Механизмы долговременной потенциации: роль AMPA и NMDA рецепторов.

Введение

Индукция долговременной потенциации, зависящей от NMDA-рецепторов (LTP), в химических синапсах мозга происходит посредством достаточно прямолинейного механизма. Значительное и быстрое повышение концентрации ионов кальция внутри постсинаптической клетки (или, точнее, в дендритном шипике) вероятно является единственным необходимым условием для индукции LTP. Однако механизм доставки кальция в постсинаптическую клетку, вызывающий LTP, более сложен.

Роль рецептора АМФА

AMPA-рецептор (AMPAR) – это двигатель, обеспечивающий генерацию возбуждающих постсинаптических потенциалов (EPSP). В то время как некоторые формы AMPAR способны проводить кальций, большинство AMPAR, обнаруженных в неокортексе, этой способностью не обладают. При связывании двух молекул глутамата AMPAR претерпевает конформационное изменение, напоминающее раскрытие створки раковины. Это изменение открывает ионный канал в структуре белка AMPAR, позволяя ионам натрия проникать внутрь клетки, а ионам калия – покидать её (то есть это канал, проводящий смешанные катионы). Проницаемость канала AMPAR для Na+ и K+ примерно одинакова, поэтому при его открытии результирующее изменение мембранного потенциала стремится к нулю (немного больше середины между равновесными потенциалами EK и ENa). Эта точка равновесия достигается примерно при 0 мВ (то есть потенциал обращения тока EPSP составляет около 0 мВ). Однако постсинаптический мембранный потенциал не изменится более чем на несколько милливольт от потенциала покоя при единичном пресинаптическом высвобождении глутамата, поскольку открывается лишь небольшое количество каналов AMPAR. Время жизни глутамата в синаптической щели слишком коротко, чтобы обеспечить продолжительное открытие канала AMPAR, что вызывает лишь небольшую деполяризацию. Открытый канал AMPAR часто рассматривается как непроницаемый для кальция, однако это лишь приближение, поскольку AMPAR с определенным субъединичным составом способны пропускать кальций, хотя и в меньшей степени и с другой частотой, чем NMDAR. Исторически наиболее распространенным экспериментальным методом индукции долговременной потенциации (LTP) является доставка тетанической стимуляции к пресинаптическому аксону синапса или группы синапсов. Частота этого тетануса обычно составляет 100 Гц, а продолжительность – 1 с. Однократный EPSP, опосредованный AMPAR, имеет время нарастания до пика примерно 2–5 мс и длительность около 30 мс. Если синапс стимулируется с частотой 100 Гц, пресинаптический нейрон будет пытаться высвобождать глутамат каждые 10 мс. EPSP, возникающий всего через 10 мс после предыдущего EPSP, достигнет синапса в момент, когда предыдущий EPSP находится на пике своей амплитуды. Таким образом, во время 100-герцового импульса стимулов каждый EPSP будет суммироваться с деполяризацией мембраны, вызванной предыдущими EPSP. Эта синаптическая суммация приводит к повышению мембранного потенциала до значений, недостижимых при одиночных синаптических стимулах. По мере суммирования EPSP они превысят порог возбуждения.

The AMPA receptor (AMPAR) is the engine that drives excitatory postsynaptic potentials (EPSPs). While some forms of the AMPAR can conduct calcium, most AMPARs found in the neocortex do not. The AMPAR, upon binding two glutamate molecules, undergoes a conformational change that resembles the opening of a clam shell. This conformational change opens an ion channel within the AMPAR protein structure that allows sodium ions to flow into the cell and potassium ions to flow out (i. e. it is a mixed cation conducting channel). The Na+ and K+ permeabilities of the AMPAR channel are roughly equal, so when this channel is open the resulting change in membrane potential tends towards zero (a bit more than halfway between the equilibrium potentials EK and ENa). This balance point is reached at around 0 mV (i. e. the reversal potential of the EPSP current is roughly 0 mV). However, the postsynaptic membrane potential will not change by more than a few millivolts from resting potential with a single presynaptic release of glutamate, because not many AMPAR channels open. The lifetime of the glutamate in the synaptic cleft is too short to allow more than a brief opening of the AMPAR channel, thus causing only a small depolarization. The open AMPAR channel is often considered to be non calcium permeable, but this is only an approximation as AMPARs with certain subunit compositions will allow calcium through, albeit at different levels and frequency to NMDARs. Historically, the most widely used experimental means of inducing LTP has been to deliver a tetanic stimulation to the presynaptic axon of a synapse or group of synapses. The frequency of this tetanus is typically 100 Hz, and the duration typically 1 s. A single AMPAR mediated EPSP has a rise time to peak of approximately 2–5 ms and a duration of approximately 30 ms. If a synapse is being stimulated at 100 Hz, the presynaptic neuron will be attempting to release glutamate once every 10 ms. An EPSP occurring only 10 ms after a previous EPSP will arrive at a time when that previous EPSP is at its peak amplitude. Thus, during a 100 Hz stimulus train, each EPSP will add to the membrane depolarization caused by the previous EPSPs. This synaptic summation drives the membrane potential toward values that could not be reached with single synaptic stimuli. As the EPSPs summate, they will exceed the spike threshold.

Роль рецептора NMDA

NMDA-рецептор (NMDAR) не вносит существенного вклада в постсинаптический потенциал (EPSP) при потенциале мембраны в состоянии покоя или близком к нему. После пресинаптического высвобождения глутамата, который связывается с AMPAR и открывает его, NMDAR также связывается с этим глутаматом и открывается. Однако ток не проходит через ионный канал NMDAR, поскольку он мгновенно блокируется ионом магния (Mg2+), который связывается с участком "внутри" открытого пор канала NMDAR. Магний получает доступ к этому участку связывания только при открытии канала NMDAR в результате связывания глутамата, что называется блоком открытого канала.

Магниевая блокада

Что делает эту магниевую блокаду канала NMDAR особенно значимой с точки зрения индукции долговременной потенциации (LTP), так это то, что блокировка зависит от напряжения мембраны. Основа этой зависимости напряжения относительно проста. Канал NMDAR является трансмембранным белком, то есть он пронизывает клеточную мембрану. Следовательно, он также охватывает электрическое поле, создаваемое мембранным потенциалом. Место связывания магния внутри канала NMDAR физически расположено в этом электрическом поле. Ионы магния, несущие двойной положительный заряд, подвержены воздействию этого поля. Когда клетка гиперполяризована, магний стабилизируется внутри канала (то есть два положительных заряда иона магния притягиваются к отрицательному полюсу электрического поля, направленному внутрь клетки). При деполяризации клетки влияние поля на ионы магния ослабевает, и время пребывания ионов магния в канале сокращается. Таким образом, кинетика реакции связывания между магнием и каналом NMDAR такова, что магний периодически отсоединяется от канала и покидает его, чтобы затем быть замененным другим ионом магния. В течение (кратковременного) периода отсутствия магния в открытом канале другие ионы (например, натрий и кальций) могут проходить через канал. Однако, когда клетка более гиперполяризована, связанное состояние магния стабилизируется, и он реже покидает канал и на более короткое время (в среднем). Когда клетка менее гиперполяризована, магний чаще покидает канал и дольше остается вне его (в среднем). Следовательно, магниевая блокада открытого канала NMDAR зависит от напряжения мембраны. В то время как сам канал NMDAR проявляет незначительную или отсутствующую зависимость от напряжения (его вольтамперная характеристика открытого канала более или менее линейна), зависимость блокады от напряжения эффективно, хотя и косвенно, наделяет этот канал зависимостью от напряжения. Таким образом, канал NMDAR функционирует одновременно как лигандо-зависимый и потенциал-зависимый канал. Этот факт критически важен для функции NMDAR как детектора совпадений по Хеббу. Более строго говоря, входящий катионный ток (натрия или кальция) через открытый, не заблокированный NMDAR действительно уменьшается при деполяризации (из-за снижения электрохимической "движущей силы"), но кажущийся эффект разблокировки, зависящий от напряжения, перевешивает это снижение движущей силы, поэтому приток кальция в дендритный шипик, вызванный парой правильно синхронизированных пре- и постсинаптических потенциалов действия, значительно превышает сумму притоков, вызванных отдельными потенциалами действия. Этот дополнительный, или "нелинейный", приток кальция запускает изменение силы синапса.

What makes this magnesium blockade of the NMDAR channel particularly significant in terms of LTP induction is that the block is membrane voltage dependent. The basis of this voltage dependence is relatively straightforward. The NMDAR channel is a transmembrane protein; that is, it spans the cell membrane. As such, it also spans the electric field generated by the membrane potential. The magnesium binding site within the NMDAR channel is physically located within this electric field. Magnesium ions carrying a double positive charge can be acted upon by the field. When the cell is hyperpolarized, magnesium is stabilized inside the channel (i. e. the two positive charges on the magnesium ion are attracted toward the negative pole of the electric field, which points toward the inside of the cell). As a cell is depolarized, the field effect on the magnesium ion weakens, and the dwell time of magnesium ions within the channel decreases. Thus, the kinetics of the binding reaction between magnesium and the NMDAR channel are such that magnesium periodically unbinds and leaves the channel, only to be replaced by another magnesium ion. During the (very brief) time that the magnesium is absent from the open channel, other ions (such as sodium and calcium) can flow through the channel. However, when the cell is more hyperpolarized, the bound state of magnesium is stabilized and it leaves the channel less often and for a shorter period of time (on average). When the cell is less hyperpolarized, the magnesium leaves the channel more often and stays away for longer (on average). Hence, the magnesium blockade of the open NMDAR channel is membrane voltage dependent. While the NMDAR channel itself displays little or no voltage dependence (its open channel I/V curve is more or less linear), the voltage dependence of the magnesium block effectively, if indirectly, confers voltage dependence to this channel. Thus, in effect, the NMDAR channel is both a ligand gated and voltage gated channel at the same time. This fact is critical to the function of the NMDAR as a Hebbian coincidence detector. More strictly speaking, inward cationic current (sodium or calcium) through the open unblocked NMDAR does decrease with depolarization (because of the decreased electrochemical "driving force"), but the voltage dependent unblocking seems to outweigh this decrease in driving force, so the calcium influx into the spine caused by a pair of appropriately timed pre and postsynaptic spikes significantly exceeds the sum of the influxes due to the individual spikes alone. This extra, or "nonlinear", calcium entry triggers the strength change.