Кіріспе
Мидағы нейрондар арасындағы байланыстардың күшін реттейтін биологиялық процесс – спайк уақытына тәуелді пластикалық (STDP). STDP – мидағы нейрондар арасындағы байланыстардың күшін реттейтін биологиялық процесс. Бұл процесс байланыс күштерін белгілі бір нейронның шығыс және кіріс әрекет потенциалдарының (немесе импульстарының) салыстырмалы уақытына қарай реттейді. STDP процесі жүйке жүйесінің белсенділікке тәуелді дамуын, әсіресе ұзақ мерзімді күшейту мен ұзақ мерзімді әлсіреуді түсіндіруге көмектеседі.
Spike timing dependent plasticity (STDP) is a biological process that adjusts the strength of connections between neurons in the brain. The process adjusts the connection strengths based on the relative timing of a particular neuron's output and input action potentials (or spikes). The STDP process partially explains the activity dependent development of nervous systems, especially with regard to long term potentiation and long term depression.
Процесс
STDP процесінде егер нейронға түсетін импульс, орташа есеппен, сол нейронның шығыс импульсінен бұрын пайда болса, онда осы нақты импульс сәл күшейеді. Егер кіріс импульсы шығыс импульсінен кейін пайда болса, онда осы нақты кіріс сәл әлсірейді, сондықтан: "импульстік уақытқа тәуелді пластикалық". Осылайша, постсинаптикалық нейронның оқуын тудыруы мүмкін кірістер болашақта үлес қосуға одан да ықтимал, ал постсинаптикалық импульстың себебі емес кірістер болашақта үлес қосуға азырақ ықтимал. Бұл процесс бастапқы байланыстар жиынтығының бір бөлігі қалғанша жалғасады, ал қалғандарының ықпалы 0-ге дейін төмендейді. Нейрон көптеген кірістері қысқа мерзімде пайда болғанда шығыс импульсын жасайтындықтан, қалған кірістердің кіші тобы уақыт бойынша корреляцияланған болады. Сонымен қатар, шығыстан бұрын пайда болатын кірістер күшейтілгендіктен, корреляцияның ең алғашқы белгісін беретін кіріс ақырында нейронға соңғы кіріс болады.
Тарих
1973 жылы М. М. Тейлор егер пресинаптикалық импульс постсинаптикалық импульстан бұрын жиірек туындаса, онда синапстар күшейтілетінін, ал керісінше жағдайда немесе жақын уақытта пресинаптикалық импульс болмағанда синапстар әлсіздейтінін (анти-Геббиандық оқыту) ұсынды. Бұл жағдайда кіріс сигналдарының ақпараттық тиімділігімен қайта кодталуы мүмкін. Бұл ұсыныс нейроғылыми қауымдастықта назарсыз қалды және кейінгі эксперименттер осы алғашқы ұсыныстардан тәуелсіз жүргізілді. Ассоциативтік пластикалық байланысқа қатысты алғашқы эксперименттерді В. Б. Леви мен О. Стюард 1983 жылы жүргізіп, пре- және постсинаптикалық әрекет потенциалдарының салыстырмалы уақытының пластикалыққа тигізетін әсерін миллисекундтық деңгейде зерттеді. Брюс Макнотон да осы салаға үлкен үлес қосты. 1992 жылы Y. Dan және Mu Ming Poo жүргізген нейромышелік синапстарға қатысты зерттеулер, ал 1994 жылы D. Debanne, B. Gähwiler және S. Thompson жүргізген гиппокамп зерттеулері постсинаптикалық және синаптикалық белсенділіктің асинхронды жұпталуы ұзақ мерзімді синаптикалық депрессияны тудыратынын көрсетті. Дегенмен, STDP Генри Маркрамның 1993 жылға дейінгі постдокторант кезеңінде Берт Сакманның зертханасында (1994–1995 жылдарғы SFN және Phys Soc абстракттары) анық көрсетілді, бірақ бұл нәтижелер тек 1997 жылы жарияланды. C. Bell және оның әріптестері мида STDP-нің бір түрін тапты. Генри Маркрам дуалды патч-құбылау техникасын қолданып, пресинаптикалық нейрондарды постсинаптикалық нейрондарды белсендіруден 10 миллисекунд бұрын қайталап белсендірді және синапстың күшінің артқанын анықтады. Егер белсендіру реті кері болса, яғни пресинаптикалық нейрон постсинаптикалық нейронынан 10 миллисекунд кейін белсендірілсе, пре- және постсинаптикалық байланыстың күші төмендеді. 1998 жылы Mu Ming Poo зертханасындағы Guoqiang Bi, Li Zhang және Huizhong Tao жүргізген одан әрі зерттеулер пре- және постсинаптикалық белсенділік пен синаптикалық өзгерістерге қатысты толық уақыт шкаласын карталауды жалғастырды. Олардың нәтижелеріне сәйкес, постсинаптикалық импульстан бұрын 5–20 мс ішінде белсендірілген синапстар күшейеді, ал импульстан кейін ұқсас уақыт аралығында белсендірілгендер әлсіздейді. Бұл құбылыс пластикалыққа қатысты уақыт терезесінде белгілі бір өзгерістермен басқа да препараттарда байқалды. Уақытқа тәуелді пластикалықтың бірнеше себептері ұсынылды. Мысалы, STDP даму кезінде Геббиандық оқыту үшін негіз болуы мүмкін, немесе Тейлордың ұсынғандай…
Биологиялық механизмдер
Постсинаптикалық NMDA рецепторлары (NMDAR) мембраналық потенциалға өте сезімтал (невробиологиядағы сәйкестікті анықтау). Кальцийге жоғары өткізгіштігінің арқасында, олар жергілікті химиялық сигналды тудырады, бұл сигнал дендриттегі кері таралатын әрекет потенциалы синапс белсенді болғаннан кейін жақын уақытта келгенде (пре- және постсинапстық импульстар) ең жоғары болады. Ірі постсинаптикалық кальций өзгерістері синаптық күшеюді (ұзақ мерзімді потенциацияны) тудырады. Импульстің уақытына тәуелді әлсіреу механизмі толыққанды түсіндірілмеген, бірақ көбінесе постсинаптикалық кернеуге тәуелді кальцийдің кіруі/mGluR белсенділігі немесе кері байланыс эндоканнабиноидтары және пресинаптикалық NMDAR-ларды қамтиды.
Хевбидің ережесінен STDP-ге дейін
Хебб ережесіне сәйкес, синапстар тиімділігін арттырады, егер синапс постсинаптикалық мақсатты нейронның оқуына (қоздырылуына) үнемі қатысса. Сол сияқты, синапстардың тиімділігі төмендейді, егер олардың пресинаптикалық нысаналарының оқуы постсинаптикалық нысаналарының оқуынан тұрақты түрде тәуелсіз болса. Бұл принциптер көбінесе есте сақтауға көмектесетін мысалдармен түсіндіріледі: «бірге оқу – бірге байланысу», және «синхронды емес оқу – байланыстың үзілуі». Дегенмен, егер екі нейрон дәл бір уақытта оқса, біреуі екіншісінің оқуын тудыра алмайды немесе оған қатыса алмайды. Оның орнына, постсинаптикалық нейронның оқуына қатысу үшін, пресинаптикалық нейрон постсинаптикалық нейроннан сәл бұрын оқуы керек. Екі байланысты нейронды әртүрлі уақыт аралығымен стимуляциялау арқылы жүргізілген эксперименттер Хебб принципіндегі уақытша қатынастың маңыздылығын растады: синапстың күшеюі немесе әлсіреуі үшін пресинаптикалық нейрон тиісінше постсинаптикалық нейроннан сәл бұрын немесе кейін оқуы керек. Бұған қоса, пресинаптикалық нейронның оқуы синаптық пластиканың пайда болуы үшін постсинаптикалық оқуды тұрақты түрде болжауы қажет екені анықталды, бұл классикалық шарттаудағы контингенттің маңыздылығын синаптық деңгейде көрсетеді, онда контингенттің жоқтығынан туындайтын процедуралар екі стимул арасындағы байланыстың қалыптасуына кедерілді етеді.
Гиппокамптың үйренуіндегі рөлі
Ең тиімді STDP үшін пресинаптикалық және постсинаптикалық сигнал шамамен он екі миллисекундқа бөлінуі керек. Дегенмен, бірнеше минут ішінде болатын оқиғаларды гиппокамп эпизодтық естеліктер ретінде байланыстыра алады. Бұл қайшылықты шешу үшін тета толқындары мен фазалық прецессияға негізделген механизм ұсынылған: естелік элементтерінің (мысалы, орын, бет, адам сияқты) бейнелері, есте сақталуға тиіс эпизод кезінде әрбір тета циклында белгілі бір тета фазасында қайталанады. Күтілетін, жүріп жатқан және аяқталған элементтер тиісінше ерте, орта және кеш тета фазаларында болады. Гиппокамптың CA3 аймағындағы рекурренттік желі, көршілес тета фазаларындағы элементтерді бірдей уақытта болуға айналдырады, соның арқасында STDP оларды байланыстыруға мүмкіндік береді. Осылайша, келесі (қолдас) бейнелер арасындағы байланысты күшейту арқылы эксперименталдық түрде анықтауға болатын естелік тізбектері құрылады.