағы глутаматты қайта өңдеудің төмендеуі арқылы ортастасқандығы анықталды. Артық глутамат АД-де байқалатын нейрондардың прогрессивті жоғалуына ықпал етеді. Ерігіш Aβ гиппокамп синапстарындағы глутаматты қабылдаудың өзгеруі арқылы ЛТД-ді күшейтетіні туралы дәлелдер АД-де және жасқа байланысты Aβ жинақталу түрлерінде синапстық жеткіліксіздіктің басталуына маңызды салдарлары бар. Бұл зерттеулер АД дамуының жаңаша түсінігін ұсынады және аурудың әлеуетті емдеу мақсаттарын ұсынады. Ерігіш бета-амилоид ақуызының глутамат тасымалдаушыларымен қалай өзара әрекеттесетінін түсіну үшін қосымша зерттеулер қажет. Мидың бұзылуын зерттеу саласында автоантигендер параллель талшықтар (PT) мен Пуркинье жасушалары (PC) арасындағы синаптық берілістердің ЛТД индукциясы үшін молекулалық каскадтарға қатысады, бұл мидың синаптық пластикалық механизмі. VGCC-ге қарсы, mGluR1-ге қарсы және GluR-дельта Abs-ке қарсы мишашаның атаксиясы бір жалпы патофизиологиялық механизмді бөліседі: PT PC ЛТД-де бұзылу. Бұл мидың ішкі моделін қалпына келтіру немесе сақтаудың бұзылуына және ми атаксиясын тудыруға әкеледі. Бұл аурулар ЛТД-патиялар болып табылады. Ұзақ мерзімді депрессияның механизмі мидың шектеулі бөлігінде жақсы сипатталған. Алайда, ЛТД моторлық оқыту мен есте сақтауға қалай әсер ететіні әлі толыққанды түсінілмеген. Бұл байланысты анықтау қазіргі уақытта ЛТД зерттеулерінің басты бағыттарының бірі болып табылады.

Нейродегенерация

Нейродегенеративті аурулар зерттеулері мидағы дегенерацияны қозғаушы механизмдерге қатысты әлі де толыққанды қорытынды жасамай тұр. Жаңа дәлелдер GSK3β-нің фосфорилдануы/белсенділігіне байланысты апоптоз жолы мен LTD арасындағы ұқсастықтарды көрсетеді. NMDAR LTD(A) даму кезінде артық синапстарды жоюға көмектеседі. Бұл процесс синапстар тұрақтанғаннан кейін төмендетіледі және GSK3β арқылы реттеледі. Нейродегенерация кезінде GSK3β-нің бұзылуы мүмкін, соның салдарынан "синапстық тазалау" жүреді. Егер синапстардың шамадан артық жойылуы байқалса, бұл нейродегенерацияның ерте белгілерін және апоптоз бен нейродегенеративті аурулар арасындағы байланысты көрсетеді.