Введение
Биологический процесс, который регулирует силу синаптических связей между нейронами в мозге. Зависимая от времени спайков пластичность (STDP) — это биологический процесс, который регулирует силу синаптических связей между нейронами в мозге. Этот процесс изменяет прочность синапсов в зависимости от относительного времени возникновения выходных и входных потенциалов действия (или спайков) конкретного нейрона. Процесс STDP частично объясняет развитие нервной системы, зависящее от активности, особенно в отношении долговременной потенциации и долговременной депрессии.
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
В процессе STDP, если входной спайк нейрона в среднем возникает непосредственно перед выходным спайком этого нейрона, то данный конкретный вход усиливается. Если входной спайк в среднем возникает непосредственно после выходного спайка, то данный конкретный вход ослабляется, отсюда и название: "пластичность, зависящая от времени спайков". Таким образом, входы, которые могут быть причиной возбуждения постсинаптического нейрона, становятся еще более вероятными участниками в будущем, в то время как входы, не являющиеся причиной постсинаптического спайка, становятся менее вероятными участниками в будущем. Процесс продолжается до тех пор, пока не останется подмножество исходного набора связей, а влияние всех остальных снижается до нуля. Поскольку нейрон генерирует выходной спайк, когда многие его входы происходят в течение короткого промежутка времени, подмножество оставшихся входов – это те, которые имели тенденцию коррелировать по времени. Более того, поскольку входы, предшествующие выходному спайку, усиливаются, входы, предоставляющие самые ранние признаки корреляции, в конечном итоге становятся решающими для нейрона.
История
В 1973 году М. М. Тейлор предположил, что если синапсы усиливались бы в тех случаях, когда пресинаптический спайк возникал непосредственно перед постсинаптическим спайком чаще, чем наоборот (хеббианское обучение), а при обратной последовательности времени или при отсутствии близко расположенного по времени пресинаптического спайка синапсы ослабевали бы (антихеббианское обучение), то результатом стало бы информационно эффективное перекодирование входных паттернов. Это предложение, по-видимому, осталось незамеченным в нейробиологическом сообществе, и последующие эксперименты были разработаны независимо от этих ранних предложений. Первые эксперименты по ассоциативной пластичности были проведены У. Б. Леви и О. Стьюардом в 1983 году и исследовали влияние относительного времени пре- и постсинаптических потенциалов действия на миллисекундном уровне на пластичность. Брюс МакНоттон также внес значительный вклад в эту область. Исследования нейромышечных синапсов, проведенные Y. Dan и Mu ming Poo в 1992 году, и гиппокампа D. Debanne, B. Gähwiler и S. Thompson в 1994 году показали, что асинхронное сочетание постсинаптической и синаптической активности индуцирует долговременную синаптическую депрессию. Однако STDP была более убедительно продемонстрирована Генри Маркрамом в период его постдокторантуры до 1993 года в лаборатории Берта Сакмана (абстракты SFN и Phys Soc в 1994–1995 гг.), которые были опубликованы только в 1997 году. C. Белл и его коллеги также обнаружили форму STDP в мозжечке. Генри Маркрам использовал технику двойного патч-клемпа для повторной активации пресинаптических нейронов за 10 миллисекунд до активации постсинаптических нейронов-мишеней и обнаружил, что сила синапса увеличивается. Когда порядок активации был изменен так, что пресинаптический нейрон активировался через 10 миллисекунд после своего постсинаптического нейрона-мишени, сила пре-постсинаптического соединения уменьшалась. Дальнейшие исследования, проведенные Guoqiang Bi, Li Zhang и Huizhong Tao в лаборатории Mu Ming Poo в 1998 году, продолжили картирование всей временной зависимости между пре- и постсинаптической активностью и синаптическими изменениями, чтобы показать, что в их препарате синапсы, активированные в течение 5–20 мс до постсинаптического спайка, усиливаются, а те, которые активируются в течение аналогичного временного окна после спайка, ослабляются. Это явление наблюдалось в различных других препаратах, с некоторыми вариациями во временном окне, релевантном для пластичности. Было предложено несколько объяснений пластичности, зависящей от времени. Например, STDP может обеспечить субстрат для хеббианского обучения в процессе развития, или, как предположил Тейлор.
Биологические механизмы
Постсинаптические NMDA-рецепторы (NMDAR) обладают высокой чувствительностью к мембранному потенциалу (см. обнаружение совпадений в нейробиологии). Благодаря своей высокой проницаемости для кальция, они генерируют локальный химический сигнал, максимальный при прибытии обратного распространения потенциала действия в дендрит вскоре после активации синапса (пре- и постсинаптические спайки). Известно, что значительные постсинаптические транзиенты кальция запускают синаптическую потенцирование (долговременную потенцирование). Механизм депрессии, зависящей от времени спайка, изучен хуже, но часто включает либо постсинаптическое введение кальция, зависящее от напряжения, / активацию mGluR, либо ретроградные эндоканнабиноиды и пресинаптические NMDAR.
От правила Хепбиана к ПННП
Согласно правилу Хебба, эффективность синапсов возрастает, если синапс последовательно участвует в возбуждении постсинаптического нейрона-мишени. Аналогично, эффективность синапсов снижается, когда возбуждение их пресинаптических нейронов последовательно не связано с возбуждением постсинаптических нейронов. Эти принципы часто упрощают в виде мнемонических правил: "те, кто возбуждается вместе, соединяются вместе"; и "те, кто возбуждается рассинхронно, теряют связь". Однако, если два нейрона возбуждаются одновременно, то один из них не может быть причиной или участвовать в возбуждении другого. Вместо этого, для участия в возбуждении постсинаптического нейрона, пресинаптический нейрон должен возбуждаться непосредственно перед постсинаптическим нейроном. Эксперименты, в которых стимулировали два связанных нейрона с различной асинхронностью межстимульных интервалов, подтвердили важность временных отношений, подразумеваемых принципом Хебба: для потенцирования или депрессии синапса пресинаптический нейрон должен возбуждаться непосредственно перед или сразу после постсинаптического нейрона, соответственно. Кроме того, стало очевидно, что последовательное возбуждение пресинаптических нейронов должно предсказывать возбуждение постсинаптических нейронов для устойчивой синаптической пластичности, что отражает на синаптическом уровне известную важность контингентности в классическом обусловливании, где процедуры нулевой контингентности предотвращают формирование ассоциации между двумя стимулами.
Роль в обучении гиппокампа
Для наиболее эффективного STDP пресинаптический и постсинаптический сигналы должны быть разделены примерно на дюжину миллисекунд. Однако события, происходящие в течение нескольких минут, обычно могут быть связаны гиппокампом как эпизодические воспоминания. Для разрешения этого противоречия был предложен механизм, основанный на тета-волнах и фазовой прецессии: представления различных элементов памяти (таких как место, лицо, человек и т.д.) повторяются в каждом тета-цикле в определенной тета-фазе во время запоминаемого эпизода. Ожидаемые, текущие и завершенные элементы имеют раннюю, промежуточную и позднюю тета-фазы соответственно. В области CA3 гиппокампа рекуррентная сеть преобразует элементы с соседними тета-фазами в коинцидентные, тем самым позволяя STDP связывать их вместе. Таким образом, экспериментально обнаруживаемые последовательности памяти создаются путем усиления связи между последовательными (соседними) представлениями.