Синаптическая пластичность

Синаптическая пластичность — это свойство синапсов изменять эффективность передачи нервных импульсов под влиянием активности, лежащее в основе обучения, памяти и адаптации нервной системы к изменяющимся условиям. Данное свойство выражается в долговременном или кратковременном усилении (потенциации) или ослаблении (депрессии) синаптической передачи, что приводит к изменению силы связи между нейронами. Синаптическая пластичность является фундаментальным механизмом нейропластичности — способности мозга reorganizовывать свои структуры и функции.

История изучения

Концепция синаптической пластичности начала формироваться в конце XIX — начале XX века. Испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль, создавший нейронную доктрину, предположил, что память может быть связана с изменениями в контактах между нейронами. В 1949 году канадский психолог Дональд Хебб в книге «Организация поведения» сформулировал постулат, известный как «правило Хебба»: «Если аксон клетки А находится достаточно близко, чтобы возбуждать клетку Б, и повторно или постоянно участвует в её активации, то в одной или обеих клетках происходит метаболический процесс роста, повышающий эффективность А как одной из клеток, активирующих Б». Это стало теоретической основой для понимания синаптической пластичности.

Экспериментальное подтверждение гипотезы Хебба пришло в 1973 году, когда Тимоти Блисс и Терье Лёмо (Терье Лёмо) в опытах на кроликах впервые описали долговременную потенциацию (ДВП) в гиппокампе. Они показали, что после высокочастотной стимуляции синапсов их эффективность сохранялась на повышенном уровне в течение нескольких часов и даже дней. В 1980-х годах были открыты механизмы долговременной депрессии (ДВД), а также выявлена роль NMDA-рецепторов в индукции ДВП. В последующие десятилетия исследования синаптической пластичности стали одной из центральных областей нейробиологии, что привело к пониманию молекулярных, клеточных и сетевых механизмов обучения.

Классификация

Синаптическая пластичность классифицируется по нескольким критериям: по длительности эффекта, по направлению изменения, по механизму индукции и по локализации.

По длительности

Кратковременная пластичность — изменения синаптической передачи, длящиеся от миллисекунд до нескольких минут. Включает синаптическую фасилитацию (усиление), депрессию и посттетаническую потенциацию. Обычно связана с временными изменениями концентрации кальция в пресинаптическом окончании или модификацией высвобождения нейромедиатора.
Долговременная пластичность — изменения, сохраняющиеся от минут до часов, дней и даже лет. Включает долговременную потенциацию (ДВП) и долговременную депрессию (ДВД). Требует синтеза новых белков и структурных перестроек синапса.

По направлению изменения

Потенциация — усиление синаптической передачи. Примеры: долговременная потенциация (ДВП), кратковременная фасилитация.
Депрессия — ослабление синаптической передачи. Примеры: долговременная депрессия (ДВД), кратковременная депрессия.

По механизму индукции

Гомосинаптическая пластичность — изменения, возникающие в том же синапсе, который подвергается стимуляции.
Гетеросинаптическая пластичность — изменения, возникающие в синапсах, не подвергавшихся стимуляции, но находящихся вблизи активных синапсов.
Ассоциативная пластичность — изменения, требующие одновременной активности пре- и постсинаптического нейрона (по правилу Хебба).

По локализации

Пресинаптическая пластичность — изменения в механизмах высвобождения нейромедиатора из пресинаптического окончания.
Постсинаптическая пластичность — изменения в чувствительности постсинаптических рецепторов или в количестве рецепторов на мембране.
Структурная пластичность — изменения в морфологии синапса (образование новых дендритных шипиков, их ретракция, изменение размера активной зоны).

Молекулярные и клеточные механизмы

Долговременная потенциация (ДВП)

Наиболее изученным примером синаптической пластичности является ДВП в гиппокампе, особенно в синапсах между пирамидными нейронами поля CA1 и коллатералями Шаффера. Ключевую роль в индукции ДВП играют NMDA-рецепторы (N-метил-D-аспартатные рецепторы), которые являются ионотропными рецепторами глутамата. В состоянии покоя NMDA-рецепторы блокированы ионами магния. Для их активации необходимо одновременное выполнение двух условий: связывание глутамата, высвобождаемого пресинаптическим нейроном, и деполяризация постсинаптической мембраны, что вытесняет магниевый блок. Деполяризация достигается за счёт активации AMPA-рецепторов (α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионатные рецепторы), которые также связывают глутамат и пропускают ионы натрия.

При достаточно сильной и длительной стимуляции (например, высокочастотная стимуляция 100 Гц) происходит активация NMDA-рецепторов, что приводит к притоку ионов кальция в постсинаптический нейрон. Повышение концентрации кальция запускает каскад внутриклеточных сигнальных путей, включая активацию кальций-кальмодулинзависимой протеинкиназы II (CaMKII), протеинкиназы A (PKA) и протеинкиназы C (PKC). Эти киназы фосфорилируют AMPA-рецепторы, увеличивая их проводимость, а также способствуют встраиванию дополнительных AMPA-рецепторов в постсинаптическую мембрану. Это усиливает ответ на последующее высвобождение глутамата.

На поздних стадиях ДВП (L-LTP — late-phase LTP) требуется синтез новых белков, в том числе с участием цАМФ-зависимого транскрипционного фактора CREB (cAMP response element-binding protein). Происходит структурная перестройка синапса: увеличение размера и количества дендритных шипиков, образование новых синапсов.

Долговременная депрессия (ДВД)

ДВД индуцируется при низкочастотной стимуляции (например, 1 Гц) или при слабой активации синапсов. В отличие от ДВП, при ДВД приток кальция через NMDA-рецепторы или метаботропные глутаматные рецепторы (mGluR) является меньшим и более длительным. Это активирует фосфатазы, такие как кальцинейрин и протеинфосфатаза 1 (PP1), которые дефосфорилируют AMPA-рецепторы, снижая их проводимость, и вызывают эндоцитоз AMPA-рецепторов, уменьшая их количество на мембране. Таким образом, синаптическая передача ослабляется.

Кратковременная пластичность

Кратковременные изменения синаптической передачи связаны с динамикой высвобождения нейромедиатора. При высокой частоте стимуляции происходит накопление кальция в пресинаптическом окончании, что приводит к увеличению вероятности высвобождения везикул (фасилитация). При истощении пула везикул, готовых к высвобождению, возникает кратковременная депрессия. Посттетаническая потенциация возникает после серии высокочастотных стимулов и связана с остаточным кальцием.

Значение и применение

Обучение и память

Синаптическая пластичность считается основным клеточным механизмом обучения и формирования памяти. ДВП рассматривается как модель консолидации памяти на уровне синапсов. Например, в гиппокампе ДВП необходима для пространственной памяти и формирования эпизодических воспоминаний. Нарушения синаптической пластичности связывают с когнитивными расстройствами, такими как болезнь Альцгеймера, шизофрения и умственная отсталость.

Развитие нервной системы

В процессе развития синаптическая пластичность играет ключевую роль в «обрезке» (прунинге) синапсов — устранении избыточных и укреплении функционально значимых связей. Это происходит в так называемые критические периоды развития, когда нейронные сети наиболее чувствительны к внешним воздействиям.

Нейрореабилитация

Понимание механизмов синаптической пластичности используется в реабилитации после инсультов и травм мозга. Принципы пластичности лежат в основе методов стимуляции, направленных на восстановление утраченных функций, например, транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) и транскраниальной электрической стимуляции (tDCS).

Искусственный интеллект и нейроморфные вычисления

Идеи синаптической пластичности, особенно правило Хебба, легли в основу моделей обучения в искусственных нейронных сетях, включая сети с обратным распространением ошибки и спайковые нейронные сети (SNN). В нейроморфных процессорах реализуются аппаратные аналоги синаптической пластичности для создания энергоэффективных вычислительных систем.

Интересные факты

В мозге человека насчитывается около 100 триллионов синапсов, каждый из которых может изменять свою эффективность.
ДВП может сохраняться в срезах мозга in vitro до нескольких часов, а в живом организме — до нескольких месяцев.
Существует явление «синаптической метапластичности» — способность синапса изменять свою способность к последующей пластичности в зависимости от предшествующей активности.
Нарушения синаптической пластичности считаются одним из ключевых механизмов развития наркотической зависимости, когда дофаминовые пути мозга «запоминают» стимулы, связанные с употреблением вещества.

Источники

Bliss, T. V. P., & Lømo, T. (1973). Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. The Journal of Physiology, 232(2), 331–356.
Hebb, D. O. (1949). The Organization of Behavior: A Neuropsychological Theory. Wiley.
Malenka, R. C., & Bear, M. F. (2004). LTP and LTD: an embarrassment of riches. Neuron, 44(1), 5–21.
Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of Neural Science (5th ed.). McGraw-Hill.
Citri, A., & Malenka, R. C. (2008). Synaptic plasticity: multiple forms, functions, and mechanisms. Neuropsychopharmacology, 33(1), 18–41.
Bear, M. F., Connors, B. W., & Paradiso, M. A. (2016). Neuroscience: Exploring the Brain (4th ed.). Wolters Kluwer.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →