Нейронная фасилитация - Neural facilitation

Нейронная фасилитация , также известная как фасилитация парных импульсов ( PPF ), - это явление в нейробиологии, в котором постсинаптические потенциалы (PSP) ( EPP , EPSP или IPSP ), вызванные импульсом, увеличиваются, когда этот импульс близко следует за предыдущим импульсом. Таким образом, PPF является формой краткосрочной синаптической пластичности . Механизмы, лежащие в основе нейрональной фасилитации, являются исключительно пресинаптическими; вообще говоря, PPF возникает из-за увеличения пресинаптического Ca2+
концентрация, приводящая к большему высвобождению синаптических везикул, содержащих нейротрансмиттер . Нейронная фасилитация может быть задействована в нескольких нейронных задачах, включая простое обучение, обработку информации и локализацию источника звука.

Механизмы

Обзор

Ca2+
играет важную роль в передаче сигналов в химических синапсах . Ca с ограничением по напряжению2+
каналы
расположены внутри пресинаптического терминала. Когда потенциал действия проникает в пресинаптическую мембрану, эти каналы открываются и Ca2+
входит. Более высокая концентрация Ca2+
позволяет синаптическим пузырькам сливаться с пресинаптической мембраной и высвобождать свое содержимое ( нейротрансмиттеры ) в синаптическую щель, чтобы в конечном итоге контактировать с рецепторами в постсинаптической мембране. Количество выпущенного нейромедиатора коррелирует с количеством Ca2+
приток. Следовательно, краткосрочная фасилитация (STF) является результатом накопления Ca2+
внутри пресинаптического терминала, когда потенциалы действия распространяются во времени близко друг к другу.

Облегчение возбуждающего постсинаптического тока (EPSC) можно количественно оценить как отношение последующих сил EPSC. Каждый EPSC запускается пресинаптическими концентрациями кальция и может быть приблизительно определен следующим образом:

EPSC = k ([ Ca2+
] пресинаптический ) 4 = k ([ Ca2+
] отдых + [ Ca2+
] приток + [ Ca2+
] остаток ) 4

Где k - постоянная величина.

Облегчение = EPSC 2 / EPSC 1 = (1 + [ Ca2+
] остаток / [ Ca2+
] приток ) 4 - 1

Экспериментальные доказательства

Ранние эксперименты Del Castillo & Katz в 1954 г. и Dudel & Kuffler в 1968 г. показали, что фасилитация возможна в нервно-мышечном соединении, даже если высвобождение медиатора не происходит, что указывает на то, что фасилитация является исключительно пресинаптическим феноменом.

Кац и Миледи предложили остаточный Ca2+
гипотеза.
Они объяснили увеличение высвобождения нейромедиаторов остаточным или накопленным Ca2+
(«активный кальций») в мембране аксона, который остается прикрепленным к внутренней поверхности мембраны. Кац и Миледи манипулировали Ca2+
концентрация внутри пресинаптической мембраны, чтобы определить, остается ли остаточный Ca2+
оставаясь внутри терминала после первого импульса, вызывало увеличение высвобождения нейромедиатора после второго стимула.

Во время первого нервного импульса Ca2+
концентрация была либо значительно ниже, либо близка к концентрации второго импульса. Когда Ca2+
концентрация приближалась к концентрации второго импульса, облегчение усилилось. В этом первом эксперименте стимулы предъявлялись с интервалами 100 мс между первым и вторым стимулами. Абсолютный рефрактерный период наступал, когда интервалы составляли около 10 мс.

Чтобы исследовать фасилитацию в течение более коротких интервалов, Кац и Миледи непосредственно применяли короткие деполяризующие стимулы к нервным окончаниям. При увеличении деполяризующего стимула с 1-2 мс высвобождение нейротрансмиттера сильно увеличивается из-за накопления активного Ca2+
. Следовательно, степень облегчения зависит от количества активного Ca2+
, что определяется снижением Ca2+
проводимость с течением времени, а также количество удаленных от окончаний аксонов после первого стимула. Содействие наиболее велико, когда импульсы наиболее близки друг к другу, потому что Ca2+
проводимость не вернется к исходному уровню до второго стимула. Следовательно, как Ca2+
проводимость и накопленный Ca2+
будет сильнее для второго импульса, если он будет предъявлен вскоре после первого.

В чашечке Held синапса, короткий срок содействие (СТП) было показано , что в результате связывания остаточных Са2+
к нейронному Ca2+
датчик 1 (NCS1). И наоборот, было показано, что STF уменьшается, когда Ca2+
хелаторы добавляются в синапс (вызывая хелатирование ), которые уменьшают остаточный Ca2+
. Следовательно, «активный Ca2+
«играет важную роль в нейронной фасилитации.

Было показано, что в синапсе между клетками Пуркинье кратковременное облегчение полностью опосредуется содействием Са2+
токи через зависимые от напряжения кальциевые каналы .

Отношение к другим формам кратковременной синаптической пластичности

Увеличение и потенцирование

Кратковременное синаптическое усиление часто подразделяется на категории облегчения , увеличения и потенцирования (также называемое посттетанической потенциацией или ПТП ). Эти три процесса часто различаются по шкале времени: фасилитация обычно длится десятки миллисекунд, в то время как увеличение действует во временной шкале порядка секунд, а потенцирование - от десятков секунд до минут. Все три эффекта увеличивают вероятность высвобождения нейромедиатора из пресинаптической мембраны, но лежащий в основе механизм различен для каждого из них. Облегчение парных импульсов вызвано наличием остаточного Ca2+
увеличение, вероятно, происходит из-за повышенного действия пресинаптического белка munc-13, а посттетаническое усиление опосредуется пресинаптической активацией протеинкиназ. Тип синаптического усиления, наблюдаемый в данной клетке, также связан с изменчивой динамикой Ca2+
удаление, которое, в свою очередь, зависит от типа раздражителя; единичный потенциал действия ведет к облегчению, в то время как короткий столбняк обычно вызывает усиление, а более длительный столбняк ведет к усилению.

Кратковременная депрессия (ЗППП)

Кратковременная депрессия (STD) действует в направлении, противоположном облегчению, уменьшая амплитуду PSP. ЗППП возникает из-за уменьшения пула легко высвобождаемых везикул (RRP) в результате частой стимуляции. Инактивация пресинаптического Са2+
каналы после повторных потенциалов действия также вносят свой вклад в ЗППП. Депрессия и фасилитация взаимодействуют, создавая краткосрочные пластические изменения в нейронах, и это взаимодействие называется теорией пластичности двойного процесса . Базовые модели представляют эти эффекты как аддитивные, при этом сумма создает чистое пластическое изменение (облегчение - депрессия = чистое изменение). Однако было показано, что депрессия возникает раньше в пути стимула-реакции, чем фасилитация, и поэтому играет роль в выражении фасилитации. Многие синапсы проявляют свойства облегчения и подавления. В целом, однако, синапсы с низкой начальной вероятностью высвобождения везикул с большей вероятностью демонстрируют облегчение, а синапсы с высокой вероятностью начального высвобождения везикул более склонны к депрессии.

Отношение к передаче информации

Синаптическая фильтрация

Поскольку вероятность высвобождения везикул зависит от активности, синапсы могут действовать как динамические фильтры для передачи информации. Синапсы с низкой начальной вероятностью высвобождения везикул действуют как фильтры верхних частот : поскольку вероятность высвобождения мала, для запуска высвобождения необходим более высокочастотный сигнал, и, таким образом, синапс избирательно реагирует на высокочастотные сигналы. Точно так же синапсы с высокой вероятностью начального высвобождения служат фильтрами нижних частот , реагируя на низкочастотные сигналы. Синапсы с промежуточной вероятностью высвобождения действуют как полосовые фильтры , выборочно реагирующие на определенный диапазон частот. На эти характеристики фильтрации может влиять множество факторов, включая PPD и PPF, а также химические нейромодуляторы . В частности, поскольку синапсы с низкой вероятностью высвобождения с большей вероятностью испытают облегчение, чем депрессию, фильтры верхних частот часто преобразуются в полосовые фильтры. Точно так же, поскольку синапсы с высокой вероятностью начального высвобождения с большей вероятностью будут подвергаться депрессии, чем облегчению, фильтры нижних частот также часто становятся полосовыми фильтрами. Между тем, нейромодуляторы могут влиять на краткосрочную пластичность. В синапсах с промежуточной вероятностью высвобождения свойства отдельного синапса будут определять, как синапс изменяется в ответ на стимулы. Эти изменения фильтрации влияют на передачу и кодирование информации в ответ на повторяющиеся стимулы.

Локализация источника звука

У людей локализация звука в первую очередь достигается с помощью информации о том, как интенсивность и время звучания звука различаются между каждым ухом. Нейронные вычисления, включающие эти межукулярные различия интенсивности (IID) и межуальные временные различия (ITD), обычно выполняются в разных проводящих путях в мозге. Краткосрочная пластичность, вероятно, помогает различать эти два пути: краткосрочная фасилитация доминирует в траекториях интенсивности, тогда как краткосрочная депрессия доминирует в темпоральных путях. Эти разные типы кратковременной пластичности допускают различные виды фильтрации информации, тем самым способствуя разделению двух видов информации на отдельные потоки обработки.

Возможности фильтрации краткосрочной пластичности также могут помочь с кодированием информации, относящейся к амплитудной модуляции (AM). Кратковременная депрессия может динамически регулировать усиление на высокочастотных входах и, таким образом, может позволить расширить высокочастотный диапазон для AM. Смесь облегчения и подавления также может помочь в кодировании AM, приводя к фильтрации скорости.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение