Informace

Souhra neuritického a synaptického růstu


Zkusím podat obrázek o mém chápání neuritického a synaptického růstu a jejich souhře.

Vyberte dva neurony v odpovídajících oblastech opačných hemisfér, které jsou spojeny synapsí (a poměrně dlouhým axonem).

Oba neurony se původně narodily přibližně ve stejnou dobu t během vývoje mozku na danou vzdálenost d, aniž by již měli neurity.

Nutně mají nejnovějšího společného předka (kmenová buňka), což nemusí být stejná rodičovská buňka, ale možná stejná buňka babičky nebo prababičky.

Nyní několik procesů začíná s různým zpožděním a různými rychlostmi:

  • oba neurony bloudí jeden od druhého

  • specializují se, čímž na svých membránách exprimují konkrétní „markery“

  • jejich axony rostou

  • rostou jejich dendritické stromy

Případ 1: Pokud je neuritický růst dostatečně rychlý, oba neurony se mohou setkat a vybudovat si synapse brzy (navzájem se poznávají podle značek, které mají společné kvůli svému společnému předkovi). Při putování od sebe navzájem musí neuriti odpovídajícím způsobem růst.

Případ 2: Pokud je neuritický růst příliš pomalý a neurony od sebe bloudí příliš rychle, musí být růst axonů a dendritů alespoň nějak veden (buňkami glia nebo gradienty molekul?) Tak, aby později měli šanci najít jeden druhého. Nakonec se navzájem poznají pomocí značek vyjádřených nakonec během specializace.

Dokázal bych si představit, že oba případy se vyskytují čistě, ale i to, že je lze nějak prolínat.

Otázka: Je tento obrázek v zásadě správný nebo vadný? (Odpověď ano/ne by stačila!)

Dále hledám stručnou prezentaci (resp. Jemný úvod) těchto procesů (a možná i dalších?) A jejich souhry, které vedou ke specifické synaptogenezi.


Stručná odpověď
Může dojít k tvorbě synapsí na krátkou i dlouhou vzdálenost.

Pozadí
Mezi sousedními buňkami lze navázat spojení na krátkou vzdálenost (Van den Pol et al, 1988). Vaše „společná část předků“ je pro mě trochu nejasná. Nakonec se každá buňka rodí z jedné :)

Lze vytvořit i dálková spojení. Například po neuroneogenezi buď během vývoje, nebo dokonce v dospělém mozku, mohou celé neurony migrovat ze svého původu do nové části (Kaneko et al., 2017), nebo mohou axony růst a najít nový cíl distálně, například po nervovém poranění (Purves et al., 2001).

Reference
- Kaneko et al., J Neurochem (2017); 141(6): 835-47
- Purves et al. (eds), Neurověda (2001), 2nd vyd. Sunderland (MA): Sinauer Associates
- Van den Pol et al., J Comp Neurol (1998); 399(4): 541-60


Souhra neuritického a synaptického růstu - biologie

Retrográdní reakce - reakce těla

Anterográdní reakce - Wallerova degenerace

  • Popište retrográdní a anterográdní reakci periferního axonu na poranění.
  • Diskutujte o tom, jak reakce periferního nervu na poranění přispívají k regeneraci nervů a funkční regeneraci v periferním nervovém systému.
  • Diskutujte o vlivu periferního poranění na centrální nervový systém.
  • Vysvětlete evoluční koncept zisku a ztráty plasticity centrálního nervového systému.
  • Vysvětlete, proč je centrální nervový systém „nepropustným“ prostředím, pokud jde o regeneraci a zotavení po zranění.

Chcete -li zvládnout materiál prezentovaný v této přednášce:

Poslechněte si přednášku a soustřeďte se na následující body.

  • Kdysi se předpokládalo, že zranění axonů a svazků axonů má za následek smrt neuronů a nevratné ztráty funkce. Nyní víme, že neurony mají schopnost remodelovat a restrukturalizovat své projekce a synaptická spojení. Úkolem moderní neurovědy je využít vrozenou plasticitu neuronu a jeho spojení k podpoře obnovy a regenerace po úrazu.
  • Periferní nervový systém poskytuje vynikající model pro studium regeneračních reakcí. Zahájení těchto reakcí poraněnými axony rekapituluje mnoho molekulárních a buněčných událostí pozorovaných během vývoje. Jak je ve vývoji, úspěšné prodloužení a zacílení axonů závisí na regulované sekvenční expresi příslušných signálních molekul, které iniciují neuronální diferenciaci, prodloužení a vedení axonů a na přesném synaptickém cílení neuronu.
  • Jedním z klíčů k regulaci regenerace a úspěšné tvorbě nových synapsí je vyjádření tropických nebo trofických růstových faktorů. Růstové faktory mohou být & quot; tropické & quot; (podpora diferenciace, navádění a synaptického cílení) popř & quottrophic & quot (zachování životaschopnosti a přežití neuronů).
  • Většina růstových faktorů jsou uvolnitelné látky podobné neurotransmiterům a mohou být tropické nebo trofické v závislosti na stádiu zrání nebo fyziologické potřebě konkrétního systému.
  • Proteiny asociované s membránou, jakož i glykoproteiny a proteoglykany, které obsahují bazální laminu nebo extracelulární matrix, mohou hrát významnou roli při podpoře a podpoře vedení a udržování neuronálních spojení.
  • Vakualizace.
  • Zvětšení jádra a tvorba více jader.
  • Vytěsnění jádra z centrální do excentrické buněčné polohy.
  • Rozpuštění Nissleho látky charakterizované zesvětleným somálním barvením (chromatografií).
  • Zatažení dendritů a odizolování synapsí.
  • Varikózní otok axonů s konečnou fragmentací axolemma.
  • Rozpad myelinové pochvy.
  • Proliferace Schwannových buněk (PNS) nebo astrocytů (CNS).
  • Akumulace fibroblastů a makrofágů (PNS) nebo astrocytů a mikroglií (CNS).
  • Koncová degenerace.
  • Fagocytóza axonálních a myelinových zbytků, které působí jako fyzikální a chemické inhibitory neuritického klíčení v endoneuriální trubici.
  • Uvolňování cytokinů z aktivovaných makrofágů (např. Interleukin-1), které indukují proliferaci Schwannových buněk, jakož i syntézu a uvolňování faktorů podporujících růst neuritů těmito buňkami (např. Nervový růstový faktor).
  • Exprese proteinů a proteoglykanů bazální vrstvy Schwannových buněk, které poskytují permisivní mikroprostředí pro prodloužení neuritů.
  • Neuritické klíčení a tvorba růstového kužele z poškozeného pahýlu. Za permisivních podmínek mohou neuriti překročit transekční mezery a znovu vstoupit do endoneurálních trubic (toho lze snadno dosáhnout po rozdrcení nervů, ale fyzické přerušení nervů může vyžadovat sešívání nervů od konce do konce v procesu zvaném & ldquocoaptation & rdquo.

Zvažte následující otázky.

Copyright & copy 1997–2014 [University of Illinois, Chicago, College of Medicine, Department of Anatomy and Cell Biology]. Poslední revize: 6. ledna 2014.


Souhra mezi fosforylací a palmitoylací zprostředkovává cílení na plazmatickou membránu a třídění GAP43

Fosforylace a lipidace poskytují posttranslační mechanismy, které přispívají k distribuci cytosolických proteinů v rostoucích nervových buňkách. Růstově asociovaný protein GAP43 je citlivý jak na fosforylaci, tak na S-palmitoylaci a je obohacen ve špičkách rozšiřujících se neuritů. Jak však souhra fosforylace a lipidace za účelem zprostředkování třídění GAP43 není jasné. Pomocí kombinace biochemických, genetických a zobrazovacích přístupů ukazujeme, že pro membránovou asociaci je nutná palmitoylace a že fosforylace na Ser-41 směruje palmitoylovaný GAP43 na plazmatickou membránu. Asociace plazmatické membrány snížila difúzní konstantu čtyřnásobně v neuritických šachtách. Třídění na neuritický hrot vyžadovalo palmitoylaci a aktivní transport a bylo zvýšeno interakcí plazmatické membrány zprostředkované fosforylací. Sledování vezikul odhalilo přechodnou asociaci frakce GAP43 s exocytickými vezikulami a pohybem vysokou rychlostí axonálního transportu. Simulace potvrdily, že kombinace difúze, dynamické interakce plazmatické membrány a aktivního transportu malé frakce GAP43 stačí k efektivnímu třídění na růstové kužely. Naše data demonstrují komplexní souhru mezi fosforylací a lipidací při zprostředkování lokalizace GAP43 v neuronálních buňkách. Palmitoylace značí GAP43 pro globální třídění piggybackingem na exocytových vezikulách, zatímco fosforylace lokálně reguluje mobilitu proteinů a cílení palmitoylovaného GAP43 na plazmatickou membránu.


Srovnávací vývojová neurotoxicita organofosfátových insekticidů: účinky na vývoj mozku lze oddělit od systémové toxicity

Srovnávací přístup k rozdílům mezi systémovou toxicitou a vývojovou neurotoxicitou organofosfátů je zásadní pro stanovení míry, v jaké se různé mechanismy toxicity přenášejí mezi různé členy této třídy insekticidů. Kontrastovali jsme neuritický růst a cholinergní synaptický vývoj u novorozených potkanů, kterým byly podávány různé organofosfáty (chlorpyrifos, diazinon, parathion) v dávkách překračujících práh zhoršeného růstu a životaschopnosti. Zvířata byla ošetřována denně v postnatálních dnech 1-4 subkutánní injekcí tak, aby se obešly rozdíly v aktivaci prvního průchodu na oxon nebo katabolismu na neaktivní produkty. Vyhodnocení proběhlo 5. den. Parathion (maximální tolerovaná dávka, 0,1 mg/kg) byl mnohem systémově toxičtější než chlorpyrifos nebo diazinon (maximální tolerovaná dávka, 1-5 mg/kg). Pod maximální tolerovanou dávkou diazinon narušil neuritický růst v předním mozku a mozkovém kmeni, což dokazuje deficit v poměru membránového proteinu k celkovému proteinu. Diazinon také snížil aktivitu cholin acetyltransferázy, což je cholinergní neuronový marker, zatímco neovlivnil vazbu hemicholinia-3 na presynaptický cholinový transportér, což je index cholinergní neuronové aktivity. Nedošlo k žádné down-regulaci m (dolní index) 2 (/dolní index) -muskarinového acetylcholinového receptoru, jak by k tomu došlo u chronické cholinergní hyperstimulace. Stejný vzorec byl dříve nalezen u chlorpyrifosu. Naproti tomu parathion nevyvolal žádné z těchto změn při maximální tolerované dávce. Tyto výsledky naznačují úplnou dichotomii mezi systémovou toxicitou organofosfátů a jejich sklonem vyvolat vývojovou neurotoxicitu. Pro parathion leží prahová hodnota letality pod hranicí nezbytnou pro nepříznivé účinky na vývoj mozku, zatímco u chlorpyrifosu a diazinonu je tomu naopak.

Obrázky

Účinky různých organofosfátů na…

Účinky různých organofosfátů na úmrtnost během denní léčby na PND1–4 a na…

Účinky různých dávek…

Účinky různých dávek diazinonu a parathionu na membránový protein: celkový protein…

Účinky různých dávek…

Účinky různých dávek diazinonu a parathionu na markery cholinergního synaptického…


NEUROSCIENCE UČENÍ A ROZVOJE

Základní poznatky z vývojové a pedagogické psychologie o vývoji dítěte od narození do věku 8 let jsou umocněny stále elegantnější neurovědou definující mozkové, nervové, buněčné a molekulární procesy, které se účastní raného učení, poznávání a sociálně emocionálního vývoje. Ještě větší vhled do těchto procesů nevyhnutelně vyplyne z inovativních přístupů k zobrazování rostoucího mozku a z federálních investic do společných vědeckých projektů, jako je iniciativa BRAIN od National Institutes of Health. 1 Tato část shrnuje některé z hlavních nedávných pokroků ve vědě o mozku, které jsou relevantní pro tuto zprávu. Pro komplexnější přehled je zainteresovaný čtenář odkázán na předchozí zprávy Národní rady pro výzkum (viz IOM a NRC, 2009 NRC a IOM, 2000) a také přehledy objevující se v literatuře o vývojové neurovědě (např. Bloom et al., 2001 Boyce a Kobor, 2015 Fox et al., 2010).

Raný vývoj mozku

Objevuje se raný centrální nervový systém embryologický vývoj 2 až 3 týdny po početí. Během zbývajících týdnů těhotenství se primitivní buňky diferencují na specializované buňky a oblasti mozku s výraznými formami a funkcemi. Prekurzorové nervové buňky se diferencují na neurony a gliové buňky, první se objevují po 5 až 25 týdnech těhotenství a hrají klíčovou roli při provádění mozkových funkcí, zatímco druhé se objevují později v prenatálním vývoji a mají klíčové strukturální a funkční podpůrné funkce v mozku a nervový systém.

Nové neurony musí migrovat do nových míst v rozvíjejícím se mozku, aby sloužily specifickým rolím v rámci konkrétních funkčních oblastí, jako je motorická kůra, která koordinuje pohyb těla, nebo sluchová kůra, která slouží sluchu. Při pohybu z místa svého původu do přesné přesné polohy v mozku jsou neurony vedeny podél strukturních “maps ” vytvořených molekulárními signály ze sousedních buněk. Selhání migrace neuronů se nyní podílejí na vzniku neurologických a psychiatrických poruch, jako jsou některé záchvaty a intelektuální deficity.

Jak se neurony pohybují směrem ke svým konečným pozicím v mozku, rostou jim dlouhé, trubkovité prodloužení axony podél kterého lze elektrický signál šířit do dalšího neuronu. Vyvíjejí také rozvětvené projekce z těla neuronových buněk dendrity, které jsou schopné přijímat takové signály z jiných neuronů (viz obrázek 3-1). Bod fyzické komunikace mezi neurony je synapse„mikroskopický rozštěp, přes který se uvolní chemický signál 𠅊 neurotransmiter —, což má za následek aktivaci downstream neuronu. Mnoho psychotropních léků, které se v současné době používají při poruchách, jako je deprese a úzkost, působí na molekulární mechanismy zahrnuté v synaptické komunikaci.

OBRÁZEK ​​3-1

Struktura neuronů a neuronální spojení. ZDROJ: Kellett, 2015.

Rychlost tvorby nových neuronů a nových synapsí během prenatálního vývoje mozku je ohromující. Jak ukazuje obrázek 3-2, během období proliferace neuronů mezi 5 a 25 týdny těhotenství jsou z neurálních kmenových buněk generovány nové neurony rychlostí až 250 000 za minutu. V mírně pozdějším, ale překrývajícím se období se synapse produkují rychlostí 40 000 za sekundu. Po obou obdobích následuje systematické prořezávání neuronů a synapsí, první fáze fází programované buněčné smrti nazývaná apoptóza, a druhá prostřednictvím oslabení nejméně využívaných synaptických spojení. K nápadné nadprodukci neuronů a synapsí a následné rychlé eliminaci těch, které jsou nedostatečně využívány, musí docházet postupně a ve správné míře, aby došlo k normálnímu intelektuálnímu a sociálně emocionálnímu vývoji. Schizofrenie je spojována například s abnormálním synaptickým prořezáváním během dospívání.

OBRÁZEK ​​3-2

Fáze vývoje nervového vývoje. ZDROJ: IOM a NRC, 2009, s. 122.

Myelinizaceprogresivní ” izolace ” neuronálních axonů s myelinovým obalem produkovaným specializovanými neurálními buňkami — zvyšuje rychlost a účinnost neuronální aktivace. K myelinizaci dochází v různých vývojových rychlostech v různých oblastech mozku, prefrontální kůra, zodpovědná za pomalu získané �xecutive ” funkce uvažování, rozhodování a pozornosti, se plně myelinizuje až v ranné dospělosti. Je to bílý myelinový obal se složkami cholesterolu a lipoproteinů, který je zodpovědný za rostoucí, maturační přítomnost “ bílé hmoty ” ve vyvíjejícím se mozku.

Časný vývoj mozku také postupuje na úrovni kortikální a subkortikální organizace a signalizačních obvodů, které jsou integrovány do sítí s podobnými funkcemi. Kortikální struktury a signalizační obvody mozku jsou základem neurálních systémů pro komplexní kognitivní a socioemotické funkce, jako je učení a paměť, samoregulační kontrola a sociální příbuznost (IOM a NRC, 2009). Během tohoto vývoje dochází ke specializaci na různé anatomické oblasti mozku zapojené do různých funkcí, včetně těch, které jsou explicitní a vědomé, na které se zaměřuje mnoho výzkumů vývojové vědy k pochopení kognitivního vývoje, i těch, které jsou implicitní a automatické nebo nevědomé, které jsou stále více zkoumány pro svůj základní význam pro socioemotický vývoj (Schore, 2010).

Souvisejícím rysem vývoje mozku je lateralizace, při které specializované funkce převládají na jedné hemisféře nebo na jedné straně mozku. Rostoucí důkazy například poukazují na specializovanou dominanci pravé strany mozku při zpracování sociálních a emočních informací, včetně neverbálních, které jsou základem důležitých funkcí, jako je interpretace sociálních podnětů, porozumění emocím a záměrům ostatních a zapojení do sociálních interakcí, včetně důležitého rozvoje připoutanosti u velmi malých dětí (De Pisapia et al., 2014 Decety and Lamm, 2007 Hecht, 2014 Schore, 2014 Semrud-Clikeman et al., 2011).

Ačkoli se v mozku rozvíjí strukturální specializace, stále více se také chápe, že fungování mozku je složitější než diskrétně přiřazené anatomické oblasti. Například jazyk byl svázán s levou hemisférou, v oblastech známých jako Broca a Wernicke. Objevuje se však poznání, že aspekty komunikace prostřednictvím jazyka, které vyžadují neverbální informace a interpretaci významu a odvozování, jsou také spojeny s funkcemi pravé hemisféry (Ross a Monnot, 2008). Podobně jsou kortikální funkce také propojeny se subkortikálními systémy, které jsou základem systémů buzení a autonomní funkce. Vývojová neurověda se také stále více zaměřuje na důležitost zrání těchto mozkových systémů prenatálně a v raném věku, které stejně jako kortikální oblasti procházejí v prvním roce života rychlým růstem (Knickmeyer et al., 2008).

Mozek má schopnost změny v anatomii a funkci v důsledku zkušeností a stimulace, funkce známé jako nervová plasticita. Taková plasticita probíhá na více úrovních organizace a měřítka, od synaptických změn v produkci a uvolňování neurotransmiterů až po regionální zvýšení velikosti konkrétní kortikální oblasti po získání nových dovedností. Například kortikální oblast ovládající prsty levé ruky se u studentů houslí rozšiřuje na úrovni úměrné jejich letům studia a rostoucí virtuozitě. Učení a mistrovství jsou tedy fyzicky zastoupeny na mikro i makro úrovni ve změnách struktury a funkce mozku vyplývající z nervové plasticity.

V důsledku vynikající přesnosti načasování, prostorového rozlišení a sekvenování vývoje mozku obohacení zkušeností v prvních letech podpoří zdravý vývoj mozku, zatímco naopak různé poruchy nebo nedostatky prenatálně nebo v raném dětství mohou přerušit nebo narušit rostoucí mozek, což má za následek funkční změny, které sahají od jemných neschopností až po generalizovaná vývojová postižení. Prenatálně mohou takové poruchy zahrnovat například nedostatky folátu v mateřské stravě, které mohou mít za následek těžce narušenou tvorbu mozku a páteře, a infekci takovými organismy, jako je toxoplazmóza nebo cytomegalovirus, které mohou produkovat závažné formy psychopatologie, jako je schizofrenie nebo autismus. V raném dětství je jednou z perturbací, ke které dochází s velkou prevalencí v lidských populacích, expozice vyvíjejícího se mozku, přímo nebo nepřímo prostřednictvím zkušeností rodičů, značné psychosociální protivenství a stresu, jako je zneužívání nebo zanedbávání, smrt rodiče nebo expozice k násilí v domácnosti nebo sousedství. Vzhledem ke své rané citlivosti na takovéto protivenství může vyvíjející se mozek udržet hluboké účinky na funkci struktury a schopnosti učení, poznávání a adaptivního chování. Ačkoli děti napříč populacemi a socioekonomickými úrovněmi mohou tyto druhy stresorů zažívat, expozice mnoha z nich je v populacích rozložena nerovnoměrně, což může mít za následek nepřiměřené riziko pro marginalizované a chudé.


Neurotrofiny

G. Leal,. C.B. Duarte, Vitamíny a Hormony, 2017

6.5 Signalizace BDNF – TrkB v synaptickém označování a zachycování

Hypotézu synaptického značkování a zachycení postulovali Frey a Morris v roce 1997 jako pracovní platformu k vysvětlení, jak lze dosáhnout specificity synapsí během perzistence L-LTP (Frey & amp Morris, 1997). Tato hypotéza naznačuje, že slabá událost (E-LTP) může nastavit značku, která bude zachycovat produkty související s plasticitou (PRP) syntetizované nezávislou a silnou událostí (L-LTP). Později byly vyvinuty revidované formy teorie značení a zachycování, aby se zvážila kompartmentalizace v neuronech a koncepty jako syntéza dendritických proteinů a strukturální změny na synapsích. Jedna z těchto teorií (model seskupené plasticity) navrhla, aby synapse umístěné blízko sebe soutěžily o PRP a postulované dendritické větve jako integrační jednotky při tvorbě engramu dlouhodobé paměti (Govindarajan, Kelleher, & amp Tonegawa, 2006).

Nedávné studie naznačují, že TrkB indukovaný E-LTP může fungovat jako značka pro zachycení PRP (BDNF) indukovaných L-LTP nezávislou cestou (Lu et al., 2011). Podobný argument byl použit k vysvětlení konsolidace dlouhodobé paměti (behavior tagging) (Lu et al., 2011). V jiné studii byla rovněž navržena dvojí role pre-a postsynapticky uvolněného BDNF při značkování a zachycování (postsynapse) (Barco et al., 2005). V jiném přístupu byly jako PRP navrženy také BDNF a PKMζ a bylo ukázáno, že předchozí aktivita synapsí v kompartmentu řídí práh pro indukci dlouhodobé funkční plasticity (Sajikumar & amp Korte, 2011). Z výše uvedených důkazů je zřejmé, že BDNF pravděpodobně bude hrát významnou roli při tvorbě komplexních paměťových engramů zahrnujících více oddílů a obvodů.


Souhra mezi hebbštinou a homeostatickou synaptickou plasticitou

Synaptická plasticita, změna účinnosti synaptické signalizace, je klíčovou vlastností synaptické komunikace, která je životně důležitá pro mnoho mozkových funkcí. Hebbovské formy dlouhotrvající synaptické plasticity-dlouhodobá potenciace (LTP) a dlouhodobá deprese (LTD)-byly dobře studovány a jsou považovány za buněčný základ pro konkrétní typy paměti. V poslední době přitahuje pozornost homeostatická synaptická plasticita, kompenzační forma změny synaptické síly, jako buněčný mechanismus, který působí proti změnám způsobeným LTP a LTD a pomáhá stabilizovat aktivitu neuronální sítě. Nové poznatky o buněčných mechanismech a molekulárních hráčích obou forem plasticity odkrývají souhru mezi nimi v jednotlivých neuronech.

Úvod

Synapse jsou vysoce specializované spojení buněk a buněk, které zprostředkovávají komunikaci mezi neurony v mozku. Přenos signálu napříč synapsemi je nedílnou součástí řady kognitivních procesů od pozornosti, vnímání, učení a paměti až po rozhodování. Klíčovým rysem synaptického přenosu, který je základem těchto kognitivních funkcí, je jeho plasticita: v závislosti na vzoru synaptické aktivace a celkové úrovni excitace neuronové sítě se účinnost synaptického přenosu (nazývaná „synaptická síla“) dynamicky mění, což transformuje zpracování informací v neurálních obvodech. Během posledních desetiletí došlo k obrovskému pokroku směrem k pochopení základního základu synaptického přenosu. Synaptický přenos je zahájen na presynaptickém terminálu, kde příchod akčního potenciálu spouští příliv Ca 2+ k zahájení exocytózy synaptických vezikul v aktivní zóně umístěné naproti postsynaptickému terminálu. Exocyticky uvolněné neurotransmitery putují přes úzkou synaptickou štěrbinu a vážou se na receptory neurotransmiterů obohacené na povrchu postsynapse, čímž se mění membránový potenciál buď k šíření elektrického signálu (excitační synaptický přenos, většinou zprostředkovaný glutamátem v centrálním nervovém systému) nebo k jeho zablokování (inhibiční synaptický přenos, většinou zprostředkovaný GABA v centrálním nervovém systému). Většina glutamátergních excitačních synapsí v mozku je vytvořena na malých odlišných strukturách nazývaných „trny“, které vyčnívají z dendritu. Receptory glutamátu se nacházejí koncentrované v hlavě páteře směřující k presynaptickému konci ve specializovaném proteinovém lešení nazývaném postsynaptická hustota (PSD).

Synaptická účinnost má dva klíčové determinanty: pravděpodobnost, že synaptické vezikuly podstoupí exocytózu v reakci na akční potenciál - pravděpodobnost uvolnění neurotransmiteru, pr—A počet funkčních postsynaptických receptorů dostupných pro vazbu na uvolněné vysílače (Del Castillo a Katz, 1954 Lisman a kol., 2007). Změny těchto dvou parametrů v různých časových měřítcích vedou k různým formám synaptické plasticity (Abbott a Regehr, 2004 Lisman et al., 2007). Je zajímavé, že velikost synapsí obecně koreluje se synaptickou účinností. Například u glutamátergních synapsí platí, že čím silnější synapse, tím větší hlava páteře a PSD, kde je přítomno více glutamátových receptorů (Matsuzaki et al., 2004). Na presynaptické straně je větší PSD spojeno větší aktivní zónou s vyšší pr kde je ukotveno více synaptických vezikul připravených k uvolnění (Schikorski a Stevens, 1997 Murthy et al., 2001). Není tedy divu, že změny synaptické síly, z pra počet glutamátových receptorů často doprovází zejména morfologickou plasticitu, změny ve tvaru páteře jsou velmi nápadné a snadno zobrazitelné pomocí fluorescenčních reportérů (Yuste a Bonhoeffer, 2001 Alvarez a Sabatini, 2007 Cingolani a Goda, 2008).

Trvalé formy synaptické plasticity známé jako hebbovské plasticity, včetně dlouhodobé potenciace (LTP) a dlouhodobé deprese (LTD), byly rozsáhle studovány jako buněčné koreláty některých typů paměti (Bliss a Collingridge, 1993 Bi a Poo, 2001 Sjöström et al., 2008 Collingridge et al., 2010 Cooper and Bear, 2012). Indukce hebbovské plasticity je asociativní v tom, že vyžaduje korelované odpalování presynaptických a postsynaptických neuronů, a změna synaptické síly je rychlá, specifická pro aktivní vstupy a může trvat hodiny až měsíce (Bliss a Lomo, 1973 Andersen et al., 1977 Lee a kol., 2009). Hebbianská plasticita navíc může vyvolat procesy pozitivní zpětné vazby. To znamená, že jakmile je LTP indukován, mohou být potencované synapsí vzrušeny, aby podstoupily další potenciaci s větší lehkostí než před indukcí LTP, a dosáhnou nestabilního stavu náchylného k hyperexcitaci (Turrigiano a Nelson, 2000 Cooper a Bear, 2012). Podobně po indukci LTD by nekontrolovaná synaptická deprese mohla vést k patologické eliminaci synapsí (Collingridge et al., 2010 Cooper a Bear, 2012). Na rozdíl od LTP a LTD, které jsou potenciálně náchylné k nestabilitě, homeostatická synaptická plasticita funguje jako kompenzační mechanismus negativní zpětné vazby k udržení stability sítě (Turrigiano a Nelson, 2000 Turrigiano, 2008 Pozo a Goda, 2010). Homeostatická plasticita není důležitá pouze za podmínek zvýšené excitability, když snižuje synaptickou sílu, aby se předešlo excitaci na útěku, ale také může zvýšit synaptickou sílu za podmínek potlačení chronické aktivity, aby se zvýšil synaptický zisk a zabránilo zbytečnému ztlumení a ztrátě synapsí.

Ačkoli potřeba homeostatických procesů byla formulována ve spojení s hebbistickými změnami (Turrigiano a Nelson, 2000), většina dosavadních studií zkoumala mechanismy homeostatické synaptické plasticity odděleně od hebbistické plasticity (Turrigiano, 2008 Pozo a Goda, 2010) . Naše znalosti o mechanismech homeostatické synaptické plasticity se v posledních letech výrazně rozšířily a pole může být připraveno zvážit, kdy, kde a jak neurony vyjadřují dvě funkčně protichůdné formy synaptické plasticity. Náš přehled začínáme zdůrazněním některých nedávných studií, které poskytují pohledy na možnou souhru hebbianské a homeostatické plasticity.

Vyrovnávání hebských a homeostatických synaptických plasticit

V hebbovské plasticitě je změna synaptické síly omezena na aktivní synapse, což je vlastnost, která se označuje jako „specifičnost vstupu“, tato funkce pravděpodobně představuje změny specifické pro událost, které jsou nezbytné pro ukládání diskrétních informací (Bliss a Lomo, 1973 Andersen a kol. ., 1977 Bi and Poo, 2001 Sjöström et al., 2008). Naopak homeostatická synaptická plasticita byla obecně považována za pomalý proces a je vyjádřena globálně tak, že všechny synaptické vstupy přijímané daným neuronem jsou škálovány stejně. Tímto způsobem může homeostatická synaptická plasticita zachovat relativní rozdíly v synaptických silách vyplývajících ze vstupně specifických hebbijských změn. Stále více důkazů však podporuje myšlenku, že změny homeostatické synaptické síly mohou být také rychlé a lokální a že globální i lokální homeostatické mechanismy mohou fungovat souběžně vnořeným způsobem (Turrigiano, 2008 Pozo a Goda, 2010). Přítomnost rychlých a lokálních forem homeostatické synaptické plasticity zase vyvolává otázky o tom, jak by mohly být implementovány kompenzační mechanismy bez zasahování a ve shodě s hebbistickými změnami. To je paradoxní, protože oba procesy se zaměřují na stejné parametry synaptické síly (pr a počet funkčních postsynaptických receptorů) k vyvolání plasticity, přesto v opačných směrech.

V jednom možném scénáři, který byl naznačen již dříve, by hebbistická plasticita na jedné synapse mohla být vyvážena změnami synaptické síly v sousedních synapsích opačné polarity (Rabinowitch a Segev, 2008). Například k synapsi exprimující LTP by mohly být připojeny synapsí, jejichž síly jsou oslabeny homeostatickými mechanismy, takové změny by mohly být viditelné jako zvětšená páteř s větším PSD nesoucí více glutamátových receptorů, které jsou obklopeny tenšími trny, které ztratily část svého glutamátu receptory (obr. 1). Nedávná studie na krysím mozečku poskytuje důkaz, že tomu tak může být. Lee a kol. (2013a) zkoumal po tréninku motorických dovedností tvorbu specializovaných presynaptických terminálů s paralelními vlákny, které obsahují alespoň dvě aktivní zóny, nazývané boutony s více synapsemi, které kontaktují dva odlišné trny v dendritech Purkyňových buněk. Důležité je, že motorické učení podporuje výskyt vícenásobných synapsí na dvojicích trnů pocházejících spíše ze stejného dendritu než z různých dendritických segmentů, takže účinnost synapsí při vyvolávání dendritické excitace je lokálně zvýšena. Kromě toho je ve skupině vycvičených zvířat oblast PSD trnů sousedících s vícesynapsními souboje výrazně menší, což svědčí o koordinovaném oslabení sousedních vstupů (Lee et al., 2013a). Při motorickém učení by tedy lokální kompenzační změna na sousedních synapsích mohla účinně vyvážit místní dendritickou aktivitu přerozdělením váhy vybraných vstupů, aby pomohla udržet excitabilitu a zároveň umožnila místní synaptické posílení. Funkční validace takovéto strukturálně odvozené lokální koordinace synaptického posilování a oslabování čeká na další studie. Podobná koordinace vyvážených změn velikosti a počtu synapsí byla zaznamenána také u LTP u hippocampálních dendritů CA1 (Bourne a Harris, 2011).

Místní kompenzační změna synaptické síly spojená s LTP připomíná heterosynaptickou LTD hlášenou v hippocampu, což je deprese synaptické síly na neaktivních vstupech, která doprovází LTP na stimulovaném vstupu (Lynch et al., 1977 Schuman a Madison, 1994 Scanziani a kol., 1996). Implicitní s výskytem heterosynaptických změn na neaktivních vstupech je myšlenka, že LTP není nezbytně specifický pro vstup. Pokud by heterosynaptická LTD mohla být interpretována jako homeostatická, kompenzační změna v reakci na LTP stimulovaných vstupů, byť je vyjádřena s podobnou kinetikou jako LTP, pak se rozdíl mezi hebbistickými a homeostatickými formami synaptické plasticity stírá. Vymezení molekulárních mechanismů zapojených pro každý typ změny synaptické síly by pomohlo při rozlišování konkrétních forem synaptické plasticity.

Místní homeostatická synaptická plasticita specifická pro vstup

Další jedinečný způsob vyjádření místní homeostatické synaptické plasticity byl popsán v hippocampálním okruhu. Nedávná studie v disociované kultuře hippocampu identifikovala překvapivý vývojový posun v homeostatické synaptické plasticitě z globální do lokálně exprimované formy (Lee et al., 2013b). Konkrétně v relativně mladých kulturách používaných v mnoha dosavadních studiích homeostatické synaptické plasticity (~ 11 d in vitro) vyvolává chronická modulace síťové aktivity globální obousměrné změny synaptických sil u všech přítomných typů excitačních neuronů. Ve zralých kulturách, které byly uchovávány in vitro po dobu alespoň 3 týdnů, se však exprese homeostatické synaptické plasticity zjevně omezuje na hippocampální neurony CA3 a navíc pouze na synapse proximálně k tělům buněk neuronů CA3. Tyto synapsí vykazují rysy obřích synapsí z mechových vláken obsahujících více míst uvolnění, která se tvoří mezi buňkami zubatých granulí a neurony CA3 v hippocampu, které jsou zvláště účinné při řízení excitace neuronů CA3 a jejích výstupních neuronů (Lawrence a McBain, 2003). Homeostatická plasticita v těchto vysoce účinných obřích synapsích mechových vláken CA3 by mohla být dostatečná k zajištění nezbytných kompenzačních úprav pro hebbovské změny synaptické síly na jiných malých synapsích hippocampálního okruhu.

Omezení exprese homeostatické synaptické plasticity na nejsilnější spojení při řízení obvodu by mohlo být účinným způsobem pro zjednodušení molekulárních mechanismů homeostatické regulace, protože pouze jeden typ synapse potřebuje k využití buněčné reakce na změny v síťové aktivitě. Nicméně synapse z mechových vláken jsou také schopné exprimovat LTP (Bortolotto et al., 2005) a jak budou rozlišeny signály pro adaptivní homeostatickou plasticitu od signálů požadovaných pro LTP. Manipulace s chronickou aktivitou zralých hippocampálních obvodů v různých experimentálních přípravcích, jako jsou in vivo (Echegoyen et al., 2007) a řezné kultury (Mitra et al., 2012), hlásily změny synaptických sil jiných spojení než těch mechového vlákna na synapsí CA3. Zjevné omezení exprese homeostatické plasticity na mechové vláknité buony neuronů CA3 v kultivovaných neuronech vyžaduje bližší pohled na přípravky, které lépe zachovávají nativní synaptickou konektivitu.

Vliv homeostatické synaptické plasticity na následný LTP

Nedávná práce v hippocampu se zabývala interakcí mezi homeostatickou synaptickou plasticitou a LTP v různých časových oblastech (Arendt et al., 2013). U excitačních synapsí mezi neurony CA3 a CA1 chronické potlačení síťové aktivity tetrodotoxinem (TTX blokátor sodíkových kanálů a tedy akčních potenciálů) zvyšuje postsynaptickou sílu náborem dalších glutamátových receptorů typu AMPA (AMPAR), které zprostředkovávají většinu bazálních glutamátergních látek. synaptický přenos. Dalo by se očekávat, že takové zvýšení synaptické síly by mohlo potenciálně uzavřít následující LTP. Překvapivě však autoři zjistili, že LTP je vylepšena, pokud je nejprve vyvolána homeostatická synaptická plasticita. Větší LTP je přinejmenším částečně způsoben zvýšením léčby pomocí TTX v počtu synapsí, které neobsahují AMPAR, ale obsahují glutamátové receptory typu NMDA (NMDAR). Takové synapsí pouze NMDAR nereagují na bazální uvolňování glutamátu a za bazálních podmínek indukce LTP tyto synapse neztlumí vložením AMPAR. Homeostatický nárůst počtu tichých synapsí tedy slouží ke zvýšení celkové velikosti následně indukované LTP. Není jasné, zda je vložení AMPAR během LTP předpojato k tichým synapsím nebo k těm s menším obsahem AMPAR, a pokud ano, jak.

Synaptické škálování AMPAR indukované TTX je považováno za globální a proporcionálně ovlivňuje všechny synapsí. Naproti tomu není známo, zda je tvorba tichých synapsí pouze pro NMDAR globální v jejich distribuci v celém dendritickém stromu. Chcete-li povolit LTP, který je specifický pro vstup, a přesto nevylučuje synapse pouze NMDAR, bylo by zajímavé určit, jak se v první řadě vytvářejí tiché synapsí, aby k nim měli aktivní vstupy přístup při procházení LTP. Navíc, i když tato studie zkoumala důsledky homeostatické plasticity na následně spuštěné LTP, zbývá určit, jak by tyto dvě formy plasticity mohly navzájem konkurovat u jednotlivých synapsí, pokud jsou spuštěny těsněji v čase. Dále, vzhledem k tomu, že kultury řezu používané Arendtem a kol. (2013) jsou poměrně mladí (5–7 d in vitro), bylo by zajímavé vyzkoušet, zda sklon k vyvolání tichých synapsí umlčením chronické aktivity je vývojovým rysem a zda jsou pravidla pro zralé hippocampální okruhy odlišná.

Dosud jsme diskutovali možnou souhru hebbovské a homeostatické plasticity z buněčného hlediska. Některé z charakteristických rysů, které byly považovány za jedinečné hebbovské nebo homeostatické synaptické plasticitě, tomu tak nutně nejsou.Proto rozdíl mezi těmito dvěma třídami synaptické plasticity nemusí být tak jasný, jak bylo dříve přijímáno. Lepší znalost molekulárních mechanismů nám může poskytnout přesnější nástroje pro rozlišení mezi těmito dvěma procesy, a tedy i pro lepší pochopení jejich interakce. Nyní zdůrazňujeme některé nedávné pokroky v identifikaci molekulárních hráčů a mechanismů zapojených do těchto trvanlivých forem synaptické plasticity.

Molekulární hráči dlouhotrvajících změn v presynaptické síle

Jedním z nejběžnějších paradigmat používaných k vyvolání homeostatické synaptické plasticity je chronická farmakologická léčba neuronálních kultur k blokování synaptické aktivity (Turrigiano, 2008). Adaptace na neaktivitu zahrnuje kompenzační zvýšení presynaptické síly, jak naznačuje zvýšení rychlosti spontánní fúze synaptických vezikul, recyklace vezikul a pr (Bacci et al., 2001 Murthy et al., 2001 Thiagarajan et al., 2005). Jak by mohlo dojít ke změnám presynaptické síly? Nedávná studie Zhao et al. (2011) podporuje důležitost presynaptického přílivu Ca 2+ v homeostatické adaptaci na nečinnost. Pomocí disociovaných hippocampálních kultur nového optického přístupu, který kombinuje reportér Ca 2+ lokalizovaný do synaptických vezikul (SyGCaMP2) a reportér fúze vesikulů citlivý na pH (SypHy), autoři zjistili, že blok aktivity způsobuje kompenzační zvýšení akční potenciál - evokovaný vstup Ca 2+ na presynaptický terminál a pr (Zhao et al., 2011). Zvýšení přílivu Ca 2+ by mohlo být alespoň částečně zprostředkováno zvýšením počtu napěťově řízených kanálů Ca 2+ typu P/Q (Lazarevic et al., 2011). Spojování důkazů ukazuje na ústřední roli proteinů RIM umístěných v aktivní zóně při sekvestraci kanálů Ca 2+ v místech uvolňování prostřednictvím interakce domény PDZ (Kaeser et al., 2012). V souladu s tím v obří synapse sluchového systému zvané Calyx of Held podmíněné odstranění všech izoforem RIM1/2 snižuje hustotu presynaptického Ca 2+ kanálu (Han et al., 2011). Podobně exprese mutantů RIM v Drosophila neuromuskulární spojení (NMJ) ovlivňuje uvolňování závislé na Ca 2+ změnou akumulace kanálů Ca 2+ v místech uvolňování (Graf et al., 2012). Celkově vzato, změny v presynaptickém přílivu Ca 2+ prostřednictvím modulace aktivity RIM by mohly být klíčovým cílem pro homeostatickou modulaci presynaptické síly.

Přispívají změny v mechanismu uvolňování neurotransmiterů také k homeostatické presynaptické plasticitě? Klíčem k tomuto problému se opět jeví RIM a jeho interagující proteiny, Rab GTPázy, které jsou zásadní pro bazální a na aktivitě závislé uvolňování (Schoch et al., 2002). Na Drosophila Bylo navrženo, aby NMJ, Rab3-GTPase aktivující protein (GAP) a Rab3 usnadňovaly homeostatickou up-regulaci presynaptické síly v pozdním stádiu exocytózy synaptických vezikul uvolňováním inhibiční kontroly nad homeostatickými změnami (Müller et al., 2011). Navíc v novější studii na fly NMJ je ukázáno, že homeostatické zlepšení uvolňování neurotransmiterů vyžaduje zvýšení snadno uvolnitelných synaptických vezikul závislých na RIM, ale nikoli RIM-dependentní kontrolu přílivu Ca 2+, která je jinak nutná pro bazální synaptický přenos (Müller et al., 2012). Přesný vztah mezi signalizací Rab3 a RIM v homeostatickém řízení presynaptického uvolňování zbývá vymezit. Navzdory určitým rozdílům v podrobných mechanismech mezi modelovými synapsemi bude presynaptická adaptace na neaktivitu pravděpodobně zahrnovat dva jevy: zlepšení přílivu Ca 2+, pravděpodobně zprostředkované zvýšením počtu presynaptických napěťově řízených kanálů Ca 2+, a Rab3 a RIM-dependentní modulace uvolňování neurotransmiteru (obr. 2).

Role Rab3 a RIM při regulaci presynaptické síly není omezena pouze na homeostatickou synaptickou plasticitu, ale rozšiřuje se také na hebbistickou plasticitu. RIM1α a dvě izoformy Rab3, Rab3A a Rab3B, jsou nezbytné pro presynapticky exprimované formy LTP a LTD na excitačních i inhibičních synapsích (Castillo et al., 1997, 2002 Huang et al., 2005 Fourcaudot et al., 2008 Tsetsenis et al. ., 2011). Kromě toho je fyziologický význam těchto proteinů zdůrazněn jejich zapojením do učení a paměti (Powell et al., 2004 Tsetsenis et al., 2011). Zdá se tedy, že hebbijská a homeostatická plasticita sdílejí molekulární dráhy pro jejich presynaptickou indukci a/nebo expresi, přičemž oba procesy vydělávají na existujícím mechanismu k implementaci změn v presynaptické síle.

Konvergence presynaptického mechanismu pro dvě protichůdné formy synaptické plasticity vyvolává otázky, zda by takové sdílení mechanismů mohlo sloužit k tomu, aby se oba neobjevovaly současně. Jinými slovy, presynaptické terminály, alespoň ty s jedinou aktivní zónou, mohou vyjadřovat pouze hebbijskou nebo homeostatickou změnu. Kromě míst s jedním uvolněním by sousední aktivní zóny nebo boutony, které jsou v kontaktu s různými postsynaptickými terminály, mohly spolupracovat nebo soutěžit v úpravě pravděpodobnosti jejich uvolnění v reakci na hebbistickou nebo homeostatickou signalizaci.

Molekulární hráči dlouhotrvajících změn v postsynaptické síle

Jedním z hlavních cílových mechanismů pro regulaci postsynaptické síly je přenos AMPARů do a ze synapsí (obr. 3). Postsynaptickou účinnost lze rychle změnit laterální difúzí receptorů podél plazmatické membrány (Ehlers et al., 2007 Heine et al., 2008 Patterson et al., 2010) a exo-endocytickým přenosem receptorů mezi intracelulárními pooly a buněčným povrchem (Park et al., 2004, 2006 Yang et al., 2008 Patterson et al., 2010). Během synaptické potenciace dochází ke zvýšené exocytóze receptoru, zatímco během synaptické deprese je detekována zvýšená míra endocytózy. AMPAR začleněné do synapsí během LTP obsahují podjednotku GluA1 a bylo hlášeno, že jsou obě synaptické dodávací cesty zapojeny postupně: během probíhající LTP je většina AMPAR obsahujících GluA1 začleněna do PSD laterální difúzí z extrasynaptických míst, ale po potenciaci dochází k exocytóze AMPAR z intracelulárních poolov (Makino a Malinow, 2009). Vysoce mobilní extrasynaptické AMPAR (Borgdorff a Choquet, 2002 Tardin et al., 2003) mohou sloužit jako snadno dostupný zdroj pro synaptický nábor AMPAR během LTP a doplnění těchto fondů může být kritické pro údržbu LTP.

Stargazin a synaptická akumulace AMPARů.

Pohyblivost povrchu AMPAR a cílení na synapse jsou koordinovány interakcemi proteinů. Klíčovou roli v tomto procesu hraje například Stargazin, člen rodiny transmembránových regulačních proteinů AMPAR (TARP). Stargazin přímo interaguje jak s AMPAR, tak s proteinem lešení PSD-95 prostřednictvím své domény vázající PDZ (Chen et al., 2000 Schnell et al., 2002). Použitím sledování jedné částice v hippocampálních neuronech, Bats et al. (2007) ukázali, že povrchová pohyblivost AMPAR a její synaptická stabilizace je modulována interakcí Stargazin – PSD-95. Tato interakce konkrétně pomáhá imobilizovat AMPAR na synapsích a tím usnadňovat jejich synaptickou akumulaci. Účastní se Stargazin náboru AMPAR závislého na aktivitě na synapsích? Bylo ukázáno, že vysokofrekvenční stimulace podporuje Ca2+ /kalmodulin-dependentní protein kinázu II (CaMKII) závislou na fosforylaci Stargazinu a její interakci s PSD-95, což zase podporuje synaptickou akumulaci AMPAR (Opazo et al., 2010). Kromě toho je fosforylace Stargazinu prostřednictvím CaMKII a PKC klíčová pro expresi LTP, zatímco její defosforylace pomocí PP1 hraje roli v LTD (Tomita et al., 2005). Tato data společně zdůrazňují ústřední funkci Stargazinu v obousměrné regulaci postsynaptické síly v hippocampu (Tomita et al., 2005).

Diskutovalo se o specifickém postsynaptickém umístění, kde jsou AMPARy nejprve vloženy na povrch buňky, aby zprostředkovaly zvýšení postsynaptické síly závislé na aktivitě. V hippocampálních organotypických kulturách a řezech ukázalo použití GluA1 značeného sondou citlivou na pH, SEP-GluA1, jako optický reportér pro aktivitu závislou na exocytóze AMPAR AMPAR, že tato podjednotka receptoru se hromadí v synapsích podstupujících LTP laterální difúzí (Yang a kol., 2008 Makino a Malinow, 2009). Jiné studie naopak ukazují, že SEP-GluA1 je exocytován přímo v dendritických trnech po synaptické stimulaci (Kennedy et al., 2010 Patterson et al., 2010). Možným vysvětlením této nesrovnalosti mohou být experimentální rozdíly v zobrazovací metodě a/nebo kulturách a podmínkách stimulace.

Postsynaptické SNARE a exocytóza AMPAR.

Které molekuly se podílejí na postsynaptické exocytóze AMPAR? Proteiny SNARE jsou nezbytné pro různé formy membránových fúzních událostí v eukaryotických buňkách a jejich role při fúzi synaptických vezikul byla podrobně zkoumána (Südhof a Rizo, 2011). Teprve nedávno se objasnil přínos proteinů SNARE v postsynaptických fúzních událostech. SNARE Syntaxin-3 (Stx-3), Syntaxin-4 (Stx-4), SNAP-23, SNAP-25, SNAP-47 a Synaptobrevin-2 (VAMP2) jsou přítomny v dendritech a/nebo jsou obohaceny o trny ( Holt et al., 2006 Kennedy et al., 2010 Suh et al., 2010 Jurado et al., 2013). Pomocí optického reportéra k vizualizaci exocytózy v hippocampálních kulturách Kennedy et al. (2010) ukázali, že synaptická aktivita spouští povrchové dodávání AMPAR na diskrétních mikrodoménách obohacených Stx-4 umístěných bezprostředně vedle PSD (Kennedy et al., 2010). Je zajímavé, že narušení endogenní aktivity Stx-4 pomocí shRNA nebo dominantně negativního peptidu brání exocytóze AMPAR závislé na aktivitě u trnů a blokuje LTP, což naznačuje, že Stx-4 je centrální složkou postsynaptického stroje SNARE zprostředkovávající nárůst postsynaptických závislých na aktivitě síla. Tato myšlenka však byla nedávno zpochybněna elegantní studií, která systematicky analyzovala roli Stx -1, -3 a -4 a SNAP23, 25 a 47 v exocytóze AMPAR během LTP (Jurado et al., 2013 ). Pomocí specifických shRNA ke snížení exprese každého z těchto proteinů v disociovaných hippocampálních kulturách a akutních řezech autoři ukazují, že knockdown Stx-3, ale nikoli knockdown Stx-1 nebo Stx-4, inhibuje LTP a také knockdown SNAP25 a SNAP47 ale ne SNAP23 knockdown, zhoršit LTP. Zatímco během LTP se Stx-3 a SNAP-47 jeví jako kritické pro dodání GluA1 na postsynaptický povrch, pro regulaci povrchových hladin NMDAR je zapotřebí SNAP-25 (obr. 3). Rozdíly v roli Stx-4 identifikované v těchto dvou studiích je třeba vyřešit.

Vezikulární protein SNARE Synaptobrevin-2 je také postsynapticky exprimován a je nezbytný pro regulaci množství synaptických AMPAR během LTP (Lledo et al., 1998 Jurado et al., 2013). Complexin, protein, který interaguje s komplexy SNARE a reguluje exocytózu synaptických vezikulů závislých na Ca 2+ na presynaptickém konci, je nutný také pro regulované dodávání AMPAR během synaptické potenciace (Huang et al., 2000 Ahmad et al., 2012) . Pro LTP je potřebná zejména vazebná sekvence Stx-3 na komplexin, což zdůrazňuje roli interakce Stx-3 – komplexin při kontrole obchodování s AMPAR (Jurado et al., 2013). Je zajímavé, že zatímco presynaptický komplexin působí jako kofaktor pro synaptotagmin-1 (Syt-1), postsynaptický komplex nevyžaduje Syt-1 pro dodání AMPAR během LTP (Ahmad et al., 2012). Této signální dráhy by se tedy mohly zúčastnit i další postsynapticky umístěné synaptotagminové izoformy, což je možnost, kterou je ještě třeba prozkoumat. Mechanismus, který je základem exocytózy AMPAR, je zprostředkován členy komplexu SNARE, které se liší od mechanismů odpovědných za exocytózu synaptických vezikul a divergence pravděpodobně přispívá k jejich odlišným vlastnostem, včetně podstatně odlišného načasování těchto dvou exocytických událostí. K objasnění toho, jak postsynaptické SNARE a jejich interaktory spolupracují na vyladění postsynaptické síly, jsou zapotřebí další studie.

Posttranslační modifikace PSD proteinů a regulace postsynaptické síly.

PSD obsahuje velké množství proteinů lešení včetně PSD-95, AKAP79/150, GKAP a Shank. Tyto proteiny se neustále obracejí vstupem a opuštěním PSD za bazálních podmínek a v reakci na synaptickou aktivitu mechanismy zahrnujícími proteinovou fosforylaci, palmitoylaci, ubikvitinaci a degradaci proteinů zprostředkovanou proteosomem (Inoue a Okabe, 2003 Sheng a Kim, 2011). Změny ve složení PSD v konečném důsledku nastavují postsynaptickou sílu řízením ukotvení AMPAR na PSD. Nyní se obrátíme k diskusi o některých nedávných pokrokech, které zdůrazňují vznikající úlohu posttranslačních modifikací PSD proteinů při modulaci synaptické síly a plasticity.

AKAP79/150 je lešenářský protein, který interaguje s AMPAR i NMDAR prostřednictvím skafoldů guanylát kinázy (MAGUK) spojených s membránou SAP97 a PSD-95. AKAP79/150 cílí na PKA, PKC a kalcineurin za účelem regulace fosforylace AMPAR a jejího provozu (Colledge et al., 2000 Tavalin et al., 2002 Lu et al., 2007 Tavalin, 2008 Bhattacharyya et al., 2009 Jurado et al., 2010 Sanderson a Dell'Acqua, 2011). Nedávno bylo u hippocampálních neuronů ukázáno, že neuronální aktivita řídí palmitoylaci AKAP79/150, která reguluje její cílení na dendritické trny (a zvětšení páteře spojené s LTP). Je zajímavé, že prevence palmitoylace AKAP79/150 ovlivňuje recyklaci endosomů, snižuje povrchové dodání GluA1 a zhoršuje synaptickou potenciaci (Keith et al., 2012). Celkově vzato, interakce lešení AKAP79/150 (jako je odkaz na PSD-95) a jeho cílení na dendritické páteře, které je řízeno palmitoylací AKAP, pravděpodobně budou hrát roli v obousměrné modulaci postsynaptických AMPARů závislých na aktivitě ( Keith et al., 2012). Bylo by zajímavé vymezit základní mechanismy zahrnuté v tomto procesu.

Rodina GKAP proteinů lešení interaguje s doménou guanylát kinázy PSD-95 a dalšími proteiny lešení včetně Shank za vzniku sítě interagujících proteinů na PSD. Hojnost proteinů GKAP a Shank je regulována synaptickou aktivitou: zvýšení chronické aktivity podporuje ubikvitinaci a proteosomem zprostředkovanou degradaci lešení GKAP a Shank (Ehlers, 2003 Hung et al., 2010 Shin et al., 2012), zatímco nečinnost indukuje synaptická akumulace GKAP v hippocampálních neuronech (Shin et al., 2012). Obousměrné změny v synaptických hladinách GKAP závisí na souhře izoforem CaMKII: CaMKIIa kontroluje degradaci GKAP během synaptické excitace, zatímco izoforma CaMKIIβ podporuje akumulaci GKAP během synaptické neaktivity (obr. 2). Obrat GKAP je zase zásadní pro regulaci synaptických hladin PSD-95 a Shank v závislosti na aktivitě a také pro obousměrné homeostatické synaptické škálování AMPAR (Shin et al., 2012). GKAP tedy hraje důležitou roli při organizování přestavby PSD závislé na aktivitě a homeostatické plasticitě.

Konvergence hebbijských a homeostatických mechanismů při řízení postsynaptické síly.

Molekulární mechanismy, které zprostředkovávají změny v postsynaptické síle během hebbovské a homeostatické plasticity, se u některých molekul překrývají, zatímco pro jiné zůstávají odlišné. Zdá se například, že LTP zahrnuje synaptické začlenění AMPAR obsahujících GluA1 (Shi et al., 2001 Makino a Malinow, 2009, ale viz Granger et al., 2013). Podobně homeostatické zvýšení postsynaptické síly závislé na neaktivitě zahrnuje AMPAR obsahující GluA1 (Pozo a Goda, 2010 Man, 2011), ačkoli v některých případech vyžaduje začlenění AMPAR obsahujících GluA2 do synapsí (Gainey et al., 2009 Anggono a kol., 2011). Zejména PSD-95, který reguluje provoz AMPAR, je odlišně vyžadován pro LTP a synaptické škálování. Sražení PSD-95 brání kompenzačnímu navýšení postsynaptické síly, aniž by mělo vliv na indukci a časnou expresi LTP (Ehrlich et al., 2007 Sun a Turrigiano, 2011). Podobně TNF a β3 integrin také vykazují rozdílné zapojení do regulace synaptických AMPAR pro tyto dvě formy plasticity: jsou nutné pro homeostatické synaptické škálování, ale postradatelné pro LTP a LTD (Stellwagen a Malenka, 2006 Cingolani et al., 2008 McGeachie et al. (2012). Vzhledem k tomu, že může existovat více forem homeostatické modulace postsynaptické síly, a to ve spojení s odlišnými formami hebbovské plasticity, může být molekulární repertoár modulace receptoru zapojený do postsynaptické plasticity velmi složitý.

Retrográdní regulace presynaptické síly

Že pre- a postsynaptické síly jsou koordinovány způsobem závislým na aktivitě (Tokuoka a Goda, 2008) naznačují, že změny na obou stranách synapse jsou přenášeny trans-synapticky. Tuto myšlenku dále podporuje dostatečnost blokády chronických postsynaptických receptorů při modifikaci presynaptické funkce (Burrone et al., 2002 Thiagarajan et al., 2005). Jak by postsynaptická buňka mohla modulovat presynaptickou funkci? Dendrity mohou uvolňovat různé posly, kteří působí na presynaptické terminály, aby ovlivnili uvolňování neurotransmiterů (Tyler et al., 2002 Jakawich et al., 2010 Lindskog et al., 2010 Ohno-Shosaku et al., 2012). Difúzní nebo vylučovaní poslové mohou v zásadě pokrýt širokou oblast v dlouhých časových měřítcích, aby koordinovali změny v presynaptické funkci na mnoha místech uvolnění, i když některá, jako například oxid dusnatý, jsou krátkodobá. Naproti tomu adhezní proteiny synapsí přímým přemostěním pre- a postsynaptických terminálů mohly zprostředkovat cílenou modulaci presynaptické funkce vyplývající z postsynaptické aktivity na konkrétní synapse. Taková kapacita regulace specifické pro synapse může být klíčová pro koordinaci pre- a postsynaptické funkce dospělých synapsí napříč různými připojeními se sdíleným výstupem nebo vstupem. Zde zdůrazňujeme trans-synaptickou signalizaci zprostředkovanou dvěma rodinami transmembránových adhezních molekul, které regulují presynaptickou sílu: páry neuroligin – neurexin a kadheriny (obr. 4).

Neuroliginy (NLG) jsou postsynapticky umístěné synaptické adhezní molekuly, které byly nedávno zavedeny jako důležité regulátory presynaptické síly. Postsynaptickou interakcí s PSD-95 a presynapticky s β-neurexinem (Nrxn) NLG retrográdně reguluje uvolňování presynaptického neurotransmiteru (Futai et al., 2007). Důležité je, že zvýšení synaptické aktivity vede ke štěpení postsynaptického NLG-1, což způsobuje rychlou destabilizaci Nrxn1β a snížení pr in vivo (Peixoto et al., 2012 Suzuki et al., 2012). Proteázově závislé modifikace synaptických adhezních molekul proto poskytují další úroveň regulace synaptické funkce. Kdy, kde a jak se uvolňují nebo aktivují proteázy, bude v tomto ohledu důležitým bodem k vyřešení.

Nedávná studie in vivo podtrhuje důležitost NLG-1 při regulaci počtu synapsí podle aktivity způsobem závislým na kontextu (Kwon et al., 2012). Je zajímavé, že v neuronech kortikální vrstvy 2/3 není hustota funkčních synapsí určena absolutní úrovní exprese NLG1 napříč všemi pyramidovými neurony, ale relativními rozdíly v její expresi ve srovnání se sousedními neurony. To naznačuje konkurenční proces v rukou a je lákavé spekulovat, že různé úrovně aktivity by mohly dynamicky měnit množství NLG-1 buď lokálně, nebo v jednotlivých neuronech. To pak pomáhá zvyšovat pr presynaptických vstupů do neuronu exprimujícího vyšší NLG-1, což zase dále zvyšuje excitaci neuronu a jeho číslo synapsí. V souladu s takovou rolí NLG-1 při regulaci funkce synapsí zahrnující proces pozitivní zpětné vazby byl navržen NLG na podporu ukládání LTP a paměti (Kim et al., 2008 Blundell et al., 2010 Shipman a Nicoll, 2012). Roli NLG v homeostatické regulaci synaptické síly je třeba ještě určit.

Kadheriny jsou homofilně interagující molekuly buněčné adheze. Nepřímo se připojují k aktinovému cytoskeletu vazbou na β- a α-kateniny a podílejí se na změnách tvaru buněk, zapojují se také do signálních cest, které jsou dobře charakterizovány (Brigidi a Bamji, 2011). Na synapsích je komplex N-kadherin – β-katenin důležitým mediátorem funkční a morfologické plasticity. Například narušení adheze N-kadherinu blokuje LTP a zvětšení páteře související s plasticitou (Bozdagi et al., 2000, 2010). Postsynaptický N-kadherin a β-katenin se také podílejí na homeostatické adaptaci synaptické síly buněčně autonomním způsobem a přispívají k retrográdní regulaci presynaptické funkce (Okuda et al., 2007 Vitureira et al., 2012).

Nedávná studie využívající kultivované hippocampální neurony identifikovala rozdílný požadavek na postsynaptický N-kadherin a β-katenin při regulaci presynaptické síly v trans: zatímco N-kadherin je rozhodující pro regulaci bazální presynaptické síly, β-katenin má roli v úpravě presynaptické funkce po blokádě chronické aktivity. Požadavek na opakovanou oblast centrálního pásovce β-katenin v homeostatické up-regulaci presynaptické účinnosti naznačuje potenciální přínos genové transkripce v této retrográdní kontrole pr (Vitureira et al., 2012). Na rozdíl od postsynaptického β-kateninu nemá interference s postsynaptickým N-kadherinem žádný vliv na homeostatickou up-regulaci pr, ale místo toho ovlivňuje bazální pr doprovázené výrazným snížením kinetiky endocytózy synaptických vezikul (Vitureira et al., 2012). Je zvláštní, že tato transsynaptická role postsynaptického N-kadherinu se zdá nezávislá na homofilní interakci s presynaptickým N-kadherinem nebo vazbě na postsynaptický β-katenin, ale vyžaduje AMPAR obsahující GluA2 (obr. 4). Ačkoli N-kadherin a GluA2 mohou přímo interagovat prostřednictvím svých extracelulárních domén (Saglietti et al., 2007), čeká se na objasnění toho, jak spolupracují při regulaci presynaptické síly. Bylo také hlášeno, že postsynaptický N-kadherin hraje roli v trans-synaptické regulaci presynaptické síly závislé na NLG-1, i když v nezralých neuronech in vitro (Stan et al., 2010).

Celkově se zdá, že retrográdní regulace presynaptické funkce zahrnuje spolupráci mezi různými synaptickými adhezivními systémy, což umožňuje zvýšenou flexibilitu při jemném dolaďování synaptické síly související nebo vyžadované expresí různých forem synaptické plasticity.

Sladění pre- a postsynaptických sil při vyjádření synaptické plasticity

Molekulární mechanismy pro retrográdní kontrolu presynaptické síly podporují myšlenku, že pre- a postsynaptické síly se u jednotlivých synapsí shodují (Lisman et al., 2007). Nedávné studie v hippocampálních kulturách a neokortikálních řezech krys ukázaly na korelaci pr a množství postsynaptických receptorů (Tokuoka a Goda, 2008 Hardingham et al., 2010 Kay et al., 2011 Loebel et al., 2013 viz také Fisher-Lavie a Ziv, 2013). V některých případech se však znatelné přizpůsobení pre- a postsynaptických sil projeví až při zvýšené aktivitě (Tokuoka a Goda, 2008). To naznačuje, že retrográdní regulace pr který funguje za bazálních podmínek, například postsynaptickým N-kadherinem popsaným výše, nemusí sám o sobě stačit k tomu, aby odpovídal pre- a postsynaptickým silám rodících se synapsí. Spontánní aktivita by proto mohla řídit retrográdní modulaci závislou na aktivitě ve shodě s procesy zapojenými za bazálních podmínek ke koordinaci presynaptické a postsynaptické funkce.

Je zajímavé, že místo exprese dlouhodobé synaptické plasticity je často předpojato k jedné straně synapsí, například hippocampální CA1 LTP a LTD uznávají, že zahrnují primárně zvýšení nebo snížení synaptického obsahu AMPAR. To stanoví, že trvanlivé formy synaptické plasticity vytvářejí nesoulad pre- a postsynaptické funkce. Nedávná studie v disociované kultuře hippocampu sledovala změnu obratu presynaptických vezikul povrchovou biotinylací složek synaptických vezikul a současně monitorovala kvantové amplitudy, které odrážejí počet AMPAR (Xu et al., 2013). Indukce LTD závislá na mGluR doprovází pokles kvantové amplitudy usnadněnou endocytózou AMPAR a neočekávaně se paralelně zvyšuje presynaptické uvolňování. V tomto případě tedy indukce LTD jednoduše nevytváří pre- a postsynaptický nesoulad snížením postsynaptických AMPAR, ale činí to tak, že spouští také změnu presynaptické síly opačné polarity. Takové zjevné vyvažování synaptické síly mezi pre- a postsynaptickou stranou je podobné jako v předchozí zprávě s použitím kortikálních řezů morčat, kde by párově indukovaná LTD mohla být spojena se snížením kvantové amplitudy a současným zvýšením pr (Sáez a Friedlander, 2009). Vzhledem k tomu, že tyto studie byly provedeny buď v kultivačních přípravcích, nebo v mozkových řezech od mladistvých zvířat, zbývá určit, zda sklon k souběžnému vyjádření změn synaptické síly opačné polarity je vlastností jedinečnou pro rozvoj neurálních sítí. Souhrnně by použití optických měření ke studiu chování jednotlivých pre- a postsynaptických terminálů v mikroobvodu mohlo odhalit překvapivá pravidla synaptické plasticity se složenými rysy hebbijských a homeostatických vlastností, které by jinak mohly být maskovány analýzou synapsní populace.

Výhled do budoucna

Synaptická plasticita je zavedenou oblastí výzkumu neurovědy. Přesto se rychle vyvíjí, jak se prohlubuje naše chápání buněčné a molekulární regulace synaptických obvodů. Zde jsme se zaměřili na trvanlivé formy synaptické plasticity, zejména na LTP a homeostatické synaptické mechanismy plasticity, které v posledních letech přitahovaly značnou pozornost jako forma synaptické modulace, která funguje ve shodě s hebbistickou plasticitou. Nový vývoj rozšiřuje výzkum synaptické plasticity ve dvou směrech. Na jedné straně zobrazovací techniky se super rozlišením umožňují studovat vztah synapsí mezi strukturou a funkcí na úrovni nanodomén (Dani et al., 2010 Urban et al., 2011). To pomůže získat přehled například o dynamickém vztahu mezi kanály Ca 2+ a místy uvolňování synaptických vezikul v aktivní zóně (Holderith et al., 2012) a organizací postsynaptických receptorových lešení v rámci PSD (MacGillavry et al., 2013), přičemž oba jsou rozhodující pro stanovení synaptické síly. Na druhé straně rostoucí uznání asociace synaptické dysfunkce s neurologickými chorobami podporuje studie zaměřené na identifikaci synaptického základu mozkových poruch pomocí zvířecích modelů (Sheng et al., 2012 Zoghbi a Bear, 2012). V našem základním chápání synaptických obvodů však stále zůstává několik mezer. Problémem, jak se změny synaptické síly jednotlivých synapsí navzájem ovlivňují, je vztah mezi excitačními a inhibičními synapsemi, které sdílejí postsynaptický neuron (Bannai et al., 2009). Translace dendritických proteinů a její regulace mikroRNA navíc umožňují vynikající lokální kontrolu synaptické síly (Cajigas et al., 2010 Siegel et al., 2011). Objevují se také role v synaptické plasticitě pro komunikaci neuron -glia a extracelulární matrix, která propojuje mezibuněčné interakce (Dityatev et al., 2010 Frischknecht a Gundelfinger, 2012). Buněčná biologie může poskytnout velkou pomoc při postupu výzkumu synaptické plasticity.


Úvod

Výpočetní technika inspirovaná biologiemi dnes představuje hlavní výzvu na různých úrovních od vědy o materiálu, návrhu inovativních zařízení a obvodů až po informatiku. Zejména je velmi atraktivní identifikovat materiály, které mají více funkcí v různých časových intervalech, napodobit rysy viděné v mozku. V této práci navrhujeme podrobnou analýzu dynamiky odporového spínání v elektrochemických metalizačních článcích pro implementaci synaptické plasticity. Ukazujeme, jak lze stabilitu vlákna spojenou s Jouleovým efektem během přepínání použít k napodobení klíčových synaptických vlastností, jako je přechod z krátkodobého na dlouhodobý plasticitu a plasticita závislá na načasování. Kromě toho z výpočetního hlediska ukazujeme, jak lze souhru mezi těmito různými synaptickými funkcemi využít pro zpracování videa v neuromorfním obvodu založeném na špičce. Naše simulace na úrovni systému představují robustní učení a slibné synaptické operace, které dláždí cestu ke komplexním biologickým inspirovaným výpočetním systémům složeným z inovativních paměťových zařízení.

Značný výzkum se nyní zaměřuje na vývoj počítačových systémů inspirovaných bioinformacemi, které by se přiblížily výkonům mozku, pokud jde o výpočetní výkon s nízkou spotřebou energie a univerzálnost 1,2. V tomto směru bylo dosaženo působivých milníků, ale většina předvedených systémů inspirovaných mozkem spoléhá na řešení čistě CMOS a postrádá škálovatelnou implementaci synapsí, spojení mezi neurony 1,3,4. Kromě toho je v implementacích CMOS extrémně nákladné poskytovat synapse s funkcemi „plasticity“, což je klíčový mechanismus pro učení. Rozvíjející se technologie založené na konkrétních materiálech, spolu s konceptem memristoru 5,6, poskytují řešení pro kompaktní implementaci synapsí, a jsou proto rozhodujícím prvkem úspěchu elektroniky inspirované bioinformacemi 1,2,7,8. Až dosud byla taková zařízení vyvíjena ve dvou odlišných směrech. Na jedné straně je atraktivní hledat jednoduchou, ale ultra vysokou hustotu synaptické paměti. Takový výzkum může těžit z průmyslového vývoje odporové paměti s náhodným přístupem 9,10, ale neposkytuje snadný způsob implementace plasticity. Na druhé straně „biomimetický“ přístup zaměřený více dopředu má za cíl poskytnout paměti bohaté na funkce, které replikují a implementují funkce plasticity přímo 11,12,13,14,15. Některé návrhy s memristivními zařízeními úspěšně implementovaly funkce synaptické plasticity, jako je krátkodobá plasticita (STP) 11,16,17. STP byl implementován využitím těkavosti paměťového zařízení, které má tendenci se uvolňovat směrem ke svému stabilnímu stavu v krátkém časovém měřítku (od milisekundy po sekundu) po potenciaci (tj. Zvýšení vodivosti) nebo depresi (tj. Snížení vodivosti). Izolovaná krátkodobá plasticita má však omezenou výpočetní hodnotu a lze ji použít pouze pro jednoduché úkoly 18,19. Pokročilejší funkce plasticity pozorovaná u několika zařízení 12, 13, 20 odpovídá přechodu mezi krátkodobou plasticitou a dlouhodobou plasticitou (LTP). Slabá potenciace má za následek relaxaci vodivosti v krátkém časovém měřítku (ekvivalent STP), zatímco silnější potenciace má za následek pomalejší relaxaci (nebo dokonce absenci relaxace) související s LTP. Tento účinek byl pozorován, když relaxace vodivosti (tj. Těkavost) byla závislá na dosažení stavu vodivosti po potenciaci. Pokud však tato vlastnost může připomínat koncept konsolidace paměti, zůstává z hlediska praktických aplikací omezená. Na druhé straně je synaptická plasticita podobná hebbovštině považována za základ pro vývoj komplexních výpočetních funkcí. V tomto případě korelace aktivity před a po neuronech definuje synaptickou změnu. Jedním z nejtypičtějších učebních mechanismů podobných hebbštině je Spike Timing Dependent Plasticity (STDP). Spočívá v modifikaci synaptické vodivosti v závislosti na časování špiček (tj. Časové korelaci) pre a post neuronů, ke kterým je připojena synapse 21. Ve většině návrhů s memristivními zařízeními je STDP implementován se sofistikovanými překrývajícími se programovacími impulsy, které uměle implementují časovou vzdálenost mezi pre a post pulsy 2,14,15,22,23. Pouze několik materiálů zobrazuje vnitřní fyziku, kde vnitřní spínací dynamika vede k charakteristikám STDP 24,25. V těchto přístupech je časová korelace zajištěna efekty časové prodlevy po přepínací události kódující časovou vzdálenost mezi událostmi před a po. Vzhledem k tomu, že tyto přístupy nevyžadují specifický a komplexní návrh pulzů, výrazně snižuje složitost celého obvodu a nabízí slibné strategie pro biorealistickou implementaci neuronálního okruhu pomocí nanozařízení. STDP nicméně modeluje jen malý zlomek chování biologických synapsí. Spojení STDP s jinými efekty plasticity bylo zkoumáno v ref. 26 a zlepšilo by to výpočetní schopnosti biologicky inspirovaných neuronálních systémů. Právě tomu se věnujeme v tomto příspěvku. Experimentálně identifikujeme materiál poskytující vnitřní STDP a další mechanismy plasticity a zkoumáme počítačovou simulací, jak to lze využít pro výpočetní techniku.

Mezi velkým panelem nově se objevujících paměťových technologií se zaměřujeme na články 27 elektrochemické metalizace (ECM) 27 založené na Ag2S iontový vodič. Buňky ECM prokázaly nejmodernější výkon pro paměťové aplikace 28, ale nejzajímavější je, že poskytují dynamické chování, které umožňuje implementaci biologicky inspirovaných funkcí, jako je krátkodobá a dlouhodobá plasticita 12. Prostřednictvím tohoto článku navrhujeme podrobnou analýzu dynamiky spínání v článcích ECM s vláknovým přepínáním, která kombinuje růst vlákna a relaxaci s efektem druhého řádu, jako je ohřev Joule během přepínání. Ukazujeme, že tyto dva fyzické mechanismy mohou vést k souhře mezi přechodem z krátkodobé na dlouhodobou paměť a chováním STDP. Navrhli jsme bioinspirovaný model, který může kvalitativně popsat různé plastové prvky. Prostřednictvím simulací na úrovni systému založených na navrhovaném modelu konečně ukazujeme, jak lze souhru těchto různých synaptických funkcí využít pro dynamické pohybové učení, pro aplikaci pro učení konceptu.


DISKUSE

Posttranslační modifikace mohou dramaticky změnit funkci a interakce cytosolických proteinů a pravděpodobně přispějí k třídění proteinů. To je zvláště důležité pro vysoce polarizované buňky, jako jsou neurony. Poučným příkladem je GAP43, který je syntetizován na volných ribozomech v těle neuronálních buněk, je citlivý na fosforylaci a lipidaci a silně se obohacuje na špičkách rozšiřujících se neuritů. Abychom prozkoumali, jak fosforylace a lipidace zprostředkovávají třídění GAP43, použili jsme kombinaci biochemických, genetických a zobrazovacích přístupů. Naše výsledky jsou shrnuty na obrázku 9 a demonstrují komplexní souhru fosforylace a palmitoylace při cílení a třídění GAP43 plazmatickou membránou. Zejména jsme ukázali, že 1) fosforylace na Ser-41 směruje palmitoylovaný GAP43 na plazmatickou membránu, 2) asociace plazmatické membrány snižuje difúzi GAP43 v těle buňky a neuritickém hřídeli a 3) S-palmitoylační značky GAP43 pro globální třídění podle navození piggybackingu na exocytických vezikulách. Dále jsme ukázali, že asociace plazmatické membrány vykazuje absolutní požadavek na palmitoylaci a že palmitoylací zprostředkované třídění na růstový kužel je zvýšeno membránovou reakcí zprostředkovanou fosforylací.

Schematické znázornění shrnující naše výsledky, demonstrující souhru fosforylace (P) a palmitoylace (L) při cílení a třídění GAP43 na plazmatickou membránu. Data ukazují, že fosforylace na Ser-41 slouží jako přepínač k regulaci lokální difúze indukcí asociace lipidovaného GAP43 s plazmatickou membránou, zatímco palmitoylace značí frakci proteinů pro globální třídění indukcí piggybackingu na exocytických vezikulách.

Předchozí výsledky a naše data naznačují důležitou roli lipidace při třídění GAP43. Je však stále předmětem diskuse, do jaké míry je GAP43 palmitoylován v nervových buňkách. Předchozí hmotnostní spektroskopická studie uváděla překvapivě nízkou stechiometrii palmitoylace a zjistila, že v buňkách PC12 je lipidováno pouze �% z celkového GAP43 (Liang et ਊl., 2002). Je však třeba vzít v úvahu, že přímá analýza palmitoylace je obtížná, týkající se chemického přežití thioesterově vázané acylové skupiny a potenciální ztráty modifikace během izolace v důsledku přítomnosti depalmitoylas. Tyto problémy mohou zkreslovat detekci nepalmitoylovaného versus palmitoylovaného GAP43 a mohly by argumentovat pro vyšší palmitoylační stechiometrii. Ve skutečnosti jiná studie nenašla důkaz volných cysteinů v GAP43, což naznačuje vysokou stechiometrii palmitoylace (Skene a Virag, 1989). Ve stejné studii bylo prokázáno, že GAP43 v izolovaných růstových čípcích může být značen [3H] palmitátem, což argumentuje dynamikou lokální palmitoylace/depalmitoylace. Palmitoylace GAP43, podobně jako u PSD-95, by tedy mohla být dynamická a potenciálně podléhat cyklům přidávání a odebírání (Kang et ਊl., 2004). S ohledem na požadavek lipidace pro asociaci plazmatické membrány bylo navrženo, že jakmile proběhne počáteční vazba, palmitátové řetězce již nemusí být potřeba a mohou být odstraněny (Linder a Deschenes, 2003), což by mohlo vysvětlit přítomnost membránová asociace navzdory potenciálně nízké obecné úrovni palmitoylace. Je však třeba poznamenat, že naše frakcionační experimenty, které demonstrují vazbu GAP43 po promytí při vysokém pH, o kterém je známo, že odstraňuje periferně vázané proteiny, argumentují ve prospěch lipidové –lipidové interakce palmitoylovaného proteinu.

Předchozí elektronové mikroskopické studie odhalily, že většina GAP43 je spojena s plazmatickou membránou a že pouze �% GAP43 je spojeno s vezikulami (Verkade et ਊl., 1996b). To klade otázku, jak se GAP43 zařazuje do distálního procesu za podmínek, kdy je v ustáleném stavu lokalizována ve váčcích pouze menšina.Ukázali jsme, že podmínky, které blokují transport vezikulů nebo ruší palmitoylaci, zabraňují distálnímu toku GAP43, což naznačuje transport palmitoylovaného GAP43 zprostředkovaný vezikulami. Mikroskopie TIRF potvrdila translokaci frakce GAP43 s jednotlivými exocytickými vezikulami, pravděpodobně prostřednictvím mechanismu piggybackingu. Zajímavé je dokonce i převážně cytoplazmatický fosfoblokovací konstrukt GAP43 (GAP43S41A) vykazovaly membránovou vazbu a určité obohacení s periferií, což naznačuje, že samotná lipidace indukovala slabou interakci plazmatické membrány, která postačuje pro piggybacking. Náš simulační přístup odhalil, že zlomek pouhých 10% molekul podstupujících rychlý axonální transport byl dostatečný k simulaci experimentálních dat pro třídění GAP43 do růstového kužele. I při velmi nízké úrovni palmitoylace nebo slabé interakce plazmatické membrány v ustáleném stavu lze tedy očekávat účinné třídění na růstové kužely. Je pozoruhodné, že transport nebyl závislý na fosforylaci Ser-41, ale zvýšil se, když byla fosforylace možná, což naznačuje, že výměna zprostředkovaná vazbou mezi plazmatickou membránou a cytoplazmatickým stavem zvyšuje účinnost třídění.

Ukázali jsme, že fosforylace na Ser-41 je nutná pro asociaci palmitoylovaného GAP43 v plazmatických membránách v neuronálních buňkách. Jak však fosforylace ovlivňuje asociaci membrány, není jasné. Vazba GAP43 na plazmatickou membránu se zdá být zprostředkována kombinací elektrostatických interakcí a lipidace. Předchozí výsledky naznačovaly, že do membránové interakce jsou zapojeny tři základní zbytky (Arg-6, Arg-7 a Lys-9) (Denny, 2006) a palmitoylace by mohla pomoci tyto zbytky sladit s membránou. GAP43 je fosforylován PKC na Ser-41, což je jediné místo PKC a nachází se v doméně IQ (aminokyseliny 30 �), extrémně základní jednotka s α-helikální sekundární strukturou (Coggins a Zwiers, 1989) . Fosforylace na Ser-41 narušuje strukturu domény IQ, což vede ke konformační změně proteinu (Trenchi et ਊl., 2009). Bylo ukázáno, že fosforylace Ser-41 ovlivňuje vazbu domény IQ na kalmodulin (Chapman et ਊl., 1991 Coggins a Zwiers, 1989) a indukuje uvolňování kalmodulinu z GAP43, což může umožňovat asociaci membrány. Na druhé straně může defosforylace indukovat vazbu kalmodulinu a následné uvolnění z membrány. Kromě toho bylo ukázáno, že GAP43 se přímo váže na kyselé fosfolipidy, včetně lipidů fosfoinositidu (PI), elektrostatickou interakcí prostřednictvím své domény IQ, která může vést k interakci plazmatické membrány (Houbre et ਊl., 1991 Laux et ਊl., 2000). Očekává se však, že fosforylace Ser-41 oslabí interakci membrány, což je opačné k našemu pozorování a znamenalo by to, že elektrostatická interakce s PI lipidy není přímo zodpovědná za asociaci GAP43 indukovanou fosforylací plazmatické membrány. Je také možné, že fosforylace Ser-41 hraje roli v regulaci dynamiky palmitoylace/depalmitoylace GAP43, možná blokováním interakce s domnělou depalmitoylázou. Alternativně by fosforylace mohla zlepšit interakci membrány tím, že by vedla ke zvýšené palmitoylaci. Nezaznamenali jsme rozdíl v úrovni palmitoylace převážně cytosolického fosfoblokačního mutanta (GAP43S41A) a GAP43wt, které by mohly argumentovat proti scénáři, ve kterém fosforylace reguluje interakci membrány prostřednictvím změn na úrovni palmitoylace.

Zjistili jsme, že asociace plazmatické membrány měla hlavní vliv na lokální mobilitu GAP43, jak ukazuje změna čtyřnásobné difúzní konstanty. Změny v rozsahu fosforylace na Ser-41 mají tedy potenciál ovlivnit místní mobilitu GAP43 časově a prostorově definovaným způsobem. Je známo, že PKC fosforyluje GAP43 na Ser-41 a že fosforylaci tohoto zbytku lze stimulovat chemotrofními faktory a molekulami adheze buněk (Meiri et ਊl., 1991). Fosforylovaný Ser-41 pak může být defosforylován fosfatázami nezávislými na Ca 2+ typu 1 a 2A a kalcineurinem závislým na vápníku/kalmodulinu závislým na fosfatáze. Fosforylace/defosforylace GAP43 na Ser-41 by tedy mohla poskytnout fyziologický mechanismus k regulaci pohyblivosti GAP43 v reakci na extracelulární podněty. Na druhé straně by narušení dynamiky fosforylace na Ser-41 mohlo přispět k abnormální lokalizaci a chování GAP43. Ve skutečnosti existují důkazy, že translokace PKC je narušena během stárnutí a u několika neurodegenerativních onemocnění (Pascale et ਊl., 2007) a že hladina PKC je snížena o 50% v částicových (tj. Domněle membránových) frakcích Alzheimerovy choroby (AD) oproti kontrolním mozkům (Cole et ਊl., 1988). To by mohlo vysvětlit, proč je GAP43 spojený s membránou redukován v oblastech degenerace u pacientů s AD (Martzen et ਊl., 1993). Je však třeba určit, zda mislokalizace GAP43 zprostředkovaná fosforylací přímo přispívá k neurodegeneraci nebo představuje vedlejší účinek narušené kinetiky fosforylace/defosforylace.


Domény bohaté na cholesterol

1. Úvod

Neuritické plaky a neurofibrilární spleti v mozku jsou charakteristickými neuropatologickými rysy Alzheimerovy choroby (AD). Amyloidní beta protein (Ap) je primární složkou neuritických plaků. Ap je dlouhý 39–43 aminokyselinových zbytků a je částečně odvozen z transmembránové oblasti amyloidního prekurzorového proteinu (APP) [1,2]. Pozorování, že Ap byl neurotoxický v buňkách, poskytl první důkaz, že Ap by mohl být přímo zapojen do neurodegenerace u jedinců s AD [3,4]. Souběžně bylo navrženo, aby počáteční patofyziologie indukovaná Ap obsahovala změny ve struktuře a funkci membrány [5,6]. Následně proběhla rozsáhlá řada studií o účincích Ap na membrány a funkci buněk (přehled v odkazech [1,7,8]). Mezi Ap a membránami určitě existuje fyzikálně-chemická interakce, mimo jiné včetně změn tekutosti, vazby na membrány a lipidů včetně cholesterolu. Většina studií zkoumajících účinky Ap na membrány se zabývala změnami tekutosti, ale neexistuje shoda na účincích Ap na tekutost membrány a v tomto přehledu bude diskutováno vysvětlení této nedostatečné konzistence.

Cholesterol je důležitou složkou membrán a existuje stále více údajů o Ap a cholesterolu a spojuje poruchy v homeostáze cholesterolu s AD. Sparks a kol. [9] byli jednou z prvních skupin, které navrhly možné spojení mezi cholesterolem a AD. Zjistili, že pacienti s kritickým onemocněním koronárních tepen také vykazovali ukládání Ap podobné tomu, které bylo pozorováno u pacientů s AD. Následná práce této skupiny ukázala, že diety s vysokým obsahem cholesterolu u králíků indukovaly akumulaci Ap v mozku [10]. Spojení cholesterolu a AD bylo také naznačeno přítomností alely apolipoproteinu E4 a výskytem AD [11]. ApoE je apolipoprotein, který transportuje cholesterol a jedinci s alelou apoE4 mají větší riziko rozvoje AD ve srovnání s jedinci s alelami apoE2 nebo -3. Dalším posilováním asociace mezi cholesterolem a AD jsou nedávné epidemiologické údaje, které ukazují, že prevalence AD ​​je u pacientů užívajících statiny snížena [12,13]. Výsledky experimentálních studií in vivo a in vitro poskytují další a důležitou podporu pro roli cholesterolu v AD.

Navzdory velkému množství údajů o cholesterolu a AD existuje několik hlavních problémů, které zůstávají neřešeny, pokud jde o úlohu cholesterolu v AD, a tyto problémy budou zkoumány v tomto článku. Například existuje jen malá nebo žádná shoda v tom, že celkový nebo hromadný cholesterol v mozku se u pacientů s AD mění. Změny v doménách cholesterolu mohou být u AD důležité na rozdíl od změn hromadného cholesterolu. Mechanismy účinku statinů v mozku nejsou dobře známy a ne všechny statiny jsou stejně účinné. Existují údaje, které ukazují, že cholesterol může ve skutečnosti inhibovat působení Ap. Účelem tohoto přehledu je prodiskutovat: (1) údaje o působení Ap na membrány (2) roli, kterou hraje cholesterol v dynamice Ap a AD a (3) doménách cholesterolu a Ap. Tento přehled se zaměřuje na membrány a cholesterol, ale je důležité poukázat na to, že kromě cholesterolu interagují s Aβ i jiné lipidy (gangliosidy, fosfolipidy, mastné kyseliny) a tyto lipidy mohou být také zásadní v patogenezi AD [14–21].