Кіріспе
Нейробиологиялық ғылымда ұзақ мерзімді потенциациялау (ҰМП) – жақындағы белсенділік үлгілеріне негізделген синапстардың тұрақты күшеюі. Бұл – екі нейрон арасындағы сигнал берудің ұзаққа созылатын ұлғаюын тудыратын синаптық белсенділіктің үлгілері. ҰМП-ның қарама-қарсысы – ұзақ мерзімді депрессия, ол синаптық күштің ұзаққа созылатын төмендеуін тудырады. Бұл – химиялық синапстардың күшін өзгерту қабілеті, яғни синаптық пластикалық қабілеттің бірнеше құбылыстарының бірі. Естеліктер синаптық күштің модификациясы арқылы кодталады деп есептелетіндіктен, ҰМП оқыту мен есте сақтаудың негізгі жасушалық механизмдерінің бірі саналады. Жасы ұлғайған сайын (ҰМП) айтарлықтай өспеді, бұл нейробиологтарға естеліктер көбінесе жаңа нейрондардың пайда болуының нәтижесі емес деген қорытынды жасауға негіз берді. Осыны түсінгеннен кейін, жаңа нейрондардың болмауы жағдайында естеліктер қалай қалыптасатынын түсіндіру қажеттілігі туындады. Испан нейроанатомы Сантьяго Рамон и Кахаль жаңа нейрондардың қалыптасуын қажет етпейтін оқыту механизмін ұсынған алғашқылардың бірі болды. 1894 жылғы Круниан лекциясында ол естеліктердің қалыптасуы қолданыстағы нейрондар арасындағы байланыстарды нығайту арқылы, олардың байланысының тиімділігін арттыру арқылы жүзеге асуы мүмкін екенін ұсынды. Эрик Кандель (1964) және оның әріптестері теңіз шұжығы Аплисиямен жұмыс істеу кезінде ұзақ мерзімді потенциацияны ашқан алғашқы зерттеушілердің бірі болды. Олар шұжықтың нейрондық желісіндегі әртүрлі жасушаларға мінез-құлықтық шарттауды қолдануға тырысты. Олардың нәтижелері синаптық күштің өзгеруін көрсетті және зерттеушілер бұл шұжықтағы қарапайым оқыту түріне байланысты болуы мүмкін деп болжады. Бұл естеліктердің қалыптасуы туралы теориялар қазір жақсы қалыптасқан болса да, олар өз уақытында көрегендік танытты: 19-шы ғасырдың соңы мен 20-шы ғасырдың басындағы нейробиологтар мен психологтар жануарларда оқытудың биологиялық негіздерін анықтау үшін қажетті нейрофизиологиялық техникалармен жабдықталмаған. Бұл дағдылар 20-шы ғасырдың соңғы жартысында, ұзақ мерзімді потенциацияның ашылуымен бірдей уақытта пайда болды.
In neuroscience, long term potentiation (LTP) is a persistent strengthening of synapses based on recent patterns of activity. These are patterns of synaptic activity that produce a long lasting increase in signal transmission between two neurons. The opposite of LTP is long term depression, which produces a long lasting decrease in synaptic strength. It is one of several phenomena underlying synaptic plasticity, the ability of chemical synapses to change their strength. As memories are thought to be encoded by modification of synaptic strength, LTP is widely considered one of the major cellular mechanisms that underlies learning and memory.) did not increase significantly with age, giving neurobiologists good reason to believe that memories were generally not the result of new neuron production. With this realization came the need to explain how memories could form in the absence of new neurons. The Spanish neuroanatomist Santiago Ramón y Cajal was among the first to suggest a mechanism of learning that did not require the formation of new neurons. In his 1894 Croonian Lecture, he proposed that memories might instead be formed by strengthening the connections between existing neurons to improve the effectiveness of their communication. Eric Kandel (1964) and associates were some of the first researchers to discover long term potentiation during their work with sea slug Aplysia. They attempted to apply behavioral conditioning to different cells in the slug’s neural network. Their results showed synaptic strength changes and researchers suggested that this may be due to a basic form of learning occurring within the slug. Though these theories of memory formation are now well established, they were farsighted for their time: late 19th and early 20th century neuroscientists and psychologists were not equipped with the neurophysiological techniques necessary for elucidating the biological underpinnings of learning in animals. These skills would not come until the later half of the 20th century, at about the same time as the discovery of long term potentiation.
Ашылу
LTP алғаш рет 1966 жылы Норвегияның Осло қаласында Пер Андерсеннің зертханасында Терье Лёмо байқаған. Онда Лёмо қысқа мерзімді жадтағы гиппокамптың рөлін зерттеу үшін анестезияға ұшыраған қояндармен нейрофизиологиялық эксперименттер жүргізді. Лёмоның тәжірибелері перфорант жолынан дентатты гирусқа дейінгі байланыстарға, яғни синапстарға бағытталған. Бұл тәжірибелер перфорант жолының пресинаптикалық талшықтарын стимуляциялау және дентатты гирустың постсинаптикалық жасушаларының жиынтығынан жауаптарды тіркеу арқылы жүргізілді. Күткендей, перфорант жолының талшықтарына электрлік стимуляцияның бір импульсі дентатты гирус жасушаларында қоздырғыш постсинаптикалық потенциалды (EPSP) тудырды. Лёмо күтпеген нәрсе – егер ол алдымен пресинаптикалық талшықтарға жоғары жиілікті стимуляцияны жіберсе, постсинаптикалық жасушалардың осы бір импульстік стимуляцияға жауабы ұзақ мерзімге күшейе алатынын байқады. Мұндай стимуляция тізбегі қолданылған кезде, кейінгі бір импульстік стимуляциялар постсинаптикалық жасушалар популяциясында күштірек және ұзаққа созылған EPSP-ты тудырды. Бұл құбылыс, жоғары жиілікті стимуляцияның постсинаптикалық жасушалардың кейінгі бір импульстік стимуляцияларға жауабын ұзақ сақтайтын күшейтуін қамтамасыз ететінін, бастапқыда "ұзақ мерзімді потенциялану" деп аталды. 1968 жылы Андерсеннің зертханасына қосылған Тимоти Блис, авторлардың "ұзақ мерзімді потенциялану" атауын оның оңай айтылатын "LTP" аббревиатурасы болғандықтан таңдаған болуы мүмкін деп болжады.
Модельдер мен теория
ЛТП-ның физикалық және биологиялық механизмі әлі толық түсініксіз, бірақ бірнеше сәтті модельдер жасалған. Дендриттердегі денелік өскіндер, минут немесе сағаттар ішінде физикалық түрде өсіп, кері тартылатын тікендер, олардың жасуша ішіндегі кальций өзгерістерімен байланысты, тікеннің электрлік кедергісі мен тиімді синапс күші арасындағы байланысты көрсетеді. 1980-ші жылдардан бері NMDA рецепторларының кернеулік қақпаларына және жасуша ішіндегі кальцийге байланысты BCM теориясы сияқты математикалық модельдер жасалды, бұл модельдер дәстүрлі априорлық Геббиандық оқыту моделін биологиялық және тәжірибелік негіздемелермен толықтырады. Сонымен қатар, кейбір ғалымдар рецепторлардың реттелуі, ЛТП және синапс күші арасындағы байланысты қайта құру немесе синхрондау қажеттігін ұсынды.
Сақтау
Индукция CaMKII және PKC-ні уақытша белсендіре бастаса, E LTP (LTP-нің ерте формасы) олардың тұрақты белсенділігімен сипатталады. Бұл кезеңде кальцийге тәуелді емес PKMz (Protein kinase Mζ) дербес белсенді болады. Нәтижесінде, олар E LTP экспрессиясының негізінде жатқан фосфорилдеу оқиғаларын жүзеге асыра алады. Жоғарыда айтылғандай, AMPA рецепторлары мидағы глютамат рецепторларының ең көп таралған түрлері болып табылады және оның қоздырғыш белсенділігінің көп бөлігін қамтамасыз етеді. Синапстағы AMPA рецепторларының тиімділігі мен санын арттыру арқылы, болашақ қоздырғыштар үлкен постсинаптикалық жауаптарды тудырады. Жоғарыда келтірілген E LTP моделі индукция, ұсталу және экспрессия үшін толыққанды постсинаптикалық механизмдерді сипаттайды, бірақ экспрессияның қосымша компоненті пресинаптикалық деңгейде де жүруі мүмкін. Осы пресинаптикалық жеңілдетудің бір гипотезасы – E LTP кезінде постсинаптикалық жасушадағы тұрақты CaMKII белсенділігі «ретроградты хабаршы» синтезіне әкелуі мүмкін, ол туралы кейінірек сөз болады. Бұл гипотезаға сәйкес, жаңа синтезделген хабаршы синапстық кеңістік арқылы постсинаптикалық жасушадан пресинаптикалық жасушаға өтеді, бұл келесі стимулдарға пресинаптикалық жауапты жеңілдететін оқиғалар тізбегін іске қосады. Мұндай оқиғалар нейротрансмиттерлерді қамтитын қапшықтардың санының артуын, қапшықтардың босатылу ықтималдығын немесе олардың екеуін де қамти алады. Ерте LTP-дегі пресинаптикалық экспрессияның негізін құрайтын ретроградты хабаршыдан басқа, бұл хабаршы кеш LTP экспрессиясында да рөл атқаруы мүмкін.
Соңғы кезең
[[Сурет:Кешіккен LTP механизмі.png|right|thumb|200px|LTP-нің ерте және кешіккен фазалары клеткадан тыс сигналмен реттелетін киназа (ERK) және постсинаптикалық жасушадағы ақуыз синтезі арқылы байланысқан деп саналады. LTP-нің екі фазасы бар: біріншісі ақуыз синтезіне тәуелді, ал екіншісі ген транскрипциясы мен ақуыз синтезіне тәуелді. Молекулалық сәйкестілікке деген бұл қажеттілік LTP-нің ассоциативтік табиғатын және, болжам бойынша, оқуды толық түсіндіреді.
Әдепті есте сақтаумен байланысы
Ұяшық мәдениетіндегі синапстардың ұзақ мерзімді потенциациясы оқу мен есте сақтау үшін тартымды негіз құрайтындай көрінсе де, LTP-нің мінез-құлықтық оқуға (бүкіл организм деңгейіндегі оқуға) қосқан үлесін ин витро зерттеулерінің нәтижелерінен тікелей болжауға болмайды. Сондықтан, LTP тірі жануарларда оқу мен есте сақтау үшін қажеттілік екенін анықтауға көп күш салынды. Осының салдарынан, LTP қорқыныш сезімін қалыптастыруда да маңызды рөл атқарады.
Ғарыштық жады
thumb 173px250px Моррис су лабиринті тапсырмасы кеңістіктік жадты қалыптастыруда NMDA рецепторларының қажеттілігін көрсету үшін қолданылды. 1986 жылы Ричард Моррис LTP-нің естеліктерді қалыптастыру үшін қажет екеніне алғашқы дәлелдер келтірді. Ол егеуқырлардың кеңістіктік жадын тексеру үшін олардың гиппокампын фармакологиялық түрде өзгертіп сынады, бұл ми құрылымы кеңістіктік оқытуда жақсы орныққан рөл атқарады. Егеуқырлар Моррис су лабиринтімен оқытылды, бұл кеңістіктік жадты сынау тапсырмасы, онда олар тұманды суға жүзіп, бетінен жасырылған платформаны табады. Осы жаттығу барысында, қалыпты егеуқырлар жасырылған платформаның орналасуын лабиринттің айналасындағы нақты орындарда орналасқан көзге көрінетін белгілермен байланыстырады деп күтіледі. Оқытудан кейін бір топ егеуқырлардың гиппокампына NMDA рецепторларын блоктаушы APV құйылды, ал екінші топ бақылау тобы болды. Содан кейін екі топ та су лабиринтімен байланысты кеңістіктік жадты сынау тапсырмасын орындады. Бақылау тобындағы егеуқырлар платформаны тауып, бассейннен қашып шықты, ал APV-мен емделген егеуқырлардың өнімділігі айтарлықтай төмендеді. Сонымен қатар, екі топтан да алынған гиппокамп тілімдерінде LTP бақылау тобында оңай туындады, бірақ APV-мен емделген егеуқырлардың миында туындамады. Бұл NMDA рецепторының – және оның кеңейтілуімен LTP – кем дегенде жадтың кейбір түрлері үшін қажет екеніне алғашқы дәлел болды. Сол сияқты, Сусуму Тонегава 1996 жылы гиппокамптың CA1 аймағының тірі егеуқырларда кеңістіктік жадты қалыптастыру үшін маңызды екенін көрсетті. Бұл аймақта орналасқан орындық жасушалар, егеуқыр ортадағы нақты бір жерде болғанда ғана белсенді болады – бұл орындық өріс деп аталады. Осы орындық өрістер ортада кеңістікке орналасқандықтан, бір түсіндірме бойынша, орындық жасушалар тобы гиппокампта карталар құрайды. Бұл карталардың дәлдігі егеуқырдың ортаны қаншалықты жақсы білуін және осылайша оның ортада қаншалықты жақсы бағытталатынын анықтайды. Тонегава NMDA рецепторының бұзылуы, атап айтқанда CA1 аймағындағы NR1 суббірлігін генетикалық түрде жою арқылы, орындық өрістердің бақылау тобына қарағанда айтарлықтай аз ерекшеліктерін тапты. Яғни, NMDA рецепторлары бұзылған егеуқырлар қате кеңістіктік карталар жасады. Күтілгендей, бұл егеуқырлар кеңістіктік тапсырмаларды бақылау тобына қарағанда нашар орындады, бұл кеңістіктік оқытудағы LTP рөлін одан әрі растады. Гиппокамптағы NMDA рецепторларының белсенділігін арттыру LTP-ні күшейтуге және кеңістіктік оқытуды жалпы жақсартуға көмектеседі. 1999 жылы Танг және авторлар NR2B суббірлігін гиппокампта асыра экспрессиялау арқылы NMDA рецепторларының функциясы жақсарған егеуқырлар желісін жасады. Нәтижесінде пайда болған ақылды егеуқырлар, ойдан шығарылған дамыған дәрігер Дуги Хаузердің құрметіне «Дуги егеуқырлары» деп аталды, олардың LTP-сі үлкен болды және кеңістіктік оқыту тапсырмаларында жақсы нәтижелер көрсетті, бұл гиппокампқа тәуелді жадты қалыптастыруда LTP-нің маңыздылығын нығайтты.
Ингибиторлық аулақтандыру
2006 жылы Джонатан Уитлок және оның әріптестері LTP-нің мінез-құлық жадындағы рөлін көрсеткен, мүмкін ең сенімді дәлелдерді ұсынған тәжірибелер сериясы туралы хабарлады. Олар LTP мінез-құлықтық оқытудың негізі екенін тұжырымдау үшін, екі процестің бір-бірін қайталауы және бір-бірін жоялауы қажет деп сараптады. Зерттеушілер тежеулі қашқыштық оқыту парадигмасын қолданып, екі камералы құралдағы жарық және қараңғы камералардағы егеуқырларды оқытты, сонда қараңғы камераға кіргенде аяққа соққы беретін құрылғы орнатылған. CA1 гиппокампальдық синапстарды талдау көрсетті, тежеулі қашқыштық жаттығулары in vivo жағдайында LTP-де байқалатын сияқты AMPA рецепторларының фосфорилирленуіне әкелді; яғни, тежеулі қашқыштық жаттығулары LTP-ні қайталады. Бұдан әрі, жаттығу кезінде күшейтілген синапстарды LTP-ні тудыратын тәжірибелік әрекеттер арқылы одан әрі күшейту мүмкін болмады; яғни, тежеулі қашқыштық жаттығулары LTP-ні тоқтатып тастады. Мақалаға жауап ретінде Тимоти Блис және оның әріптестері осы және ұқсас тәжірибелердің «LTP-ні есте сақтаудың нейрондық механизмі ретінде маңызды дәрежеде дамытатынын» атап өтті.
Клиникалық маңызы
ЛТП-ның аурулардағы рөлі, синапты пластиканың негізгі механизмдеріндегі рөліне қарағанда нашар түсінілген. Дегенмен, ЛТП-ның өзгеруі бірқатар неврологиялық ауруларға, оның ішінде депрессияға, Паркинсон ауруына, эпилепсияға және нейропатиялық ауырсынуға ықпал етуі мүмкін. ЛТП-ның нашарлауы Альцгеймер ауруы мен есірткіге тәуелділікте де маңызды рөл атқаруы мүмкін.
Альцгеймер ауруы
[[Сурет: АПП және ЛТП Альцгеймер ауруында. Альцгеймер ауруында амилоид прекурсорлық ақуыздың (АПП) қате өңделуі ұзақ мерзімді потенциацияны (ЛТП) бұзады және ауруға шалдыққан адамдарда ерте когнитивтік кемістікке алып келеді деп саналады. Альцгеймер ауруы кем дегенде ішінара амилоид прекурсорлық ақуыздың (АПП) қате өңделуінен туындайды. Бұл бұрмаланған өңдеудің нәтижесінде осы ақуыздың амилоид β (Aβ) деп аталатын фрагменттері жинақталады. Aβ ерігіш және фибриллярлы формаларда болады. АПП-ның қате өңделуі ерігіш Aβ-ның жинақталуына әкеледі, бұл Роуэннің гипотезасына сәйкес, гиппокамптың ЛТП-сын бұзады және Альцгеймер ауруының ерте сатыларында байқалатын когнитивтік кемістікке әкелуі мүмкін. Альцгеймер ауруы Aβ-дан өзгеше механизмдер арқылы да ЛТП-ны бұзуы мүмкін. Мысалы, бір зерттеуде PKMζ ферменті нейрофибрилляциялық түйіспелерде жинақталады, бұл Альцгеймер ауруының патологиялық белгісі болып табылады. PKMζ - ұзақ мерзімді потенциацияны сақтауда маңызды рөл атқаратын фермент.
Есірткіге тәуелділік
Есірткіге тәуелділік медицинасы саласындағы зерттеулер де соңғы уақытта LTP-ге назар аударды, себебі есірткіге тәуелділік – күшті оқыту және есте сақтау түрі деп саналады. Тәуелділік – мидың вентральді тегментальді аймағы (ВТА) және ядролық аккумбенс (NAc) сияқты әртүрлі бөліктерін қамтитын күрделі нейробиологиялық құбылыс. Зерттеулер ВТА және NAc синапстарының LTP-ге ұшырауға қабілетті екенін көрсетті.