Кіріспе

Синапс белсенділігіне қарай уақыт өте келе күшейе немесе әлсірей алатын қабілеті – синаптық пластикалық. Нейробиологияда синаптық пластикалық – бұл олардың белсенділігінің артуына немесе төмендеуіне жауап ретінде уақыт өте келе күшейе немесе әлсірей алатын синапстардың қабілеті. Жадылар мидағы тым байланысты нейрондық тізбектер арқылы бейнеленеді деп есептелетін болғандықтан, синаптық пластикалық – оқу мен жадтың маңызды нейрохимиялық негіздерінің бірі (Хеббиан теориясын қараңыз). Пластикалық өзгерістер көбінесе синапста орналасқан нейротрансмиттер рецепторларының санының өзгеруінен туындайды. Синаптық пластикалыққа жету үшін бірнеше негізгі механизмдер бар, олардың ішінде синапсқа шығарылатын нейротрансмиттерлердің мөлшеріндегі өзгерістер және жасушалардың осы нейротрансмиттерлерге қаншалықты тиімді жауап беретіндігіне байланысты өзгерістер де бар. Қоздырғыш және тежегіш синапстардағы синаптық пластикалықтың постсинаптикалық кальцийдің босауына тәуелді екендігі анықталды. Бұл белсендірілген протеинкиназалар постсинаптикалық қоздырғыштардың (мысалы, AMPA рецепторларының) фосфорилдануына қызмет етеді, катиондық өткізгіштікті жақсартады және осылайша синапсты күшейтеді. Сонымен қатар, бұл сигналдар қосымша рецепторларды постсинаптикалық мембранаға тартады, модификацияланған рецептор түрінің өндірісін ынталандырады, осылайша кальцийдің ағынын жеңілдетеді. Бұл өз кезегінде берілген пресинаптикалық стимул арқылы постсинаптикалық қозуды арттырады. Бұл процесті осы катиондық арналарды дефосфорилдейтін ақуыз фосфатазаларының белсенділігі арқылы кері қайтаруға болады. Екінші механизм ген транскрипциясын реттейтін екінші хабаршы каскадына және CaMKII және PKAII сияқты түйе түйесі синапстарындағы негізгі белоктардың деңгейіндегі өзгерістерге байланысты. Екінші хабаршы жолының белсенділігі дендриттік тікендегі CaMKII және PKAII деңгейінің артуына әкеледі. Бұл белок киназалары дендриттік тікен көлемінің өсуімен және AMPA рецепторларының плазмалық мембранаға қосылуы және иондық арналардың фосфорилирленуі сияқты LTP процестерімен байланысты. Белсендірілген белоктардың локализациясы немесе бөлінуі олардың берілген стимулының қатысуымен пайда болады, бұл дендриттік тікенде жергілікті әсерді тудырады. CaMKII-нің белсенділігі үшін NMDA рецепторларынан кальций ағыны қажет. Бұл активация ошақты стимуляция арқылы тікендерге локализделеді және көрші тікендерге немесе білікке тарағанға дейін белсендірілмейді, бұл LTP-нің маңызды механизмін көрсетеді, өйткені белок активациясының белгілі бір өзгерістері бірден дендриттік тікендердің жауап беру қабілетін арттыру үшін локализделуі немесе бөлінуі мүмкін. Жеке дендриттік тікендер пресинаптикалық жасушаларға ерекше жауаптар беруге қабілетті. Бұл екінші механизмді ақуызды фосфорилирлеу арқылы іске қосуға болады, бірақ ұзақ уақытқа созылады және ұзаққа созылады, бұл ұзақ уақытқа созылатын есте сақтау механизмін қамтамасыз етеді. LTP ұзақтығын осы екінші хабаршыларды ыдырату арқылы реттеуге болады. Мысалы, фосфодиэстераза екінші респонденттік cAMP-ті ыдыратады, ол постсинаптикалық нейронның AMPA рецепторларының синтезінің артуына әсер етеді. Екі нейрон арасындағы синаптикалық байланыстардың тиімділігінің ұзақ мерзімді өзгерістері (ұзақ мерзімді потенциация немесе LTP) синаптикалық байланыстардың жасалуы мен бұзылуын қамтиды. Активин А-ның бір кіші бірлігін кодтайтын активин ß А сияқты гендер LTP-ның ерте кезеңінде жоғары реттеледі. Активин молекуласы дендриттік тікендердегі актин динамикасын MAP киназа жолы арқылы реттейді. Дендриттік тікендердің F актин цитоскелет құрылымын өзгерту арқылы тікен мойындары ұзартылады, электрлік оқшаулауды арттырады. Соңғы нәтиже – LTP ұзақ мерзімді сақталуы. Синапстан кейінгі мембранадағы иондық арналардың саны синапстың күш-қуатына әсер етеді. Зерттеулер синапстан кейінгі мембраналардағы рецепторлардың тығыздығы өзгеріп, жүйке клеткасының қозу қабілетіне әсер ететінін көрсетеді. Дұрыс тепе-теңдікте сақталатын динамикалық процесте N метил D аспартат рецепторы (NMDA рецепторы) және AMPA рецепторлары экзоцитоз арқылы мембранаға қосылады және эндоцитоз арқылы алынады. Бұл процестер және мембранадағы рецепторлардың саны синаптық белсенділікпен өзгертілуі мүмкін. NMDA рецепторларының жоғары жиіліктегі белсендірілуі кезінде AMPA рецепторларының синаптық сыйымдылығын арттыратын PSD 95 деген ақуыздың экспрессиясы артады. Осыдан AMPA рецепторларының ұзақ мерзімді артуына және осылайша синапстың күшіне және пластикалыққа жеткізіледі. Егер синапстың күші тек стимуляция арқылы нығайтылса немесе оның болмауы арқылы әлсізделсе, оң кері байланыс тізбегі пайда болады, бұл кейбір жасушалардың ешқашан оқшауланбауына және кейбір жасушалардың тым көп оқшаулануына әкеледі. Бірақ екі реттеуші пластикалық формасы, scaling және метапластикалық, теріс кері байланыс беру үшін де бар. Синаптық scaling синапстардың күшін бір-біріне қатысты сақтауға қызмет етеді, үнемі қозуға жауап ретінде шағын қоздырғыш постсинаптикалық потенциалдардың амплитудасын төмендетіп, ұзаққа созылған блокададан немесе тежелуден кейін көтереді. Синаптық scaling – бұл нейронның өзгеріп отыратын кірістеріне қатысты таңдамалы болуының негізгі механизмі. LTP/LTD әсер еткен және scaling және метапластикалықпен өзгертілген нейрондық тізбектер Хеббиандық жолмен жады ретінде көрінетін қайталанатын нейрондық тізбектердің дамуы мен реттелуіне әкеледі, ал синапс деңгейінде басталатын нейрондық тізбектердегі өзгерістер организмнің үйрену қабілетінің маңызды бөлігі болып табылады. Синаптық пластикалықты құру үшін биохимиялық өзара әрекеттесулердің орналасуының маңыздылығы да бар, атап айтқанда, орналасудың маңыздылығы. Процестер микродомендерде жүреді – мысалы, AMPA рецепторларының экзоцитозы STX4 t SNARE арқылы кеңістіктік реттеледі. CAMKII сигнализациясының нанодомен кальцийі де маңызды аспектісі болып табылады.

Қысқа мерзімді пластикалық

Қысқа мерзімді синапты пластикалық ұзақ мерзімді пластикалықтан өзгеше, ондаған миллисекундтан бірнеше минутқа дейін әрекет етеді, ал ұзақ мерзімді пластикалық минуттардан сағаттарға дейін сақталады. Қысқа мерзімді пластикалық синапсты күшейте де, әлсірете де білуі мүмкін.

Синаптикалық күшейту

Қысқа мерзімді синапстық күшейту – бұл пресинаптық әсер ету потенциалына жауап ретінде синапстық терминалдардың таратушыларды босату ықтималдығының артуының нәтижесі. Синапс әрбір әсер ету потенциалына жауап ретінде босатылатын таратушының мөлшерінің артуына байланысты қысқа мерзімге күшейеді. Күшейтудің әрекет ету уақытына қарай, бұл нейрондық жеңілдету, синапстық күшейту немесе тетаникалық потенцияция ретінде жіктеледі.

Синаптикалық депрессия

Синаптикалық шаршау немесе депрессия көбінесе тез босатылатын везикулалардың азаюымен байланысты. Депрессия постсинаптикалық процестерден және пресинаптикалық рецепторлардың кері байланыс арқылы белсенділігінен де туындауы мүмкін. Гетеросинаптикалық депрессия аденозин трифосфатының (АТФ) астроциттерден шығарылуымен байланысты деп саналады.

Ұзақ мерзімді пластикалық

Ұзақ мерзімді депрессия (ҰМД) және ұзақ мерзімді потенциация (ҰМП) – қоздырғыш синапстарда пайда болатын, минуттар немесе одан ұзаққа созылатын ұзақ мерзімді пластикалық өзгерістердің екі түрі. Соңғы кезде синаптық пластикалықтың көптеген түрлерін түсіндіре алатын жан-жақты модельді ұсынуға бірнеше әрекет жасалды.

Ұзақ мерзімді депрессия

Эксцитациялық жолдың қысқаша белсендірілуі мидың көптеген аймақтарында синаптық берілістің ұзақ мерзімді депрессиясын (LTD) тудыруы мүмкін. LTD постсинаптикалық деполяризацияның минималды деңгейі және постсинаптикалық нейронның ішкі жасушалық кальций концентрациясының бірдей уақытта артуы арқылы шақырылады. Кальций концентрациясы гетеросинаптикалық активация арқылы қажетті минималды деңгейге көтерілсе немесе сыртқы ортадағы концентрация артса, LTD белсенді емес синапстарда да басталуы мүмкін. LTD-ге әкеп соғатын осы баламалы жағдайлар Хебб ережесінен ерекшеленеді және оның орнына синаптық белсенділіктің модификациясына байланысты. Астроциттерден сериннің босауы гиппокампта LTD-нің айтарлықтай төмендеуіне алып келеді. Мида LTD нейропластиканың бір түрі болып табылатын мишық құрылымдарының бірі болып есептеледі.

Ұзақ мерзімді потенциациялау

Ұзақ мерзімді потенциациялау, көбінесе LTP деп аталады, – бұл электрлік стимулдардың күшейткіш импульстарынан кейін синаптық жауаптың күшеюі, ол бастапқы жауап деңгейінен бірнеше сағатқа немесе одан да ұзақ уақытқа сақталады. LTP постсинаптикалық нейрондар мен синаптық байланысты құрайтын нақты пресинаптикалық кірістер арасындағы өзара әрекеттесуді қамтиды және синаптық берілудің ынталандырылған жолына тән. Синаптық өзгерістердің ұзақ мерзімді тұрақтандырылуы аксоналдық түйіндер, дендриттік тікендер және постсинаптикалық тығыздық сияқты пре- және постсинаптикалық құрылымдардың бірдей күшеюімен анықталады. Жеке дендриттік тікендер массивін стимуляциялау арқылы жүргізілген тәжірибелер екі жақын дендриттік тікендердің синаптық ынтымақтастығы LTD-ны болдырмай, тек LTP-ге ғана мүмкіндік беретінін көрсетті.

Синаптикалық беріктігі

Синапстық күштің өзгеруі функционалдық пластикалық деп аталады. Синапстық күштің өзгеруіне глиальды жасушалардың нақты түрлерінің ерекше механизмдері қатысады, олардың ең көп зерттелгені – астроциттер. Қысқа мерзімді жеңілдету жұмыс жады және кіріс картасын оқу үшін, ал қысқа мерзімді депрессия – автокорреляцияны жою үшін пайда болады. Ұзақ мерзімді күшейту кеңістіктік жадты сақтау үшін, ал ұзақ мерзімді депрессия кеңістіктік ерекшеліктерді кодтау, синапстарды таңдап әлсірету және ескі жад іздерін жою үшін қолданылады. Шырша уақытына тәуелді пластикалық алға бағытталғанда, ол ұзақ мерзімді уақыт аралық байланыс, уақыттық кодтау және кеңістік-уақыттық кодтау үшін қолданылады. Шырша уақытына тәуелді пластикалық кері бағытталғанда, ол сенсорлық сүзгі ретінде әрекет етеді.