Введение
В нейрофизиологии долгосрочная депрессия (LTD) – это снижение эффективности нейронных синапсов, зависящее от активности, которое длится часы или дольше после продолжительного шаблонного стимула. LTD наблюдается во многих областях ЦНС с различными механизмами, зависящими от области мозга и стадии развития. Являясь процессом, противоположным долгосрочной потенциации (LTP), LTD – один из нескольких механизмов, служащих для избирательного ослабления определенных синапсов, чтобы эффективно использовать усиление синапсов, вызванное LTP. Это необходимо, поскольку, если синапсы будут продолжать неограниченно усиливаться, они в конечном итоге достигнут предельного уровня эффективности, что помешает кодированию новой информации. И LTD, и LTP являются формами синаптической пластичности.
Характеристика
Наиболее хорошо изучены долговременная депрессия (ЛТД) в гиппокампе и мозжечке, но существуют и другие области мозга, в которых механизмы ЛТД также понятны. Гиппокампальная/кортикальная ЛТД может зависеть от NMDA-рецепторов, метаботропных глутаматных рецепторов (mGluR) или эндоканнабиноидов. Молекулярный механизм, лежащий в основе ЛТД в мозжечке, приводит к фосфорилированию AMPA-глутаматных рецепторов и их удалению с поверхности синапса между параллельным волокном и клеткой Пуркинье (PF PC).
Нейронный гомеостаз
Для нейронов крайне важно поддерживать вариабельный диапазон нейронной активности. Если бы синапсы усиливались исключительно положительной обратной связью, они бы в конечном итоге пришли к состоянию полной неактивности или чрезмерной активности. Чтобы предотвратить статичность нейронов, существуют два регуляторных механизма пластичности, обеспечивающих отрицательную обратную связь: метапластичность и масштабирование. Метапластичность проявляется как изменение способности вызывать последующую синаптическую пластичность, включая долговременную депрессию (LTD) и долговременную потенциацию (LTP). Модель Биененстока, Купера и Мунро (модель BCM) постулирует существование определенного порога, при котором уровень постсинаптического ответа ниже порога приводит к LTD, а выше – к LTP. Теория BCM также предполагает, что уровень этого порога зависит от средней величины постсинаптической активности. Масштабирование наблюдается, когда сила всех возбуждающих входов нейрона пропорционально увеличивается или уменьшается. LTD и LTP взаимодействуют с метапластичностью и синаптическим масштабированием для поддержания нормального функционирования нейронной сети.
Общие формы ООО
Долгосрочная депрессия может быть описана как гомосинаптическая или гетеросинаптическая пластичность. Гомосинаптическая ЛТД ограничена отдельным синапсом, активируемым низкочастотным стимулом. Иными словами, эта форма ЛТД зависит от активности, поскольку события, вызывающие ослабление синапса, происходят в том же синапсе, который активируется. Гомосинаптическая ЛТД также является ассоциативной, поскольку она связывает активацию постсинаптического нейрона с возбуждением пресинаптического нейрона. ЛТД возникает в этих синапсах при многократной стимуляции волокон Шаффера в течение продолжительного времени (10–15 минут) на низкой частоте (приблизительно 1 Гц). Если поступление Ca2+ ниже порогового значения, это приводит к ЛТД. Пороговый уровень в области CA1 находится на переменной шкале, зависящей от предыстории синапса. Если синапс уже подвергался ЛТП, порог повышается, увеличивая вероятность того, что приток кальция вызовет ЛТД. Таким образом, система «отрицательной обратной связи» поддерживает синаптическую пластичность. Изменение напряжения обеспечивает градуальный контроль постсинаптического Ca2+ посредством регуляции Ca2+ притока, зависимого от NMDAR, который отвечает за инициирование ЛТД. В то время как ЛТП частично обусловлена активацией протеинкиназ, которые впоследствии фосфорилируют белки-мишени, ЛТД возникает в результате активации кальцийзависимых фосфатаз, которые дефосфорилируют белки-мишени. Селективная активация этих фосфатаз различными уровнями кальция может быть ответственна за различные эффекты кальция, наблюдаемые при ЛТД. ЛТД участвует в предиктивном контроле, осуществляемом мозжечковыми цепями, и в мозжечковом резерве.
Участие Ca2+
Дальнейшие исследования установили роль кальция в индукции долговременной депрессии (ДД). В то время как другие механизмы ДД изучаются, роль кальция в ДД является четко определенным и хорошо понятным механизмом для ученых. Высокая концентрация кальция в постсинаптических клетках Пуркинье необходима для индукции долговременной депрессии. Существует несколько источников кальциевой сигнализации, вызывающих ДД: восходящие волокна и параллельные волокна, которые сходятся на клетки Пуркинье. Кальциевая сигнализация в постсинаптической клетке включает в себя как пространственное, так и временное совпадение высвобождения кальция в дендритах, индуцированного восходящими волокнами, а также высвобождение кальция, опосредованное mGluR и IP3, вызванное параллельными волокнами. В восходящих волокнах деполяризация, опосредованная AMPA-рецепторами, индуцирует регенеративный потенциал действия, распространяющийся на дендриты, который генерируется вольтаж-зависимыми кальциевыми каналами. В сочетании с активацией mGluR1, опосредованной параллельными волокнами, происходит индукция ДД. В параллельных волокнах глутаматные рецепторы (GluR) активируются постоянной стимуляцией параллельных волокон, что косвенно индуцирует связывание IP3 с его рецептором и активацию высвобождения кальция из внутриклеточных хранилищ. В процессе индукции кальция существует положительная обратная связь для регенерации кальция, необходимого для долговременной депрессии. Для деполяризации клеток Пуркинье необходимо одновременное активировать восходящие и параллельные волокна, а также mGluR1. Время является критически важным фактором для восходящих и параллельных волокон: более эффективное высвобождение кальция достигается при активации параллельных волокон за несколько сотен миллисекунд до активации восходящих волокон. При таком механизме ДД низкочастотная стимуляция одного пути приводит к ДД только для этого конкретного входа, что делает ее гомосинаптической. Величина этой ДД сопоставима с величиной, достигаемой при низкочастотной стимуляции, но требует меньшего количества стимульных импульсов (40 импульсов в секунду для 900 низкочастотных стимуляций).
Периринная кора
Вычислительные модели предсказывают, что долговременная депрессия (LTD) обеспечивает больший прирост емкости хранения памяти распознавания по сравнению с долговременной потенциацией (LTP) в периринной коре, и это предсказание подтверждается экспериментами по блокированию нейротрансмиттерных рецепторов.
Пластичность, зависящая от времени пика
Пластичность, зависящая от времени спайков (STDP), относится ко времени пресинаптических и постсинаптических потенциалов действия. STDP – это форма нейропластичности, при которой изменение в масштабе миллисекунд во времени пресинаптических и постсинаптических спайков вызывает различия в постсинаптических сигналах Ca2+, индуцируя либо долговременную потенциацию (LTP), либо долговременную депрессию (LTD). LTD возникает, когда постсинаптические спайки предшествуют пресинаптическим спайкам на срок до 20–50 мс. Эксперименты с цельноклеточным патч-клемпом *in vivo* показывают, что задержки постсинаптического спайка относительно пресинаптического вызывают синаптическую депрессию. Существует окно пластичности: если пресинаптические и постсинаптические спайки слишком далеко друг от друга (то есть более 15 мс), вероятность пластичности невелика. Возможное окно для LTD шире, чем для LTP, хотя важно отметить, что этот порог зависит от синаптической истории. Когда возбуждение постсинаптического потенциала действия происходит раньше возбуждения пресинаптического афферента, одновременно стимулируются как пресинаптические эндоканнабиноидные (CB1) рецепторы, так и NMDA-рецепторы. Постсинаптический спайк ослабляет Mg2+-блокаду NMDA-рецепторов. Постсинаптическая деполяризация ослабевает к моменту возникновения постсинаптического потенциала (EPSP), позволяя Mg2+ вернуться к своему ингибирующему месту связывания. Таким образом, приток Ca2+ в постсинаптическую клетку уменьшается. CB1-рецепторы обнаруживают уровни постсинаптической активности посредством ретроградного высвобождения эндоканнабиноидов. STDP избирательно усиливает и консолидирует специфические синаптические модификации (сигналы), подавляя глобальные (шум). Это приводит к увеличению отношения сигнал/шум в корковых сетях человека, что облегчает обнаружение релевантных сигналов во время обработки информации.
Моторное обучение и память
Долгосрочная депрессия (ЛТД) давно рассматривается как важный механизм, лежащий в основе обучения и памяти. Считается, что мозжечковая ЛТД способствует моторному обучению, а гиппокампальная ЛТД – ослаблению памяти. Однако недавние исследования показали, что гиппокампальная ЛТД может не быть обратной по отношению к долговременной потенциации (ЛТП), а вместо этого способствовать формированию пространственной памяти. Хотя ЛТД хорошо изучена, гипотезы о ее роли в моторном обучении и памяти остаются предметом споров. Исследования связывают дефицит мозжечковой ЛТД с нарушением моторного обучения. В одном исследовании мутантные мыши с дефектом метаботропных глутаматных рецепторов 1 сохраняли нормальную анатомию мозжечка, но имели ослабленную ЛТД и, как следствие, нарушение моторного обучения. Однако связь между мозжечковой ЛТД и моторным обучением была серьезно поставлена под сомнение. Исследование на крысах и мышах показало, что нормальное моторное обучение происходит даже при блокировке ЛТД клеток Пуркинье с помощью (1R 1 бензотиофен-5-ил 2[2-(диэтиламино)этокси]этанола гидрохлорида (T 588). Аналогично, ЛТД у мышей нарушалась различными экспериментальными методами, при этом не наблюдалось дефицита в моторном обучении или производительности. Все это вместе взятое позволяет предположить, что корреляция между мозжечковой ЛТД и моторным обучением могла быть иллюзорной. Исследования на крысах выявили связь между ЛТД в гиппокампе и памятью. В одном исследовании крысы подвергались воздействию новой среды, и в области CA1 наблюдалась гомосинаптическая пластичность (ЛТД). Это позволило предположить, что ЛТД и ЛТП работают совместно для кодирования различных аспектов пространственной памяти. Новые данные свидетельствуют о том, что ЛТП отвечает за кодирование пространства, а ЛТД – за кодирование особенностей пространства. После хронического употребления кокаина количество AMPA-рецепторов по отношению к NMDA-рецепторам снижается в средних шиповатых нейронах скорлупы прилежащего ядра. Кроме того, исследователи недавно обнаружили новый механизм (включающий ЛТД), связывающий растворимый бета-амилоидный белок (Aβ) с синаптическим повреждением и потерей памяти, связанными с болезнью Альцгеймера. Хотя роль Aβ в регуляции ЛТД до конца не ясна, было установлено, что растворимый Aβ облегчает гиппокампальную ЛТД, что опосредовано снижением рециркуляции глутамата в синапсах гиппокампа. Избыток глутамата считается фактором, способствующим прогрессирующей потере нейронов при болезни Альцгеймера. Данные о том, что растворимый Aβ усиливает ЛТД посредством механизма, включающего нарушение захвата глутамата в синапсах гиппокампа, имеют важное значение для понимания инициации синаптической недостаточности при болезни Альцгеймера и при возрастном накоплении Aβ. Это исследование предоставляет новые знания о развитии болезни Альцгеймера и предлагает потенциальные терапевтические мишени для лечения этого заболевания. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, как растворимый бета-амилоидный белок конкретно вмешивается в работу глутаматных транспортеров. В области изучения нарушений мозжечка аутоантигены участвуют в молекулярных каскадах, индуцирующих ЛТД синаптической передачи между параллельными волокнами (ПВ) и клетками Пуркинье (КП), что является механизмом синаптической пластичности в мозжечке. Церебеллярные атаксии, связанные с антителами к VGCC, mGluR1 и GluR delta, имеют один общий патофизиологический механизм: нарушение ЛТД ПВ-КП. Это приводит к нарушению восстановления или поддержания внутренней модели, хранящейся в мозжечке, и вызывает церебеллярную атаксию. Эти заболевания являются ЛТД-патиями. Механизм долгосрочной депрессии хорошо изучен в ограниченных областях мозга. Однако то, как ЛТД влияет на моторное обучение и память, до сих пор недостаточно понятно. Определение этой взаимосвязи в настоящее время является одним из основных направлений исследований ЛТД.
Нейродегенерация
Исследования нейродегенеративных заболеваний до сих пор не дают однозначных ответов относительно механизмов, запускающих дегенерацию в мозге. Новые данные свидетельствуют о сходстве между апоптотическим путем и долговременной депрессией (LTD), включающим фосфорилирование/активацию GSK3β. NMDAR-зависимая LTD(A) способствует элиминации избыточных синапсов в процессе развития. Этот процесс подавляется после стабилизации синапсов и регулируется GSK3β. При нейродегенерации существует вероятность дерегуляции GSK3β, приводящей к "синаптическому прунингу". Избыточное удаление синапсов может являться ранним признаком нейродегенерации и указывать на связь между апоптозом и нейродегенеративными заболеваниями.